KR101135367B1

KR101135367B1 - 평관형 고체산화물 연료전지용 거대 스택 및 그 제작 방법

Info

Publication number: KR101135367B1
Application number: KR1020100032854A
Authority: KR
Inventors: 정종식
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2012-04-16
Also published as: CN102971901A; US9379400B2; CN102971901B; WO2011126217A3; JP2013524458A; EP2557624A4; EP2557624A2; WO2011126217A2; KR20110113458A; JP5518252B2; US20130130137A1

Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 스텍 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 평관형 개질기와 평관형 반응기를 일체화한 셀모듈들이 셀번들을 이루어 전기적으로 연결된 대용량의 고체산화물 연료전지용 스텍 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 스텍은 평관형 개질기에 적어도 하나의 평관형 반응기가 적층되며, 상기 평관형 개질기는 일측이 막혀 있고, 외면으로 관통되는 적어도 하나의 제1채널이 형성되고, 상기 평관형 반응기는 적어도 일측이 막혀 있고, 외면으로 관통되는 적어도 하나의 제2채널이 형성되고, 상기 평관형 반응기의 외면에는 반응부와 공기 유로가 형성되며, 상기 제1채널과 제2채널은 연통된 셀모듈을 적층한 셀번들들이 전기적으로 직병렬로 적층된 것으로서, 대용량의 전기를 생산하면서도 안정적인 반응이 가능하고, 교체가 용이하여 장기 운전 안정성을 확보할 수 있다.

Description

평관형 고체산화물 연료전지용 거대 스택 및 그 제작 방법{Large Scale Stacks of Flat Tube Type Solid Oxide Fuel Cells and their Manufacturing Methods}

본 발명은 고체산화물 연료전지용 스텍 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 평관형 개질기와 평관형 반응기를 일체화한 셀모듈들이 셀번들을 이루어 전기적으로 연결된 대용량의 고체산화물 연료전지용 스텍 및 그 제조 방법에 관한 것이며,

평관의 양쪽 끝 부분에 2개의 밀봉제 홈이 형성된 전도성의 다공성 지지체를 사용하여 전기연결재 (Interconnect)가 상하면에 형성되고 내부채널에 개질촉매가 내장된 단일체형 (monolith type)의 개질기; 및 상기 지지체의 평판면 중앙부 한면 또는 양면에 공기흐름용 채널을 생성한 후 한면에는 단위셀층이 형성되고 반대면에는 전기연결재층이 형성된 단일체형의 단위셀들; 을 혼용하여 하나의 개질기 상하에 짝수개의 단위셀을 적층하고 튜브의 내부채널 한쪽 또는 양쪽 끝이 막히고 튜브 사이가 서로 관통되어 수직통로를 형성한 셀모듈이 제작되고, 상기 셀모듈들을 다시 상하 적층하고 좌우 배열한 후 말단 집전부를 가스 매니폴드(매니폴드)에 연결한 셀번들이 제작되고, 상기 셀번들들을 다시 상하좌우 배열하여 스택모듈이 제작되고, 상기 스택모듈들의 연료가스 및 공기 매니폴드사이를 각각 적절히 연결하여 스택번들이 제작되고, 이를 다시 상하로 반복 배열하고 최종 스택이 제작되어지고, 상기 스택모듈 내 튜브 중앙 공기채널부는 공기 유입 및 배출을 위한 hot box내에 설치되고 hot box 밖 좌우에 연료가스 매니폴드 거치용 rack이 설치되고 전기적으로는 단위셀들이 직병렬 혼합 연결되어진 셀번들들이 다시 필요에 따라 직렬, 병렬, 또는 직병렬 혼합 연결 될 수 있도록 제작되어져, 구조적으로 안정하고 셀번들 내 양끝 연료가스 매니폴드내의 밀봉부가 저온으로 유지되어 완벽한 밀봉이 이루어지고, 소형 단위셀들의 병렬 연결에 의한 스택의 대면적화가 가능하며, 내장된 개질기가 연료전지 발생 열을 소모하여 셀번들 내 열 편차가 적고 최종 스택의 열 관리가 쉬우며, 또한 특정 셀의 고장 시 해당 셀번들을 hot box로부터 쉽게 인출 교체할 수가 있어서 스택의 수리가 용이하고 3차원적으로 거대화가 가능한 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제조방법에 관한 것으로서,

보다 상세하게는 평관 내부에 길이방향으로 연료가스 흐름용 채널이 형성되고 길이 양끝 부분의 상하좌우4면 전면에 일정 넓이 및 깊이로 밀봉제 장착용 홈 (groove)을 간격을 두고 2개 씩 형성하여 완성된 지지체; 상기 지지체 내부 채널에 개질촉매가 장착되고 평판 상하 양면에 전기연결재층이 형성되고 또한 한쪽 끝의 내부채널을 막고 밀봉제 홈 사이의 위치에 내부채널과 연결된 개질가스 배출용 수직통로를 생성시켜 완성한 단일체형 (monolith type)의 개질기; 및 상기 구조체의 평판 중앙부 한 면 또는 양면에 공기 흐름용 채널을 생성하고 한 면에 음극층, 전해질층 및 양극층으로 이루어진 단위셀층이 형성되고 반대면에 전기연결재층이 형성되며 또한 내부채널 한쪽 끝 또는 양쪽 끝을 막고 막힌 쪽의 밀봉제 홈 사이 위치에 내부채널과 연결된 가스 유입 또는 배출용 수직통로가 생성된 단일체형의 단위셀; 들을 혼용하여 셀모듈을 제작하되, 상기 개질기의 상하면에 상기 단위셀들을 짝수 개 적층하여 연료가스가 개질기로 도입되어 내부채널을 지나면서 개질된 개질가스가 수직통로를 통하여 이웃한 단위셀들 내부를zigzag로 흐르다가 최종적으로 개질기 유입구 반대편으로 배출되도록 제작되고 전기적으로는 직렬 연결된 셀모듈; 상기 셀모듈들을 다시 좌우로 밀착 배열하고 이를 다시 상하로 적층하여 일정크기의 셀번들을 제작하고 말단셀들에 부착된 집전판들은 각각 좌우의 연료가스 매니폴드에 연결되고 밀봉제 홈에 밀봉제를 넣은 후 전체를 수직으로 세우고 고온에서 밀봉제를 액체 상태로 녹여 튜브 사이에 퍼지게 한 후 식히는 방법에 의해 양끝의 2개의 밀봉제 사이에 수직 통로를 포함한 별도의 연료가스 쳄버가 완성된 단위 셀번들; 상기 셀번들들을 다시 상하좌우로 배열하고 길이 중앙 공기채널부에는 hot box를 장착하고 hot box 밖의 좌우 rack상의 open box에 연료가스 매니폴드를 거치하여 완성된 단위 스택모듈; 상기 스택모듈들 상의 연료가스 및 공기의 유입용 및 배출용 매니폴드 를 적절히 연결하여 완성된 스택번들; 상기 스택번들들을 다시 상하로 배열하여 3차원적으로 무한정으로 거대화 될 수 있고 전기적으로 셀번들들은 스택모듈 내 이웃한 셀번들 또는 이웃한 스택모듈 내 셀번들과 직병렬 혼합 연결되어져 완성되어지는 내부개질형의 거대 스택 및 그 제조 방법을 제공하며,

상기 스택은 연료가스는 스택모듈 내 한쪽 끝 및 중간의 유입용 가스매니폴드 통해서 개질기로 유입되어 셀모듈 내 단위셀들의 내부 채널들을 zigzag로 지나 그 반대 쪽 배출용 매니폴드로 배출되며 공기는 hot box의 좌우 매니폴드를 통해서 튜브 외부의 단위셀 부위를 흐르게 되어 연료전지 반응이 일어나며 전기적으로는 단위셀 사이가 직병렬 혼합 연결되고 기계적으로는3차원적으로 무한정으로 거대화 될 수 있으며, 또한 셀번들이 단일체 구조 (monolithic structure)로 되어 기계적으로 안정하며 스택 내 튜브 양끝 연료가스 매니폴드 부위가 저온에서 유지되어 완벽하게 밀봉되고 소형 단위셀을 사용하여도 병렬 연결에 의해 반응 면적의 대면적화가 가능하며, 또한 내부개질기의 혼용으로 온도 편차가 적고 스택의 열관리가 용이하며, 또한 일부 셀의 문제 시 해당 셀번들의 교체가 가능한 새롭고도 보다 진보된 형태의 스택 및 그 제작 방법을 제공한다.

현재 제 3세대 연료전지라 할 수 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC 라 함)는 열화학적으로 안정한 지르코니아계를 전해질로 이용하고, 여기에 음극인 연료 극과 양극인 공기 극이 부착되어 있는 형태로서 수소, 메탄, 메탄올, 디젤 등의 연료가스를 개질 없이 사용할 수 있고 산화제를 공기 혹은 산소를 사용함으로써 고효율 저공해 차세대 발전방식으로 각광받는 분야이다. 이러한 SOFC는 전해질로서 이트리아(yttria)를 첨가하고 결정 구조의 안정화를 도모한 안정화 산화 지르코니늄을 사용해 왔다. 이 재료는 산소이온의 전도성을 가지고 있지만, 이러한 도전성은 온도에 의존하며 800~1000℃의 범위에서 연료전지로서의 원하는 전도성을 얻을 수 있는 특징이 있다. 이 때문에 SOFC의 운전 온도는 통상 800~1000℃이며, 전극재료도 이와 같은 고온에 견디기 위해 세라믹종류의 물질이 사용되는 것이 바람직하다. 예로서 공기가 유입되는 양극은 LaSrMnO3, 수소가 유입되는 음극에는 Ni-ZrO2 혼합물이 통상 사용된다.

종래의 평판형 SOFC 에 있어서는 통상 다공성의 음극재료로 된 평판을 지지체로 하여 판의 한 면에 각각 치밀막의 전해질층 및 다공성의 공기극층을 피복과 소결의 과정을 통해 일정 두께로 형성하여 단위 전극조합 (Electrolyte-Electrode Assembly)을 만들고, 여기에 적층 시 상하 전극조합의 양극과 음극을 전기적으로 연결하고 또한 연료가스 및 공기를 도입하기 위한 가스 채널들을 양면에 형성한 도전성의 금속 재료로 된 연결판 (Interconnect, 이하 '전기연결판'이라 명함)을 끼운 단위 셀을 상하로 반복 적층하여 최종 스택을 구성하게 된다. 이러한 평판형 스택에서는 단위 '전극판'의 두께가 얇은 장점이 있으나 세라믹의 특성상 두께의 균일도나 평판도를 조절하는 것이 어려워서 대형화가 쉽지 않고, 또한 단위 셀의 적층 (stacking)을 위해 전극조합과 전기연결판을 번갈아 쌓을 시 전기연결판 내 상하면을 흐르게 되는 연료가스와 공기 사이의 혼합을 막기 위해 셀 가장자리 부위의 모든 부분에 가스 밀봉(seal)재의 장착이 필요하다. 밀봉 재료로 사용되는 유리(glass)계 재료의 연화 온도는 600℃정도부터 시작되나, 고체산화물 연료전지는 통상 800℃ 이상의 고온에서 작동되는 것이 효율 면에서 바람직하다. 따라서 현재로서는 완벽한 밀봉제가 발견되지 않고 있고, 또한 승온 또는 냉각 중 각각의 연료전지 단위 셀 사이에 열 및 기계적 응력에 의한 구조 불안전성의 위험과 밀봉제의 결정화에 의한 가스누출의 위험도 높고 궁극적으로는 단위셀의 대형화가 어려워 실용화를 위해서는 많은 개선이 필요한 실정이다.

이러한 평판형 셀(cell)의 단점들을 보충하기 위해서 원통형 셀이라고 불리는 방식이 미국 특허 US 6207311 B1와 US 6248468 B1에 제시되고 있다. 이와 같은 원통형 셀은 평판형 셀 구조에 비하여 스택 자체의 전력밀도는 다소 떨어지나 강도 면과 가스 밀봉 면에서 월등하게 유리하다. 이 방식은 산화 지르코늄 등으로 구성되는 다공성 지지체 튜브 위에 공기 극, 전해질, 연료 극, 전기연결재층의 순으로 각 재료를 적층하여 단위 연료전지를 구성하는 것이다. 따라서 전지 사이에 기체 밀봉제가 필요하지 않으며 이로 인해 평판형 셀에서 발생하는 세라믹 밀봉의 문제점이 발생되지 않는다. 또한 각각의 전지가 견고한 지지체 위에 형성되어 있고 연료전지 자체가 튼튼한 세라믹 구조를 이루고 있으며 열팽창에 의한 저항력이 우수하다. 그리고 환원성 분위기에서 전지와 전지 사이의 접촉이 이루어지므로 금속 재료로 된 전기연결재 (interconnect)를 사용해도 무방하다. 하지만, 용량 증대를 위해서 단위 셀들을 복수로 연결하여 스택을 이루는 경우, 발전전류가 길이 방향으로 얇은 전극 면을 따라 흐르게 되면 내부저항이 증가되는 문제가 생기게 되어 대형화가 불가능하다. 이러한 단점을 보완하기 위해 전류를 반경 방향으로 뽑기 위해서는 개개의 튜브 내 외부에 집전판 또는 와이어를 감아야 하고 복수로 연결 시 튜브 사이가 접촉이 되지 않게 간격을 유지해야 하기 때문 불필요한 공간이 많이 생겨나 단위부피당 전력밀도가 높지 못한 단점이 있다.

최근에는 상기와 같은 평판형 셀 및 원통형 셀의 SOFC가 갖고 있는 문제점들을 해결하기 위하여 연료전지 모듈 자체에 평판형 셀 구조와 원통형 셀 구조를 함께 갖도록 함으로서 평판형 셀의 밀봉문제를 해결하고, 동시에 전력 밀도도 높이기 위한 평관형(flat tube type) 구조를 이용한 단위전지 및 스택 개발이 대한민국 특허 공개 10-2005-0021027와 미국 특허 US 6416897 및 US 6429051에서 이루어지고 있다. 그러나 이 경우도 적층을 하기 위해서는 평관형 셀 외부에 공기 또는 연료극 가스를 도입시키기 위한 가스 유로를 가지고 적층되는 평관형 셀 사이의 양극과 음극을 전기적으로 연결시켜 주기 위한 일정 두께의 전기연결재판이 필수적으로 사용된다. 평관형은 원통형에 비해 단위 전지 간 접촉면적을 넓혀 부피 당 전력밀도를 증가시키고 적층 시 기계적 안정도도 우수하지만, 전기연결재판의 재료가 금속인 특성상 고온 운전 시 세라믹 재질인 전극판 사이에 기계적, 열적 응력이 발생하는 문제점 등이 있다. 또한 고온에서 장시간 사용 시 전기연결재판 표면의 공기에 의한 부식 가능성의 문제점이 생기며 대형화 시 세라믹 재료와 금속재료 사이의 열적 기계적 응력을 해소하기가 쉽지 않다.

이상에서 보는 것처럼 고체산화물 연료전지는 세라믹으로 제작되는 특성 상 단위 셀 면적의 대면적화가 어렵고, 단위 셀들이 물리적으로 또한 전기적으로 직렬로만 연결되는 경우에는 특정 셀 하나의 성능이 나빠지면 바로 스택 전체의 성능이 똑같이 나빠지는 문제를 내포하고 있어서 제작 상 모든 셀들이 완벽하게 만들어지고 작동해야만 하는 어려운 숙제를 안고 있으며, 또한 적층 된 스택 내 특정 셀의 고장이나 성능 저하 시 셀 일부의 교체나 수리가 힘들거나 불가능하다.　 일반적으로 고체산화물 연료전지는 고분자전해질형, 용융탄산염 등의 타 연료전지에 비해 훨씬 고온에서 작동되어 효율이 높고 수소뿐만 아니고 CO등도 산화시킬 수 있어서 석탄 가스, 바이오 가스, 디젤가스 등 다양한 종류의 연료를 사용할 수 있고 또한 MW급 용량 이상의 대규모 발전소 용으로 사용이 가능하고 고온 배가스는 gas turbine에 의한 추가 발전이 가능하여 가장 장래성이 있고 상업적으로 경쟁력이 있으나 상기에 열거한 제반 문제점들로 인해서 현재는 단위 셀의 거대 면적화 및 스택의 MW급 이상 거대 규모화가 현실적으로 불가능한 상태이다.

연료전지 반응은 수소의 산화에 의해 대량의 열이 발생하며 따라서 단위셀의 면적을 키우거나 적층 수를 늘려서 대형화 하면 스택 내 중심부와 주변부 사이의 온도 편차를 제어하기가 불가능하며 이러한 현상은 고온에서 작동되는 고체산화물 연료전지에서 더 심각한 문제를 야기한다. 한편 연료전지는 수소를 반응가스로 사용하는데 통상 수소는 탄화수소를 함유한 연료가스를 스팀으로 개질하여 생산하며, 상기 반응은 흡열반응이다. 따라서 단위셀 사이에 개질기를 삽입하거나 단위셀의 음극층이나 전기연결재판에 개질촉매를 피복하여 개질반응을 동시에 일으키면 연료전지 반응의 발열 문제를 제어할 수가 있지만, 불행하게도 현재 사용되는 Ni-Zirconia Cermet의 음극층은 탄화수소의 개질에 대한 활성은 우수하나 Ni이 고온에서는 심한 coking을 일으켜 음극층이 궁극적으로 파괴되기 때문에 음극층을 탄화수소 함유 연료가스에 직접 노출시킬 수가 없는 문제점을 안고 있어서, 별도의 개질기를 단위셀과 전기연결재판 사이 물리적으로 삽입하지 않으면 개질반응에 의한 연료전지 반응열 제어는 불가능하다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 고온 가스 밀봉제가 고온에 노출되지 않고, 고온에서 가스채널 및 전기 연결재에 가해지는 따른 열 응력 및 공기 부식 문제가 없고, 스택의 대형화에 따른 기계적 안정성을 유지할 수 있으며, 스택 내 온도 편차가 적고 열관리가 용이하며, 적층된 스텍의 수리가 용이한 새로운 고체산화물 연료전지용 스텍을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 고온 가스 밀봉제가 고온에 노출되지 않고, 고온에서 가스채널 및 전기 연결재에 가해지는 따른 열 응력 및 공기 부식 문제가 없고, 스택의 대형화에 따른 기계적 안정성을 유지할 수 있으며, 스택 내 온도 편차가 적고 열관리가 용이하며, 적층된 스텍의 수리가 용이한 새로운 고체산화물 연료전지용 스텍을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 스텍 내 온도편차가 적고 열관리가 용이하며, 가스채널의 공기 부식 문제가 없는 새로운 고체산화물 연료전지 스텍 제조용 셀모듈을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 스텍 내 온도편차가 적고 열관리가 용이하며, 가스채널의 공기 부식 문제가 없으며, 대용량의 안정적인 운전이 가능한 새로운 고체산화물 연료전지 스텍 제조용 셀번들을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 스택 내 온도 편차가 적고 열관리가 용이하며, 적층된 스텍의 수리가 용이한 새로운 고체산화물 연료전지 스텍 제조용 스텍 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 평관형 개질기로부터 적층면을 통해 개질가스가 유입될 수 있는 새로운 평관형 단위셀 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 평관형 단위셀 반응기에 적층면을 통해 개질가스가 유입될 수 있는 새로운 평관형 개질기를 제공하는 것이다.

본 발명은 종래의 고체산화물 연료전지가 가지고 있는 고온 운전에서 야기되는 완벽한 가스 밀봉의 문제, 금속으로 제작된 가스채널 및 전기연결재 사용에 따른 열 응력 및 공기 부식 문제, 세라믹 단위셀의 대면적화의 어려움, 스택의 대형화에 따른 기계적 안정성 및 스택 내 온도 편차와 열관리 문제, 적층 된 스택의 수리 불가 문제 등의 제반 문제점들을 해결하기 위해,

연료가스와 공기를 이용하여 전기를 발생시키는 고체산화물 연료전지용 스택을 제작하는 방법에 있어서, 전기전도성이 있고 다공성인 평관 양끝 부분의 상하좌우4면 전면에 적층 시 밀봉제가 장착될 수 있는 밀봉제 홈을 간격을 두고 2 개씩을 일정 넓이 및 깊이로 파되, 그 간격의 크기는 내부채널과 밖으로 연결되는 수직관통구가 2개의 홈 사이에 위치할 수 있을 정도의 거리가 되게 하여 평관형 지지체를 완성하는 단계; 및

상기 지지체 상하 평판면 중앙부에는 전도성 지지체와 접촉되는 치밀막의 전기연결재층을 형성하고 그 외 부위에는 치밀막의 전해질층을 형성하여 내 외부면 사이를 밀봉한 후, 여기에 추가하여 내부 채널 한쪽 끝을 막고 그 옆에 밀봉제 홈 사이 위치에 내부 채널로부터 연료가스 배출용 수직통로를 평판 밖으로 관통시켜 내고 내부 채널에 개질 촉매를 장착하거나 바람직하게는 일정 두께로 피복하여 개질기를 완성하는 단계; 및

상기 지지체의 평판 상부면 중앙에 연료극층, 전해질층 및 공기극층의 전극조합 (EEA, Electrode-electrolyte assembly)층이 형성되고 반대 쪽 하부면에는 전도성 지지체와 연결된 전기연결재층이 형성되며 그 외 부위에는 전해질층이 형성되나 최종적으로 전기연결재층과 전해질층은 치밀막이 되고 나머지 층은 기공이 있도록 형성되어야 하며, 상기 공정들은 전통적인 습식 피복 및 소결 공정에 의해 또는plasma spray, physical vapor deposition 같은 건식 피복 공정에 의해 단위셀 base를 완성하는 단계; 및

상기 단위셀 base의 내부 채널 한쪽 끝 또는 양끝을 막고 그 옆의 밀봉제 홈 사이 위치에 내부 채널로부터 평판 밖으로 관통된 연료가스 유입 및 배출용 수직통로를 생성시켜 최종 단위셀을 완성하는 단계; 및

상기 개질기의 평판 상하면에 각각 짝수 개의 단위셀들을 적층하되 개질기와 단위셀 사이 수직통로, 그리고 단위셀들 사이 수직통로의 배출구와 유입구 사이를 맞추어 연료가스 흐름이 연결이 되도록 한 후 적층 함으로써, 개질기로 유입된 연료가스가 개질된 후 연접한 상하면의 단위셀로 유입되고 다시 이웃한 단위셀로 zigzag 로 유입 및 배출되어 되어져 최종적으로 개질기 유입구의 반대편으로 배출되도록 적층 된 셀모듈을 완성하는 단계; 및

상기 셀모듈 들을 일정 갯 수 상하로 적층하여 전기적으로 직렬 연결되고 이를 다시 앞뒤로 밀착시키며 배열하여 전기적으로 직병렬 혼합 연결된 셀번들 base를 제작한 후, 상하 말단에 집전판을 부착하고 좌우 튜브 끝에는 가스 매니폴드를 장착하되, 상부면의 공기극 집전판은 왼쪽 가스 매니폴드에 연결되고 하부면 연료극 집전판은 오른쪽 가스 매니폴드 에 연결되도록 하며, 또한 밀봉제는 밀봉제 홈 및 셀번들 base 외부면과 매니폴드 내벽 사이에 장착되고 또한 밀봉제 왼쪽 또는 좌우 양쪽에 세라믹 paste 또는 filler가 충진 되며 그 외에는 필요 시 세라믹 접착제를 추가로 도포하고 건조 또는 저온 소결 시켜 하나의 몸체 (monolithic structure)로 구성된 셀번들을 완성하며, 상기 셀 번들을 길이 방향으로 수직으로 세운 후 고온에서 밀봉제를 녹여서 튜브 사이 사이와 셀번들 외부면 및 매니폴드 내벽 사이가 밀봉되게 하여 최종적인 셀번들을 제작하는 단계; 및

상기 셀번들들을 다시 상하좌우로 일정 거리를 두고 배열하되 중앙 반응부는 hot box내로 배치되고 양끝 연료가스 매니폴드부는 hot box밖의 좌우에 수직으로 놓이고 일정한 칸막이가 된 rack 상에 거치되도록 하여 최종 스택모듈을 완성하는 단계; 및

상기 rack은 이중 벽으로 되고 이중 벽 사이는 셀번들을 좌우로 slide시켜 hot box내로 장입할 수 있게 셀번들 보다 단면이 더 큰 거치용 open box로 구성되며, 셀번들 장입 시 부도체 및 단열 재료의 사각링으로 된 plug를 끼우고 hot box의 벽면 위치에 장착하여 셀번들 사이 틈새를 막아 hot box의 뜨거운 공기가 밖으로 새어 나오지 못하게 하고 셀번들과 rack 사의의 통전을 막게 되며, 최종적으로 셀번들과 open box 사이의 틈새를 rack 상의 바깥 쪽 벽면에서 막아 셀번들 사이가 상하좌우로 open 된 공기주입용 air chamber가 rack 상에 형성되며 상기 air chamber 안으로 냉각용 공기를 불어넣어 매니폴드 부분의 밀봉제가 녹지 않도록 일정 온도 이하로 유지할 수 있게 제작하여 최종 단위 스택모듈을 완성하는 단계; 및

상기 스택모듈에 장착된 hot box 앞뒤 벽면 상의 공기 배출용 매니폴드와 유입용 매니폴드사이를 반복적으로 직렬 연결하거나 또는 단위 스택모듈 2개나 상기 직렬 연결된 복수개 스택모듈을 다시 앞뒤를 전치하여 유입용 매니폴드 끼리 및 배출용 매니폴드 끼리 반복 연결하거나 하여 공기 매니폴드가 반복 연결되며, 이를 다시 연료가스 유입용매니폴드 끼리 및 연료가스 배출용 매니폴드 끼리 반복적으로 연결시켜 최종적으로 앞뒤로 공기 매니폴드가 반복 연결되고 좌우로 연료가스 매니폴드가 반복 연결된 일정 크기의 스택번들을 제작하는 단계; 및

상기 스택번들을 다시 상하로 반복하여 적층하고 연료가스 유입 또는 배출용 매니폴드를 상하 방향으로는 하나로 통합한 후 연료가스 매니폴드내의 셀번들 사이를 전기적으로 직렬 및 병렬을 적절히 혼합하여 원하는 전류 및 전압을 낼 수 있도록 연결함으로써, 최종적으로 3차원적으로 거대화된 스택을 완성하는 단계; 를

포함하는 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제작법이 제공되며,

이때 상기 스택 상에서 공기는 hot box의 한쪽 면으로 유입되어 개개의 튜브 shell 사이 단위셀들을 지나 반대쪽으로 배출되고, 탄화수소 함유 가스는 연료가스 매니폴드로 유입되어 개질기 내부에서 개질된 후 개질된 수소 및 CO 함유 가스가 이웃한 단위셀들의 내부채널과 연결된 수직통로를 통해 zigzag 로 흘러 셀모듈 unit내 말단 단위셀에서 배출되어 최종적으로 연료가스 배출용 매니폴드로 배출됨으로써 두 이종 가스가 서로 혼합되지 않고 전기적으로는 스택 내 단위셀들의 직렬 및 병렬 연결을 조절할 수가 있어서 원하는 전류 및 전압의 조정이 가능하고 또한 기본 반복 unit인 셀번들이 단일체 구조로 이루어져 구조적으로 안정하며 완벽한 밀봉이 이루어지고, 셀모듈 내 포함된 개질기 상의 흡열반응이 이웃한 단위셀 상의 연료전지 반응에 의한 발열을 소모할 수 있어서 셀번들 내 온도편차를 줄여서 셀번들 자체의 크기 대형화가 가능하며, 외부 개질기와 내부 개질기를 연계할 경우 스택의 열관리가 쉬우며, 또한 셀번들은 rack 상에 거치되어 특정 셀의 고장이나 성능 저하 시 해당 셀번들을 교체하여 수리가 가능한 새롭고도 진보된 고체산화물 연료전지용 스택 및 그 제조방법을 제공한다.

그리고 본 발명에 있어서, 고체산화물 연료전지용 개질기 및 단위셀 제조에 사용되는 지지체는 평관의 측면 중앙부를 일정 깊이로 추가로 파내어 나중 평관을 적층 시 공기가 공기 채널부의 좌우 방향 뿐 만 아니고 상하 방향으로도 흐를 수 있게 지지체를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 고체산화물 연료전지용 개질기는 상기 평관형 지지체 상하부 평판면의 중앙부가 전기연결재층으로 치밀막이 형성되고 그 외 외부면은 부도체의 세라믹, 바람직하게는 전해질재료로 치밀막을 형성시켜 두 가스의 혼입을 막고, 또한 내부 채널 한쪽 끝을 막고 그 옆에 내부채널로 부터 평판면 밖으로 관통된 hole 또는 slit 형태의 수직통로를 생성하고 또한 내부채널에 촉매가 장착되도록, 바람직하게는 내부 채널 벽에 피복층으로 형성되도록 제작되어 지며, 이렇게 제작된 개질기는 튜브 한쪽 끝에서 유입된 탄화수소 함유 연료가 촉매 층에서 수소 및 CO 함유 가스로 개질된 후 반대편 막힌 끝 부분의 상부면 및 하부면에 생성된 수직통로를 통해서 밖으로 배출되어 이웃한 단위셀의 내부 채널로 유입되며, 하부의 전기연결재층은 이웃한 단위셀 양극층에 접촉되어져 연결되고 상부 전기연결재층은 이웃한 단위셀의 음극에 연결된 전기연결재층에 접촉되어져 연결되게 된다.

본 발명에 있어서, 고체산화물 연료전지용 지지체 상의 평판면 공기채널은, 일정한 깊이와 넓이로 단면이 요철되게 형성되며 상기 지지체로 제작된 단위셀 및 개질기를 사용하여 적층 시 요철부 상부의 양극층이 이웃한 단위셀의 전기연결재층 또는 개질기의 전기연결재층과 전기적으로 연결되고, 공기는 적층된 튜브들 사이 요철면에 생성된 틈새로 길이 수직방향으로 흐를 수 있게 제작된다.

본 발명에 있어서, 고체산화물 연료전지용 셀모듈은 상기 개질기 상하 평판면에 짝수 개씩의 단위셀을 적층하되 적층 시 전기연결재층과 양극층 부위에 전기연결재 재료 또는 양극의 재료로 된 slurry를 바르고 밀봉제 홈에는 밀봉제를 넣고 밀봉제 홈 좌우에는 세라믹 접착제를 충분히 바르고 압착하면서 밀봉제가 녹지 않도록 700℃이하 바람직하게는 600℃이하에서 건조 소결하여 단일구조체 (monolith structure)로 제작하게 된다.

본 발명에 있어서, 고체산화물 연료전지용 셀모듈은, 중앙의 개질기로 유입된 탄화수소 함유 연료가스는 개질개 내에서 수소 및 CO를 함유하는 개질가스로 개질된 후 상하에 이웃한 단위셀로 유입되고 다시 그 다음의 단위셀로 길이 방향으로 zigzag로 흘러 말단 단위셀의 개질기 유입구 반대쪽 끝으로 최종 배출되며, 전기적으로는 개질기의 전기연결재층과 단위셀이 연결되고, 단위셀의 양극층과 이웃한 단위셀의 음극층이 직렬 연결되어 하부 말단 단위셀은 음극층이 되고 상부 말단 단위셀은 양극층이 된다.

본 발명에 있어서, 고체산화물 연료전지용 스택 내 연료가스 배출용 또는 유입용 중간 연결 매니폴드 는 셀번들의 길이 보다 길게 하여 개개의 셀번들이 필요 시 인출 또는 장입 될 수 있도록 제작된다.

본 발명에 있어서, 고체산화물 연료전지용 스택은 상기 스택 번들을 다시 상하로 일정한 간격을 두고 배열하여 최종 스택이 제작되며, 이 때 스택 번들 사이는 각각의 매니폴드에 연결되는 배관이 수용되고 셀번들의 교체를 위한 이동 공간이 확보되도록 제작된다.

본 발명에 있어서, 고체산화물 연료전지용 스택은 하나의 단위 스택모듈을 최소 크기의 스택으로 사용할 수 있고, 또는 단위 스택모듈이 공기 방향으로 직렬로 연결된 후 상하로 밀착 배열하여 중간 크기의 스택으로 사용할 수 도 있고, 또는 연료가스 방향으로 2개만 최소한의 단위로 마주 보고 연결된 것을 공기방향으로는 직렬 연결하고 최종 상하 방향으로 배열하여 최종 스택으로 사용할 수도 있다.

본 발명에 있어서, 고체산화물 연료전지용 스택 내 스택모듈들의 공기 유입 및 배출용 maniflod간 직렬 연결은 배출 공기 내 산소농도가 유입용으로 적합하지 않는 수준으로 감소되는 시점, 바람직하게는 산소 농도 5% 이하의 시점에서 연결을 중단하고 상기 직렬 연결된 unit의 유입 및 배출용 매니폴드가 마주보게 반복 연결하여 공기를 분산하여 유입함으로써 공기 농도의 감소를 피하면서 대형화 시키게 된다.

본 발명에 있어서, 고체산화물 연료전지용 스택은 스택모듈 내 평관이 수직으로 세워지도록 하여 3차원적으로 반복 연결 또는 배열되어 최종 스택이 제작되고, 운전 시 연료가스 매니폴드부를 밀봉제가 녹는 고온의 범위, 즉 700 ℃ 이상에서 유지하여 운전되어 질 수도 있다.

본 발명의 일 실시에 있어서, 단위셀 및 개질기의 밀봉제 홈에는 셀모듈 또는 셀번들 제작 시 밀봉제로 된 판형 막대를 장착하고 고온 소결에 의해 밀봉제를 녹여 튜브들의 shell side를 밀봉하게 되며, 이때 완벽한 밀봉을 위해서는 상기 셀번들을 수직으로 세운 후 밀봉제를 녹임으로써 밀봉제 홈의 아래에 고이고 튜브 사이사이에 좌우 앞뒤 방향으로 퍼져서 완벽한 밀봉 상태를 제공하게 되며, 따라서 밀봉제가 홈에서 새는 것을 방지하기 위해 바람직하게는 적층 시 밀봉제 홈 아래 부분에 해당되는 곳에 세라믹 slurry 또는 paste를 도포하고 압착하면서 소결하여 밀봉제가 녹아서 아래로 새는 것을 방지하게 된다.

본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 셀 번들 제작 시 적층된 말단 집전판 의 hot box로 장입되는 중앙부분에 세라믹 판을 붙이고 집전판을 덮어서 밀봉을 하여 집전판의 공기 노출에 의한 부식을 막을 수 있다.

본 발명의 일 실시에 있어서, 개질기를 제작하기 위한 평관은 단위셀과 같은 재료, 모양 및 크기의 것을 사용하는 것이 바람직하나, 필요 시 외부면에 공기 채널이 없는 것을 사용하거나 다공성이 아닌 치밀막으로 된 것을 사용하여도 무방하며 이 경우는 단위셀과 좌우 폭과 길이가 정확하게 일치하는 것이 대형 셀번들의 제작과 정교한 밀봉에 부합된다.

본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 rack 상의 셀번들 사이에 끼워져 hot box의 벽면 위치에 놓이게 되는 사각 ring형태의 plug 는 단면상의 상하면은 장입 시 hot box 내에 까지 삽입 연장되게 제작하여 장입 후 hot box 내 셀번들 사이의 상하 틈새를 막게 하여 유입 공기의 흐름을 차단하는 기능까지 겸임할 수 있도록 제작 된다.

본 발명은 일 실시에 있어서, 공기가 유입 및 배출되는 hot box 의 앞뒤 벽면은 공기 흐름용 작은 채널 구멍이 골고루 분산된 두꺼운 벽으로 구성되어 열 차단이 효과적으로 발휘되고, 필요 시 작은 구멍들이 random하게 뚫어진 판을 외부에 1개 이상 추가로 설치한 후 최종적으로 공기 유입 및 배출용 매니폴드가 장착되어져 hot box의 열 방출을 효과적으로 차단하고 배관으로 유입된 공기 흐름의 분산을 효과적으로 증가시킬 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시에 있어서, 스택의 열관리는 공기의 유량을 조정하거나 바람직하게는 외부에 소형 개질기를 추가로 설치하고 외부 개질기와 내부개질기의 개질 비율을 조정하여 보다 정교하게 관리하도록 한다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 개질기용 다공성 평관은 연료가스가 접촉되는 내부 채널면과 수직통로를 포함한 외부면을 전해질 등의 치밀막으로 피복하여 연료가스가 지지체 내 Ni등의 금속에 접촉되어 불필요하게 개질되는 것을 막아 고온에서의 coke 생성에 의한 다공성 지지체의 물성 변형이나 구조 파괴를 막는다.

본 발명은 다른 일 측면에서, 평관형 개질기에 적어도 하나의 평관형 반응기가 적층된 고체산화물 연료전지용 셀모듈에 있어서, 상기 평관형 개질기는 일측이 막혀 있고, 내부 채널에서 외면으로 관통되는 적어도 하나의 제1채널이 형성되고, 상기 평관형 반응기는 적어도 일측이 막혀 있고, 내부채널에서 외면으로 관통되는 적어도 하나의 제2채널이 형성되고, 상기 평관형 반응기의 외면에는 단위셀 반응부와 공기 유로가 형성되며, 상기 제1채널은 적어도 하나의 제2채널과 연통되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈을 제공한다.

본 발명은 또 다른 일 측면에 있어서, 평관형 개질기에 적어도 하나의 평관형 반응기가 적층된 고체산화물 연료전지용 셀모듈이, 상기 평관형 개질기는 일측이 막혀 있고, 내부 채널에서 외면으로 관통되는 적어도 하나의 제1채널이 형성되고, 상기 평관형 반응기는 적어도 일측이 막혀 있고, 내부채널에서 외면으로 관통되는 적어도 하나의 제2채널이 형성되고, 상기 평관형 반응기의 외면에는 단위셀 반응부와 공기 유로가 형성되며, 상기 제1채널은 적어도 하나의 제2채널과 연통되고, 이러한 셀모듈들이 상하 및/또는 좌우로 적층하여 번들을 이루는 셀 번들을 제공하는 것이다.

본 발명은 또 다른 일 측면에 있어서, 평관형 개질기에 적어도 하나의 평관형 반응기가 적층된 고체산화물 연료전지용 셀모듈이, 상기 평관형 개질기는 일측이 막혀 있고, 내부 채널에서 외면으로 관통되는 적어도 하나의 제1채널이 형성되고, 상기 평관형 반응기는 적어도 일측이 막혀 있고, 내부채널에서 외면으로 관통되는 적어도 하나의 제2채널이 형성되고, 상기 평관형 반응기의 외면에는 단위셀 반응부와 공기 유로가 형성되며, 상기 제1채널은 적어도 하나의 제2채널과 연통되고, 이러한 셀모듈들이 상하 및/또는 좌우로 적층하여 번들을 이루는 셀 번들들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 스텍 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명은 또 다른 일 측면에 있어서, 상기 스텍 모듈들이 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결한 스텍 번들을 제공하는 것이다.

본 발명은 또 다른 일 측면에 있어서, 상기 스텍 번들을 직렬 및/또는 병렬로 연결한 고체산화물 연료전지용 스텍을 제공하는 것이다.

본 발명은 또 다른 일 측면에 있어서, 내부 채널이 형성된 전도성 평관형 지지체가 플러그로 일측이 막혀있고, 상기 플러그의 인접 부위에서 내부채널에서 지지체 외면으로 수직으로 관통되는 수직 채널이 형성되며, 상기 내부채널에는 개질 촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 개질기를 제공하는 것이다.

본 발명은 또 다른 일 측면에 있어서, 내부 채널이 형성된 전도성의 평관형 지지체의 외면 양측에 지지체의 둘레를 따라 밀봉제가 삽입되는 두개의 홈이 각각 형성되고, 상기 홈 사이에는 내부채널로 관통되는 수직 채널이 선택적으로 형성되며, 상기 지지체의 외면 중앙부에는 하나 이상의 홈으로 이루어진 공기채널이 형성되고, 지지체의 외면 중앙부에는 상부면에 제1전극, 전해질, 및 제2전극으로 이루어진 하나 이상의 단위셀이 형성되고, 하부면에 전기연결재층이 형성되고, 나머지 외면은 치밀막으로 피복된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지용 단위셀 반응기를 제공하는 것이다.

상기와 같이 본 발명에 의하면, 평관형 단위셀 짝수개와 1개의 개질기를 혼용하여 전기적으로 직렬 연결 적층 된 단일 구조체 (monolith type)의 셀모듈들을 앞뒤로 반복하여 밀착 배열하고 다시 상하로 직렬 연결 적층하고 밀봉제 홈에 밀봉제를 넣은 후, 말단셀에 양극 및 음극 집전판을 부착하고 집전판과 각각 연결된 가스 매니폴드를 길이 양끝에 장착하여 고온 소결된 셀번들은 전체가 단일구조체 (monolith structure)로 되어 구조적으로 안정하며 소형 단위셀들의 병렬 연결에 의한 스택 제조의 용이성 및 대면적화가 가능하고 셀번들 내 규칙적으로 포함된 개질기 내 흡열반응이 이웃한 단위셀 내 연료전지 발열반응 열을 소모하여 최종적으로 셀번들 내 온도편차를 줄여주며, 또한 셀번들들을 상하좌우로 배열하고 중앙에 hot box가 설치되고 hot box 밖의 좌우 rack 상의 거치용 open box에 연료가스 매니폴드가 거치되도록 스택모듈이 제작되어 특정 셀번들의 고장 시 인출 교체가 가능하며, 상기 스택모듈들의 연료가스 및 공기의 배출용 및 유입용 매니폴드 사이를 각각 앞뒤와 좌우로 적절히 연결하여 스택번들을 제작하고, 상기 스택번들들을 다시 상하로 배열하고 셀번들간 전기적으로 직병렬 혼합 연결하는 방식에 의해 최종적으로 단위셀들이 전기적으로 직병렬 혼합 연결되고 셀번들들이 3차원적으로 무한정 확장이 가능한 거대 스택을 제작할 수 있고,

이렇게 제작된 스택에서 공기는 스택모듈 상의 hot box 한쪽 공기 매니폴드로 유입되어 개개의 튜브의 shell side를 지나 반대쪽 공기 매니폴드로 배출되며 연료가스는 스택모듈의 연료가스 유입용 매니폴드를 지나 개개의 개질기 내부채널로 유입되어 탄화수소 함유 연료가스가 수소 및 CO 함유 가스로 개질된 후 개개의 단위셀 내부채널로 흘러서 최종적으로 반대편 쪽 연료가스 배출용 매니폴드로 배출되며 전기적으로는 셀번들 사이를 병렬이 포함되도록 연결하여 전류 및 전압의 조절이 가능하며,

스택 내에서 반복되는 기본 unit인 셀번들이 내부에 개질기가 내장되어져 온도 편차가 없으며 단일구조체로 제작되어져 구조적으로 안정하고 고장 시 인출 교체가 가능한 새롭고도 진보된 고체산화물 연료전지용 거대 스택 및 그 제조방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 평관의 양끝에 복수의 밀봉제 홈을 형성한 지지체를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 도 1의 지지체를 사용하여 완성된 개질기의 길이 상하 방향 절개도.
도 3은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 도 1의 지지체에 공기 흐름용 채널을 상판 한면에 형성한 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 도3의 지지체에 전기연결재의 피복 범위 및 내부 관통용 수직통로의 예를 표시한 길이 방향 상하 절개도.
도 5는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 도3의 반응부에 단위셀층의 형성하기 위한 전극 및 전해질의 피복 상태를 표시한 길이 방향 상하 절개도.
도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 도2의 개질기 하나에 상하에 도 5의 단위셀 종류를2개씩 적층하여 셀모듈을 완성한 것을 나타내는 길이 방향 상하 절개도.
도 7은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 도 6의 상기 셀모듈을 상하로 4개 적층하여 제작된 셀번들을 나타내는 길이 방향 상하 절개도.
도 8은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 도 7의 셀번들 4개를 상하로 적층하여 제작된 스택 모듈을 나타내는 길이 방향 상하 절개도.
도 9는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 도 8의 스택모듈을 좌우로 2개의 연료가스 매니폴드를 연결하고 앞뒤로 3개의 공기 매니폴드를 연결하여 최종 완성된 스택번들을 나타내는 수평면 절개도.
도 10은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 도 9의 셀번들을 다시 상하로 3개 적층 했을 경우의 도 9상에서 연료가스 유입 및 배출부 4곳의 연료가스 매니폴드 상의 전극 간 전기연결을 나타낸 길이 방향 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대해 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하고자 하나 본 발명이 여기에 국한되는 것은 아니다.

도 1에서 보는 것처럼 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 평관형 다공성 지지체 (101)는 연료극 물질을 포함하거나 또는 제3의 전도성 재료로 구성되며 내부에 한 개 이상의 연료가스 흐름용 채널 (1)이 길이 방향으로 구비되고 튜브 양끝 부분에 밀봉제를 장착하기 위한 밀봉제 홈 (groove) (5)이 2개씩 일정 거리를 두고 상하좌우 4면 전면에 일정 깊이 및 넓이로 생성되게 된다. 상기 지지체 (101)의 상하 두께는 될수록 얇은 것이 좋으며 10mm이하 바람직하게는 5mm 이하 더 바람직하게는 3 mm 이하로 유지되는 것이 좋으며, 폭과 길이는 제작이 가능하다면 클수록 스택의 거대화에 좋으나 너무 크게 되면 나중 전해질층이나 전기연결재층의 피복 및 소결에 의한 형성이 어려워진다. 상기 지지체의 구조물 제작은 압출 등의 방법으로 평관을 제조한 후 표면을 첨삭, 연마 등의 방법으로 홈을 내어 제작하거나, 또는 평판 반쪽을 press등의 방법으로 성형하여 제작한 후 두 판을 마주보고 부착시켜 내부에 연료가스용 채널 및 외부에 공기용 채널이 형성되는 최종 모양의 지지체를 바로 제작할 수도 있다. 상기 지지체는 필요 시 상판 (7), 하판 (8) 및 좌우 측면 (9)을 연마하여 최종 상하좌우 두께가 일정하게 유지되도록 추가로 가공된다.

도 2는 상기 지지체 (101)을 사용하여 개질기 (102)를 제작하는 방법을 나타낸 것으로 지지체 내부채널 (1) 한쪽 끝에 세라믹 plug (11), 밀봉제 bar (12), 세라믹 plug(11)를 차례로 끼우고 수직으로 세운 후 밀봉제를 녹여서 내부 채널을 밀봉한 후, 그 옆 밀봉제 홈 (5) 사이에 상하로 내부채널과 연결되어 평판 밖으로 관통된 수직통로 (22)를 천공 등의 방법으로 생성한다. 그 다음 평판 상하면 (7, 8)의 중앙에 치밀막의 전기연결재층 (31)을 피복하고 그 외 내부채널 (1) 및 외부면 전체에 전해질층의 치밀막 (14)을 형성하여 연료가스가 지지체와 접촉하는 것을 차단하고, 최종적으로 내부채널 (1)에 개질기 촉매 (19)를 장착 또는 내벽에 피복하여 개질기 (102)를 완성하게 되며 밀봉제 홈 (5)에는 나중 단위셀과 함께 적층 시 밀봉제 판 (18)을 장착하여 소결의 과정을 거치게 되고 운전 시 연료가스는 유입구 (21)로 유입되어 내부채널의 개질촉매에서 수소 및 CO 함유가스로 개질되어 수직통로 (22)된 배출구를 통해 이웃한 단위셀로 유입된다.

도 3, 도 4 및 도 5는 상기 지지체 (101)을 사용하여 단위셀 (103)을 제작하는 것의 하나의 예를 나타낸 것으로, 도3 의 예에서 보듯이 먼저 평판의 상판면 (7) 중앙부에 길이 직각 방향의 공기흐름용 채널 (2)들이 요철 형태로 생성된다. 이때 공기 채널은 도3의 길이 직각 방향 이외에도 길이 방향 및 직각 방향 혼합이나 바둑 형태의 채널 제작도 예시될 수 있으며 상기 튜브들을 상하로 적층 시 길이 직각 방향으로 공기 흐름이 형성될 수 있으면 어떤 모양도 가능하며, 또한 공기채널은 상판 (7)이 아닌 하판 (8)에 낼 수도 있고 또는 상하판 (7, 8)의 양면에 내어 적층 시 채널 깊이를 더 깊게 하거나 지지체의 두께를 줄이는 데 기여할 수도 있다. 그 다음 도4에서 보는 것 처럼 내부채널의 끝 부분을 세라믹 plug (11), 밀봉제 bar (12), 세라믹 plug (11)를 장착하고 소결하여 막고 그 옆의 밀봉제 홈 사이의 위치에 내부채널에서 외부로 연결된 수직통로 (23)를 생성시킨 후, 도 5에서 보는 것처럼 상판 (7)의 공기채널부에 연료극인 음극층 (13), 전해질층 (14) 및 공기극인 양극층 (15)을 차례로 피복하고 반대편 하판 (8)의 중앙부에 전기연결재층 (31)을 피복하고 그 외 나머지 외부면에는 전해질층 (14)을 피복 한 후 개별적으로 소결하거나 또는 공 소결의 과정을 거쳐서 다공성의 전극층들과 치밀막의 전해질 및 전기연결재층을 형성하게 된다. 이때 필요 시 연료극층 (13)의 피복은 지지체 (101)가 연료극 재료로 구성된 경우 도5에서처럼 생략될 수도 있다. 또한 음극층(13), 전해질층 (14) 및 양극층 (15)으로 구성된 전극조합층은 공기채널 (2) 상에 또는 공기채널이 없는 평판면 상에 형성될 수가 있으며, 이때 그 반대편 평판에는 지지체 (101) 내부와 연결된 전기연결재층 (31)이 형성 되어져야 하며, 상기 전기연결재층 (31)은 일 측면에서 피복 및 소결 공정 대신 plasma spray, vapor deposition 등의 건식 피복법에 의해서 형성될 수도 있다.

도6은 상기 개질기 (102) 1개와 개질기 상하면에 단위셀 (104a -104d) 4개를 적층하여 단일구조체 (monolith structure)의 셀모듈 (104)을 제작하는 것을 나타낸 것으로, 개질기 (102)의 상하에 이웃한 단위셀들 (104b, 104c)은 내부 채널 양쪽 끝이 모두 막히고 한쪽은 하부 평판 쪽으로 수직통로가 생성되고 반대쪽은 상부 평판 쪽으로 수직통로가 생성되며, 그 다음 단위셀들 (104a, 104d)은 내부 채널 한쪽 끝만 막고 상부 또는 하부 평판 쪽으로만 수직통로가 생성되어, 개질기 유입구 (21)로 유입된 탄화수소 함유 연료가스는 개질기 내부 개질촉매 상에서 수소 및 CO 함유 가스로 개질된 후 반대 쪽 배출구 (22)에서 상하의 단위셀들의 수직통로를 통해 유입구 (23)로 유입되어 반대 쪽의 배출구 (24)로 흘러서 다시 그 다음의 단위셀의 수직통로를 통해 유입구 (23)로 연결되어 zigzag로 흐르면서 최종적으로 개질기 유입구 반대쪽 배출구 (25)로 배출된다. 따라서 개질기 상하에는 단위셀이 짝수 개가 적층되는 것이 연료가스의 길이 한쪽 유입 및 최종 배출가스의 반대쪽 배출을 위해 필요하다. 내부채널 (1)에서 수직통로에 의해 튜브 바깥으로 나가게 되는 가스는 수직통로 양쪽의 상하좌우에 위치한 밀봉제 홈에 장착된 밀봉제에 의해 튜브 사이가 반경 방향으로 밀봉되게 되어 수직통로를 포함한 연료가스 쳄버가 생겨서 공기와 차단되고 연료가스가 내부 채널로 만 흐르는 것이 가능하게 된다. 따라서 상기 셀모듈은 개개의 단위셀의 적층 시 전기연결재층 및 단위셀층에 전도성의 전기연결재 또는 양극재료의 slurry를 추가로 도포하고, 밀봉제 홈의 좌우 부분에 세라믹 재료의 paste를 도포하고 적당하게 가압하면서 밀봉제가 녹지 않는 고온에서 바람직하게는 600℃ 이하의 온도에서 건조 후 소결하여 개질기와 단위셀들이 전기적으로 직렬 연결되고 구조적으로 하나가 된 단일구조체를 형성하게 된다.

도7은 상기 셀모듈들을 다수 개 사용하여 앞뒤로 배열하고 이를 다시 상하로 적층을 반복하여 스택 제작의 기본 unit가 되는 셀번들을 제작한 것의 길이 방향 상하 절개도를 나타낸 것으로, 현재 4개의 셀 모듈을 상하로 전기적으로 직렬 연결이 되게 적층하였고 도 7의 절개도에는 나타나지 않지만 상기 적층된 셀모듈들을 좌우로 다시 밀착 배열하여 전기적으로 병렬이 되게 2차원적으로 적층되는 것이 바람직하다. 적층 시 셀모듈 사이에는 상기 단위셀 적층 시와 마찬가지로 셀모듈 내 밀봉제 홈에 밀봉제를 장착하고 셀모듈상의 전기연결재층과 이웃한 셀모듈상의 양극층에 전기연결재 또는 양극재료의 slurry를 도포하고 밀봉제 홈 좌우에 세라믹 paste를 도포하고 상하좌우로 가압하면서 건조 소결의 과정을 거쳐 셀모듈 간 전기적으로 연결되고 구조적으로 일체화시킨 셀번들 base가 완성된다. 그 다음 상기 셀번들 base의 상하 말단 셀에 전기 집전판 (41, 42)을 부착하고 양끝에 가스 매니폴드 (51, 52)를 셀번들 지지용 타공판 (47)이 있는 곳 까지 밀어 넣어 장착하되 위쪽 양극 전기집전판 (41)은 왼쪽 매니폴드 (51)에 전기연결재 (43)을 통해서 전기적으로 연결되고 아래쪽 음극 전기집전판 (42)는 오른쪽 매니폴드 (52)에 전기연결재 (44)를 통해서 전기적으로 연결되며, 가스 매니폴드 내벽과 셀번들의 외면 사이에 세라믹 paste를 채우고 오른쪽에 충분한 량의 밀봉제를 장입하고 난 후 전체를 길이 방향으로 수직으로 세우고 고온에서 바람직하게는 700℃ 이상에서 소결하여 glass 성분의 밀봉제가 녹아서 밀봉제 홈 밑부분에 또는 소결된 세라믹 paste 위에 고인 상태로 튜브 사이 사이와 셀번들 외면과 매니폴드 내벽 사이에 퍼져서 완벽한 밀봉이 이루어지며 최종적으로 저온으로 내려서 밀봉제를 고체화 시켜 셀번들 (105)를 완성하게 된다.

도 8은 상기 셀번들을 상하좌우로 4 x 4개 배열하여 단위 스택모듈을 제작할 경우의 길이 방향 상하 절개도를 나타낸다. 셀번들 중앙의 공기채널 부분은 hot box (61) 내에 장착되고 양쪽 연료가스 매니폴드부분은 hot box 밖의 이중 벽의 rack (71) 상의 거치대용 open box에 설치되며, 장입 후 셀번들과 hot box의 벽 사이에 전기적으로 부도체이고 단열이 가능한 재료로 된 사각링 형태의 plug를 장착하여 hot box의 열을 차단하고 rack과 셀번들 사이 통전을 방지하며, 최종적으로 이중으로 된 rack의 바깥 면 상의 셀번들과 open box 사이의 사각 ring 형태의 공간을 막아 전체적으로 공기 냉각용 chamber (81) 를 생성시키고 냉각용 공기를 쳄버 유입구 (55)로 불어 넣어 가스 매니폴드부의 온도를 밀봉제가 녹지 않은 온도, 바람직하게는 600℃이하에서 일정하게 유지하여 매니폴드 내 glass밀봉제가 녹는 것을 방지하게 된다.

도9는 상기 4 x 4 개의 셀번들을 장착한 단위 스택모듈 (106) 2개를 좌우로 연료가스 유입용 매니폴드 (57) 끼리 연결하고 이를 다시 공기 유입용 매니폴드(53)와 배출용 매니폴드(54)사이를 직렬로 3개 연결하여 최종적으로 스택번들 (107)을 완성한 수평면 절개도를 나타낸다. 공기는 개개의 스택모듈 (106) 내 hot box 벽면의 공기 유입용 매니폴드 (53)으로 유입되어 공기 유입 및 배출용 통합 매니폴드 (84)를 지나 최종적으로 공기 배출용 매니폴드 (54)로 배출된다. 연료가스는 각각의 연료가스 유입용 통합 매니폴드 (87)로 유입되어 좌우의 연료가스 배출용 통합 매니폴드 (88)로 배출된다.

도 9의 도면 상의 상기 스텍번들을 다시 상하로 3개 적층하여 스택모듈이 2 x 3 x 3 =16 개로 적층되었을 때의 연료가스의 유입 및 배출 매니폴드 부근에서의 길이에 따른 4 곳의 단면도 (A-A', B-B', C-C', D-D')를 도 10에 나타내었다. 참고로 도 10의 단면도는 도9의 왼쪽에서 오른 쪽으로 보면서 각각의 셀번들 내 연료가스 매니폴드의 끝 단면을 나타낸 것이고, 여기에 셀번들 간 전기연결을 예시하였다. 도10의 단면도 A-A'보듯이 상기 스택은 개개의 스택모듈 내 4 x 4개의 셀번들들이 병렬 연결되고 다시 상하로 적층된 3개의 스택모듈이 병렬되어 최종 4 x 4 x 3 =48개의 셀번들이 병렬 연결되고 상기 3개의 스택모듈들 내 연료가스 매니폴드들이 음극이 되고, 그 다음 B-B'면 양극 매니폴드들과 C-C'면의 음극매니폴드 사이에 직렬 연결되고 다시 D-D'면에서 왼쪽 양극 매니폴드들과 오른쪽 음극 매니폴드들이 다시 직렬 연결되고 그 다음 C-C'면의 양극 매니폴드와 B-B'음극 매니폴드 사이에 연결되고, A-A' 중간 양극 매니폴드와 오른쪽의 음극 매니폴드들이 연결되고, 그 다음 B-B'면의 양극 매니폴드 와 음극 매니폴드가 연결되고, 최종적으로 D-D' 양극 매니폴드로 밖으로 나오게 된다.

따라서 상기 스택은 총 6번의 직렬 연결이 행해지며, 최종적으로 48개의 병렬 연결된 셀번들들이 6번의 직렬 연결을 거치게 된다. 만약 셀번들 내 단위셀들이 20개의 직렬과 4번의 병렬 연결을 가지게 적층되었다면, 최종 스택은 단위셀 기준으로 48 x 4 =192번의 병렬 연결과 6 x 20 = 120 번의 직렬 연결을 거치게 된다. 이는 단위셀의 크기가 폭5 cm x 길이50 cm 의 소형이라도 300 ㎠ x 192 = 57,600 ㎠의 대면적의 단위셀을 120개 적층한 것이 된다. 만약 단위셀이 0.2 W/㎠의 전력을 구현하고 평관 크기를 두께0.4 cm x 폭 4.0 cm x 길이 60 cm로 제작하고 유효 단위셀 길이를 50 cm 로 하고 양쪽 5 cm 는 가스 매니폴드로 사용되고 셀번들 내 20개의 단위셀과 5개의 개질기를 적층하고 이렇게 적층된 것을 좌우로 4개를 배열하면 셀번들의 최종 크기는 두께 10 cm x 폭 12 cm x 길이 60 cm의 크기가 된다. 상기 셀번들을 상하 좌우로 4 x 4 =16 배열하고 셀번들 간 간격을 1.0 cm를 두면 단위 스택모듈의 크기는 두께 43 cm x 폭 51 cm x 길이 60 cm 가 되고 상기 스택모듈을 도 9 및 도 10에서 처럼 연료가스 방향 2개, 공기 방향 3개, 상하방향 3개로 적층 배열하고 매니폴드의 길이를 5 cm 로 하면 두께 150 cm x 폭 170 cm x 길이 135 cm의 총부피 3.44 ㎥ 최종 스택 크기가 제작되어지고 상기 스택은 면적 5.76 ㎡의 단위셀을 120개를 적층한 것이 되며 발생 전력량은 1.38 MW가 되어 스택이 거대화 되며, 10MW의 전력을 발생하기 위해서는 상기 스택모듈을 연료가스 흐름 방향 4개, 공기흐름 방향 6개, 상하 6개로 확장하면 총 부피 3.0 m x 3.4 m x 2.7 m = 2.7 ㎥ 정도의 부피가 필요하며, 스택모듈의 반복 확장에 따른 기술상 또는 운전상 어려운 문제가 발생하지 않는다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 고체산화물 연료전지용 평관 내 연료가스 흐름용 내부 채널
2. 고체산화물 연료전지용 평관 평판면 한면에 길이 직각 방향으로 생성된 외부 공기 채널
5. 밀봉제 장착용 홈
7. 지지체 내 상부 평판면
8. 지지체 내 하부 평판면
9. 지지체 내 좌우 측면
11. 내부채널에 가스밀봉용으로 장착된 세라믹 plug
12. 내부채널에 가스밀봉용으로 장착된 밀봉제 plug
13. 단위셀층 내 피복된 음극층
14. 개질기 또는 단위셀의 외부 평판면에 치밀막으로 형성된 전해질층
15. 단위셀에 피복되는 양극층
18. 밀봉제 홈에 bar 또는 plate로 성형되어 장착되는 밀봉제
19. 개질기 내부에 피복된 탄화수소 개질용 촉매
21. 개질기 내 연료가스 유입구
22. 개질기 내 개질된 가스 배출용 수직통로
23. 단위셀 내 수소함유 가스 유입용 수직통로
24. 단위셀 내 수소함유 가스 배출용 수직통로
25. 단위셀 내 최종 폐가스 배출용 배출구
31. 개질기 또는 단위셀의 외부 평판면에 지지체 내부와 연결되고 치밀막으로 형성된 전기연결재 (interconnect)층
41. 셀모듈 내 양극 접전판
42. 셀모듈 내 음극 접전판
43. 양극 집전판 및 연료가스 매니폴드 사이 전기연결재
44. 음극 집전판 및 연료가스 매니폴드 사이 전기연결재
45. 전기집전판 위 공간 보충용 세라믹 판
47. 연료가스 매니폴드 내 셀번들 지지용 타공판
51. 양극집전판에 연결된 연료가스 매니폴드
52. 음극집전판에 연결된 연료가스 매니폴드
53. 공기 유입용 매니폴드
54. 공기 배출용 매니폴드
55. 연료가스 매니폴드 냉각 쳄버 내 공기 유입구
56. 연료가스 매니폴드 냉각 쳄버 내 공기 배출구
57. 연료가스 유입용 매니폴드
58. 연료가스 배출용 매니폴드
61. hot box
62. 공기 유입 및 배출 매니폴드내 열차단 및 공기분산용 타공판
63. 공기 유입을 위한 hot box 내 타공 벽면
64. 공기 배출을 위한 hot box 내 타공 벽면
71. 셀번들의 연료가스 매니폴드 거치용 rack
72. 셀번들과 rack 사이 전기절연 및 hot box 사이 틈새 단열을 위한 사각링형 세라믹 plug
81. 연료가스 매니폴드냉각용 공기 쳄버
84. 공기 유입 후 공기 배출용 통합 매니폴드
85. 공기 유입용 통합 매니폴드
86. 공기 배출용 통합 매니폴드
87. 연료가스 유입용 통합 매니폴드
88. 연료가스 배출용 통합 매니폴드
91. 셀번들 연결용 음극 집전판
92. 셀번들 연결용 양극 집전판
93. 셀번들 연결용 음극집전판 및 양극접전판을 연결하는 전기연결체
101. 평관형 지지체
102. 지지체로부터 완성된 개질기
103. 외부 평판 한면에 공기채널이 형성된 지지체
104. 지지체로부터 제작되는 단위셀
104a. 셀모듈 내 개질기 상부 말단에 적층된 단위셀
104b. 셀모듈 내 개질기 상부면에 이웃해서 적층된 단위셀
104c. 셀모듈 내 개질기 하부면에 이웃해서 적층된 단위셀
104d. 셀모듈 내 개질기 하부 말단에 적층된 단위셀
105. 셀모듈들을 좌우로 배열하고 상하로 적층하여 제작되는 셀번들
106. 셀번들을 상하좌우로 배열하여 완성된 스택모듈

Claims

평관형 개질기에 적어도 하나의 평관형 반응기가 적층된 고체산화물 연료전지용 셀모듈에 있어서,
상기 평관형 개질기는 일측이 막혀 있고, 내부 채널에서 외면으로 관통되는 적어도 하나의 제1채널이 형성되고,
상기 평관형 반응기는 적어도 일측이 막혀 있고, 내부채널에서 외면으로 관통되는 적어도 하나의 제2채널이 형성되고, 상기 평관형 반응기의 외면에는 단위셀 반응부와 공기 유로가 형성되며,
상기 제1채널은 적어도 하나의 제2채널과 연통되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
제1항에 있어서, 상기 제1채널은 내부채널에서 외면으로 수직하게 막힌 쪽에 형성되며, 제 2 채널은 내부채널에서 외면으로 수직하게 막힌 쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
제1항에 있어서, 원료 가스는 개질기로 유입되어 개질되고, 제1채널과 제2채널을 거쳐 평관형 반응기의 내부채널로 유입되어, 반응 후 배출되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
제1항에 있어서, 제1채널 및 제2채널은 반응기의 외면 양측, 개질기의 외면 양측, 또는 반응기와 개질기 모두의 외면 양측에 형성된 두 개의 밀봉제 홈 사이로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
제1항에 있어서, 상기 평관형 개질기는 전도성의 다공성 재료로 이루어지며, 외면 중앙부가 전기연결재로 치밀하게 피복되고, 나머지 외면과 내면은 전해질로 치밀하게 피복되고, 내부채널의 적어도 일부 표면에 개질 촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
제1항에 있어서, 상기 평관형 반응기는 전도성의 다공성 재료로 이루어지며, 외면 중앙부에 적어도 하나 이상의 공기 흐름용 채널이 형성되고, 외면 중앙부 상면에 반응부가 형성되며, 하면에 전기연결재층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
제1항에 있어서, 상기 개질기 상하면에 짝수개의 평관형 반응기가 적층되며, 평관형 반응기의 폐가스 배출은 개질기의 유입구 반대쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
제1항에 있어서, 상기 평관형 개질기는 내부채널에 개질촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
제1항에 있어서, 평관형 반응기는 상부면에 하나 이상의 공기 흐름용 홈이 형성되고, 상기 홈에 연료극, 전해질, 및 공기극이 차례로 피복된 하나 이상의 단위셀이 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
제1항에 있어서, 상기 셀모듈은 직렬로 적층되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀모듈.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 셀모듈들이 상하, 좌우, 또는 상하 및 좌우로 적층되어 번들을 이루는 것을 특징으로 하는 셀 번들.
제11항에 있어서, 번들의 상면과 하면에 집전판이 부착되고, 좌우 말단에 가스 매니폴드가 부착되어, 일측의 매니폴드가 상면과 전기적으로 연결되며, 타측의 매니폴드가 하면과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 셀 번들.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 다수의 셀모듈이 상하로 적층되고, 적층된 셀모듈들의 상하면에 집전판이 형성된 셀 번들들을 직렬, 병렬, 또는 직렬 및 병렬로 연결한 스텍 모듈.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 다수의 셀모듈이 상하로 적층되고, 적층된 셀모듈의 상하면에 집전판이 형성된 셀번들들을 전기적으로 직렬, 병렬, 또는 직렬 및 병렬로 연결한 스택 모듈들을 전기적으로 직렬, 병렬, 또는 직렬 및 병렬로 연결한 스택 번들.
제14항에 따른 스택 번들을 직렬, 병렬, 또는 직렬 및 병렬로 연결한 고체산화물 연료전지용 스택.
내부 채널이 형성된 전도성 평관형 지지체가 플러그로 일측이 막혀있고, 상기 플러그의 인접 부위에서 내부채널에서 지지체 외면으로 수직으로 관통되는 수직 채널이 형성되며, 상기 내부채널에는 개질 촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 개질기.
제16항에 있어서, 상기 평관형 지지체는 다공성 재질로 이루어진 전도성 지지체이며, 상면 중앙부와 하면 중앙부는 전기연결재로 피복되고, 나머지 외면은 전해질로 피복된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 개질기.
제16항 또는 제17항에서, 상기 지지체 외면의 양측에는 지지체의 둘레를 따라 두 개의 홈이 형성되며, 상기 홈에는 밀봉제가 삽입되고, 두 홈 사이에 수직채널이 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 개질기.
내부 채널이 형성된 전도성의 평관형 지지체의 외면 양측에 지지체의 둘레를 따라 밀봉제가 삽입되는 두개의 홈이 각각 형성되고, 상기 홈 사이에는 내부채널로 관통되는 수직 채널이 선택적으로 형성되며,
상기 지지체의 외면 중앙부에는 하나 이상의 홈으로 이루어진 공기채널이 형성되고, 지지체의 외면 중앙부에는 상부면에 제1전극, 전해질, 및 제2전극으로 이루어진 하나 이상의 단위셀이 형성되고, 하부면에 전기연결재층이 형성되고,
나머지 외면은 치밀막으로 피복된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지용 단위셀 반응기.
제19항에 있어서, 상기 평관형 지지체는 수직 채널이 형성된 측의 출입구가 플러그로 막혀있는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위셀 반응기.
내부에 길이 방향으로 1개 이상의 연료가스 채널을 가지고 전기 전도성 재료로 이루어진 다공성의 평관형 튜브를 제조하고, 상기 평관형 튜브의 양쪽 끝 부분의 상하좌우 4면 전면에 일정 깊이 및 넓이로 파서 밀봉제 장착용 홈을 2개씩 생성시켜 지지체를 완성하는 단계;
상기 지지체의 내부 채널 한쪽 끝을 막고 그 옆 밀봉제 홈 사이의 위치에 내부채널에서 평판 밖으로 관통하는 수직통로를 상하로 생성하고 외부 평판면의 중앙부에 전기연결재층를 형성한 후 나머지 내외부 부위에는 전해질층을 피복하고, 내부 채널에 개질촉매을 장착하여 개질기를 완성하는 단계;
상기 지지체의 평판 중앙부 한면 또는 양면에 공기흐름용 채널을 생성하고 상부면 중앙에는 연료극층, 전해질층 및 공기극 층이 피복된 단위셀층을 형성하고 하부면 중앙에는 전기연결재층을 형성하며 그 나머지 외부면에는 전해질층을 피복한 후, 내부 채널의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝을 막고 채널이 막힌 옆에 내부채널로부터 평판 밖으로 관통하는 수직 통로를 밀봉제 홈 사이에 설치하여 단위셀을 완성하는 단계;
상기 개질기 하나에 짝수 개의 단위셀들을 상하로 적층하되, 개질기 한쪽 끝의 수직통로가 이웃한 단위셀의 한쪽 끝 수직통로와 연결되고 반대 쪽 수직통로는 그 다음 단위셀의 한쪽 끝 수직 통로와 연결되는 것을 반복하여 연료가스가 채널 내부에서 길이 방향으로 zigzag로 흘러 개질기 유입구 반대 쪽으로 배출되도록 단위 셀모듈을 완성하는 단계;로 완성된 셀모듈을 이용하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 셀모듈 일정 갯 수를 좌우로 밀착 배열하고 다시 상하로 적층한 후 적층된 말단셀에 양극 및 음극용 집전판을 부착하고 길이 양끝에 장착된 연료가스 매니폴드에 전기적으로 각각 연결하며 밀봉제 홈에 내장된 밀봉제를 녹여서 양쪽 끝이 밀봉된 단위 셀번들을 완성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 제조 방법.
제22항에 있어서, 상기 셀번들 일정 갯 수를 상하좌우로 일정거리를 두고 배열하되, 셀번들 중앙부는 hot box 내에 장착되고 양끝 연료가스 매니폴드 부분은 hot box 밖에 설치된 이중 벽의 rack상의 open box 내에 거치되게 하여 단위 스택모듈을 완성하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 제조 방법.
제23항에 있어서, 상기 스택모듈에 장착된 hot box 앞뒤 면의 공기 배출용 매니폴드와 유입용 매니폴드사이를 반복적으로 직렬 연결하거나 또는 단위 스택모듈 2개나 상기 직렬 연결된 복수 개 스택모듈을 다시 앞뒤를 전치하여 유입용 매니폴드 끼리 및 배출용 매니폴드 끼리 반복 연결하거나 하는 방법으로 공기 매니폴드가 반복 연결되며, 이를 다시 연료가스 유입용매니폴드 끼리 및 연료가스 배출용 매니폴드 끼리 반복적으로 연결시켜 최종적으로 앞뒤로 공기 매니폴드가 반복 연결되고 좌우로 연료가스 매니폴드가 반복 연결된 일정 크기의 스택번들을 제작하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스텍 제조 방법.
제24항에 있어서, 상기 스택번들을 다시 상하로 반복하여 적층하고 연료가스 유입 또는 배출용 매니폴드를 상하 방향으로는 하나로 통합한 후 연료가스 매니폴드내의 셀번들 사이를 전기적으로 직렬 및 병렬을 적절히 혼합하여 원하는 전류 및 전압을 낼 수 있도록 연결함으로써, 최종적으로 3차원적으로 거대화된 스택을 완성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지체의 두께는 20 mm 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제21항 내지 제25항 중 어느 항에 있어서, 평관 양끝에 생성된 밀봉제 홈의 깊이는 5 mm 이하로 생성되고 넓이는 50 mm 이하로 생성되고 2개의 밀봉제 홈 사이 간격은 50 mm 이하인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 개질기 및 단위셀의 내부 채널 끝을 막기 위해, 내부 채널에 원통 bar 형태의 세라믹, 밀봉제 및 세라믹 plug를 차례로 넣고 튜브를 수직으로 세운 후 고온으로 온도를 올려서 밀봉제가 녹아 하부 세라믹 plug 상의 지지체에 액체로 고여서 밀봉시킨 후 저온으로 식혀서 밀봉제를 고화시켜 밀봉하거나, 점결재가 혼합된 세라믹 재료로 내부채널을 막고 고온 소결하는 방법에 의해 내부 채널 끝을 막는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 지지체 상의 막힌 채널 끝에 내부채널로부터 평판 밖으로 생성되는 수직통로는 hole 형태로 개개의 내부채널에 구멍을 뚫어서 생성하거나 slit 형태로 내부채널들을 하나로 묶어서 관통되도록 수직통로가 제작된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평관형 튜브 상의 외부면에 생성된 공기 채널은 튜브를 상하 적층 시 평판 상의 요철면의 사이에서 생성되고, 그 최종적인 흐름 방향은 내부 채널의 연료가스와 직각 방향인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,상기 개질기 및 단위셀에 피복되는 전기연결재층과 전해질층은 가스가 통하지 않는 치밀막으로 형성되고 전극층은 다공성으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀모듈의 상하 적층 시, 단위셀층과 전기연결재층에는 전기연결재 또는 양극 재료로 된 전도성의 slurry를 도포하고 나머지 평판 부위에는 부도체의 세라믹 paste 또는 접착제를 도포한 후 평판면의 밀봉제 홈에 bar 또는 plate형태의 밀봉제를 넣고 적층 된 평판 상하면를 압착하면서 밀봉제의 녹는점 이하 범위에서 고온으로 올려 건조 및 소성하는 방법에 의해 개질기 및 단위셀 간 전기적으로 연결되고 구조적으로는 하나의 단일구조체 (monolith structure)로 제작되게 하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀번들의 제작 시 셀모듈을 상하로 적층하고 압착하면서 소결하여 단위셀들이 전기적으로 직렬 연결되고 구조적으로 하나의 단일체가 되게 제조한 후, 상기 단일체를 좌우로 배열 시에는 측면의 밀봉제 홈에 밀봉제 bar 또는 plate를 넣고 세라믹 접착제를 밀봉제 홈 부위 이외의 측면에 도포하고 밀봉제의 녹는점 이하로 소결하여 세라믹 접착제에 의해 구조적으로 전체 튜브가 단일체가 되도록 제작하여 일차적으로 구조적으로 안정한 셀번들 base를 먼저 제조하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀번들 base의 상부의 말단 양극층과 한쪽 끝 연료가스 매니폴드 내벽 사이에는 양극용 집전판을 부착하고 하부의 말단 전기연결재층과 반대쪽 연료가스 매니폴드 내벽 사이에는 음극용 집전판을 부착하고, 집전판과 가스 매니폴드 내벽 사이에는 길이 왼쪽에서 오른쪽으로 세라믹 paste, 밀봉제, 전도성의 금속재 paste 및 밀봉제를 차례로 장착하고 나머지 2면의 셀번들 외부면과 가스 매니폴드 내벽 사이는 세라믹 paste, 밀봉제, 세라믹 paste 및 밀봉제를 차례로 장착한 후 1차로 밀봉제의 녹는점 이하에서 평판 방향으로 가압하면서 밀봉재 용융점 이하에서 1차로 소결하여 집전판과 매니폴드 내벽 사이가 전기적으로 연결되고 셀번들과 가스 매니폴드 사이가 견고하게 부착되도록 하며, 그 후에 전체를 수직으로 세우고 밀봉제가 녹는점 이상으로 온도를 올려 밀봉제를 녹인 후 다시 온도를 내려서 전체적으로 밀봉을 완성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제34항에 있어서, 세라믹 paste 또는 접착제는 세라믹 또는 clay로 된 부도체 재료를 물리적으로 성형하여 부착 또는 도포시킬 수 있는 재료로 구성되고, 밀봉제는 glass 및 glass를 포함하고 녹는점이 600-800 ℃ 사이인 특성을 가지는 재료로 구성되며, 금속재 paste는 건조 및 소결 후 수축되지 않고 전기적인 연결을 달성할 수 있는 전도성의 재료 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제22항 내지 제25항 중 어느 항에 있어서, 상기 셀번들을 상하좌우로 배열하여 제작되는 스택모듈은 스택모듈 사이 연결된 연료가스 유입용 통합 매니폴드를 통해서 연료가스가 유입되어 각각의 셀번들의 유입용 매니폴드를 거쳐서 개개의 개질기 내로 유입되어 내장된 촉매에 의해 수소 및 CO 함유 가스로 개질되고 개질된 가스는 셀모듈 내 단위셀들을 거치면서 연료전지 반응에 참여하고 다시 셀번들 배출용 매니폴드를 거쳐서 최종적으로 스택모듈의 배출용 매니폴드로 배출되며, 공기는 hot box 한 면의 공기 유입 매니폴드로 주입되어 개개의 튜브의 shell side를 거쳐서 반대쪽의 공기 배출용 매니폴드로 배출되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 스택모듈 내 셀번들은 hot box 좌측의 이중 벽으로 된 rack 상에 규칙적으로 배열된 open box내로 들어가 다시 hot box를 거쳐서 우측 rack상의 open box내에 거치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제37항에 있어서, rack 상의 open box의 단면적은 연료가스 매니폴드의 그것보다 같거나 크며, 셀번들의 hot box 벽면 위치에 부도체의 단열재로 된 plate로 된 plug를 상하좌우에 끼워 1차로 hot box 로 부터의 열 누출을 방지하고 2차로 금속재의 rack 과 금속재의 매니폴드 사이 통전을 방지하도록 rack이 제작되고 매니폴드가 거치되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제38항에 있어서, 상기 plate는 사각링 형태이고, 상기 사각링의 단면상 상하면은 길이 방향으로 hot box 내부까지 연장되어 hot box 내 셀번들 간 상하 틈새를 막아 셀번들 사이 공기 흐름을 차단하도록 하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제38항에 있어서, rack 상의 바깥 면의 매니폴드와 open box 사이 틈새를 막아 전체적으로 공기 챔버를 생성시키고 냉각 공기를 불어 넣어 연료가스 매니폴드 부의 온도를 밀봉제 용융점 이하로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 유입 및 배출을 위한 hot box 벽면은 작은 hole들이 분산되어 생성되어 유입된 공기가 골고루 분산되고 열 방출을 감소시키며, hot box 벽면과 매니폴드사이 타공판을 추가로 설치하여 공기 흐름의 추가 분산을 돕고 hot box 로 부터의 열을 추가로 차단하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 스택 상의 연료가스 매니폴드는 스택번들의 상하 적층 방향으로는 하나로 통합되어 셀번들 간 전기적 연결이 연료가스 매니폴드 내에서 이루어 질 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 스택모듈 내에서 셀번들의 배치는 전기적으로 병렬 연결되는 경우는 연료가스 매니폴드의 전극이 이웃하는 셀번들과 같은 방향으로 배치되고 직렬 연결되는 경우에는 이웃하는 셀번들과는 반대극 방향으로 오도록 앞뒤를 전치하여 배치하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제25항에 있어서, 최종 스택으로 사용되는 스택모듈, 스택번들 또는 최종 스택 내 열 관리는 셀모듈 내 장착된 내부 개질기와 스택 외부에 추가로 설치된 소형 개질기 사이의 개질 비율을 조절하는 방법에 의해 조절하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
제25항에 있어서, 최종 스택은 평관들이 길이 방향으로 수직으로 세워지게 설치되고, rack 상의 공기 쳄버에는 냉각용 공기와 스택에서 배출되는 공기를 혼입시켜 연료가스 매니폴드 내 밀봉제가 액체 상태로 유지되게 운전되어 지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.
고체산화물 연료전지용 거대 스택을 제작하는데 있어서,
내부에 길이 방향으로 1개 이상의 연료가스 채널을 가지고 전기 전도성 재료로 이루어진 다공성의 평관형 튜브를 제조하고, 상기 평관형 튜브의 양쪽 끝 부분의 상하좌우 4면 전면에 일정 깊이 및 넓이로 파서 밀봉제 장착용 홈을 2개씩 생성시켜 지지체를 완성하는 단계;
상기 지지체의 내부 채널 한쪽 끝을 막고 그 옆 밀봉제 홈 사이의 위치에 내부채널에서 평판 밖으로 관통하는 수직통로를 상하로 생성하고 외부 평판면의 중앙부에 전기연결재층를 형성한 후 나머지 내외부 부위에는 전해질층을 피복하고, 내부 채널에 개질촉매을 장착하여 개질기를 완성하는 단계;
상기 지지체의 평판 중앙부 한면 또는 양면에 공기흐름용 채널을 생성하고 상부면 중앙에는 연료극층, 전해질층 및 공기극 층이 피복된 단위셀층을 형성하고 하부면 중앙에는 전기연결재층을 형성하며 그 나머지 외부면에는 전해질층을 피복한 후, 내부 채널의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝을 막고 채널이 막힌 옆에 내부채널로부터 평판 밖으로 관통하는 수직 통로를 밀봉제 홈 사이에 설치하여 단위셀을 완성하는 단계;
상기 개질기 하나에 짝수 개의 단위셀들을 상하로 적층하되, 개질기 한쪽 끝의 수직통로가 이웃한 단위셀의 한쪽 끝 수직통로와 연결되고 반대 쪽 수직통로는 그 다음 단위셀의 한쪽 끝 수직 통로와 연결되는 것을 반복하여 연료가스가 채널 내부에서 길이 방향으로 zigzag로 흘러 개질기 유입구 반대 쪽으로 배출되도록 단위 셀모듈을 완성하는 단계;
상기 셀모듈 일정 갯 수를 좌우로 밀착 배열하고 다시 상하로 적층한 후 적층된 말단셀에 양극 및 음극용 집전판을 부착하고 길이 양끝에 장착된 연료가스 매니폴드에 전기적으로 각각 연결하며 밀봉제 홈에 내장된 밀봉제를 녹여서 양쪽 끝이 밀봉된 단위 셀번들을 완성하는 단계;
상기 셀번들 일정 갯 수를 상하좌우로 일정거리를 두고 배열하되, 셀번들 중앙부는 hot box 내에 장착되고 양끝 연료가스 매니폴드 부분은 hot box 밖에 설치된 이중 벽의 rack상의 open box 내에 거치되게 하여 단위 스택모듈을 완성하는 단계;
상기 스택모듈에 장착된 hot box 앞뒤 면의 공기 배출용 매니폴드와 유입용 매니폴드사이를 반복적으로 직렬 연결하거나 또는 단위 스택모듈 2개나 상기 직렬 연결된 복수 개 스택모듈을 다시 앞뒤를 전치하여 유입용 매니폴드 끼리 및 배출용 매니폴드 끼리 반복 연결하거나 하는 방법으로 공기 매니폴드가 반복 연결되며, 이를 다시 연료가스 유입용매니폴드 끼리 및 연료가스 배출용 매니폴드 끼리 반복적으로 연결시켜 최종적으로 앞뒤로 공기 매니폴드가 반복 연결되고 좌우로 연료가스 매니폴드가 반복 연결된 일정 크기의 스택번들을 제작하는 단계; 및
상기 스택번들을 다시 상하로 반복하여 적층하고 연료가스 유입 또는 배출용 매니폴드를 상하 방향으로는 하나로 통합한 후 연료가스 매니폴드내의 셀번들 사이를 전기적으로 직렬 및 병렬을 적절히 혼합하여 원하는 전류 및 전압을 낼 수 있도록 연결함으로써, 최종적으로 3차원적으로 거대화된 스택을 완성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 스택 제작 방법.