KR20190123818A - 환원 분위기의 집전판을 가지는 평관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 평관형 단전지가 적층된 스택에서 금속 집전체의 산화를 방지할 수 있는 새로운 평관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 평관형 단전지가 적층된 고체산화물 연료전지용 스택과 상기 연료전지용 스택에 적층되어 전기를 집전하는 집전판 사이에, 전기를 생산하지 않는 전도성 더미 전지판이 적층되고, 상기 더미 전지판은 집전판과 대향하는 면에서 환원성 가스를 방출하는 것을 특징으로 한다.

Description

환원 분위기의 집전판을 가지는 평관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법{A flat tubular solid oxide fuel cell stack having a collecting plate in a reducing atmosphere and a manufacturing method thereof}

본 발명은 평관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 평관형 단전지가 적층된 스택에서 금속 집전체의 산화를 방지할 수 있는 새로운 평관형 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)는 700~1000℃에서 이온 전도성을 가진 고체 산화물을 전해질로 사용하는 연료전지이다. SOFC는 고온에서 작동하기 때문에 복잡한 개질장치 없이 다양한 탄화 수소계 연료를 사용할 수 있으며, 타 연료전지에 비해 발전효율 높은 장점이 있다.

이러한 SOFC 단전지의 기전력(Open circuit voltage, OCV)는 약 1V로, 가용하고자하는 높은 전력을 얻기 위해서는 단전지의 활성 전극 면적을 크게 만들어야 하는 제작 공정상 기술 문제가 있다.

SOFC의 전해질은 세라믹으로 구성되어 있어 고분자연료전지(PEMFC), 융용탄산염 연료전지(MCFC)와는 다르게 단전지의 형상을 원하는 형상으로 제작할 수 있는 장점이 있다. 1세대 SOFC 형상인 평판형(planer type) 구조는 단전지 구조에서 기인하는 짧은 전류 경로로 인해 낮은 저항과 높은 전력 밀도의 장점이 있고 구조가 단순해 제작이 용이하다. 다만 각각의 평판형 전지 외각 전면을 밀봉해야하는 복잡한 구조적 한계와 취성에 약한 세라믹 특성에 의해 대면적화가 어려운 점이 있다.

이러한 구조적 취약점을 극복하기 위해 고안된 형상이 원통형(tubular type)으로 전지 면적에 비해 작은 부분(전지의 양 끝단)에만 밀봉부를 형성함으로 밀봉 신뢰성을 해결하였다. 또한 원통형은 평판형에 비해 구조적 안정성과 기계적 강도가 높아 대면적 단전지 제작이 가능하나 긴 전류경로에 인해 저항이 높고 단위 부피당 출력밀도가 낮은 단점이 있다.

상기 평판형과 원통형의 장단점을 상호 보완한 형상이 평관형(flat-tubular type)으로 평판형 구조의 밀봉문제, 대면적 전지 제작상의 문제와 원통형의 긴 전류 경로로 인한 저항 문제를 동시에 해결할 수 있는 형태이다. 이러한 평관형은 미국특허 US20040219411 A1, US7285348 B2 등에 언급되어 있다.

연료전지로부터 가용하고자하는 높은 전력을 얻기 위한 또 다른 방법으로는 여러 개의 단전지를 직렬 혹은 병렬로 적층한 스택(stack)의 구조체를 제작하는 것이다. 스택을 제작하기 위해서는 전술한 각각의 단전지와 단전지를 전기적으로 연결을 하는 연결재 (interconnector)가 필수적으로 삽입되어야 하며 평관형 단전지에 금속 연결재를 사용하여 스택을 구성하는 방법은 미국특허 US 20030224240 A1, US 20050164067 A1, US 20140080029 A1, US 7285347 B2, 대한민국특허 10-0538555 등에 제시되어 있다.

일반적으로 연결재는 전기 전도성이 우수한 금속 소재가 사용되고 있으나 공기(산소)가 공급되는 공기극 측에 접촉된 금속 연결재는 SOFC의 운전 온도인 700~800℃에서 표면이 산화되어 전기 저항이 급속하게 증가하게 되고 스택의 출력을 저하시키는 문제가 있다. 이러한 산화 부식의 문제를 해결하기 위해 전도성 세라믹을 금속 연결재에 코팅하여 사용하고 있지만 금속 연결재에 포함된 Cr 성분은 SOFC 운전온도인 700~800℃에서 쉽게 휘발되어 SOFC 공기극의 활성점에 침착되거나 타 구성소재와 반응하여 성능저하를 야기하는 또 다른 문제가 있다.

한편, 종래의 평판형 스택을 제작하는 기술은 US20050164067 A1와 같이 단전지를 수직방향으로 적층하여 하단부에 밀봉한 후 미국 특허 US 7285347 B2, US 20120315564 A1, 대한민국 특허 10-1146568 에서 언급된 공기(산소) 유로가 형성된 금속 연결재를 사용한다. 이러한 구조는 외부에서 인가된 압력이나 적층된 구조에 의한 하중이 없어 단전지와 연결재가 접촉된 구조를 취하고 있어 접촉면의 신뢰성이 낮으며, 이는 단전지와 연결재의 계면에서 접촉 저항이 높아 스택의 출력이 낮아지는 원인이 되기도 한다.

그 외에도 스택 외함을 설계함에 있어 반드시 고려되어야 할 부분은 연료와 공기(산소)의 공급과 배기 유로의 형성, 내부 스택의 연료극과 공기극 사이 밀봉, 스택에서 발생된 전기를 외부로 인출하기 위한 전기 집전체(electrical current collector)가 있다.

종래 평판형(planer type) 스택의 경우 미국 특허 US 4476196 A, 원통형(tubular type)의 경우 미국특허 US 8592093 B2, 평관형의 경우 미국특허 US 8609291 B2와 같이 복잡한 연료와 공기를 공급하기 위해 스택의 양옆 유로가 포함된 대형 매니폴더가 필요하게 되어 스택 부피가 필요 이상으로 거대해지고, 복잡한 구조에 의해 매니폴더와 스택 간의 밀봉이 어려운 문제가 있다. 또한 공기극과 연료극의 전기 집전체들은 각 절연되어 통전을 방지해야 되는 구조이기에 스택 구조가 복잡하고 설계가 어려워지는 단점이 있다.

전술한 금속 연결재와 세라믹 SOFC 구성소재 간에 발생하는 문제를 극복한 것이 포항공과대학교에서 개발한 평관형상(대한민국 특허 10-0727684, 10-0976506)으로 세라믹 지지체에 가스 유로층이 형성되어 있고, 세라믹 연결재가 적용되어 있어 별도의 가스 유로층을 가지는 금속 연결재가 없이 세라믹 단전지를 적층하는 것만으로 스택을 제작할 수 있다.

그러나 공기 유로가 형성되는 공기극과 접하는 스택 말단의 집전체는 공기에 의해 쉽게 산화되고, 이로 인해 저항이 커지게 되어 이에 대한 해결 방안에 대한 요구가 계속되고 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 공기 유로가 형성되는 공기극과 접하는 스택 말단의 집전체는 공기에 의해 쉽게 산화되지 않도록 하는 새로운 고체산화물 연료전지 스택을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 공기 유로가 형성되는 공기극과 접하는 스택 말단의 집전체는 공기에 의해 쉽게 산화되지 않도록 하는 새로운 고체산화물 연료전지 스택의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 평관형 연료전지 스택을 제작함에 있어서, 양끝 단에 위치하는 연료극 및 공기극 금속 연결재가 고온에서도 산화되지 않도록 유지하고 연료와 공기의 공급부, 연료와 공기의 분리를 위한 밀봉부, 연료전지 반응 후 미반응된 연료와 공기(배기 가스)가 배출될 배출부가 포함된 스택 외함에 스택을 장착함으로 보다 용이하게 스택 모듈을 제작 할 수 있는 방법을 제시하는데 있다.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는

평관형 단전지가 적층된 고체산화물 연료전지용 스택과 상기 연료전지용 스택에 적층되어 전기를 집전하는 집전판 사이에, 전기를 생산하지 않는 전도성 더미 전지판이 적층되고, 상기 더미 전지판은 집전판과 대향하는 면에서 환원성 가스를 방출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 평관형 단전지는 내부에 연료 유로가 형성되고, 외부에 공기 유로가 형성될 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 평관형 단전지의 표면에는 요철이 형성되고, 상기 평관형 단전지의 적층에 의해서 공기 유로가 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 평관형 단전지는 연료극 지지체 한면과 양측면에 전해질이 코팅되고, 전해질 위에 공기극이 코팅되고, 공기극 반대면에 세라믹 연결재가 코팅될 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 더미 전지판은 다공성 물질로 이루어지며 외면이 평탄형 평관형 판재이며, 평관형 단전지 스택과 접하는 면에는 치밀막으로 코팅되어 집전판과 접촉하는 면으로 선택적으로 흘러나올 수 있다

본 발명의 실시에 있어서, 보다 구체적으로는 평관형 단전지와 유사한 형상을 가진 더미 전지판을 제작하되 적층될 단전지와 접촉하는 면은 세라믹 연결재를 코팅하고, 연료극 집전판 혹은 공기극 집전판과 접촉되는 면에는 전해질을 코팅하지 않고 노출시켜 전지 내부로 유입되는 수소의 일부가 다공성 표면을 통해 누설되게 한다.

본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 노출된 부분과 집전판 사이 접촉을 개선하기 위해 다공성 금속 폼(metal foam)을 삽입하고, 노출된 표면에 누설된 수소가 공기와 접촉하여 연소되는 것을 방지하기 위해 더미 전지판 양단에는 밀봉재를 삽입한다. 이와 같이 적층된 더미 전지와 집전판 사이는 환원분위기가 유지되어 집전판의 금속 표면이 고온에서 산화되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 고체산화물 연료 전지는 연료와 공기를 분리해서 공급할 수 있는 스택 외함에 내장될 수 있다. 상기 스택 외함은 덮개가 있는 직육면체 형태의 본체를 가질 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 공기극 집전판은 금속 소재인 스택 외함의 덮개와 접촉되어 있어 별도의 집전체가 필요하지 않으며, 연료극 집전판은 공기극 집전판과 통전되지 않도록 스택 외함 바닥과 연료극 집전판 사이에 절연체를 삽입하고, 집전판의 끝단은 외부로 노출될 수 있도록 인출봉을 체결한다. 인출봉은 스택 외함을 관통하여 스택 외함의 외부로 돌출되고, 스택 외함 간의 통전을 방지하기 위해 일정 거리를 유지시키고, 그 이격부에는 연료가 누설이 되지 않도록 밀봉재를 삽입한다.

상기와 같이 조립된 집전판과 평관형 단전지는 수평으로 뉘어서 차례로 적층되게 되며 별도의 공기 유로를 포함하는 금속 연결재가 필요하지 않는 구조이다.

또한 스택 외함에 스택 모듈을 장착하였을 시 연료와 공기의 유로, 미반응 연료와 공기가 배출되는 배기구가 외함과 적층된 스택 모듈 사이에 형성되어 별도의 매니폴더가 필요하지 않게 된다.

스택 외함의 덮개는 하단과 조립될 시 적층된 각각의 단전지 사이 유격과 스택의 양 끝단 셀과 집전판 사이 유격을 고정하는 역할을 수행하여 기존 평관형 스택에서 해결하지 못한 접촉저항을 크게 개선할 수 있다.

또한 본 발명의 설계 원리로 제작된 스택 외함의 표면은 공기극과 맞닿아 양전하(+)를 띄며, 스택 전단에 노출된 연료극 집전봉은 음전하(-)를 띈다. 따라 스택 외함 상단에 절연 밀봉 시트를 삽입하여 복수 개로 적층하고 하나의 단위 스택에 돌출된 연료극 집전봉과 적층된 다음 단위 스택 외함 표면에 형성된 체결 볼트를 연결하여 직렬로 거대 스택을 제작할 수 있다. 이러한 방법으로 소형 단위 스택들을 반복 나열하여 대용량의 SOFC 스택으로도 응용이 가능하다.

본 발명의 원리를 보다 상세하게 설명하기 위해 도면을 통한 예시로 본 발명을 설명하나 본 발명이 아래 도면들의 예에 국한 되는 것은 아니다.

연료극과 공기극과 접촉하는 집전체는 환원분위기에 노출되어 있어 고온에서 산화되지 않는 특징이 있으며, 공기극 집전부는 스택외함과 일체화되어 부품이 간소화 되어 단위 스택의 구조가 매우 간단하고 단위 스택을 직렬 혹은 병렬로 연결하기 쉬워 대용량 발전용 연료전지로도 응용이 가능하다는 장점이 있다.

도 1 : 평관형 단전지의 형상 및 단면
도 2 : 평관형 단전지가 적층된 스택 모듈 형상
도 3 : 더미 전지의 형상 및 단면
도 4 : 연료극(음극) 집전판 및 연료극(음극측 전하 전달봉
도 5 : 공기극(양극) 집전판과 더미전지의 집전 구조
도 6 : 연료극(음극) 집전판과 더미전지의 집전 구조
도 7 : 스택 모듈 형상-1
도 8 : 스택 모듈 형상-2
도 9 : 스택 모듈에 집전판, 밀봉재, 절연판이 부착된 형상
도 10 : 스택 외함의 구조와 연료, 공기, 배기가스 이동 경로
도 11 : 스택 외함에 스택을 삽입한 상부 형상
도 12 : 스택 외함에 스택을 삽입한 하부 형상
도 13 : 스택 외함에 덮개를 접합된 형상
도 14 : 스택 집합체용 밀봉 개스킷
도 15 : 단위 스택을 적층한 스택 타워 형상
도 16 : 도 14의 A-A′부 절개도

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 내용을 한정하기 위한 것은 아니다.

도 1은 평관형 연료전지 형상으로 지지체 내부에 연료 유로(1)가 지지체 외부에 공기 유로(2)가 형성되어 전극과 유로가 일체화된 평관형 단전지(8) 형상이다.

연료극 지지체(5) 한 면과 양 측면에는 전해질(4)이 코팅되어 있으며, 전해질 위 공기극(3)이 코팅되어 단위 전지 기본 구성을 완성한다. 공기극 반대 면의 연료극 지지체에 치밀한 조직의 세라믹 연결재 (6)가 코팅되어 수소의 누설을 방지하고 연료극에서 발생한 음전하를 외부로 전달하는 역할을 수행한다. 단전지의 끝단에는 수소와 공기를 분리시키도록 밀봉재가 조립될 밀봉부(7)가 존재하며, 단전지가 적층될 시 적층된 단전지 사이에 외부 공기가 유로로 공급될 수 있도록 공기 유로가 있다. 연료의 이동경로(11)와 공기의 이동 경로(12), 배기 가스의 이동경로(13)을 도 1에 형상화 하였다.

도 2 는 도 1 에 제시된 평관형 단전지(8)가 복수의 개로 적층된 형상으로 적층된 각각의 단전지 양면에 공기 유로와 밀봉부(7)가 형성되어 있어, 별도의 공기 유로를 가진 금속 연결재 없이 스택 모듈을 제작 할 수 있다.

도 3은 평관형 단전지(8)과 같은 소재로 제작하되 외부에는 공기 유로가 형성되지 않은 더미 전지(21)이다. 더미 전지의 외부는 전해질로 코팅하여 내부 유로로 공급되는 연료가 누설되지 않게 하되, 한 면의 일부(5)는 다공성 연료극이 외부에 노출되게 하며 이 노출부로 미소량의 연료가 누설되게 된다. 이때 연료극이 노출된 부분(5)이 도 4의 연료극 집전판(31) 측과 접촉되고, 누설된 수소에 의해 접촉면은 환원분위기를 유지할 수 있어 집전판(31) 표면 산화를 방지할 수 있다.

도 4의 연료극 집전판(31)에서 발생하는 음전하를 스택 외함 외부로 인출시키기 위해 음전하용 외부 인출봉(32)이 필요하며, 집전판(31)과 인출봉(32) 간 고정을 위해 체결볼트(33)를 활용할 수 있다.

도 5와 도 6의 더미 전지(21)와 연료극 집전판(31), 공기극 집전판(34)의 조립도를 형상화 하였다. 더미 전지(21)의 연료극이 노출된 면(5)과 접촉하는 집전판(31), (34) 사이에는 다공성 금속 폼(metal foam)(41)을 삽입하여 접촉을 개선할 수 있다. 더미 전지(21)와 집전판(31), (34)을 적층할 시 연료극이 노출된 면(5)에서 누설 된 연료가 공기와 만나 연소되는 것을 차단시키기 위해 연료의 진행 방향 외의 부분에는 더미 전지용 밀봉재(51)를 삽입하고, 더미 전지 연료 인입단에 위치하는 밀봉부(7)에는 단전지용 밀봉재(52)를 장착하여 더미 전지와 집전판 간 조립을 완성한다.

도 7은 도 2에서 서술한 스택 모듈과 도 5, 도 6에서 서술한 더미 전지와 연료극 집전판, 공기극 집전판이 차례로 조립된 형상이다. 평관형 단전지(8)의 적층 순서에 따라 하단 연료극 측 세라믹 연결재(6)가 위치한 부분에는 더미 전지(21)와 연료극 집전판(31)을, 상단 공기극(3)이 위치한 부분에는 더미 전지(21)와 공기극 집전판(34)을 차례로 조립한다. 도 8은 적층된 각각의 평관형 단전지(8)과 더미 전지(21), 연료극 집전판(31), 공기극 집전판(34) 사이에 밀봉재(52)의 위치를 보다 구체적으로 표현하였고, 단전지(8)가 적층되어 형성된 공기 유로에 의한 공기 이동경로 (12)를 보다 구체적으로 나타내었다. 연료의 이동경로(11)는 단전지(8)와 더미 전지(21)의 내부 유로(1)를 통해서만 공급되며 공기 유로(2)로 진입하는 연료는 밀봉재(52)에 의해 차단된다.

도 9는 도 7에서 조립된 스택 모듈과 집전판을 스택 외함 내부로 인입하기 전에 연료극 집전판(31)과 스택 외함이 통전되지 않도록 절연 세라믹 판(61)을 장착한 형상과, 공기극 집전판(34)은 스택 외함과 통전되도록 양전하 외부 전도판(71)을 장착한 형상이다. 또 조립된 스택 모듈이 스택 외함 내부로 인입될 시 연료 및 공기의 매니폴더 역할을 하는 공간이 형성되는데, 이때 연료와 공기가 만나는 것을 차단하기 위한 스택 외부 밀봉재(53) 위치를 표현하였다.

도 10은 스택 외함(81)을 나타낸 것으로 스택 외함은 전기 전도성을 가진 금속 재질로 고온 내산화성을 가지는 소재가 바람직하다. 보다 구체적으로는 SUS316s, SUS410L, SUS416, SUS420, Inconnel 등이 있다. 스택 외함 내부에 스택 모듈이 장착되었을 시 스택 모듈의 측면 유격이 고정되도록 돌기 형태의 고정부(82)가 위치하며, 도 11에서와 같이 스택 모듈과 스택 외함 간 밀봉을 위해 스택 외부 밀봉재(53)을 장착하였을 시 밀봉재 장착 위치를 설정할 수 있는 위치에 고정부(82)를 형성하는 것이 바람직하다. 본 고정부(82)는 스택 외함과 밀봉재를 고정하는 역할 외에도 공기가 유입되는 공기 인입구(84)에서 매니 폴더 역할을 수행할 수 있도록 적정 간격을 형성하는 것을 특징으로 한다. 공기 인입 공간의 형성을 위해 이격된 고정부(82)에 상응하는 길이만큼은 밀봉재 지지 블록(54)을 제작하여 스택 외부 밀봉재(82)와 스택 외함(81) 사이 위치시켜 스택 외부 밀봉재(82)를 고정한다.

또한 스택 외함 하단에는 연료 공급 유로(11)를 형성할 수 있도록 연료 인입구(83), 공기 공급 유로(12)를 형성할 수 있도록 공기 인입구(84), 미반응 연료와 공기가 배출될 수 있는 배기가스의 배출구(85)를 형성시킨다.

또한 연료극 집전판(31)에 연결된 음전하 외부 인출봉(32)이 스택 외함과 접촉 없이 외함 내부를 관통하여 외부로 노출될 수 있어야 하므로 스택 외함에는 연료극측 인출봉용 밀봉관(87)을 형성시켜야 한다. 음전하 인출봉(32)과 스택 외합에 부착되어 양전하를 띈 밀봉관(87)은 서로 통전되지 않도록 일정 거리를 유지시켜야 하며, 이격된 틈 사이에는 절연성 밀봉재를 삽입하여 통전을 방지하고, 스택 외함 내부로 공급된 연료가 밀봉관을 통해 외부로 누설되는 것을 방지해야 한다.

도 13는 조립된 스택 외함 집합체에 스택 외함 덮개(91)을 접합한 스택의 형상이다. 전기 전도성을 가지는 금속 소재의 외함 덮개(91)는 양전하 외부 전도판(71)과 접촉되어 스택에서 발생하는 양전하를 스택 외함으로 전도하는 역할을 수행하며, 전도된 양전하는 국부에서 집전할 수 있는 편의를 제공토록 스택 외함 일부에 양극측 체결 볼트(86)를 형성시킨다. 또한 스택 외함 덮개(91)는 스택 외부 밀봉재(53)의 상단과 접촉되어 연료 공급 유로에서 인입되는 연료가 스택 모듈로 공급되는 공기를 차단시키는 역할을 수행한다. 스택 외함(81)과 스택 외함 덮개(91)의 접합은 니켈 브레이징, 확산 접합(diffusion bonding) 및 레이저 용접 등 고온에서도 금속 접합면이 안정한 공정을 통해 제작할 수 있다.

스택 외함에 인입된 스택 모듈은 스택 외함 덮개(91)가 접합될 시 스택 모듈의 적층 방향으로 외함 내부에 이격 없이 고정되어져 각각의 단전지와 집전판과의 접촉 저항을 크게 개선할 수 있다.

이로써 본 발명을 통해 진보된 평관형 스택; 보다 상세히는 평관형 스택이 기존 평판형과 같이 수평으로 뉘어 적층되고 스택 외함 덮개로 스택 모듈을 고정함으로 접촉 저항이 개선된 형태, 연료와 공기의 공급부, 배기 가스의 배출부가 포함되어 별도의 매니 폴더가 필요치 않는 형태, 연료와 공기의 분리를 위한 밀봉부가 스택 양단 국소적인 부분에만 존재하여 기밀에 신뢰성을 더할 수 있고, 고온에서도 금속 집전판이 환원되지 않는 것을 특징으로 하는 스택을 제작 할 수 있다.

도 14는 단위 스택을 보다 효과적으로 직렬 적층하기 위해 필요한 스택 외함용 밀봉 개스킷(102)이다. 밀봉 개스킷은 스택 및 밀봉재 고정부(82)의 형상을 포함하는 스택 외함의 상단면과 같은 형상으로 구성하는 것이 바람직하며, 보다 완벽한 밀봉을 위해서는 외함 단면의 형상보다 1~2mm 넓게 제작하는 것이 바람직하다.

도 15은 스택 외함 덮개(91)를 포함하지 않은 도 11의 완성된 단위 스택 집합체와 도 14에서 언급한 스택 외함용 밀봉 개스킷(102)을 규칙적으로 5단 배열한 스택 타워(stack tower)를 2열로 나열하여 직렬 연결시킨 대용량 스택 형상의 예시이다. 각각의 단위 스택은 스택 외함용 밀봉 개스킷(102)를 통해 절연되며, 각각의 단위 스택의 음전하 외부 인출봉(32)과 스택 외함의 양극 체결 볼트(86)를 연결함으로 다수의 단위 스택을 직렬로 연결할 수 있다. 직렬 연결된 단위 스택은 원하는 시스템의 형상과 크기에 맞춰 배열시킨 후 양전하를 띈 스택 타워 최상단 스택 외함 덮개(91)와 접촉되지 않게 설치된 타 스택 타워의 최 하단 음전하 외부 인출봉(32)과 연결하여 다수의 스택 타워 또한 직렬로 연결시킬 수 있다.

도 16은 도 15를 보다 상세히 설명하기 위해 A-A′ 방향 절개도를 나타내었다. 각 단위 스택의 연료극 집전판(31)은 음전하를 띄고 있으며 집전판 하단은 절연 세라믹 판(61)이 위치하여 스택 외함과의 통전을 막을 수 있다. 또한 스택 외함용 밀봉 개스킷(102)은 각각의 적층된 단위 스택을 절연하는 역할과 스택 외함 내부의 연료, 공기, 배기가스 간 혼합을 방지하는 역할을 수행한다. 도 16에서 나타낸 공기 이동 경로(12)와 같이 스택 외함 내부의 연료와 배기가스는 동일한 흐름을 가지며 스택 모듈로 공급 및 배출되게 된다. 스택 타워 내부의 음전하는 연료극 집전판(31)을 통해 음전하 외부 인출봉(32)을 통해 스택 외함을 관통하여 외부로 전달되며, 스택타워 내부 최하단 단위 스택 모듈에서 발생하는 양전하는 상단 공기극 집전판(34)를 통해 양전하 전도판(71)으로, 다시 적층 상단에 위치하는 스택 외함(81)으로 전달된다. 전도된 양전하는 직렬 연결하고자하는 다음 적층 스택 모듈의 음전하 외부 인출봉(32)과 연결하여 단위 스택 간 직렬연결을 완성한다.

1. 연료 공급 유로
2. 공기(산소) 공급 유로
3. 공기극(양극)
4. 전해질
5. 연료극(음극)
6. 세라믹 연결재
7. 단전지 밀봉부
8. 평관형 단전지
11. 연료의 이동경로
12. 공기(산소)의 이동경로
13. 배기가스의 이동경로
21. 집전용 더미 전지
31. 연료극(음극) 집전판
32. 연료극(음극) 측 전하 외부 인출봉
33. 연료극(음극) 집전판과 인출봉 연결 볼트
34. 공기극(양극) 집전판
41. 다공성 발포 전도 금속
51. 더미 전지용 밀봉재
52. 단전지용 밀봉재
53. 스택 외부 밀봉재
54. 밀봉재 지지 블록
61. 절연 세라믹 판
71. 양전하 외부 전도판
81. 스택 외함
82. 스택 및 밀봉재 고정부
83. 연료 인입구
84. 공기(산소) 인입구
85. 배기가스 배출구
86. 공기극(양극) 측 체결 볼트
87. 연료극(음극) 측 인출봉용 밀봉관
91. 스택 외함 덮개
101. 절연시트
102. 스택 외함용 밀봉 개스킷
111. 전도성 금속 와이어

Claims (11)

1. 평관형 단전지가 적층된 고체산화물 연료전지용 스택과 상기 연료전지용 스택에 적층되어 전기를 집전하는 집전판 사이에, 전기를 생산하지 않는 전도성 더미 전지판이 적층되고, 상기 더미 전지판은 집전판과 대향하는 면에서 환원성 가스를 방출하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 평관형 단전지는 내부에 연료 유로가 형성되고, 외부에 공기 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 평관형 단전지는 연료극 지지체 한면과 양측면에 전해질이 코팅되고, 전해질 위에 공기극이 코팅되고, 공기극 반대면에 세라믹 연결재가 코팅된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
4. 제2항에 있어서, 상기 평관형 단전지의 표면에는 요철이 형성되며, 상기 평관형 단전지의 적층에 의해서 공기 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
5. 제1항에 있어서, 상기 더미 전지판은 평관형 판재이며 내부에 흐르는 연료 가스가 상기 집전판과 대향하는 면으로 흘러나오는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
6. 제5항에 있어서, 상기 더미 전지판은 스택 대향 면은 전해질로 코팅되고, 집전판 대향 면은 적어도 일부가 전해질로 코팅되지 않은 다공성 평관형 판재인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
7. 제1항에 있어서, 상기 더미 전지판은 외부면은 평평한 평면인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
8. 제1항에 있어서, 상기 더미 전지판과 집전판 사이에 금속폼이 삽입되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
9. 제1항에 있어서, 상기 더미 전지판은 집전판 대향면의 테두리가 밀봉된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 연료극 집전판에서는 인출용 봉이 돌출된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.
11. 다공성의 전도성 평관형 판재로 이루어지며, 일면은 가스가 유출되는 않는 치밀막이 코팅되고, 타면에서는 가스가 유출되어 집전판에 환원 분위기를 유지시키는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 더미 전지판.

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