WO2012148093A2 - 관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택 - Google Patents

관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a tubular solid oxide fuel cell connection material and a tubular solid oxide fuel cell stack including the same. More particularly, the present invention relates to a tubular solid oxide fuel cell connection material for electrically connecting a plurality of tubular solid oxide fuel cells and a tubular solid oxide fuel cell stack including the same.
  • the solid oxide fuel cell generally called the third generation fuel cell, has been developed late than the phosphate fuel cell (PAFC) and the molten carbonate fuel cell (MCFC), but due to the rapid development of materials technology, It is expected to be put to practical use in the near future, and in order to put the practical use of solid oxide fuel cell, developed countries are putting much effort into basic research and development of large-scale technology.
  • PAFC phosphate fuel cell
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • a solid oxide fuel cell is a fuel cell that operates at a high temperature of about 600 to 1000 ° C., which is the most efficient and low pollution among various types of fuel cells, and that multiple generations are possible without requiring a fuel reformer. It has advantages.
  • Such solid oxide fuel cells can be classified into cylindrical and flat plates.
  • the flat solid oxide fuel cell has the advantage of higher power density of the stack itself than the cylindrical one, but it is difficult to manufacture a large-area fuel cell due to problems of gas sealing and thermal shock due to thermal equilibrium coefficient difference between materials.
  • Cylindrical solid oxide fuel cells may be classified into a cathode support type and an anode support type.
  • raw materials such as La and Mn used in the cathode are very expensive, and it is difficult to manufacture LMS (LSM, LaSrMnO 3 ), which increases the production cost of the fuel cell, and serves as a support. Since the cathode is made of ceramic itself, it is pointed out that the mechanical strength of the unit cell is low, so it is weak.
  • an anode support type solid oxide fuel cell using an anode as a support has been developed.
  • the anode support of the tubular form used in the anode support type solid oxide fuel cell satisfies the required characteristics as the electrode as well as the support, and has low reactivity between the support and the electrolyte layer, which enables co-sintering, and its mechanical strength is high and stable.
  • a fuel cell stack can be constructed. In order to generate high power using a cylindrical solid oxide fuel cell, a stack of cylindrical solid oxide fuel cells must be constructed. In order to form a stack of cylindrical solid oxide fuel cells, it is necessary to develop a connection material for electrically connecting each unit cell.
  • One object of the present invention is to provide a connecting material for a tubular solid oxide fuel cell for electrically connecting the tubular solid oxide fuel cells.
  • Another object of the present invention is to provide a stack of tubular solid oxide fuel cells including the above connecting material.
  • the connecting member for a solid oxide fuel cell is sequentially stacked on top of the first electrode so that both ends of the tubular first electrode, the both ends of the first electrode is formed with a flow path therein; And a conductive body electrically connecting the solid oxide fuel cells having the electrolyte and the second electrode to each other.
  • the conductive body portion includes a first electrode contact groove and a second electrode contact groove.
  • the first electrode contact groove is formed to receive at least a portion of the first electrode portion and the second electrode exposed in the first solid oxide fuel cell on the upper surface of the body portion, the first electrode of the first solid oxide fuel cell Is electrically connected to the
  • the second electrode contact groove is formed to receive at least a portion of the first electrode portion and the second electrode exposed in the second solid oxide fuel cell on the lower surface of the body portion, the second electrode of the second solid oxide fuel cell Is electrically connected to the
  • the first electrode contact groove may include an electrode contact part and an electrode accommodating part.
  • the electrode contact portion may have a semi-circular cross section of a first diameter and accommodate the exposed first electrode of the first solid oxide fuel cell.
  • the electrode accommodating part has a semi-circular cross section of a second diameter larger than the first diameter, and may accommodate the second electrode of the first solid oxide fuel cell.
  • An insulating film may be formed in the electrode accommodating part.
  • the second electrode contact groove may have a semi-circular cross section of a third diameter that is the same as or smaller than the second diameter.
  • the body portion may further include a first through hole and a second through hole.
  • the first through hole may be formed to penetrate the body, and may be connected to a first end of the adjacent first electrode contact groove and a first end of the second electrode contact groove.
  • the first through hole may be formed to penetrate the body portion, and may be connected to a second end of the adjacent first electrode contact groove and a second end of the second electrode contact groove.
  • the body portion may further include a third through hole formed to penetrate the body portion at a portion where at least a portion of the second electrodes of the first and second solid oxide fuel cells are located.
  • the body portion may further include an electrode contact bar formed to connect opposite ends of the third through hole and electrically connected to the second electrode of the second tubular solid oxide fuel cell. Can be.
  • the solid oxide fuel cell stack may include the first and second solid oxide fuel cell and the intermediate connecting material.
  • Each of the first and second solid oxide fuel cells may include a tubular first electrode having a flow path formed therein, an electrolyte and a second electrode sequentially stacked on the first electrode so that both end portions of the first electrode are exposed.
  • the intermediate connector has a first body contact groove for accommodating the first solid oxide fuel cell on an upper surface thereof, and a first body portion on which a second electrode contact groove for accommodating the second solid oxide fuel cell is formed on a lower surface thereof. It can be provided.
  • the first electrode contact groove may be electrically connected to the exposed first electrode portion of the first solid oxide fuel cell by receiving at least a portion of the exposed first electrode portion and the second electrode of the first solid oxide fuel cell. have.
  • the second electrode contact groove may be electrically connected to a second electrode of the second solid oxide fuel cell by receiving an exposed first electrode portion and at least a portion of the second electrode of the second solid oxide fuel cell.
  • the solid oxide fuel cell stack may further include an upper connector and a lower connector.
  • the upper connection member includes a second body part accommodating the first solid oxide fuel cell together with the first electrode contact groove and having a third electrode contact groove electrically connected to a second electrode of the first solid oxide fuel cell. can do.
  • the lower connection member includes a third body part accommodating the second solid oxide fuel cell together with the second electrode contact groove and having a fourth electrode contact groove electrically connected to the first electrode of the second solid oxide fuel cell. can do.
  • the first body portion may include a first through hole connected to inner passages of the first and second solid oxide fuel cells, and the second body portion may be connected to the first through hole. It includes a first gas groove, the third body portion may include a second gas groove connected to the first through hole and a first gas inlet for injecting a first gas into the second gas groove.
  • the first body portion may include a second through hole formed at a position where the second electrodes of the first and second solid oxide fuel cells are disposed, and the second body portion is a third gas connected to the second through hole.
  • the third body part may include a fourth gas groove connected to the second through hole and a second gas injection hole for injecting a second gas into the fourth gas groove.
  • the solid oxide fuel cell stack may be disposed between the intermediate connector and the upper connector, and between the intermediate connector and the lower connector. It may further include a second insulating member disposed to insulate the intermediate connecting member and the lower connecting member.
  • the tubular solid oxide fuel cell in the electrode contact groove formed in the connecting material, it is possible to form a stable solid oxide fuel cell stack.
  • the solid oxide fuel cell stack that is easily sealed may be formed.
  • the connection material in the case of forming the solid oxide fuel cell stack using the connection material according to the embodiments of the present invention, not only an additional configuration for current collection is required, but also a stack assembly process may be simplified.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a solid oxide fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the tubular solid oxide fuel cell illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 3 and 4 are perspective views for explaining the intermediate connecting member shown in FIG.
  • FIG. 5 is a perspective view for explaining the upper connecting member shown in FIG.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating the lower connecting member illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 7 and 8 are perspective views illustrating an intermediate connector applied to the solid oxide fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9 and 10 are perspective views illustrating an intermediate connector applied to a solid oxide fuel cell stack according to Embodiment 3 of the present invention.
  • 11 and 12 are perspective views illustrating an intermediate connector applied to a solid oxide fuel cell stack according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 13 and 14 are perspective views illustrating an intermediate connector applied to a solid oxide fuel cell stack according to Embodiment 5 of the present invention.
  • tubular solid oxide fuel cell connection member and a tubular solid oxide fuel cell stack including the same in accordance with an embodiment of the present invention.
  • inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
  • similar reference numerals are used for similar elements.
  • the dimensions of the structures are shown in an enlarged scale than actual for clarity of the invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a solid oxide fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the tubular solid oxide fuel cell illustrated in FIG. 1.
  • 3 and 4 are perspective views illustrating the intermediate connecting member shown in FIG. 1
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating the upper connecting member shown in FIG. 1
  • FIG. 6 illustrates the lower connecting member illustrated in FIG. 1.
  • perspective view For perspective view.
  • the solid oxide fuel cell stack 1000 may include an upper connecting member 20, a lower connecting member 30, and an upper connecting member 20 and a lower connecting member 30. At least one intermediate connector 100, at least one first tubular solid oxide fuel cell 10a disposed between the upper connector 20 and the intermediate connector 100, the lower connector 30 and the intermediate connector ( At least one second tubular solid oxide fuel cell 10b disposed between the two.
  • tubular solid oxide fuel cell includes a solid oxide fuel cell of any shape whose cross section forms a closed loop.
  • tubular solid oxide fuel cell includes not only a cylindrical solid oxide fuel cell having a circular cross section, but also a solid oxide fuel cell having a elliptical cross section and a flat solid oxide fuel cell. Phosphorus solid oxide fuel cells are also included.
  • the tubular solid oxide fuel cell 10 has a tubular first electrode 11 having an internal flow path formed therein, an electrolyte 13 and an electrolyte 13 stacked on the first electrode 11. ) May include a second electrode 15 stacked on the upper portion.
  • the electrolyte 13 may be formed of an oxygen ion conductive material.
  • the electrolyte 13 is Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ), (La, Sr) (Ga, Mg) having high ion conductivity, stability in an oxidation-reduction atmosphere, and excellent mechanical properties. It may be formed of a ceramic material such as O 3 , Ba (Zr, Y) O 3, GDC (Gd doped CeO 2 ), YDC (Y 2 O 3 doped CeO 2 ), and the like.
  • the tubular first electrode 11 having a flow path formed therein may be a fuel electrode
  • the second electrode 15 stacked on the electrolyte 13 may be an air electrode
  • the tubular solid oxide fuel cell 10 may be a cathode support solid oxide fuel cell.
  • the fuel gas may be supplied through the inner flow path of the anode
  • the air containing oxygen may be supplied through the surface of the cathode, which is the outer layer.
  • Hydrogen (H 2 ) may be used as the fuel gas supplied to the internal flow path of the anode. Hydrogen (H 2 ) supplied through the inner flow path of the anode moves to a portion adjacent to the electrolyte 13 through the inside of the anode.
  • the air supplied to the cathode produces oxygen ions through a reduction reaction of oxygen.
  • Oxygen ions generated in the air electrode move to the fuel electrode through the electrolyte 13, and electrical energy is generated by the reaction of the oxygen ions transferred to the fuel electrode with hydrogen supplied to the fuel electrode.
  • the anode may be formed in a porous structure using a mixture of yttria-stabilized zirconia (YSZ) and nickel (Ni) so that hydrogen (H 2 ) may move through the inside of the anode.
  • the cathode may be formed in a porous structure using LSM (Lanthanum strontium manganite), LSCF (Lanthanum strontium cobalt ferrite), or the like so that oxygen may move through the cathode.
  • LSM Lanthanum strontium manganite
  • LSCF lanthanum strontium cobalt ferrite
  • La lanthanum
  • Sr strontium
  • Co cobalt
  • Fe iron
  • the tubular first electrode 11 having the internal flow path is an air electrode
  • the second electrode 15 stacked on the electrolyte 13 is a fuel electrode.
  • the tubular solid oxide fuel cell 10 may be a cathode support solid oxide fuel cell.
  • the tubular first electrode 11 having an internal flow path is a fuel electrode and the second electrode 15 stacked on the electrolyte 13 is an air electrode. It should be understood that the same or similarly applicable to the embodiment in which the tubular first electrode 11 having the internal flow path formed therein is the air electrode and the second electrode 15 stacked on the electrolyte 13 is the fuel electrode.
  • the electrolyte 13 is formed on the first electrode 11 so that both edge portions of the first electrode 11 are exposed by a predetermined width. Can be.
  • the second electrode 15 may be formed on the upper portion of the electrolyte 13 so that both edge portions of the electrolyte 13 are exposed by a predetermined width.
  • the tubular solid oxide fuel cell 10 may further include a seal 17 surrounding a portion of the exposed electrolyte 13.
  • the seal 17 may be formed using a flexible glass sealing material.
  • the sealing unit 17 may be formed by sheeting the glass sealing material and rolling the glass sealing material into the tubular solid oxide fuel cell 10.
  • the seal 17 is formed of hydrogen and / or oxygen through a space between the first electrode contact groove 110 and the second electrode contact groove 120 and the tubular solid oxide fuel cell 10 accommodated therein. To prevent movement. Detailed description thereof will be described later.
  • the exposed first A portion of the electrode 11 may be coated with silver paste.
  • a portion of the second electrode 15 may be wrapped with a conductive wire or a conductive mesh.
  • the term " electrical contact between the specific portion and the second electrode 15 of the tubular solid oxide fuel cell 10 " means that the specific portion and the tubular solid oxide fuel cell 10 This includes not only the direct contact between the two electrodes 15 'but also the contact between the' specific portion 'and the' conductive wire or conductive mesh wound on the second electrode 15 of the tubular solid oxide fuel cell 10 '. .
  • the tubular solid oxide fuel cell 10 according to the present invention is provided between the first electrode 11 and the electrolyte 13, between the second electrode 15 and the electrolyte 13, or on top of the second electrode 15.
  • Various functional layers (not shown) formed inside the first electrode 11 may be further included. This functional layer may be formed as necessary to improve the efficiency of the battery.
  • the intermediate connector 100 may include the first electrode 11 and the lower connector 30 and the intermediate connector 100 of the first tubular solid oxide fuel cell 10a disposed between the upper connector 20 and the intermediate connector 100.
  • the second electrode 15 of the second tubular solid oxide fuel cell 10b disposed therebetween is electrically connected.
  • the intermediate connecting member 100 may also be provided with a first of the plurality of first tubular solid oxide fuel cells 10a.
  • the second electrodes 15 of the plurality of second tubular solid oxide fuel cells 10b are electrically connected to each other.
  • the plurality of first tubular solid oxide fuel cells 10a connected in parallel by the intermediate connector 100 and the plurality of second tubular solid oxide fuel cells 10b connected in parallel are connected in series.
  • a plurality of intermediate connecting members 100 may be disposed between the upper connecting member 20 and the lower connecting member 30 and the intermediate connecting member 100. The number of can be adjusted as needed.
  • the intermediate connecting member 100 includes a conductive first body portion 100a.
  • the first body part 100a may be formed of only a conductive material.
  • the first body portion 100a may be formed by coating a conductive material on the insulating base surface.
  • the first body part 100a may include upper and lower surfaces facing each other and side surfaces connecting them.
  • the first body portion 100a may have a rectangular parallelepiped shape.
  • the first body part 100a includes at least one first electrode contact groove 110, at least one second electrode contact groove 120, two first through holes 130, and a second through hole 140. It includes.
  • At least one first electrode contact groove 110 is formed on an upper surface of the first body portion 100a facing the upper connecting member 20.
  • the first electrode contact grooves 110 may be formed to extend in a first direction parallel to each other. In this case, the first electrode contact grooves 110 are arranged in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the first electrode contact grooves 110 also have the same size and the same structure. It is formed to have. That is, the size and structure of the first electrode contact groove 110 may be changed according to the size and structure of the first tubular solid oxide fuel cell 10a accommodated therein. For example, when the first tubular solid oxide fuel cell 10a has a circular cross section, the first electrode contact groove 110 may have a semicircular cross-sectional shape.
  • Each of the first electrode contact grooves 110 has a first end connected to the first through hole 130a located at the left side of the two first through holes 130 spaced apart from each other, and the first through hole 130b located at the right side thereof. It may include a second end connected to.
  • each of the first electrode contact grooves 110 has a left electrode contact portion 111a formed by a predetermined width from the first end, a right electrode contact portion 111b formed by a predetermined width from the second end, and a left electrode contact portion 111a. And an electrode accommodating part 113 formed between the right electrode contact part 111b.
  • the left electrode contact portion 111a of the first electrode contact groove 110 has a left end portion of the first tubular solid oxide fuel cell 10a, that is, a first electrode of the exposed first tubular solid oxide fuel cell 10a ( A portion of the first electrode 11 located on the left side of 11 is accommodated. In this case, the accommodated first electrode 11 part is electrically connected to the left electrode contact part 111a of the first electrode contact groove 110.
  • the right electrode contact portion 111b of the first electrode contact groove 110 has a right end portion of the first tubular solid oxide fuel cell 10a, that is, a first portion of the exposed first tubular solid oxide fuel cell 10a. A portion of the first electrode 11 located on the right side of the electrode 11 is accommodated.
  • the accommodated first electrode 11 part is electrically connected to the right electrode contact part 111b of the first electrode contact groove 110.
  • the electrode contact portion 111 of the first electrode contact groove 110 is prevented from being oxidized and the electrode contact portion 111 and the first tubular solid oxide fuel cell of the first electrode contact groove 110 are prevented from being oxidized.
  • a conductive antioxidant layer (not shown) may be formed on the electrode contact portions 111 of the first electrode contact grooves 110.
  • the conductive antioxidant film may be a metal-based thin film or a conductive ceramic thin film that is not easily oxidized.
  • the metal-based thin film may be formed by depositing, plating, or coating a noble metal such as Ag, Pt, Ni, Ni-Co alloy, Mn-Co alloy, or the like, or by applying a paste including the metal components.
  • the conductive ceramic thin film may be formed by coating a ferrite-based LSM, a spinel-based (Mn, Cr) 304, (Mn, Co) 304, or a paste including the ceramic component.
  • the electrode accommodating portion 113 of the first electrode contact groove 110 accommodates at least a portion of the first tubular solid oxide fuel cell 10a in which the sealing portion 17 is formed and the portion in which the second electrode 15 is formed. do.
  • the first tubular solid oxide fuel cell 10a has a circular cross section
  • the first electrode contact groove 110 is formed to have a semicircular cross section corresponding thereto. Since the electrolyte 13 is stacked on the first electrode 11 and the seal 17 and the second electrode 15 are stacked on the electrolyte 13, the first tubular solid oxide fuel cell 10a is sealed.
  • the outer diameter of the portion where the portion 17 and the second electrode 15 are formed is larger than the outer diameter of the portion of the first tubular solid oxide fuel cell 10a to which the first electrode 11 is exposed.
  • the left and right electrode contact portions 111a and 111b of the first electrode contact groove 110 in which the exposed portion of the first electrode 11 is accommodated in the first tubular solid oxide fuel cell 10a are formed of the first tubular solid oxide. It is preferable to have a diameter smaller than the electrode accommodating part 113 which accommodates the part in which the sealing part 17 was formed, and the part in which the 2nd electrode 15 was formed among the fuel cells 10a. In addition, since the second electrode 15 portion of the first tubular solid oxide fuel cell 10a accommodated in the electrode accommodating portion 113 should be electrically insulated from the first body portion 100a, the electrode accommodating portion 113 is used.
  • the diameter of the cross section is preferably larger than the diameter of the portion where the second electrode 15 is formed in the first tubular solid oxide fuel cell 10a.
  • the electrode accommodating part 113 of the first electrode contact groove 110 so that the electrode accommodating part 113 and the portion of the second electrode 15 of the first tubular solid oxide fuel cell 10a accommodated therein are spaced apart from each other.
  • the diameter of the cross section can be determined. That is, the first tubular solid oxide fuel cell is separated by separating the electrode accommodating part 113 from the first electrode contact groove 110 and the portion of the second electrode 15 of the first tubular solid oxide fuel cell 10a accommodated therein.
  • the second electrode 15 of the 10a and the first body part 100a are insulated.
  • an insulating film is formed in the electrode accommodating portion 113 of the first electrode contact groove 110. May be formed.
  • At least one second electrode contact groove 120 is formed on a lower surface of the first body portion 100a facing the lower connection member 30.
  • three second electrode contact grooves 120 are formed as an example.
  • the second electrode contact grooves 120 are formed to extend in the first direction in parallel with each other.
  • the second electrode contact grooves 120 are arranged in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the second electrode contact grooves 120 may be formed at a lower portion corresponding to the position where the first electrode contact grooves 110 are formed.
  • the second electrode contact grooves 120 may be formed to be staggered from the first electrode contact grooves 110.
  • the second electrode contact grooves 120 When the second tubular solid oxide fuel cells 10b accommodated in the second electrode contact grooves 120 have the same size and the same structure, the second electrode contact grooves 120 also have the same size and the same structure. It is formed to have. That is, the size and structure of the second electrode contact groove 120 may be changed according to the size and structure of the second tubular solid oxide fuel cell 10b accommodated therein. For example, when the second tubular solid oxide fuel cell 10b has a circular cross section, the second electrode contact groove 120 may have a semicircular cross-sectional shape.
  • Each of the second electrode contact grooves 120 may have a first end connected to the first through hole 130a on the left side of the two first through holes 130 spaced apart from each other, and a first through hole 130b on the right side. It may include a second end connected to. That is, the first ends of the first and second electrode contact grooves 110 and 120 are connected to the first through hole 130a on the left side, and the second ends are connected to the first through hole 130b on the right side. Can be connected. Unlike the first electrode contact grooves 110, each of the second electrode contact grooves 120 may be a semi-circular groove having a constant diameter.
  • the second tubular solid oxide fuel cell is stacked.
  • the outer diameter of the portion in which the sealing portion 17 and the second electrode 15 are formed in 10b is larger than the outer diameter of the portion in which the first electrode 11 is exposed in the first tubular solid oxide fuel cell 10a. Therefore, when the second tubular solid oxide fuel cells 10b are accommodated in the second electrode contact grooves 120, respectively, the portion where the second battery is formed is in contact with the bottom surface of the second electrode contact groove 120. However, the exposed first electrode 11 is spaced apart from the bottom surface of the second electrode contact groove 120.
  • the second electrode 15 of the second tubular solid oxide fuel cell 10b accommodated in the second electrode contact grooves 120 is electrically connected to the first body portion 100a, but the second tubular solid oxide fuel
  • the first electrode 11 of the battery 10b is insulated from the first body portion 100a.
  • the diameter of the cross section of the second electrode contact groove 120 is greater than or equal to the diameter of the portion of the second tubular solid oxide fuel cell 10b in which the second electrode 15 is formed, and the first electrode contact groove 110 is formed. It may be the same as or smaller than the cross-sectional diameter of the electrode accommodating portion 113.
  • the portion of the second electrode contact groove 120 to prevent the portion of the second tubular solid oxide fuel cell 10b in contact with the second electrode 15 portion is oxidized and the second electrode contact
  • the second tubular solid oxide fuel cell 10b of the second electrode contact groove 120 is provided.
  • a conductive anti-oxidation film (not shown) may be formed at the portion in contact with the second electrode 15.
  • the conductive antioxidant film may be a metal-based thin film or a conductive ceramic thin film that is not easily oxidized.
  • the metal-based thin film may be formed by depositing, plating, or coating a noble metal such as Ag, Pt, Ni, Ni-Co alloy, Mn-Co alloy, or the like, or by applying a paste including the metal components.
  • the conductive ceramic thin film may be formed by coating a ferrite-based LSM, a spinel-based (Mn, Cr) 304, (Mn, Co) 304, or a paste including the ceramic component.
  • the second tubular solid oxide fuel cell of the second electrode contact grooves 120 is provided in order to reliably insulate the first body portion 100a and the first electrode 11 of the second tubular solid oxide fuel cell 10b.
  • An insulating layer (not shown) may be formed at a portion where the exposed first electrode 11 of 10b is positioned.
  • the first through hole 130a located on the left side of the two first through holes 130 is formed adjacent to the first ends of the first and second electrode contact grooves 110 and 120. And spatially connected to both of the first ends, and the first through hole 130b located on the right side of the two first through holes 130 is formed in the first and second electrode contact grooves 110 and 120. It may be formed adjacent to the two ends and spatially connected to both of the second ends. That is, when the first tubular solid oxide fuel cell 10a is accommodated in the first electrode contact grooves 110 and the second tubular solid oxide fuel cell 10b is accommodated in the second electrode contact grooves 120, two The first gas may move through the first through holes 130 and the internal flow paths of the first and second tubular solid oxide fuel cells 10a and 10b.
  • each of the first and second tubular solid oxide fuel cells 10b has a seal 17 formed at both ends thereof, in the tubular solid oxide fuel cell stack 1000 according to the embodiment of the present invention,
  • the two first through holes 130 are connected to each other only through the internal flow paths of the first and second tubular solid oxide fuel cells 10a and 10b.
  • the first gas is hydrogen (H), which is a fuel of the solid oxide fuel cell. 2 ).
  • the tubular first electrode 11 having the internal flow path among the first and second tubular solid oxide fuel cells 10a and 10b is an air electrode
  • the first gas may be air containing oxygen.
  • the second through hole 140 may be formed to penetrate the first body portion 100a at a portion where the second electrode 15 is positioned among the first and second tubular solid oxide fuel cells 10a and 10b. .
  • the second through hole 140 may provide a flow path for supplying a second gas to the second electrode 15 of the first and second tubular solid oxide fuel cells 10a and 10b.
  • the second gas is oxygen. It may be air containing.
  • the second gas is a tubular solid.
  • Hydrogen (H 2 ) which is a fuel of the oxide fuel cell 10
  • the width of the second through-hole 140 in the direction in which the first and second electrode contact grooves 110 and 120 extend is a supply efficiency of the second gas to the second electrode 15 and a second tubular solid oxide.
  • the electrical contact area between the second electrode 15 and the second electrode contact groove 120 of the fuel cell 10b may be properly adjusted. As shown in the figure, each of the first and second electrode contact grooves 110 and 120 may be separated into two parts spaced apart from each other by the second through hole 140.
  • the first body part 100a may further include at least two first fastening holes 150.
  • the first fastening holes 150 are formed to penetrate through the first body part 100a.
  • four first fastening holes 150 may be formed at each corner of the first body part 100a as shown in the drawing.
  • the first fastening hole 150 is disposed between the left edge of the first body portion 100a and the left first through hole 130a and the right edge of the first body portion 100a and the right first through hole ( 130b) may be formed one by one.
  • a fastening bar (not shown) to be described later may be inserted into the first fastening hole 150.
  • each connection member for accommodating the solid oxide fuel cell can be easily aligned to facilitate stack assembly, and the fastening bar is bolted after the connection material is aligned. It is possible to form a stable solid oxide fuel cell stack by fixing using such as.
  • the upper connecting member 20 is electrically connected to the second electrodes 15 of the first tubular solid oxide fuel cells 10a and the second electrodes 15 of the first tubular solid oxide fuel cells 10a. It serves as an electrode terminal for connecting with the outside.
  • the upper connecting member 20 includes a conductive second body portion 20 ′.
  • the second body portion 20 ′ may be formed of only a conductive material.
  • the second body portion 20 ′ may be formed by coating a conductive material on the insulating base surface.
  • the second body portion 20 ′ may have a rectangular parallelepiped shape consisting of a lower surface facing the intermediate connecting member 100, an upper surface facing the lower surface, and side surfaces connecting the lower surface and the upper surface.
  • the second body portion 20 ′ may include at least one third electrode contact groove 21, two first gas grooves 22, and a second gas groove 23.
  • the second body portion 20 ′ may further include at least one of the first gas inlet 24 and the second gas inlet 25.
  • the second body portion 20 ′ may further include a second fastening hole 26.
  • the third electrode contact grooves 21 are formed on the lower surface of the second body portion 20 ′ facing the intermediate connector 100 and together with the first electrode contact grooves 110 of the intermediate connector 100.
  • the first tubular solid oxide fuel cells 10a are accommodated.
  • the third electrode contact grooves 21 are formed to face the first electrode contact grooves 110 formed in the intermediate connecting member 100, respectively. That is, the third electrode contact grooves 21 are formed to extend in the first direction in parallel with each other. In this case, the third electrode contact grooves 21 are arranged along a second direction perpendicular to the first direction.
  • the third electrode contact grooves 21 also have the same size and the same structure. It is formed to have.
  • Each of the third electrode contact grooves 21 may have a semicircular cross-sectional shape.
  • Each of the third electrode contact grooves 21 has a first end connected to the first gas groove 22a located on the left side of the two first gas grooves 22 spaced apart from each other, and the first gas groove 22b located on the right side. It may include a second end connected to.
  • the third electrode contact grooves 21 may be semicircular grooves having a constant diameter.
  • each of the third electrode contact grooves 21 may be a semi-circular groove having the same diameter as the second electrode contact groove 120 formed in the intermediate connecting member 100.
  • the outer diameter of the portion in which the sealing portion 17 and the second electrode 15 are formed in 10a is larger than the outer diameter of the portion in which the first electrode 11 is exposed in the first tubular solid oxide fuel cell 10a. Therefore, when the first tubular solid oxide fuel cells 10a are respectively accommodated in the third electrode contact grooves 21, the portion where the second battery is formed is in contact with the bottom surface of the third electrode contact groove 21. However, the exposed first electrode 11 is spaced apart from the bottom surface of the third electrode contact groove 21. That is, although the second electrode 15 of the first tubular solid oxide fuel cell 10a accommodated in the third electrode contact grooves 21 is electrically connected to the second body portion 20 ', the first tubular solid oxide The first electrode 11 of the fuel cell 10a is insulated from the second body portion 20 '.
  • the portion of the third electrode contact groove 21 which is in contact with the portion of the second electrode 15 of the first tubular solid oxide fuel cell 10a is prevented from being oxidized and the third electrode contact is made.
  • the first tubular solid oxide fuel cell 10a of the third electrode contact grooves 21 is provided.
  • a conductive anti-oxidation film (not shown) may be formed at the portion in contact with the second electrode 15.
  • the conductive antioxidant film may be a metal-based thin film or a conductive ceramic thin film that is not easily oxidized.
  • the metal-based thin film may be formed by depositing, plating, or coating a noble metal such as Ag, Pt, Ni, Ni-Co alloy, Mn-Co alloy, or the like, or by applying a paste including the metal components.
  • the conductive ceramic thin film may be formed by coating a ferrite-based LSM, a spinel-based (Mn, Cr) 304, (Mn, Co) 304, or a paste including the ceramic component. Further, in order to reliably insulate the second body portion 20 'and the first electrode 11 of the first tubular solid oxide fuel cell 10a, the first tubular solid oxide fuel of the third electrode contact grooves 21 is provided.
  • An insulating layer (not shown) may be formed in a portion where the exposed first electrode 11 of the battery 10a is positioned.
  • the two first gas grooves 22 of the second body portion 20 ′ are formed at positions corresponding to the two first through holes 130 formed in the intermediate connecting member 100, respectively. 130, along with a flow path through which the first gas moves.
  • the left first gas groove 22a of the two first gas grooves 22 of the second body portion 20 ' is disposed adjacent to and connected to the first ends of the third electrode contact grooves 21.
  • the right first gas groove 22b may be disposed adjacent to the second ends of the third electrode contact grooves 21 and connected thereto.
  • Two first gas grooves 22 of the second body portion 20 ′ and two first through holes 130 formed in the intermediate connecting member 100 may be formed to have the same planar area with each other. However, unlike the first through holes 130 of the intermediate connecting member 100, the two first gas grooves 22 of the second body portion 20 ′ do not penetrate the second body portion 20 ′. It may be formed so as not to.
  • the second gas groove 23 of the second body portion 20 ′ is formed at a position corresponding to the second through hole 140 formed in the intermediate connecting member 100, and is formed together with the second through hole 140. Provide a flow path through which the gas moves. That is, the second gas groove 23 of the second body portion 20 'is located at the portion where the second electrode 15 of the first tubular solid oxide fuel cell 10a is located among the second body portions 20'. Can be formed.
  • the second gas groove 23 of the second body portion 20 ′ may be formed to have the same planar area as the second through hole 140 formed in the intermediate connecting member 100. However, unlike the second through hole 140 of the intermediate connecting member 100, the second gas groove 23 of the second body portion 20 ′ may be formed so as not to penetrate the second body portion 20 ′. have.
  • the width of the second gas groove 23 in the direction in which the third electrode contact grooves 21 extend is equal to the supply efficiency of the second gas and the second electrode 15 of the first tubular solid oxide fuel cell 10a.
  • the electrical contact area of the third electrode contact groove 21 can be properly adjusted. As shown in the figure, each of the third electrode contact grooves 21 may be separated into two parts spaced apart from each other by the second gas groove 23.
  • the bottom surface of the second gas groove 23 extends in the first direction and is in electrical contact with the second electrodes 15 of the first tubular solid oxide fuel cells 10a, respectively.
  • Rod-shaped first contact protrusions 27 may be formed.
  • the bottom surface of the second gas groove 23 extends in the second direction, and the second electrodes 15 of the first tubular solid oxide fuel cells 10a may be separated from each other.
  • Rod-shaped second contact protrusions (not shown) in electrical contact may be formed. As such, when the first contact protrusions 27 or the second contact protrusions are formed on the bottom surface of the second gas groove 23, the second connecting member 20 and the second tubular solid oxide fuel cell 10a may be formed. It is possible to increase the contact area between the electrodes 15.
  • the first gas injection hole 24 may be formed at a side facing one ends of the third electrode contact grooves 21 among the sides of the second body portion 20 ′.
  • the first gas inlet 24 is connected to the first gas groove 22 and provides a passage for injecting the first gas supplied to the internal flow path of the tubular solid oxide fuel cell 10.
  • the second gas inlet 25 may be formed at a side of the second body portion 20 ′ adjacent to the second gas groove 23.
  • the second gas injection port 25 is connected to the second gas groove 23 and provides a passage for injecting the second gas supplied to the second electrode 15 of the tubular solid oxide fuel cell 10.
  • Both the first gas inlet 24 and the second gas inlet 25 may be formed in the second body portion 20 ′, but only one of them is formed, and the other is in the lower connection member 30 to be described below. It may be formed.
  • the second body part 20 ′ may include second fastening holes 26 respectively connected to the first fastening holes 150 formed in the first body part 100a.
  • the second fastening holes 26 may be formed to penetrate the second body portion 20 ′ at a position corresponding to the first fastening hole 150. Fastening bars to be described later may be inserted into the first and second fastening holes 150 and 26.
  • the lower connection member 30 is electrically connected to the first electrodes 11 of the second tubular solid oxide fuel cells 10b and the first electrodes 11 of the second tubular solid oxide fuel cells 10b. It serves as an electrode terminal for connecting with the outside.
  • the lower connection member 30 includes a conductive third body portion 30 ′.
  • the third body part 30 ′ may be formed of only a conductive material.
  • the third body portion 30 ′ may be formed by coating a conductive material on the insulating base surface.
  • the third body portion 30 ′ may have a rectangular parallelepiped shape formed of an upper surface facing the intermediate connector 100, a lower surface facing the upper surface, and side surfaces connecting the upper and lower surfaces.
  • the third body part 30 ′ may include at least one or more fourth electrode contact grooves 31, two third gas grooves 32, and a fourth gas groove 33.
  • the third body part 30 ′ may further include a third fastening hole 36.
  • the third body part 30' may include the third and fourth gas injection holes 34 and 35. It may further include.
  • the fourth electrode contact grooves 31 are formed on the upper surface of the third body portion 30 ′ facing the intermediate connector 100 and together with the second electrode contact grooves 120 of the intermediate connector 100.
  • the second tubular solid oxide fuel cells 10b are housed therein.
  • the fourth electrode contact grooves 31 are formed to face the second electrode contact grooves 120 formed in the intermediate connecting member 100, respectively. That is, the fourth electrode contact grooves 31 are formed to extend in the first direction in parallel with each other. In this case, the fourth electrode contact grooves 31 are arranged along a second direction perpendicular to the first direction.
  • the fourth electrode contact grooves 31 also have the same size and the same structure. It is formed to have.
  • Each of the fourth electrode contact grooves 31 may have a semicircular cross-sectional shape.
  • Each of the fourth electrode contact grooves 31 has a first end connected to a third gas groove 32a on the left side of the two third gas grooves 32 spaced apart from each other, and a third gas groove 32b on the right side. It may include a second end connected to.
  • each of the fourth electrode contact grooves 31 has a left electrode contact portion 31a formed by a predetermined width from the first end, a right electrode contact portion 31c formed by a predetermined width from the second end, and a left electrode contact portion 31a.
  • an electrode accommodating part 31b formed between the right electrode contact part 31c and the right electrode contact part 31c.
  • the left electrode contact portion 31a of the fourth electrode contact groove 31 has a left end portion of the first tubular solid oxide fuel cell 10a, that is, the first electrode of the exposed second tubular solid oxide fuel cell 10b ( A portion of the first electrode 11 located on the left side of 11 is accommodated. In this case, the accommodated first electrode 11 part is electrically connected to the left electrode contact part 31a of the fourth electrode contact groove 31.
  • the right electrode contact portion 31c of the fourth electrode contact groove 31 has a right end portion of the second tubular solid oxide fuel cell 10b, that is, a first portion of the exposed second tubular solid oxide fuel cell 10b. A portion of the first electrode 11 located on the right side of the electrode 11 is accommodated.
  • the accommodated first electrode 11 part is electrically connected to the right electrode contact part 31c of the fourth electrode contact groove 31.
  • the electrode contact portion 111 of the fourth electrode contact groove 31 is prevented from being oxidized and the electrode contact portions 31a and 31c of the fourth electrode contact groove 31 and the second tubular solid oxide are prevented from being oxidized.
  • a conductive antioxidant film (not shown) may be formed on the electrode contact portions 31a and 31c of the fourth electrode contact groove 31. have.
  • the conductive antioxidant film may be a metal-based thin film or a conductive ceramic thin film that is not easily oxidized.
  • the metal-based thin film may be formed by depositing, plating, or coating a noble metal such as Ag, Pt, Ni, Ni-Co alloy, Mn-Co alloy, or the like, or by applying a paste including the metal components.
  • the conductive ceramic thin film may be formed by coating a ferrite-based LSM, a spinel-based (Mn, Cr) 304, (Mn, Co) 304, or a paste including the ceramic component.
  • the electrode accommodating portion 31b of the fourth electrode contact groove 31 accommodates at least a portion of the second tubular solid oxide fuel cell 10b in which the sealing portion 17 is formed and the portion in which the second electrode 15 is formed. do.
  • the fourth electrode contact groove 31 may be formed to have a semicircular cross section corresponding thereto. Since the electrolyte 13 is stacked on the first electrode 11 and the seal 17 and the second electrode 15 are stacked on the electrolyte 13, the second tubular solid oxide fuel cell 10b is sealed. The outer diameter of the portion where the portion 17 and the second electrode 15 are formed is larger than the outer diameter of the portion of the second tubular solid oxide fuel cell 10b to which the first electrode 11 is exposed. Accordingly, the left and right electrode contact portions 31a and 31c of the fourth electrode contact groove 31 in which the exposed portion of the first electrode 11 is accommodated in the second tubular solid oxide fuel cell 10b are the second tubular solid oxide.
  • the second electrode 15 portion of the second tubular solid oxide fuel cell 10b accommodated in the electrode accommodating portion 31b should be electrically insulated from the third body portion 30 ', and thus the electrode accommodating portion 31b.
  • the diameter of the cross section is preferably larger than the diameter of the portion of the second tubular solid oxide fuel cell 10b in which the second electrode 15 is formed.
  • the electrode accommodating portion 31b of the fourth electrode contact groove 31 so that the electrode accommodating portion 31b and the portion of the second electrode 15 of the second tubular solid oxide fuel cell 10b accommodated therein are spaced apart from each other.
  • the diameter of the cross section can be determined. That is, the second tubular solid oxide fuel cell is separated by separating the electrode accommodating part 31b from the fourth electrode contact groove 31 and the portion of the second electrode 15 of the second tubular solid oxide fuel cell 10b accommodated therein.
  • the second electrode 15 and the third body part 30 'of 10b are insulated from each other. Further, in order to reliably insulate the second electrode 15 and the third body portion 30 'of the second tubular solid oxide fuel cell 10b, an insulating film is formed on the electrode accommodating portion of the fourth electrode contact groove 31. Not shown) may be formed.
  • the two third gas grooves 32 are formed at positions corresponding to the two first through holes 130 formed in the intermediate connecting member 100, respectively, and the first through holes 130 and the intermediate connecting material 100.
  • the first gas groove 22 of the upper connecting member 20 provides a flow path through which the first gas moves. That is, the left third gas groove 32a of the two third gas grooves 32 'of the third body portion 30' is disposed adjacent to the first ends of the fourth electrode contact grooves 31, And the right third gas groove 32b may be disposed adjacent to the second ends of the fourth electrode contact grooves 31 and connected thereto.
  • Two third gas grooves 32 and two first through holes 130 may be formed to have the same planar area with each other. However, unlike the first through holes 130 of the intermediate connecting member 100, the third gas grooves 32 may be formed so as not to penetrate through the third body part 30 ′.
  • the fourth gas groove 33 is formed at a position corresponding to the second through hole 140, and provides a flow path through which the second gas moves together with the second through hole 140 and the second gas groove 23. . That is, the fourth gas groove 33 may be formed in a portion where the second electrode 15 of the second tubular solid oxide fuel cell 10b is located among the third body parts 30 ′.
  • the fourth gas groove 33 may be formed to have the same planar area as the second through hole 140. However, unlike the second through hole 140 of the intermediate connecting member 100, the fourth gas groove 33 may be formed so as not to penetrate through the third body part 30 ′. As shown in the figure, each of the fourth electrode contact grooves 31 may be separated into two parts spaced apart from each other by the fourth gas groove 33.
  • the third gas injection hole 34 may be formed at a side facing one ends of the fourth electrode contact grooves 31 among the sides of the third body part 30 ′.
  • the third gas injection hole 34 is connected to the third gas groove 32 and provides a passage for injecting the first gas supplied to the internal flow path of the tubular solid oxide fuel cell 10.
  • the fourth gas injection hole 35 may be formed at a side adjacent to the fourth gas groove 33 among the side surfaces of the third body part 30 ′.
  • the fourth gas injection hole 35 is connected to the fourth gas groove 33 and provides a passage for injecting the second gas supplied to the second electrode 15 of the tubular solid oxide fuel cell 10.
  • the third body part 30 ′ may be formed with both the third gas inlet 32 and the fourth gas inlet 35, but only one of them may be formed. For example, when only the first gas injection hole 24 is formed in the second body portion 20 ′, a fourth gas injection hole 35 may be formed in the third body portion 30 ′.
  • the third body part 30 ′ may have third fastening holes 36 connected to the first fastening holes 150 formed in the first body part 100a, respectively. That is, the third fastening holes 36 may be formed to penetrate the third body portion 30 ′ at a position corresponding to the first fastening hole 150.
  • the solid oxide fuel cell stack 1000 may further include an insulation sealing member 160 disposed between neighboring connecting members.
  • an insulation sealing member 160 disposed between neighboring connecting members.
  • Adjacent connectors shall be insulated from each other.
  • the first gas and the second gas injected into the tubular solid oxide fuel cell stack 1000 need to be sealed between neighboring connecting members so as not to leak to the outside.
  • the insulating sealing member 160 not only electrically insulates the neighboring connecting members but also prevents leakage of the first or second gas to the outside of the solid oxide fuel cell stack 1000 through gaps between the neighboring connecting members.
  • the insulating sealing member 160 may be coated on the edge portion of the upper surface of the connecting member positioned below the neighboring connecting member or on the edge portion of the lower surface of the connecting member positioned above.
  • the insulating sealing member 160 may be a separate member disposed between the edge of the connecting member positioned at the upper side and the edge of the connecting member positioned below the neighboring connecting member.
  • the insulating sealing member 160 may be disposed between the first insulating sealing member (not shown) positioned between the upper connecting member 20 and the intermediate connecting member 100, and the intermediate connecting member 100 and the lower connecting member 30.
  • the second insulating sealing member (not shown), when two or more intermediate connecting member 100 is used may include a third insulating sealing member (not shown) located between the intermediate connecting member 100.
  • the solid oxide fuel cell stack 1000 may further include a fastening bar (not shown) inserted into the first to third fastening holes 36.
  • the fastening bar may comprise a ceramic tube (not shown).
  • a bolt (not shown) is inserted into a ceramic tube used as a fastening bar and then fastened with a nut (not shown)
  • the laminated connectors 20, 100 and 30 and tubular solid oxide fuel cells disposed therebetween ( 10) can be stably fixed, and the electrical contact reliability between the electrode contact grooves and the electrodes 11 and 15 of the tubular solid oxide fuel cell 10 can be improved.
  • FIG. 7 and 8 are perspective views illustrating an intermediate connector applied to the solid oxide fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention.
  • the solid oxide fuel cell stack 1000 according to the second embodiment of the present invention is the upper connector 20, the lower connector 30, the intermediate connector 200, At least one first tubular solid oxide fuel cell 10a disposed between the upper connector 20 and the intermediate connector 200, and at least one second tubular member disposed between the lower connector 30 and the intermediate connector 200. And a solid oxide fuel cell 10b, an insulating sealing member (not shown), and a fastening bar (not shown).
  • the rest of the configuration except for the intermediate connecting member 200 is substantially the same as that described in the solid oxide fuel cell stack 1000 according to the first embodiment. In the description will be described with respect to the intermediate connecting member 200, and the description of the remaining configuration is replaced with the description of the first embodiment.
  • the intermediate connecting member 200 includes a conductive body portion 200 '.
  • the conductive body portion 200 ′ may include first electrode contact grooves 210, second electrode contact grooves 220, first through holes 230, second through holes 240, and first electrode contact bars. 260, second electrode contact bars 270, and first fastening holes 250. Except for the first electrode contact bars 260 and the second electrode contact bars 270, the configuration is substantially the same as or similar to that described in Embodiment 1, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the first electrode contact bars 260 are formed across the second through hole 240 in a first direction in which the first and second electrode contact grooves 210 and 220 extend, respectively.
  • the first electrode contact bars 260 are formed to be in electrical contact with the second electrodes 17 of the tubular solid oxide fuel cells 10 accommodated in the second electrode contact grooves 220, respectively.
  • Adjacent first electrode contact bars 260 may be formed to be spaced apart from each other by a predetermined interval.
  • the second electrode contact bars 270 are formed across the second through hole 240 along a second direction perpendicular to the first direction, and each of the second electrode contact bars 270 is formed of the first electrode contact bars ( 260 is formed to intersect with all of them.
  • the second electrode contact bars 270 are formed to be in electrical contact with all of the second electrodes 17 of the tubular solid oxide fuel cells 10 accommodated in the second electrode contact grooves 220. Adjacent second electrode contact bars 270 may be formed to be spaced apart from each other by a predetermined interval.
  • first electrode contact bars 260 and the second electrode contact bars 270 are described together, but only one of them may be formed.
  • the second electrode of the tubular solid oxide fuel cell 10 accommodated in the second electrode contact grooves 220 it is possible to improve the electrical contact area between the field 17 and the body portion 200 '.
  • FIGS. 9 and 10 are perspective views illustrating an intermediate connector applied to a solid oxide fuel cell stack according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the solid oxide fuel cell stack 1000 according to the third embodiment of the present invention is the upper connector 20, the lower connector 30, the intermediate connector 300, At least one first tubular solid oxide fuel cell 10a disposed between the upper connector 20 and the intermediate connector 300, and at least one second tubular member disposed between the lower connector 30 and the intermediate connector 300. And a solid oxide fuel cell 10b, an insulating sealing member (not shown), and a fastening bar (not shown).
  • the rest of the configuration except for the intermediate connecting member 300 is substantially the same as that described in the solid oxide fuel cell stack 1000 according to the first embodiment. In the description will be described with respect to the intermediate connecting member 300, and the description of the rest of the configuration is replaced with the description of the first embodiment.
  • the intermediate connector 300 includes a conductive body portion 300 '.
  • the conductive body part 300 ′ includes first electrode contact grooves 310, second electrode contact grooves 320, first through holes 330, second gas grooves 340, and second through slits. 360 and first fastening holes 350. Except for the second electrode contact grooves 320, the second gas groove 340, and the second through slits 360, the configuration is substantially the same as or similar to that described in Embodiment 1, and thus, a detailed description thereof will be provided. Omit.
  • a second gas groove 340 is formed on the upper surface of the body portion in which the first electrode contact grooves 310 are formed to separate each of the first electrode contact grooves 310 into two parts spaced apart from each other.
  • the second gas groove 340 is formed so as not to penetrate through the body portion 300 '.
  • a plurality of second through slits 360 extending in a second direction perpendicular to the first direction in which the first and second electrode contact grooves 310 and 320 extend. Is formed.
  • the plurality of through slits 360 provide a space for the second gas to move.
  • Second electrode contact grooves 320 are formed on a lower surface of the body portion 300 ′, and the second electrode contact grooves 320 meet the second through slits 360. Except for the region in which the second through slits 360 are formed, the second electrode contact grooves 320 are formed to extend continuously from one end to the opposite end.
  • the tubular solid accommodated in the second electrode contact grooves 320 is provided.
  • An electrical contact area between the second electrodes 17 and the body 300 ′ of the oxide fuel cell 10 may be improved.
  • 11 and 12 are perspective views illustrating an intermediate connector applied to a solid oxide fuel cell stack according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the solid oxide fuel cell stack 1000 according to the fourth embodiment of the present invention is the upper connector 20, lower connector 30, the intermediate connector 400, At least one first tubular solid oxide fuel cell 10a disposed between the upper connector 20 and the intermediate connector 400, at least one second tubular solid oxide fuel disposed between the lower connector 30 and the intermediate connector
  • the battery 10b includes an insulating sealing member (not shown) and a fastening bar (not shown).
  • the rest of the configuration except for the intermediate connecting member 400 is substantially the same as that described in the solid oxide fuel cell stack 1000 according to the first embodiment. In the description will be described with respect to the intermediate connecting member 400, and the description of the remaining configuration is replaced with the description of the first embodiment.
  • the intermediate connector 400 includes a conductive body 400 '.
  • the conductive body 400 ′ includes the first electrode contact grooves 410, the second electrode contact grooves 420, the first through holes 430, the second through holes 440, and the first fastening hole.
  • Field 450 Except for the second electrode contact grooves 420 and the second through holes 440, the configuration is substantially the same as or similar to that described in Embodiment 1, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • Two second through holes 440 are formed in the body 400 ′ to be spaced apart from each other between the first through holes 430.
  • Each of the first electrode contact grooves 410 formed on the upper surface of the body portion 400 ′ is located between the first through hole 430a and the second through hole 440a located on the left side and located on the right side of the body portion 400 ′. It is formed only in the region between the first through hole 430b and the second through hole 440b, but not in the region between the second through hole 440 and the region where the second through holes 440 are formed. Do not. Thus, each of the first electrode contact grooves 410 is separated into two parts spaced apart from each other.
  • Each of the second electrode contact grooves 420 formed on the lower surface of the body part 400 ′ may be formed between the first through hole 430a and the second through hole 440a located on the left side, and the second electrode contact grooves 420 located on the right side of the body 400 '. It is formed not only in the region between the first through hole 430b and the second through hole 440b but also in the region located between the second through holes 440. Thus, each of the second electrode contact grooves 420 is separated into three parts spaced apart from each other.
  • the contact area between the second electrodes 17 of 10 can be increased.
  • FIG. 13 and 14 are perspective views illustrating an intermediate connector applied to a solid oxide fuel cell stack according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the solid oxide fuel cell stack 1000 according to the fifth embodiment of the present invention is the upper connector 20, lower connector 30, the intermediate connector 500, At least one first tubular solid oxide fuel cell 10a disposed between the upper connector 20 and the intermediate connector 500, and at least one second tubular member disposed between the lower connector 30 and the intermediate connector 500. And a solid oxide fuel cell 10b, an insulating sealing member (not shown), and a fastening bar (not shown).
  • the rest of the configuration except for the intermediate connecting member 500 is substantially the same as that described in the solid oxide fuel cell stack 1000 according to the first embodiment. In the description will be described with respect to the intermediate connecting member 500, and the description of the remaining configuration is replaced with the description of the first embodiment.
  • the intermediate connecting member 500 includes conductive body parts 500 'and 500'.
  • the conductive body parts 500 'and 500' include a first body part 500 'and a second body part 500'.
  • the first body part 500 ' has substantially the same configuration as the part located on the left side of the second through hole among the intermediate connecting members according to the first embodiment, and the second body part 500' 'is the intermediate connecting member according to the first embodiment. It has a configuration substantially the same as the portion located on the right side of the second through hole. Therefore, the description of the specific configuration of the first and second body parts 500 ', 500' 'will be replaced with the description of the first embodiment.
  • the tubular solid oxide fuel cell in the electrode contact groove formed in the connecting material, it is possible to form a stable solid oxide fuel cell stack.
  • the solid oxide fuel cell stack that is easily sealed may be formed.
  • the connection material in the case of forming the solid oxide fuel cell stack using the connection material according to the embodiments of the present invention, not only an additional configuration for current collection is required, but also a stack assembly process may be simplified.

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Abstract

관형 고체산화물 연료전지들을 서로 전기적으로 연결하는 고체산화물 연료전지용 연결재가 개시된다. 연결재는 제1 전극 접촉홈 및 제2 전극 접촉홈을 구비하는 도전성 몸체부를 포함한다. 제1 전극 접촉부는 몸체부의 상부면에 제1 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결된다. 제2 전극 접촉홈은 몸체부의 하부면에 제2 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결된다.

Description

관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택
본 발명은 관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다. 보다 상세하게는 복수의 관형 고체산화물 연료전지를 전기적으로 연결하기 위한 관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 제3세대 연료전지라고 불리는 고체산화물 연료전지는 인산형 연료전지(PAFC) 및 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 보다 뒤늦게 개발이 시작되었으나, 급속한 재료기술의 발달로 상기 PAFC 및 MCFC에 이어 가까운 시일내에 실용화에 이를 전망이고, 고체산화물 연료전지의 실용화를 위하여 선진국에서는 기초연구 및 대형화 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
고체산화물 연료전지는 600∼1000 ℃ 정도의 고온에서 작동되는 연료전지로서, 종래 여러 형태의 연료전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 여러 장점을 지니고 있다.
상기와 같은 고체산화물 연료전지는 크게 원통형과 평판형으로 분류될 수 있다. 평판형 고체산화물 연료전지는 원통형에 비하여 스택 자체의 전력밀도가 높은 장점은 있으나, 가스 밀봉문제와 재료들간 열평형계수 차이에 의한 열적 쇼크 등의 문제로 대면적 연료전지의 제조가 어려운 문제점이 있어서, 현재 원통형 고체산화물 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 원통형 고체산화물 연료전지는 공기극 지지체형과 연료극 지지체형으로 분류될 수 있다. 다만, 공기극 지지체형의 경우, 공기극에 사용되는 La, Mn 등의 원료가 매우 고가이고 그 원료인 엘에스엠(LSM, LaSrMnO3)의 제조가 어려워 연료전지의 제조비용이 상승되며, 지지체 역할을 하는 공기극은 세라믹 자체로 이루어져 있기 때문에 단위전지의 기계적 강도가 낮아 충격 등에 약하다는 단점이 지적되고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 연료극을 지지체로 이용하는 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지가 개발되었다.
연료극 지지체식 고체산화물 연료전지에 사용되는 관 형태의 연료극 지지체는 지지체로서 뿐만 아니라 전극으로서의 요구되는 특성을 만족하면서, 지지체와 전해질층 사이의 반응성이 낮아 공소결이 가능하고, 그 기계적 강도가 높아 안정한 연료전지 스택을 구성할 수 있는 장점이 있다. 원통형 고체산화물 연료전지를 이용하여 고전력을 생성하기 위해서는 원통형 고체산화물 연료전지의 스택을 구성하여야 한다. 이러한, 원통형 고체산화물 연료전지의 스택을 구성하기 위해서는 각 단위전지를 전기적으로 연결하기 위한 연결재 개발이 필수적이다.
본 발명의 일 목적은 관형 고체산화물 연료전지들을 전기적으로 연결하기 위한 관형 고체산화물 연료전지용 연결재를 제공하는 것이다.
본 발명이 다른 목적은 상기의 연결재를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지의 스택을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 고체산화물 연료전지용 연결재는 내부에 유로가 형성된 관형 제1 전극, 상기 제1 전극의 양단부 부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상부에 순차적으로 적층된 전해질 및 제2 전극을 구비하는 고체산화물 연료전지들을 서로 전기적으로 연결하는 도전성 몸체부를 포함한다. 상기 도전성 몸체부는 제1 전극 접촉홈 및 제2 전극 접촉홈을 포함한다. 상기 제1 전극 접촉홈은 상기 몸체부의 상부면에 제1 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 전극 접촉홈은 상기 몸체부의 하부면에 제2 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극 접촉홈은 전극접촉부 및 전극수용부를 포함할 수 있다. 상기 전극접촉부는 제1 직경의 반원 형상의 단면을 갖고, 상기 노출된 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극을 수용할 수 있다. 상기 전극수용부는 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경의 반원 형상의 단면을 갖고, 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제2 전극을 수용할 수 있다. 상기 전극수용부에는 절연막이 형성될 수 있다. 상기 제2 전극 접촉홈은 상기 제2 직경과 동일하거나 상기 제2 직경보다 작은 제3 직경의 반원 형상의 단면을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 몸체부는 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 관통홀은 상기 몸체부를 관통하도록 형성되고, 인접한 상기 제1 전극 접촉홈의 제1 단부와 상기 제2 전극 접촉홈의 제1 단부와 연결될 수 있다. 상기 제1 관통홀은 상기 몸체부를 관통하도록 형성되고, 인접한 상기 제1 전극 접촉홈의 제2 단부와 상기 제2 전극 접촉홈의 제2 단부와 연결될 수 있다. 또한, 상기 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 상기 제2 전극들의 적어도 일부분이 위치하는 부분에 상기 몸체부를 관통하도록 형성된 제3 관통홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 몸체부는 상기 제3 관통홀의 대향하는 양단부를 연결하도록 형성되고, 상기 제2 관형 고체산화물 연료전지의 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전극 접촉바를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 고체산화물 연료전지 스택은 제1 및 제2 고체산화물 연료전지 및 중간 연결재를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지 각각은 내부에 유로가 형성된 관형 제1 전극, 상기 제1 전극의 양단부 부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상부에 순차적으로 적층된 전해질 및 제2 전극을 구비할 수 있다. 상기 중간 연결재는 상부면에 상기 제1 고체산화물 연료전지를 수용하는 제1 전극 접촉홈이 형성되고, 하부면에 상기 제2 고체산화물 연료전지를 수용하는 제2 전극 접촉홈이 형성된 제1 몸체부를 구비할 수 있다. 상기 제1 전극 접촉홈은 상기 제1 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하여 상기 제1 고체산화물 연료전지의 노출된 제1 전극 부분과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 전극 접촉홈은 상기 제2 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하여 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 고체산화물 연료전지 스택은 상부 연결재 및 하부 연결재를 더 포함할 수 있다. 상기 상부 연결재는 상기 제1 전극 접촉홈과 함께 상기 제1 고체산화물 연료전지를 수용하고, 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결된 제3 전극 접촉홈이 형성된 제2 몸체부를 구비할 수 있다. 상기 하부 연결재는 상기 제2 전극 접촉홈과 함께 상기 제2 고체산화물 연료전지를 수용하고, 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결된 제4 전극 접촉홈이 형성된 제3 몸체부를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시에들에 있어서, 상기 제1 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 내부 유로와 연결된 제1 관통홀을 포함하고, 상기 제2 몸체부는 상기 제1 관통홀과 연결되는 제1 기체홈을 포함하며, 상기 제3 몸체부는 상기 제1 관통홀과 연결되는 제2 기체홈 및 상기 제2 기체홈에 제1 기체를 주입하기 위한 제1 기체주입구를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극들이 배치되는 위치에 형성된 제2 관통홀을 포함하고, 상기 제2 몸체부는 상기 제2 관통홀과 연결된 제3 기체홈을 포함하며, 상기 제3 몸체부는 상기 제2 관통홀과 연결된 제4 기체홈 및 상기 제4 기체홈에 제2 기체를 주입하기 위한 제2 기체 주입구를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 고체산화물 연료전지 스택은 상기 중간 연결재와 상기 상부 연결재 사이에 배치되어 상기 중간 연결재와 상기 상부 연결재를 절연시키는 제1 절연부재 및 상기 중간 연결재와 상기 하부 연결재 사이에 배치되어 상기 중간 연결재와 상기 하부 연결재를 절연시키는 제2 절연부재를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 연결재에 형성된 전극 접촉홈에 관형 고체산화물 연료전지를 수용시킴으로써, 안정적인 고체산화물 연료전지 스택을 형성할 수 있다. 그리고, 연결재에 수소(H2)가 이동할 수 있는 유로 및 공기가 이동할 수 있는 유로를 형성함으로써, 밀봉이 용이한 고체산화물 연료전지 스택을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 연결재를 이용하여 고체산화물 연료전지 스택을 형성하는 경우, 집전을 위한 추가적인 구성이 불필요할 뿐만 아니라, 스택 조립 공정이 단순화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 관형 고체산화물 연료전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 중간 연결재를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 상부 연결재를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6는 도 1에 도시된 하부 연결재를 설명하기 위한 사시도이다.
도 7 및 도 8는 본 발명의 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 9 및 도 10는 본 발명의 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예 4에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료전지용 연결재 및 이를 포함하는 관형 고체산화물 연료전지 스택에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택을 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 관형 고체산화물 연료전지를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 중간 연결재를 설명하기 위한 사시도이고, 도 5는 도 1에 도시된 상부 연결재를 설명하기 위한 사시도이며, 도 6은 도 1에 도시된 하부 연결재를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 내지 도 6를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 상부 연결재(20), 하부 연결재(30), 상부 연결재(20)와 하부 연결재(30) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 중간 연결재(100), 상부 연결재(20)와 중간 연결재(100) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a), 하부 연결재(30)와 중간 연결재(100) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)를 포함한다.
제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)와 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)는 실질적으로 동일 또는 유사한 구성을 갖고 있으므로, 이하에서는 관형 고체산화물 연료전지(10)를 설명하는 것으로써 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b)에 대한 설명을 대신한다. 본 명세서에 있어서, ‘관형 고체산화물 연료전지’라 함은 단면이 폐루프(closed loop)를 형성하는 모든 형상의 고체산화물 연료전지를 포함한다. 예를 들면, ‘관형 고체산화물 연료전지’라 함은 단면이 원형인 원통형 고체산화물 연료전지뿐만 아니라 단면이 타원형인 고체산화물 연료전지 및 평관형 고체산화물 연료전지도 포함하고, 나아가 단면이 사각형 등 다각형인 고체산화물 연료전지도 포함한다.
본 발명의 실시예 1에 적용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)는 내부에 유로가 형성된 관형의 제1 전극(11), 제1 전극(11) 상부에 적층된 전해질(13) 및 전해질(13) 상부에 적층된 제2 전극(15)을 포함할 수 있다. 전해질(13)은 산소 이온 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 전해질(13)은 높은 이온 전도성, 우수한 산화-환원 분위기에서의 안정성 및 우수한 기계적 특성을 갖는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia), (La, Sr)(Ga, Mg)O3, Ba(Zr,Y)O3, GDC(Gd doped CeO2), YDC(Y2O3 doped CeO2) 등과 같은 세라믹 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 내부에 유로가 형성된 관형의 제1 전극(11)은 연료극이고, 전해질(13) 상부에 적층된 제2 전극(15)은 공기극일 수 있다. 예를 들면, 관형 고체산화물 연료전지(10)는 연료극지지체형 고체산화물 연료전지일 수 있다. 이 경우, 연료 가스는 연료극의 내부 유로를 통해 공급되고, 산소를 포함하는 공기는 외곽층인 공기극의 표면을 통해 공급될 수 있다. 연료극의 내부 유로에 공급되는 연료 가스로는 수소(H2)가 사용될 수 있다. 연료극의 내부 유로를 통하여 공급된 수소(H2)는 연료극 내부를 통하여 전해질(13)에 인접한 부분까지 이동하게 된다. 공기극에 공급된 공기는 산소의 환원 반응을 통해 산소이온을 생성한다. 공기극에서 생성된 산소이온은 전해질(13)을 통해 연료극으로 이동하고, 연료극으로 이동된 산소이온과 연료극에 공급된 수소가 반응함으로써 전기 에너지가 생성된다. 상기와 같이 연료극 내부를 통하여 수소(H2)가 이동할 수 있도록, 연료극은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia)와 니켈(Ni)의 혼합물을 이용하여 다공질 구조로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기와 같이 공기극을 통하여 산소가 이동할 수 있도록, 공기극은 LSM(Lanthanum strontium manganite), LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite) 등을 이용하여 다공질 구조로 형성하는 것이 바람직하다. LSM(Lanthanum strontium manganite)은 란탄늄(La), 스트론튬(Sr) 및 망간(Mn)의 복합체이고, LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)는 란탄늄(La), 스트론튬(Sr), 코발트(Co) 및 철(Fe)의 복합물이다.
위에서 설명된 실시예와 달리, 본 발명의 다른 실시예에 있어서는, 내부 유로가 형성된 관형의 제1 전극(11)이 공기극이고, 전해질(13) 상부에 적층된 제2 전극(15)이 연료극일 수 있다. 예를 들면, 관형 고체산화물 연료전지(10)는 공기극 지지체형 고체산화물 연료전지일 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 내부 유로가 형성된 관형의 제1 전극(11)이 연료극이고, 전해질(13) 상부에 적층된 제2 전극(15)이 공기극인 실시예를 중심으로 설명되더라도, 이러한 설명은 내부 유로가 형성된 관형의 제1 전극(11)이 공기극이고, 전해질(13) 상부에 적층된 제2 전극(15)이 연료극인 실시예에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 실시예 1에 적용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)에 있어서, 전해질(13)은 제1 전극(11)의 양쪽 가장자리 부분이 소정 폭만큼 노출되도록 제1 전극(11) 상부에 형성될 수 있다. 또한, 제2 전극(15)은 전해질(13)의 양쪽 가장자리 부분이 소정 폭만큼 노출되도록 전해질(13)의 상부에 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 관형 고체산화물 연료전지(10)는 노출된 전해질(13) 부분을 감싸는 밀봉부(17)를 더 포함할 수 있다. 밀봉부(17)는 플렉시블한 글라스 실링 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 일례로, 글라스 실링 물질을 시트화 한 후 이를 관형 고체산화물 연료전지(10)에 롤링함으로써, 밀봉부(17)를 형성할 수 있다. 밀봉부(17)는 이후에 설명될 제1 전극 접촉홈(110) 및 제2 전극 접촉홈(120)과 이에 수납되는 관형 고체산화물 연료전지(10) 사이의 공간을 통해 수소 및/또는 산소가 이동하는 것을 방지한다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
본 발명의 실시예 1에 적용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)에 있어서, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제1 전극(11)과 연결재의 전기적 연결 성능을 향상시키기 위하여, 노출된 제1 전극(11) 부분을 실버 페이스트로 코팅할 수 있다. 또한, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)과 연결재의 전기적 연결 성능을 향상시키기 위하여 제2 전극(15) 부분을 도전성 와이어 또는 도전성 메쉬로 감쌀 수 있다. 이하의 설명에 있어서, ‘특정 부분과 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)이 전기적으로 접촉한다’라고 함은 ‘특정 부분’과 ‘관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)’이 직접 접촉하는 경우뿐만 아니라 ‘특정 부분’과 ‘관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)에 감겨진 도전성 와이어 또는 도전성 메쉬’가 접촉하는 경우도 포함한다.
본 발명에 적용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)는 제1 전극(11)과 전해질(13) 사이, 제2 전극(15)과 전해질(13) 사이, 제2 전극(15)의 상부 또는 제1 전극(11)의 내부에 형성된 다양한 기능층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 기능층은 전지의 효율 향상을 위해 필요에 따라 형성될 수 있다.
중간 연결재(100)는 상부 연결재(20)와 중간 연결재(100) 사이에 배치된 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11)과 하부 연결재(30)와 중간 연결재(100) 사이에 배치된 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)을 전기적으로 연결한다. 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)가 복수개이고 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)가 복수개인 경우, 중간 연결재(100)는 또한 복수의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극들(11)을 서로 전기적으로 연결할 뿐만 아니라 복수의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극들(15)을 서로 전기적으로 연결한다. 즉, 중간 연결재(100)에 의해 병렬로 연결된 복수의 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a) 및 병렬로 연결된 복수의 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)이 직렬로 연결되는 것이다. 도면에는 설명의 편의를 위하여 하나의 중간 연결재(100)만 도시되어 있으나, 상부 연결재(20)와 하부 연결재(30) 사이에는 복수의 중간 연결재(100)가 배치될 수 있고, 중간 연결재(100)의 개수는 필요에 따라 적절하게 조정될 수 있다.
제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10a, 10b)을 전기적으로 연결하기 위하여, 중간 연결재(100)는 도전성 제1 몸체부(100a)를 포함한다. 일례로, 제1 몸체부(100a)는 도전성 물질로만 형성될 수 있다. 이와 달리, 제1 몸체부(100a)는 절연성 베이스 표면에 도전성 물질을 코팅하여 형성될 수도 있다. 제1 몸체부(100a)는 서로 대향하는 상, 하부면 및 이들을 연결하는 측면들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 몸체부(100a)는 직육면체 형상을 가질 수 있다.
제1 몸체부(100a)는 적어도 하나 이상의 제1 전극 접촉홈(110), 적어도 하나 이상의 제2 전극 접촉홈(120), 두 개의 제1 관통홀들(130) 및 제2 관통홀(140)을 포함한다.
제1 전극 접촉홈(110)은 상부 연결재(20)와 마주보는 제1 몸체부(100a)의 상부면에 적어도 하나 이상이 형성된다. 이하에서는 도면에 도시된 바와 같이 3개의 제1 전극 접촉홈(110)이 형성된 것을 예로 들어 설명한다. 제1 전극 접촉홈들(110)은 서로 평행하게 제1 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 전극 접촉홈들(110)은 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 따라 배열된다. 제1 전극 접촉홈들(110)에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)이 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖는 경우, 제1 전극 접촉홈들(110) 역시 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖도록 형성된다. 즉, 제1 전극 접촉홈(110)의 크기 및 구조는 이에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 크기 및 구조에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)가 원형의 단면을 갖는 경우, 제1 전극 접촉홈(110)은 반원형의 단면 형상을 가질 수 있다.
제1 전극 접촉홈들(110) 각각은 서로 이격된 두 개의 제1 관통홀(130) 중 좌측에 위치한 제1 관통홀(130a)에 연결된 제1 단부 및 우측에 위치한 제1 관통홀(130b)에 연결된 제2 단부를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 전극 접촉홈들(110) 각각은 제1 단부로부터 소정 폭만큼 형성된 좌측 전극접촉부(111a), 제2 단부로부터 소정 폭만큼 형성된 우측 전극접촉부(111b) 및 좌측 전극접촉부(111a)와 우측 전극접촉부(111b) 사이에 형성된 전극수용부(113)를 포함할 수 있다. 제1 전극 접촉홈(110)의 좌측 전극접촉부(111a)에는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 좌측 단부 부분, 즉, 노출된 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11) 중 좌측에 위치한 제1 전극(11) 부분이 수용된다. 이 경우, 수용된 제1 전극(11) 부분이 제1 전극 접촉홈(110)의 좌측 전극접촉부(111a)에 전기적으로 연결된다. 그리고, 제1 전극 접촉홈(110)의 우측 전극접촉부(111b)에는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 우측 단부 부분, 즉, 노출된 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11) 중 우측에 위치한 제1 전극(11) 부분이 수용된다. 이 경우, 수용된 제1 전극(11) 부분이 제1 전극 접촉홈(110)의 우측 전극접촉부(111b)에 전기적으로 연결된다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 전극 접촉홈(110)의 전극접촉부(111)가 산화되는 것을 방지하고 제1 전극 접촉홈(110)의 전극접촉부(111)와 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11) 사이의 전기적 연결 성능을 향상하기 위하여, 제1 전극 접촉홈(110)의 전극접촉부(111)에 도전성 산화 방지막(미도시)이 형성될 수 있다. 도전성 산화 방지막은 산화가 잘 되지 않는 금속계 박막 또는 전도성 세라믹 박막일 수 있다. 상기 금속계 박막은 Ag, Pt 등의 귀금속, Ni, Ni-Co 합금, Mn-Co 합금 등을 증착, 도금 또는 코팅하여 형성되거나, 상기 금속 성분들을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 상기 전도성 세라믹 박막은 페라이트계 LSM, 스피넬계 (Mn,Cr)304, (Mn,Co)304 등을 코팅하거나 상기 세라믹 성분을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다.
제1 전극 접촉홈(110)의 전극수용부(113)에는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 밀봉부(17)가 형성된 부분 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 적어도 일부가 수용된다. 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)가 원형의 단면을 갖는 경우, 제1 전극 접촉홈(110)은 이에 대응하는 반원 형상의 단면을 갖도록 형성된다. 제1 전극(11)의 상부에 전해질(13)이 적층되고 전해질(13) 상부에 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 적층되므로, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 외부 직경은 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 제1 전극(11)이 노출된 부분의 외부 직경보다 크다. 따라서, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 노출된 제1 전극(11) 부분이 수용되는 제1 전극 접촉홈(110)의 좌/우측 전극접촉부(111a, 111b)는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 밀봉부(17)가 형성된 부분 및 제2 전극(15)이 형성된 부분을 수용하는 전극수용부(113)보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 전극수용부(113)에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 제2 전극(15) 부분은 제1 몸체부(100a)와 전기적으로 절연되어야 하므로, 전극수용부(113) 단면의 직경은 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 제2 전극(15)이 형성된 부분의 직경보다 큰 것이 바람직하다. 구체적으로, 제1 전극 접촉홈(110) 중 전극수용부(113)와 이에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15) 부분이 서로 이격되도록 전극수용부(113)의 단면 직경을 정할 수 있다. 즉, 제1 전극 접촉홈(110) 중 전극수용부(113)와 이에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15) 부분을 이격시킴으로써, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)과 제1 몸체부(100a)를 절연시키는 것이다. 이와 달리, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)과 제1 몸체부(100a)를 절연시키기 위하여, 제1 전극 접촉홈(110) 중 전극수용부(113)에 절연막을 형성할 수도 있다.
제2 전극 접촉홈(120)은 하부 연결재(30)와 마주보는 제1 몸체부(100a)의 하부면에 적어도 하나 이상이 형성된다. 이하에서는 도면에 도시된 바와 같이 3개의 제2 전극 접촉홈(120)이 형성된 것을 예로 들어 설명한다. 제2 전극 접촉홈들(120)은 서로 평행하게 제1 방향으로 연장되도록 형성된다. 이 경우, 제2 전극 접촉홈들(120)은 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 따라 배열된다. 일례로, 제2 전극 접촉홈들(120)은 제1 전극 접촉홈들(110)이 형성된 위치에 대응하여 직접 아래 부분에 형성될 수 있다. 이와 달리, 제2 전극 접촉홈들(120)은 제1 전극 접촉홈들(110)과 엇갈린 위치에 형성될 수도 있다. 제2 전극 접촉홈들(120)에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)이 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖는 경우, 제2 전극 접촉홈들(120) 역시 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖도록 형성된다. 즉, 제2 전극 접촉홈(120)의 크기 및 구조는 이에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 크기 및 구조에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)가 원형의 단면을 갖는 경우, 제2 전극 접촉홈(120)은 반원 형태의 단면 형상을 가질 수 있다.
제2 전극 접촉홈들(120) 각각은 서로 이격된 두 개의 제1 관통홀(130) 중 좌측에 위치한 제1 관통홀(130a)에 연결된 제1 단부 및 우측에 위치한 제1 관통홀(130b)에 연결된 제2 단부를 포함할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 전극 접촉홈들(110, 120)의 제1 단부들은 좌측에 위치한 제1 관통홀(130a)에 연결되고, 제2 단부들은 우측에 위치한 제1 관통홀(130b)에 연결될 수 있다. 제1 전극 접촉홈들(110)과 달리, 제2 전극 접촉홈들(120) 각각은 일정한 직경을 갖는 반원형 홈일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 전극(11)의 상부에 전해질(13)이 적층되고 전해질(13) 상부에 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 적층되므로, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 외부 직경은 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 제1 전극(11)이 노출된 부분의 외부 직경보다 크다. 따라서, 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)이 제2 전극 접촉홈들(120)에 각각 수용되는 경우, 제2 전지가 형성된 부분은 제2 전극 접촉홈(120)의 바닥면과 접촉하게 되나, 노출된 제1 전극(11)은 제2 전극 접촉홈(120)의 바닥면과 이격되게 된다. 즉, 제2 전극 접촉홈들(120)에 수용된 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)은 제1 몸체부(100a)와 전기적으로 연결되나, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제1 전극(11)은 제1 몸체부(100a)와 절연된다. 이를 위해, 제2 전극 접촉홈(120) 단면의 직경은 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 제2 전극(15)이 형성된 부분의 직경보다 크거나 같고, 제1 전극 접촉홈(110) 중 전극수용부(113)의 단면 직경과 동일하거나 이보다 작을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 전극 접촉홈(120) 중 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15) 부분과 접촉하는 부분이 산화되는 것을 방지하고 제2 전극 접촉홈(120)과 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15) 사이의 전기적 연결 성능을 향상하기 위하여, 제2 전극 접촉홈(120) 중 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)과 접촉하는 부분에는 도전성 산화 방지막(미도시)이 형성될 수 있다. 도전성 산화 방지막은 산화가 잘 되지 않는 금속계 박막 또는 전도성 세라믹 박막일 수 있다. 상기 금속계 박막은 Ag, Pt 등의 귀금속, Ni, Ni-Co 합금, Mn-Co 합금 등을 증착, 도금 또는 코팅하여 형성되거나, 상기 금속 성분들을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 상기 전도성 세라믹 박막은 페라이트계 LSM, 스피넬계 (Mn,Cr)304, (Mn,Co)304 등을 코팅하거나 상기 세라믹 성분을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 또한, 제1 몸체부(100a)와 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제1 전극(11)을 확실하게 절연시키기 위하여, 제2 전극 접촉홈(120) 중 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 노출된 제1 전극(11)이 위치하는 부분에는 절연막(미도시)이 형성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 두 개의 제1 관통홀들(130) 중 좌측에 위치한 제1 관통홀(130a)은 제1 및 제2 전극 접촉홈들(110, 120)의 제1 단부들에 인접하게 형성되어 제1 단부들 모두에 공간적으로 연결되고, 두 개의 제1 관통홀들(130) 중 우측에 위치한 제1 관통홀(130b)은 제1 및 제2 전극 접촉홈들(110, 120)의 제2 단부들에 인접하게 형성되어 제2 단부들 모두에 공간적으로 연결될 수 있다. 즉, 제1 전극 접촉홈들(110)에 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)가 수용되고 제2 전극 접촉홈들(120)에 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)가 수용된 경우, 두 개의 제1 관통홀들(130)과 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10a, 10b)의 내부 유로를 통해 제1 기체가 이동할 수 있다. 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b) 각각은 양쪽 단부에 인접하게 밀봉부(17)가 형성되어 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 관형 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 있어서는, 두 개의 제1 관통홀들(130)은 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b)의 내부 유로를 통해서만 서로 연결되게 된다. 일례로, 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b) 중 내부 유로를 갖는 관형 제1 전극(11)이 연료극인 경우, 상기 제1 기체는 고체산화물 연료전지의 연료인 수소(H2)일 수 있다. 이와 달리, 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b) 중 내부 유로를 갖는 관형 제1 전극(11)이 공기극인 경우, 상기 제1 기체는 산소를 포함하는 공기일 수 있다.
제2 관통홀(140)은 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10a, 10b) 중 제2 전극(15)이 위치하는 부분에 제1 몸체부(100a)를 관통하도록 형성될 수 있다. 제2 관통홀(140)은 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b) 중 제2 전극(15)에 제2 기체를 공급하기 위한 유로를 제공할 수 있다. 일례로, 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b) 중 내부 유로를 갖는 관형 제1 전극(11)이 연료극이고 제2 전극(15)이 공기극인 경우, 제2 기체는 산소를 포함하는 공기일 수 있다. 이와 달리, 제1 및 제2 관형 고체산화물 연료전지(10a, 10b) 중 내부 유로를 갖는 관형 제1 전극(11)이 공기극이고 제2 전극(15)이 연료극인 경우, 제2 기체는 관형 고체산화물 연료전지(10)의 연료인 수소(H2)일 수 있다. 제1 및 제2 전극 접촉홈들(110, 120)이 연장되는 방향으로의 제2 관통홀(140)의 폭은 제2 전극(15)에 대한 제2 기체의 공급 효율과 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)과 제2 전극 접촉홈(120)의 전기적 접촉 면적을 고려하여 적절하게 조절할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 제2 관통홀(140)에 의하여 제1 및 제2 전극 접촉홈들(110, 120) 각각은 서로 이격된 두 개의 부분으로 분리될 수 있다.
제1 몸체부(100a)는 적어도 둘 이상의 제1 체결홀들(150)을 더 포함할 수 있다. 제1 체결홀들(150)은 제1 몸체부(100a)를 관통하도록 형성된다. 일례로, 제1 체결홀들(150)은 도면에 도시된 바와 같이 제1 몸체부(100a)의 모서리 부분에 하나씩 4개가 형성될 수 있다. 이와 달리, 제1 체결홀(150)은 제1 몸체부(100a)의 좌측 가장자리와 좌측 제1 관통홀(130a) 사이에 그리고 제1 몸체부(100a)의 우측 가장자리와 우측 제1 관통홀(130b) 사이에 하나씩 형성될 수도 있다. 제1 체결홀(150)에는 이 후에 설명될 체결바(미도시)가 삽입될 수 있다. 체결바를 제1 체결홀(150)에 삽입하여 고체산화물 연료전지 스택을 형성하는 경우, 고체산화물 연료전지를 수용하는 각 연결재를 용이하게 정렬할 수 있어서 스택 조립이 쉬어지고, 연결재 정렬 후 체결바를 볼트 등을 이용하여 고정함으로써 안정적인 고체산화물 연료전지 스택을 형성할 수 있게 한다.
상부 연결재(20)는 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)의 제2 전극들(15)에 전기적으로 연결되고, 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)의 제2 전극들(15)을 외부와 연결하기 위한 전극 단자로서 기능한다. 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극들(15)을 전기적으로 연결하기 위하여, 상부 연결재(20)는 도전성 제2 몸체부(20')를 포함한다. 일례로, 제2 몸체부(20')는 도전성 물질로만 형성될 수 있다. 이와 달리, 제2 몸체부(20')는 절연성 베이스 표면에 도전성 물질을 코팅하여 형성될 수도 있다. 제2 몸체부(20')는 중간 연결재(100)와 마주보는 하부면, 하부면에 대향하는 상부면 및 하부면과 상부면을 연결하는 측면들로 이루어진 직육면체 형상을 가질 수 있다.
제2 몸체부(20')는 적어도 하나 이상의 제3 전극 접촉홈(21), 두 개의 제1 기체홈(22) 및 제2 기체홈(23)을 포함할 수 있다. 제2 몸체부(20')는 제1 기체 주입구(24) 및 제2 기체 주입구(25) 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 몸체부(20')는 제2 체결홀(26)을 더 포함할 수도 있다.
제3 전극 접촉홈들(21)은 중간 연결재(100)와 마주보는 제2 몸체부(20')의 하부면에 형성되고, 중간 연결재(100)의 제1 전극 접촉홈들(110)과 함께 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)을 수용한다. 제3 전극 접촉홈들(21)은 중간 연결재(100)에 형성된 제1 전극 접촉홈들(110)과 각각 마주보도록 형성된다. 즉, 제3 전극 접촉홈들(21)은 서로 평행하게 제1 방향으로 연장되도록 형성된다. 이 경우, 제3 전극 접촉홈들(21)은 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 배열된다. 제1 전극 접촉홈들(110)에 수용되는 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)이 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖는 경우, 제3 전극 접촉홈들(21) 역시 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖도록 형성된다. 제3 전극 접촉홈들(21) 각각은 반원 형태의 단면 형상을 가질 수 있다.
제3 전극 접촉홈들(21) 각각은 서로 이격된 두 개의 제1 기체홈(22) 중 좌측에 위치한 제1 기체홈(22a)에 연결된 제1 단부 및 우측에 위치한 제1 기체홈(22b)에 연결된 제2 단부를 포함할 수 있다. 제3 전극 접촉홈들(21)은 일정한 직경을 갖는 반원형 홈일 수 있다. 예를 들면, 제3 전극 접촉홈들(21) 각각은 중간 연결재(100)에 형성된 제2 전극 접촉홈(120)과 동일한 직경을 갖는 반원형 홈일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 전극(11)의 상부에 전해질(13)이 적층되고 전해질(13) 상부에 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 적층되므로, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 외부 직경은 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 제1 전극(11)이 노출된 부분의 외부 직경보다 크다. 따라서, 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)이 제3 전극 접촉홈들(21)에 각각 수용되는 경우, 제2 전지가 형성된 부분은 제3 전극 접촉홈(21)의 바닥면과 접촉하게 되나, 노출된 제1 전극(11)은 제3 전극 접촉홈(21)의 바닥면과 이격되게 된다. 즉, 제3 전극 접촉홈들(21)에 수용된 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)은 제2 몸체부(20')와 전기적으로 연결되나, 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11)은 제2 몸체부(20')와 절연된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제3 전극 접촉홈(21) 중 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)부분과 접촉하는 부분이 산화되는 것을 방지하고 제3 전극 접촉홈(21)과 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15) 사이의 전기적 연결 성능을 향상하기 위하여, 제3 전극 접촉홈(21) 중 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)과 접촉하는 부분에는 도전성 산화 방지막(미도시)이 형성될 수 있다. 도전성 산화 방지막은 산화가 잘 되지 않는 금속계 박막 또는 전도성 세라믹 박막일 수 있다. 상기 금속계 박막은 Ag, Pt 등의 귀금속, Ni, Ni-Co 합금, Mn-Co 합금 등을 증착, 도금 또는 코팅하여 형성되거나, 상기 금속 성분들을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 상기 전도성 세라믹 박막은 페라이트계 LSM, 스피넬계 (Mn,Cr)304, (Mn,Co)304 등을 코팅하거나 상기 세라믹 성분을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 또한, 제2 몸체부(20')와 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제1 전극(11)을 확실하게 절연시키기 위하여, 제3 전극 접촉홈(21) 중 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 노출된 제1 전극(11)이 위치하는 부분에는 절연막(미도시)이 형성될 수 있다.
제2 몸체부(20')의 두 개의 제1 기체홈들(22)은 중간 연결재(100)에 형성된 두 개의 제1 관통홀(130)에 각각 대응하는 위치에 형성되고, 제1 관통홀(130)과 함께 제1 기체가 이동하는 유로를 제공한다. 제2 몸체부(20')의 두 개의 제1 기체홈(22) 중 좌측 제1 기체홈(22a)은 제3 전극 접촉홈들(21)의 제1 단부들에 인접하게 배치되어 이들에 연결되고, 우측 제1 기체홈(22b)은 제3 전극 접촉홈들(21)의 제2 단부들에 인접하게 배치되어 이들에 연결될 수 있다. 제2 몸체부(20')의 두 개의 제1 기체홈들(22)과 중간 연결재(100)에 형성된 두 개의 제1 관통홀들(130)은 각각 서로 동일한 평면적을 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 중간 연결재(100)의 제1 관통홀들(130)과 달리, 제2 몸체부(20')의 두 개의 제1 기체홈들(22)은 제2 몸체부(20')를 관통하지 않도록 형성될 수 있다.
제2 몸체부(20')의 제2 기체홈(23)은 중간 연결재(100)에 형성된 제2 관통홀(140)에 대응하는 위치에 형성되고, 제2 관통홀(140)과 함께 제2 기체가 이동하는 유로를 제공한다. 즉, 제2 몸체부(20')의 제2 기체홈(23)은 제2 몸체부(20') 중 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)이 위치하는 부분에 형성될 수 있다. 제2 몸체부(20')의 제2 기체홈(23)은 중간 연결재(100)에 형성된 제2 관통홀(140)과 동일한 평면적을 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 중간 연결재(100)의 제2 관통홀(140)과 달리, 제2 몸체부(20')의 제2 기체홈(23)은 제2 몸체부(20')를 관통하지 않도록 형성될 수 있다. 제3 전극 접촉홈들(21)이 연장되는 방향으로의 제2 기체홈(23)의 폭은 제2 기체의 공급 효율과 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극(15)과 제3 전극 접촉홈(21)의 전기적 접촉 면적을 고려하여 적절하게 조절할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 제2 기체홈(23)에 의하여 제3 전극 접촉홈들(21) 각각은 서로 이격된 두 개의 부분으로 분리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 기체홈(23) 바닥면에는 제1 방향으로 연장되고, 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)의 제2 전극들(15)과 각각 전기적으로 접촉하는 막대형 제1 접촉 돌기들(27)이 형성될 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 제2 기체홈(23) 바닥면에는 제2 방향으로 연장되고, 제1 관형 고체산화물 연료전지들(10a)의 제2 전극들(15) 모두와 전기적으로 접촉하는 막대형 제2 접촉 돌기들(미도시)이 형성될 수 있다. 이와 같이, 제2 기체홈(23) 바닥면에 제1 접촉 돌기들(27) 또는 제2 접촉 돌기들을 형성되는 경우, 상부 연결재(20)와 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a)의 제2 전극들(15) 사이의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.
제1 기체 주입구(24)는 제2 몸체부(20')의 측면들 중 제3 전극 접촉홈들(21)의 일단부들과 마주보는 측면에 형성될 수 있다. 제1 기체 주입구(24)는 제1 기체홈(22)에 연결되고, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 내부 유로에 공급되는 제1 기체를 주입하기 위한 통로를 제공한다.
제2 기체 주입구(25)는 제2 몸체부(20')의 측면들 중 제2 기체홈(23)에 인접한 측면에 형성될 수 있다. 제2 기체 주입구(25)는 제2 기체홈(23)에 연결되고, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)에 공급되는 제2 기체를 주입하기 위한 통로를 제공한다.
제2 몸체부(20')에는 제1 기체 주입구(24)와 제2 기체 주입구(25)가 모두 형성될 수도 있으나, 이들 중 하나만 형성되고, 나머지 하나는 이하에서 설명될 하부 연결재(30)에 형성될 수도 있다.
제2 몸체부(20')는 제1 몸체부(100a)에 형성된 제1 체결홀들(150)과 각각 연결되는 제2 체결홀들(26)을 포함할 수 있다. 제2 체결홀들(26)은 제1 체결홀(150)에 대응하는 위치에 제2 몸체부(20')를 관통하도록 형성될 수 있다. 제1 및 제2 체결홀(150, 26)에는 이후 설명될 체결바가 삽입될 수 있다.
하부 연결재(30)는 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)의 제1 전극들(11)과 전기적으로 연결되고, 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)의 제1 전극들(11)을 외부와 연결하기 위한 전극 단자로서 기능한다. 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)의 제1 전극들(11)을 전기적으로 연결하기 위하여, 하부 연결재(30)는 도전성 제3 몸체부(30')를 포함한다. 일례로, 제3 몸체부(30')는 도전성 물질로만 형성될 수 있다. 이와 달리, 제3 몸체부(30')는 절연성 베이스 표면에 도전성 물질을 코팅하여 형성될 수도 있다. 제3 몸체부(30')는 중간 연결재(100)와 마주보는 상부면, 상부면에 대향하는 하부면 및 상부면과 하부면을 연결하는 측면들로 이루어진 직육면체 형상을 가질 수 있다.
제3 몸체부(30')는 적어도 하나 이상의 제4 전극 접촉홈(31), 두 개의 제3 기체홈(32) 및 제4 기체홈(33)을 포함하루 수 있다. 제3 몸체부(30')는 제3 체결홀(36)을 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 몸체부(20')에 제1 및 제2 기체 주입구(24, 25)가 형성되지 않은 경우, 제3 몸체부(30')는 제3 및 제4 기체 주입구(34, 35)를 더 포함할 수 있다.
제4 전극 접촉홈들(31)은 중간 연결재(100)와 마주보는 제3 몸체부(30')의 상부면에 형성되고, 중간 연결재(100)의 제2 전극 접촉홈들(120)과 함께 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)을 수용한다. 제4 전극 접촉홈들(31)은 중간 연결재(100)에 형성된 제2 전극 접촉홈들(120)과 각각 마주보도록 형성된다. 즉, 제4 전극 접촉홈들(31)은 서로 평행하게 제1 방향으로 연장되도록 형성된다. 이 경우, 제4 전극 접촉홈들(31)은 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 배열된다. 제2 전극 접촉홈들(120)에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지들(10b)이 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖는 경우, 제4 전극 접촉홈들(31) 역시 서로 동일한 크기 및 동일한 구조를 갖도록 형성된다. 제4 전극 접촉홈들(31) 각각은 반원 형태의 단면 형상을 가질 수 있다.
제4 전극 접촉홈들(31) 각각은 서로 이격된 두 개의 제3 기체홈(32) 중 좌측에 위치한 제3 기체홈(32a)에 연결된 제1 단부 및 우측에 위치한 제3 기체홈(32b)에 연결된 제2 단부를 포함할 수 있다. 이 경우, 제4 전극 접촉홈들(31) 각각은 제1 단부로부터 소정 폭만큼 형성된 좌측 전극접촉부(31a), 제2 단부로부터 소정 폭만큼 형성된 우측 전극접촉부(31c) 및 좌측 전극접촉부(31a)와 우측 전극접촉부(31c) 사이에 형성된 전극수용부(31b)를 포함할 수 있다. 제4 전극 접촉홈(31)의 좌측 전극접촉부(31a)에는 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a) 중 좌측 단부 부분, 즉, 노출된 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제1 전극(11) 중 좌측에 위치한 제1 전극(11) 부분이 수용된다. 이 경우, 수용된 제1 전극(11) 부분이 제4 전극 접촉홈(31)의 좌측 전극접촉부(31a)에 전기적으로 연결된다. 그리고, 제4 전극 접촉홈(31)의 우측 전극접촉부(31c)에는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 우측 단부 부분, 즉, 노출된 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제1 전극(11) 중 우측에 위치한 제1 전극(11) 부분이 수용된다. 이 경우, 수용된 제1 전극(11) 부분이 제4 전극 접촉홈(31)의 우측 전극접촉부(31c)에 전기적으로 연결된다. 본 발명의 일 실시예에서, 제4 전극 접촉홈(31) 중 전극접촉부(111)가 산화되는 것을 방지하고 제4 전극 접촉홈(31)의 전극접촉부(31a, 31c)와 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제1 전극(11) 사이의 전기적 연결 성능을 향상하기 위하여, 제4 전극 접촉홈(31)의 전극접촉부(31a, 31c)에 도전성 산화 방지막(미도시)을 형성할 수 있다. 도전성 산화 방지막은 산화가 잘 되지 않는 금속계 박막 또는 전도성 세라믹 박막일 수 있다. 상기 금속계 박막은 Ag, Pt 등의 귀금속, Ni, Ni-Co 합금, Mn-Co 합금 등을 증착, 도금 또는 코팅하여 형성되거나, 상기 금속 성분들을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 상기 전도성 세라믹 박막은 페라이트계 LSM, 스피넬계 (Mn,Cr)304, (Mn,Co)304 등을 코팅하거나 상기 세라믹 성분을 포함하는 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 제4 전극 접촉홈(31)의 전극수용부(31b)에는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 밀봉부(17)가 형성된 부분 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 적어도 일부가 수용된다.
제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)가 원형의 단면을 갖는 경우, 제4 전극 접촉홈(31)은 이에 대응하는 반원 형상의 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 제1 전극(11)의 상부에 전해질(13)이 적층되고 전해질(13) 상부에 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 적층되므로, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 밀봉부(17) 및 제2 전극(15)이 형성된 부분의 외부 직경은 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 제1 전극(11)이 노출된 부분의 외부 직경보다 크다. 따라서, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 노출된 제1 전극(11) 부분이 수용되는 제4 전극 접촉홈(31)의 좌측 및 우측 전극접촉부(31a, 31c)는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 밀봉부(17)가 형성된 부분 및 제2 전극(15)이 형성된 부분을 수용하는 전극수용부(31b)보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 전극수용부(31b)에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 제2 전극(15) 부분은 제3 몸체부(30')와 전기적으로 절연되어야 하므로, 전극수용부(31b) 단면의 직경은 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b) 중 제2 전극(15)이 형성된 부분의 직경보다 큰 것이 바람직하다. 구체적으로, 제4 전극 접촉홈(31) 중 전극수용부(31b)와 이에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15) 부분이 서로 이격되도록 전극수용부(31b)의 단면 직경을 정할 수 있다. 즉, 제4 전극 접촉홈(31) 중 전극수용부(31b)와 이에 수용되는 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15) 부분을 이격시킴으로써, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)과 제3 몸체부(30')를 절연시키는 것이다. 또한, 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)과 제3 몸체부(30')를 확실하게 절연시키기 위하여, 제4 전극 접촉홈(31) 중 전극수용부에는 절연막(미도시)이 형성될 수 있다.
두 개의 제3 기체홈들(32)은 중간 연결재(100)에 형성된 두 개의 제1 관통홀(130)에 각각 대응하는 위치에 형성되고, 중간 연결재(100)의 제1 관통홀(130) 및 상부 연결재(20)의 제1 기체홈(22)과 함께 제1 기체가 이동하는 유로를 제공한다. 즉, 제3 몸체부(30')의 두 개의 제3 기체홈(32) 중 좌측 제3 기체홈(32a)은 제4 전극 접촉홈들(31)의 제1 단부들에 인접하게 배치되어 이들에 연결되고, 우측 제3 기체홈(32b)은 제4 전극 접촉홈들(31)의 제2 단부들에 인접하게 배치되어 이들에 연결될 수 있다. 두 개의 제3 기체홈들(32)과 두 개의 제1 관통홀들(130)은 각각 서로 동일한 평면적을 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 중간 연결재(100)의 제1 관통홀들(130)과 달리, 제3 기체홈들(32)은 제3 몸체부(30')를 관통하지 않도록 형성될 수 있다.
제4 기체홈(33)은 제2 관통홀(140)에 대응하는 위치에 형성되고, 제2 관통홀(140) 및 제2 기체홈(23)과 함께 제2 기체가 이동하는 유로를 제공한다. 즉, 제4 기체홈(33)은 제3 몸체부(30') 중 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b)의 제2 전극(15)이 위치하는 부분에 형성될 수 있다. 제4 기체홈(33)은 제2 관통홀(140)과 동일한 평면적을 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 중간 연결재(100)의 제2 관통홀(140)과 달리, 제4 기체홈(33)은 제3 몸체부(30')를 관통하지 않도록 형성될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 제4 기체홈(33)에 의하여 제4 전극 접촉홈들(31) 각각은 서로 이격된 두 개의 부분으로 분리될 수 있다.
제3 기체 주입구(34)는 제3 몸체부(30')의 측면들 중 제4 전극 접촉홈들(31)의 일단부들과 마주보는 측면에 형성될 수 있다. 제3 기체 주입구(34)는 제3 기체홈(32)에 연결되고, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 내부 유로에 공급되는 제1 기체를 주입하기 위한 통로를 제공한다.
제4 기체 주입구(35)는 제3 몸체부(30')의 측면들 중 제4 기체홈(33)에 인접한 측면에 형성될 수 있다. 제4 기체 주입구(35)는 제4 기체홈(33)에 연결되고, 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(15)에 공급되는 제2 기체를 주입하기 위한 통로를 제공한다.
제3 몸체부(30')에는 제3 기체 주입구(32)와 제4 기체 주입구(35)가 모두 형성될 수도 있으나, 이들 중 하나만 형성될 수도 있다. 예를 들면, 제2 몸체부(20')에 제1 기체 주입구(24)만 형성된 경우, 제3 몸체부(30')에는 제4 기체 주입구(35)가 형성될 수 있다.
제3 몸체부(30')는 제1 몸체부(100a)에 형성된 제1 체결홀들(150)과 각각 연결되는 제3 체결홀들(36)이 형성될 수 있다. 즉, 제3 체결홀들(36)은 제1 체결홀(150)에 대응하는 위치에 제3 몸체부(30')를 관통하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 이웃하는 연결재 사이에 배치되는 절연 밀봉부재(160)를 더 포함할 수 있다. 인접하게 배치되는 두 개의 연결재가 서로 전기적으로 연결되는 경우, 이들 사이에 위치하는 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제1 전극(11)과 제2 전극(15)이 서로 단락되는 문제점이 발생하므로 인접하는 연결재는 서로 절연되어야 한다. 또한, 관형 고체산화물 연료전지 스택(1000) 내부에 주입된 제1 기체 및 제2 기체가 외부로 누설되지 않도록 이웃하는 연결재 사이를 밀봉할 필요가 있다. 절연 밀봉부재(160)는 이웃하는 연결재를 전기적으로 절연시킬 뿐만 아니라 이웃하는 연결재 사이의 틈을 통하여 제1 또는 제2 기체가 고체산화물 연료전지 스택(1000)의 외부로 누설되는 것을 방지한다. 절연 밀봉부재(160)는 이웃하는 연결재 중 하부에 위치하는 연결재의 상부면 가장자리 부분에 피복되거나 상부에 위치하는 연결재의 하부면 가장자리 부분에 피복될 수 있다. 이와 달리, 절연 밀봉부재(160)는 이웃하는 연결재 중 상부에 위치하는 연결재의 가장자리와 하부에 위치하는 연결재의 가장자리 사이에 배치되는 별도의 부재일 수도 있다. 일례로, 절연 밀봉 부재(160)는 상부 연결재(20)와 중간 연결재(100) 사이에 위치하는 제1 절연 밀봉부재(미도시), 중간 연결재(100)와 하부 연결재(30) 사이에 위치하는 제2 절연 밀봉부재(미도시), 둘이상의 중간 연결재(100)가 사용되는 경우에 이들 중간 연결재(100) 사이에 위치하는 제3 절연 밀봉부재(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 제1 내지 제3 체결홀(36)에 삽입되는 체결바(미도시)를 더 포함할 수 있다. 체결바는 세라믹 튜브(미도시)를 포함할 수 있다. 체결바로 사용되는 세라믹 튜브에 볼트(미도시)를 삽입한 후 너트(미도시)로 체결하는 경우, 적층된 연결재들(20, 100, 30) 및 이들 사이에 배치된 관형 고체산화물 연료전지들(10)이 안정적으로 고정될 수 있고, 전극 접촉홈과 관형 고체산화물 연료전지(10)의 전극들(11, 15) 사이의 전기적 접촉 신뢰성을 향상할 수 있다.
실시예 2
도 7 및 도 8는 본 발명의 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 1, 도 2, 도 7 및 도 8를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 상부 연결재(20), 하부 연결재(30), 중간 연결재(200), 상부 연결재(20)와 중간 연결재(200) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a), 하부 연결재(30)와 중간 연결재(200) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b), 절연 밀봉부재(미도시) 및 체결바(미도시)를 포함한다. 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 있어서, 중간 연결재(200)를 제외한 나머지 구성은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에서 설명된 구성과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 중간 연결재(200)를 중심으로 설명하고 나머지 구성에 대한 설명은 실시예 1에 대한 설명으로 대신한다.
중간 연결재(200)는 도전성 몸체부(200’)를 포함한다. 도전성 몸체부(200’)는 제1 전극 접촉홈들(210), 제2 전극 접촉홈들(220), 제1 관통홀들(230), 제2 관통홀(240), 제1 전극 접촉바들(260), 제2 전극 접촉바들(270) 및 제1 체결홀들(250)을 포함한다. 제1 전극 접촉바들(260) 및 제2 전극 접촉바들(270)을 제외한 나머지 구성은 실시예 1에서 설명된 것과 실질적으로 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
제1 전극 접촉바들(260)은 각각 제1 및 제2 전극 접촉홈들(210, 220)이 연장되는 제1 방향으로 따라 제2 관통홀(240)을 가로질러 형성된다. 제1 전극 접촉바들(260)은 제2 전극 접촉홈들(220)에 수용되는 관형 고체산화물 연료전지들(10)의 제2 전극들(17)과 각각 전기적으로 접촉하도록 형성된다. 인접한 제1 전극 접촉바들(260)은 서로 소정 간격만큼 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.
제2 전극 접촉바들(270)은 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향을 따라 제2 관통홀(240)을 가로질러 형성되고, 제2 전극 접촉바들(270) 각각은 제1 전극 접촉바들(260) 모두와 교차하도록 형성된다. 제2 전극 접촉바들(270)은 제2 전극 접촉홈들(220)에 수용되는 관형 고체산화물 연료전지들(10)의 제2 전극들(17) 모두와 전기적으로 접촉하도록 형성된다. 인접한 제2 전극 접촉바들(270)은 서로 소정 간격만큼 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.
이상에서는 제1 전극 접촉바들(260) 및 제2 전극 접촉바들(270)이 함께 형성되는 것으로 설명하였으나, 이들 중 하나만 형성될 수도 있다.
이와 같이 제1 전극 접촉바들(260) 및/또는 제2 전극 접촉바들(270)을 형성하는 경우, 제2 전극 접촉홈들(220)에 수용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극들(17)과 몸체부(200’)의 전기적 접촉 면적을 향상시킬 수 있다.
실시예 3
도 9 및 도 10는 본 발명의 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 1, 도 2, 도 9 및 도 10를 참조하면, 본 발명의 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 상부 연결재(20), 하부 연결재(30), 중간 연결재(300), 상부 연결재(20)와 중간 연결재(300) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a), 하부 연결재(30)와 중간 연결재(300) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b), 절연 밀봉부재(미도시) 및 체결바(미도시)를 포함한다. 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 있어서, 중간 연결재(300)를 제외한 나머지 구성은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에서 설명된 구성과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 중간 연결재(300)를 중심으로 설명하고 나머지 구성에 대한 설명은 실시예 1에 대한 설명으로 대신한다.
중간 연결재(300)는 도전성 몸체부(300’)를 포함한다. 도전성 몸체부(300’)는 제1 전극 접촉홈들(310), 제2 전극 접촉홈들(320), 제1 관통홀들(330), 제2 기체홈(340), 제2 관통슬릿들(360) 및 제1 체결홀들(350)을 포함한다. 제2 전극 접촉홈들(320), 제2 기체홈(340), 제2 관통슬릿들(360)을 제외한 나머지 구성은 실시예 1에서 설명된 것과 실질적으로 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
제1 전극 접촉홈들(310)이 형성되는 몸체부의 상부면에는 제1 전극 접촉홈들(310) 각각을 이격된 두 개의 부분으로 분리하는 제2 기체홈(340)이 형성된다. 제2 기체홈(340)은 몸체부(300’)를 관통하지 않도록 형성된다. 제2 기체홈(340)의 내부에는 제1 및 제2 전극 접촉홈들(310, 320)이 연장되는 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 다수의 제2 관통슬릿들(360)이 형성된다. 다수의 관통슬릿들(360)은 제2 기체가 이동하기 위한 공간을 제공한다. 몸체부(300’)의 하부면에는 제2 전극 접촉홈들(320)이 형성되고, 제2 전극 접촉홈들(320)은 제2 관통슬릿들(360)과 만난다. 제2 관통슬릿들(360)이 형성된 영역을 제외하고, 제2 전극 접촉홈들(320)은 일측 단부에서 반대측 단부까지 연속적으로 연장되도록 형성된다.
이와 같이 제2 관통슬릿들(360)이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역에서 제2 전극 접촉홈들(320)이 연속적으로 연장되도록 형성되는 경우, 제2 전극 접촉홈들(320)에 수용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극들(17)과 몸체부(300’)의 전기적 접촉 면적을 향상시킬 수 있다.
실시예 4
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예 4에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 1, 도 2, 도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예 4에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 상부 연결재(20), 하부 연결재(30), 중간 연결재(400), 상부 연결재(20)와 중간 연결재(400) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a), 하부 연결재(30)와 중간 연결재 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b), 절연 밀봉부재(미도시) 및 체결바(미도시)를 포함한다. 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 있어서, 중간 연결재(400)를 제외한 나머지 구성은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에서 설명된 구성과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 중간 연결재(400)를 중심으로 설명하고 나머지 구성에 대한 설명은 실시예 1에 대한 설명으로 대신한다.
중간 연결재(400)는 도전성 몸체부(400’)를 포함한다. 도전성 몸체부(400’)는 제1 전극 접촉홈들(410), 제2 전극 접촉홈들(420), 제1 관통홀들(430), 제2 관통홀들(440) 및 제1 체결홀들(450)을 포함한다. 제2 전극 접촉홈들(420), 제2 관통홀들(440)을 제외한 나머지 구성은 실시예 1에서 설명된 것과 실질적으로 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
몸체부(400’)에는 제1 관통홀들(430) 사이에서 서로 이격되게 형성된 두 개의 제2 관통홀들(440)이 형성된다. 몸체부(400’)의 상부면에 형성되는 제1 전극 접촉홈들(410) 각각은 좌측에 위치하는 제1 관통홀(430a)과 제2 관통홀(440a) 사이의 영역 및 우측에 위치하는 제1 관통홀(430b)과 제2 관통홀(440b) 사이의 영역에서만 형성될 뿐 제2 관통홀들(440)이 형성된 영역과 제2 관통홀들(440) 사이에 위치하는 영역에서는 형성되지 않는다. 따라서, 제1 전극 접촉홈들(410) 각각은 서로 이격된 두 개의 부분으로 분리된다.
몸체부(400')의 하부면에 형성된 제2 전극 접촉홈들(420) 각각은 좌측에 위치하는 제1 관통홀(430a)과 제2 관통홀(440a) 사이의 영역 및 우측에 위치하는 제1 관통홀(430b)과 제2 관통홀(440b) 사이의 영역뿐만 아니라 제2 관통홀들(440) 사이에 위치하는 영역에도 형성된다. 따라서, 제2 전극 접촉홈들(420) 각각은 서로 이격된 세 개의 부분으로 분리된다.
이와 같이, 제2 관통홀들(440) 사이에 위치하는 영역에도 제2 전극 접촉홈(420)을 형성함으로써 몸체부(400')와 제2 전극 접촉부(420)에 수용되는 관형 고체산화물 연료전지(10)의 제2 전극(17) 사이의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.
실시예 5
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 적용되는 중간 연결재를 도시한 사시도이다.
도 1, 도 2, 도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)은 상부 연결재(20), 하부 연결재(30), 중간 연결재(500), 상부 연결재(20)와 중간 연결재(500) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제1 관형 고체산화물 연료전지(10a), 하부 연결재(30)와 중간 연결재(500) 사이에 배치된 적어도 하나 이상의 제2 관형 고체산화물 연료전지(10b), 절연 밀봉부재(미도시) 및 체결바(미도시)를 포함한다. 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에 있어서, 중간 연결재(500)를 제외한 나머지 구성은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택(1000)에서 설명된 구성과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 중간 연결재(500)를 중심으로 설명하고 나머지 구성에 대한 설명은 실시예 1에 대한 설명으로 대신한다.
중간 연결재(500)는 도전성 몸체부(500’, 500‘’)를 포함한다. 도전성 몸체부(500’, 500‘’)는 서로 분리된 제1 몸체부(500’) 및 제2 몸체부(500‘’)를 포함한다. 제1 몸체부(500’)는 실시예 1에 따른 중간 연결재 중 제2 관통홀 좌측에 위치한 부분과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 제2 몸체부(500‘’)는 실시예 1에 따른 중간 연결재 중 제2 관통홀 우측에 위치한 부분과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 제1 및 제2 몸체부(500’, 500‘’)의 구체적인 구성에 대한 설명은 실시예 1에 대한 설명으로 대신한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 연결재에 형성된 전극 접촉홈에 관형 고체산화물 연료전지를 수용시킴으로써, 안정적인 고체산화물 연료전지 스택을 형성할 수 있다. 그리고, 연결재에 수소(H2)가 이동할 수 있는 유로 및 공기가 이동할 수 있는 유로를 형성함으로써, 밀봉이 용이한 고체산화물 연료전지 스택을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 연결재를 이용하여 고체산화물 연료전지 스택을 형성하는 경우, 집전을 위한 추가적인 구성이 불필요할 뿐만 아니라, 스택 조립 공정이 단순화될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 내부에 유로가 형성된 관형 제1 전극, 상기 제1 전극의 양단부 부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상부에 순차적으로 적층된 전해질 및 제2 전극을 구비하는 고체산화물 연료전지들을 서로 전기적으로 연결하는 도전성 몸체부를 포함하는 고체산화물 연료전지용 연결재에 있어서, 상기 도전성 몸체부는,
    상기 몸체부의 상부면에 제1 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 전극 접촉홈; 및
    상기 몸체부의 하부면에 제2 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하도록 형성되고, 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제2 전극 접촉홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 접촉홈은 상기 노출된 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극을 수용하고 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 전극접촉부; 및 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제2 전극을 수용하고 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 절연되는 전극수용부를 포함하고,
    상기 전극접촉부의 폭과 깊이는 상기 전극수용부의 폭과 깊이보다 작아서 상기 전극접촉부와 상기 전극수용부 사이에는 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전극수용부에는 절연막이 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2 전극 접촉홈의 폭 및 깊이는 상기 전극수용부의 폭 및 깊이와 동일하거나 상기 전극수용부의 폭 및 깊이보다 작은 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 몸체부는,
    상기 몸체부를 관통하도록 형성되고, 인접한 상기 제1 전극 접촉홈의 제1 단부 및 상기 제2 전극 접촉홈의 제1 단부와 연결된 제1 관통홀; 및
    상기 몸체부를 관통하도록 형성되고, 인접한 상기 제1 전극 접촉홈의 제2 단부 및 상기 제2 전극 접촉홈의 제2 단부와 연결된 제2 관통홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 상기 제2 전극들의 적어도 일부분이 위치하는 부분에 상기 몸체부를 관통하도록 형성된 제3 관통홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 몸체부는 상기 제3 관통홀의 대향하는 양단부를 연결하도록 형성되고, 상기 제2 관형 고체산화물 연료전지의 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전극 접촉바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  8. 제5항에 있어서, 상기 몸체부는,
    상기 제1 관통홀과 상기 제1 관통홀에 인접한 상기 몸체부의 제1 단부 사이에 형성된 제1 체결홀; 및
    상기 제2 관통홀과 상기 제2 관통홀에 인접하고 상기 제1 단부에 대향하는 상기 몸체부의 제2 단부 사이에 형성된 제2 체결홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 연결재.
  9. 내부에 유로가 형성된 관형 제1 전극, 상기 제1 전극의 양단부 부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상부에 순차적으로 적층된 전해질 및 제2 전극을 구비하는 제1 및 제2 고체산화물 연료전지; 및 상부면에 상기 제1 고체산화물 연료전지를 수용하는 제1 전극 접촉홈이 형성되고, 하부면에 상기 제2 고체산화물 연료전지를 수용하는 제2 전극 접촉홈이 형성된 제1 몸체부를 구비하는 중간 연결재를 포함하고,
    상기 제1 전극 접촉홈은 상기 제1 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하여 상기 제1 고체산화물 연료전지의 노출된 제1 전극 부분과 전기적으로 연결되며,
    상기 제2 전극 접촉홈은 상기 제2 고체산화물 연료전지 중 노출된 제1 전극 부분과 제2 전극의 적어도 일부분을 수용하여 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 전극 접촉홈과 함께 상기 제1 고체산화물 연료전지를 수용하고, 상기 제1 고체산화물 연료전지의 제2 전극과 전기적으로 연결된 제3 전극 접촉홈이 형성된 제2 몸체부를 구비하는 상부 연결재; 및
    상기 제2 전극 접촉홈과 함께 상기 제2 고체산화물 연료전지를 수용하고, 상기 제2 고체산화물 연료전지의 제1 전극과 전기적으로 연결된 제4 전극 접촉홈이 형성된 제3 몸체부를 구비하는 하부 연결재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 내부 유로와 연결된 제1 관통홀을 포함하고,
    상기 제2 몸체부는 상기 제1 관통홀과 연결되는 제1 기체홈을 포함하며,
    상기 제3 몸체부는 상기 제1 관통홀과 연결되는 제2 기체홈 및 상기 제2 기체홈에 제1 기체를 주입하기 위한 제1 기체 주입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 몸체부는 상기 제1 및 제2 고체산화물 연료전지의 제2 전극들이 배치되는 위치에 형성된 제2 관통홀을 포함하고,
    상기 제2 몸체부는 상기 제2 관통홀과 연결된 제3 기체홈을 포함하며,
    상기 제3 몸체부는 상기 제2 관통홀과 연결된 제4 기체홈 및 상기 제4 기체홈에 제2 기체를 주입하기 위한 제2 기체 주입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
  13. 제10항에 있어서, 상기 중간 연결재와 상기 상부 연결재 사이에 배치되어 상기 중간 연결재와 상기 상부 연결재를 절연시키는 제1 절연부재; 및
    상기 중간 연결재와 상기 하부 연결재 사이에 배치되어 상기 중간 연결재와 상기 하부 연결재를 절연시키는 제2 절연부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택.
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