KR101155375B1 - Combined flat-tube anode support solid oxide fuel cell and stack structure using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체 및 이를 이용한 스택 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄화수소계열의 연료에 포함된 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 고체산화물 연료전지에 이용되는 연료극 지지체를 평관형으로 구성함과 동시에 상부와 하부 플레이트로 분리하여 하나의 연료극 지지체로 두 개의 연료전지 단위셀을 이루도록 병합형으로 구성하고, 이와 같이 구성된 연료극 지지체를 이용하여 직렬식 또는 병렬식으로 스택의 구조를 이루도록 함으로써 보다 경제적이고 효율적으로 다양한 개회로 전압을 구현할 수 있게 한 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체 및 이를 이용한 스택 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a flattened solid oxide fuel cell integrated fuel cell support and a stack structure using the same. More specifically, the solid oxide for producing electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen in the air of the hydrocarbon-based fuel The anode support used for the fuel cell is composed of a flat tube shape, and is divided into an upper and a lower plate, and is formed in a merged form to form two fuel cell unit cells with one anode support. The present invention relates to a flattened solid oxide fuel cell integrated fuel cell support for stack-type solid oxide fuel cells and a stack structure using the same.

Description

평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체 및 이를 이용한 스택 구조{Combined Flat-tube Anode Support Solid Oxide Fuel Cell and Stack Structure Using The Same}Combined Flat-tube Anode Support Solid Oxide Fuel Cell and Stack Structure Using The Same}

본 발명은 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체 및 이를 이용한 스택 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄화수소계열의 연료에 포함된 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 고체산화물 연료전지에 이용되는 연료극 지지체를 평관형으로 구성함과 동시에 상부와 하부 플레이트로 분리하여 하나의 연료극 지지체로 두 개의 연료전지 단위셀을 이루도록 병합형으로 구성하고, 이와 같이 구성된 연료극 지지체를 이용하여 직렬식 또는 병렬식으로 스택의 구조를 이루도록 함으로써 보다 경제적이고 효율적으로 다양한 개회로 전압을 구현할 수 있게 한 고체산화물 연료전지용 평관형 연료극 지지체 및 이를 이용한 스택 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a flattened solid oxide fuel cell integrated fuel cell support and a stack structure using the same. More specifically, the solid oxide for producing electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen in the air of the hydrocarbon-based fuel The anode support used for the fuel cell is composed of a flat tube shape, and is divided into an upper and a lower plate, and is formed in a merged form to form two fuel cell unit cells with one anode support. The present invention relates to a planar anode support for a solid oxide fuel cell and a stack structure using the same, which can realize a variety of open circuit voltages more economically and efficiently by forming a stack structure in a parallel or parallel manner.

일반적으로 연료전지는 탄화수소계열의 연료에 포함된 수소와 공기 중의 산소의 전기 화학적 반응을 통해 연료의 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 에너지 변환장치로서, 기존 발전장치들과 비교하여 발전효율이 매우 높으며 그 크기나 형태, 용량에 대한 자유도가 높아 전력 수요에 맞는 다양한 용량의 전력 시스템 구성이 가능하므로 휴대용 전자기기의 초소형 전원으로부터 대형 발전시스템에 이르기까지 다양한 응용범위를 가지고 있다. 또한, 연료전지는 NOX,SOX와 같은 오염물질의 배출량이 적고, 수소를 연료로 사용할 경우 물 이외의 오염물질을 배출하지 않는 환경 친화적인 발전 시스템으로 에너지와 환경문제를 동시에 해결해 줄 수 있는 차세대 발전방식으로 주목받고 있다.In general, a fuel cell is an energy conversion device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen contained in a hydrocarbon-based fuel and oxygen in the air. It has a high degree of freedom in size, shape, and capacity, so that it is possible to construct a power system of various capacities to meet power demands, and thus has a wide range of applications from ultra-small power supplies to large power generation systems of portable electronic devices. In addition, a fuel cell that can solve energy and environmental problems in the NO X, SO X and low emissions of pollutants, environmentally friendly does when using hydrogen as a fuel not polluting than water generation system at the same time It is attracting attention as the next generation development method.

이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라 알칼리형(AFC)과 인산형(PAFC), 고분자형(PEMFC) 연료전지와 같이 비교적 저온에서 동작하는 연료전지와 650℃에서 작동되는 2세대 연료전지인 용융탄산염형 연료전지(MCFC)와 그 이상의 온도에서 사용되는 3세대 연료전지인 고체산화물 연료전지(SOFC)로 분류할 수 있다. 이중에서 3세대 연료전지인 고체산화물 연료전지는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용하여 600~1000℃의 고온에서 운전함으로써 자체적인 발전 효율이 우수하고, 가압 조건에서도 운전이 가능하여 연료전지의 성능이 증가할 뿐만 아니라 고온, 고압의 배기가스를 이용하는 가스터빈을 연계하여 발전할 경우 전체 발전시스템의 효율을 70% 이상 증가시킬 수 있으며, 고온에서 작동하므로 다른 연료전지에서 필요한 백금 등과 같은 귀금속 전극 촉매를 사용하지 않고도 반응을 가속화시킬 수 있으며, 연료극 측에서의 내부 개질 반응이 가능하여 개질 시스템을 간략화 할 수 있으며, 액상 전해질에 의한 부식문제가 발생하지 않는 등 저온형 연료전지에서 발생되는 여러 가지 운전상의 문제점을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 수소 이외에 천연가스(LNG) 및 석탄가스(LPG) 등의 다양한 탄화수소계 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있다.These fuel cells are molten carbonate, which is a fuel cell that operates at relatively low temperatures such as alkaline (AFC), phosphate (PAFC), and polymer (PEMFC) fuel cells, and a second generation fuel cell that operates at 650 ° C, depending on the type of electrolyte. It is classified into a type fuel cell (MCFC) and a solid oxide fuel cell (SOFC), a third generation fuel cell used at a higher temperature. Among them, the solid oxide fuel cell, the third generation fuel cell, uses solid ceramics as an electrolyte and operates at a high temperature of 600 to 1000 ° C., so its power generation efficiency is excellent, and the fuel cell performance is increased by operating under pressurized conditions. In addition, when combined with gas turbines using high-temperature and high-pressure exhaust gas, power generation can increase the efficiency of the entire power generation system by more than 70%, and because it operates at high temperatures, it uses precious metal electrode catalysts such as platinum, which are needed in other fuel cells. Reaction can be accelerated without the need for internal reforming reaction at the anode side, simplifying the reforming system, and minimizing various operational problems in low temperature fuel cells such as no corrosion problems caused by liquid electrolyte. In addition to hydrogen, natural gas (LNG) and It has the advantage of being able to use a variety of hydrocarbon-based fuel such as burnt gas (LPG).

이러한 종래의 고체산화물 연료전지는 단위전지의 기하학적인 형태에 따라 평판형과 원통형으로 구분되는데 평판형은 원통형에 비하여 스택 자체의 전력밀도가 높은 장점은 있으나, 가스 밀봉문제와 재료들 간 열팽창 계수 차이에 의한 열적 쇼크 등의 문제로 그 크기가 제한을 받기 때문에 대용량 연료전지에 필수적인 대면적 연료전지의 제조가 어렵다는 문제점이 있었다. 이에 비하여 원통형은 스택을 구성하는 단위전지들의 밀봉이 용이하고, 열응력에 대한 저항성이 강한 동시에 스택의 기계적 강도가 높아 대면적 제조가 가능한 기술이나 평판형에 비하여 단위 면적당 전력밀도가 낮고 고가의 제조 공정이 필요한 문제점이 있었다.The conventional solid oxide fuel cell is classified into a plate type and a cylinder type according to the geometrical shape of the unit cell. The plate type type has a higher power density than the cylindrical type, but there is a gas sealing problem and a difference in coefficient of thermal expansion between materials. Due to the problem of thermal shock caused by the size is limited, there is a problem that it is difficult to manufacture a large-area fuel cell that is essential for a large-capacity fuel cell. On the other hand, the cylindrical cylinder is easy to seal the unit cells constituting the stack, and has high resistance to thermal stress and high mechanical strength of the stack. There was a problem that requires a process.

이를 해결하기 위하여 평판형과 원통형의 고체산화물 연료전지가 갖고 있는 장점을 모두 갖춘 평관형 고체산화물 연료전지가 제안되었는데, 이러한 평관형 고체산화물 연료전지는 기계적 강도가 높아 대면적 연료전지의 제조가 가능하며, 전류의 흐름 경로가 짧아 전력밀도가 높으며, 또한 구조가 간단해 제조공정이 경제적이고 컴팩트한 스택제조가 용이하며, 열 사이클 저항성이 우수해 안정적인 운전이 가능하며, 더불어 가스 밀봉이 우수한 장점을 보유함에 따라 분산형 전원용이나 복합발전에 적합한 연료전지로 각광받고 있다.In order to solve this problem, a planar solid oxide fuel cell having all the advantages of flat and cylindrical solid oxide fuel cells has been proposed. The planar solid oxide fuel cell has a high mechanical strength, and therefore, a large area fuel cell can be manufactured. In addition, it has high power density due to short current flow path, simple structure, economical manufacturing process, compact stack manufacturing, easy thermal manufacturing, stable operation, and excellent gas sealing. As a result, it is attracting attention as a fuel cell suitable for distributed power generation or combined cycle power generation.

이러한 평관형 고체산화물 연료전지를 구성하는 종래의 연료전지 단위 셀은 하나의 연료극 지지체에 하나의 연료전지 단위셀을 형성하고 있는 형태를 하고 있었다. 즉, 연료극 지지체의 외형을 임의의 두께와 단면적을 가지는 평관형으로 구성하여 한쪽 단면 또는 양쪽 단면을 공기극으로 이용하고, 연료극 지지체 내부를 길이 방향으로 관통하여 하나 이상의 가스 유로를 형성시킨 형태를 하고 있었다. 이러한 형태의 종래 연료전지 단위셀은 보통 1.00 ~ 1.10V 정도의 개회로 전압을 출력할 수 있었으므로 원하는 출력의 전압을 획득하기 위해서는 다수 개의 연료전지 단위셀을 사용하여야만 하였고 이로 인해 연료전지의 부피가 증가할 뿐만 아니라 비용적 측면에서도 부담이 증가하여 경제성에 악영향을 끼치는 문제점이 있었다.The conventional fuel cell unit cell constituting such a flat tubular solid oxide fuel cell has a form in which one fuel cell unit cell is formed on one anode support. In other words, the external shape of the anode support was formed into a flat tubular shape having an arbitrary thickness and cross-sectional area, and one or both cross sections were used as the air cathode, and one or more gas flow paths were formed by penetrating the inside of the anode support in the longitudinal direction. . Since the conventional fuel cell unit cell of this type was able to output an open circuit voltage of about 1.00 to 1.10V, a plurality of fuel cell unit cells had to be used to obtain a desired output voltage. In addition to the increase in cost, the burden was increased, which adversely affected the economics.

또한, 연료전지 단위셀을 이용하여 일정한 전압을 획득하기 위해서 스택을 설계하는 데 있어서 각각의 연료전지 단위셀을 전기적으로 직렬연결 및 병렬연결하는 것은 필수 불가결하며, 이때, 각 연료전지 단위셀이 하나의 연료극 지지체로 구성되어 있는 경우에는 스택의 구조가 복잡해 질 뿐만 아니라 각종 직렬연결 및 병렬연결을 재배치하는 경우 그 작업이 용이하지 못하는 문제점이 있었다.In addition, in designing a stack to obtain a constant voltage using a fuel cell unit cell, it is essential to electrically connect and connect each fuel cell unit cell in series, wherein each fuel cell unit cell is one. In the case of the anode support, the stack structure is not only complicated, but the rearrangement of various series connections and parallel connections has not been easy.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 평관형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체에 하나의 연료전지 단위셀만을 형성하지 아니하고 하나의 연료극 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀을 형성함으로써 연료전지에 사용되는 연료극 지지체의 개수를 줄일 수 있어 효율성이 높고 경제성이 뛰어난 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to form a fuel cell support used in a fuel cell by forming two fuel cell unit cells in one anode support without forming only one fuel cell unit cell in the anode support for a flat-type solid oxide fuel cell. The present invention provides a combined fuel electrode support for a flat-type solid oxide fuel cell having high efficiency and economic efficiency due to the reduced number of.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 연료전지를 구성하는 스택을 설계함에 있어서 하나의 연료극 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀이 형성된 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용함으로써 스택에 사용되는 연료극 지지체의 개수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 각 연료극 지지체를 상호 직렬 또는 병렬연결함에 있어서 효율적이고 배치가 용이한 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용한 스택 구조를 제공함에 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to use in a stack by using a combined anode support for a flat-type solid oxide fuel cell in which two fuel cell unit cells are formed in one anode support in designing a stack constituting the fuel cell. The present invention provides a stack structure using a combined anode support for a flat-type solid oxide fuel cell that can reduce the number of anode supports to be used as well as efficiently and easily arrange each anode support in series or in parallel.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체는 길이 방향으로 적어도 하나 이상의 연료가스 유로가 형성되어 있는 평관형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체에 있어서, 상면이 상기 연료극 지지체 상판의 일부인 메인상판을 이루고, 하면이 상기 연료극 지지체 하판의 일부인 서브하판을 이루는 상부 플레이트와; 상면이 상기 연료극 지지체 상판의 일부인 서브상판을 이루고, 하면이 상기 연료극 지지체 하판의 일부인 메인하판을 이루는 하부 플레이트와; 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 사이에 위치하여 전기적 및 물리적으로 분리하는 분리절연판과; 상기 상부 플레이트의 메인상판에 형성되는 제1 전극과, 서브하판에 형성되는 제2 전극; 및 상기 하부 플레이트의 메인하판에 형성되는 제3 전극과, 서브상판에 형성되는 제4 전극을 포함하여 구성되며, 상기 상부 플레이트, 제1 전극, 및 제2 전극이 제1 연료전지 단위셀을 형성하며, 상기 하부 플레이트, 제3 전극, 및 제4 전극이 제2 연료전지 단위셀을 형성하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above technical problem, the flattened solid oxide fuel cell merger type anode support includes a flat plate type solid oxide fuel cell anode support in which at least one fuel gas flow path is formed in a longitudinal direction, and an upper surface thereof is a part of the upper plate of the anode support. An upper plate constituting a main upper plate, and a lower plate constituting a sub lower plate which is a part of the lower plate of the anode support; A lower plate having an upper surface forming a sub upper plate which is a part of the upper part of the anode support, and a lower plate forming a main lower plate being a part of the lower part of the anode support; A separation insulating plate disposed between the upper plate and the lower plate to electrically and physically separate the separation plate; A first electrode formed on the main upper plate of the upper plate and a second electrode formed on the sub lower plate; And a third electrode formed on the main lower plate of the lower plate, and a fourth electrode formed on the sub upper plate, wherein the upper plate, the first electrode, and the second electrode form a first fuel cell unit cell. The lower plate, the third electrode, and the fourth electrode form a second fuel cell unit cell.

이때, 상기 상부 플레이트는 메인상판의 하면이 서브하판에서 상측으로 일정 높이만큼 절곡되어 연료가스 유로가 하측으로 노출되어 있으며; 상기 하부 플레이트는 메인하판의 상면이 서브상판에서 하측으로 일정 높이만큼 절곡되어 연료가스 유로가 상측으로 노출되어 있으며; 상기 분리절연판은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트가 접합되는 면의 형상을 이루고 있으되, 가스유로가 형성되어 있는 부분에 대응되는 부분은 절개되어 제거되어 있는 것을 특징으로 한다.At this time, the upper plate has a lower surface of the main upper plate is bent upward by a certain height from the sub lower plate to expose the fuel gas flow path downward; The lower plate has an upper surface of the main lower plate bent downward from the sub upper plate by a predetermined height so that a fuel gas flow path is exposed upward; The separation insulating plate has a shape in which the upper plate and the lower plate are joined to each other, and a portion corresponding to the portion where the gas flow path is formed is cut and removed.

한편, 상기 제1 전극 및 제3 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각의 표면에 형성된 고체 전해질층과, 상기 고체 전해질층 상면에 형성된 공기극층으로 이루어진 양극층을 구성하며, 상기 제2 전극 및 제4 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각에 전기적으로 연통되어 음극층을 구성하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the first electrode and the third electrode comprises a positive electrode layer formed of a solid electrolyte layer formed on the surface of each of the upper plate and the lower plate, and the cathode layer formed on the upper surface of the solid electrolyte layer, the second electrode and the third electrode The four electrodes are electrically connected to each of the upper plate and the lower plate to form a cathode layer.

물론, 상기 제2 전극 및 제4 전극을 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각의 표면에 형성된 고체 전해질층과, 상기 고체 전해질층 상면에 형성된 공기극층으로 이루어진 양극층으로 구성하며, 상기 제1 전극 및 제3 전극을 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각에 전기적으로 연통되는 음극층으로 구성할 수도 있다.Of course, the second electrode and the fourth electrode are composed of a solid electrolyte layer formed on the surface of each of the upper plate and the lower plate, and an anode layer formed of an air cathode layer formed on an upper surface of the solid electrolyte layer. The three electrodes may be configured as a cathode layer in electrical communication with each of the upper plate and the lower plate.

본 발명의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 평관형 고체산화물 연료전지용 평관형 연료극 지지체의 스택 구조는 상기 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체 다수 개를 적층하고 상층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제2 전극과 하층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제1 전극을 전기연결재를 이용하여 연속적으로 연결하며, 상층의 병합형 연료극 지지체의 하부 플레이트의 제4 전극과 하층의 병합형 연료극 지지체의 하부 플레이트의 제3 전극을 전기연결재를 이용하여 연속적으로 연결하며, 상기 각각의 병합형 연료극 지지체 사이에 일정 간격을 유지시켜 상기 각각의 전기연결재가 상호 접촉하지 않도록 함과 동시에 상기 각각의 병합형 연료극 지지체 사이에 공기극 유로를 형성시킬 수 있도록 전기절연성 재질의 분리절연체를 위치시키는 것을 기본 구조로 한다.In order to solve the technical problem of the present invention, a stack structure of a flat tubular anode support for a solid-state solid oxide fuel cell is formed by stacking a plurality of flattened anode supports for a solid oxide fuel cell and forming an upper layer of an upper plate of the merged anode support of an upper layer. The second electrode and the first electrode of the upper plate of the merged anode support of the lower layer are continuously connected by using an electrical connecting material, and the fourth electrode of the lower plate of the merged anode support of the upper layer and the lower portion of the merged anode support of the lower layer. The third electrode of the plate is continuously connected by using an electrical connector, and maintains a predetermined distance between the respective hybrid anode support to prevent the respective electrical connector from contacting each other and at the same time, the respective anode support Electrically insulating material to form a cathode flow path between The basic structure is to locate quality isolation insulators.

이와 같이 기본 구조로 적층된 상기 병합형 연료극 지지체 중 최상층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제1 전극과 하부 플레이트의 제4 전극을 전기연결재를 이용하여 연결하고, 적층된 상기 병합형 연료극 지지체 중 최하층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제2 전극과 하부 플레이트의 제3 전극을 각각 음극층 출력단자와 양극층 출력단자로 이용함으로써 적층된 상기 병합형 연료극 지지체가 직렬연결되도록 할 수 있다.The first electrode of the upper plate and the fourth electrode of the lower plate of the merged anode support of the uppermost layer among the merged anode supports stacked in the basic structure are connected by using an electrical connection material, and the stacked By using the second electrode of the upper plate of the lowermost merged anode support and the third electrode of the lower plate as the cathode layer output terminal and the anode layer output terminal, the stacked merged anode supports may be connected in series.

한편, 상기 병합형 연료극 지지체를 병렬연결하기 위해서는 기본 구조로 적층된 상기 병합형 연료극 지지체 중 최상층의 병합형 연료극 지지체의 하부 플레이트의 제4 전극과 최하층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제2 전극을 전기연결재를 이용하여 연결하고 음극층 출력단자로 이용하며, 적층된 상기 병합형 연료극 지지체 중 최상층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제1 전극과 최하층의 병합형 연료극 지지체의 하부 플레이트의 제3 전극을 전기연결재를 이용하여 연결하고 양극층 출력단자로 이용함으로써 적층된 상기 병합형 연료극 지지체의 복수개의 상부 플레이트와 복수개의 하부 플레이트가 병렬연결되도록 구성한다.Meanwhile, in order to connect the merged anode supports in parallel, the fourth electrode of the lower plate of the merged anode support of the uppermost layer and the second electrode of the upper plate of the merged anode support of the lowermost layer among the merged anode supports stacked in a basic structure. Is connected using an electrical connector and used as a cathode layer output terminal, and the first electrode of the upper plate of the merged anode support of the uppermost layer and the lower plate of the merged anode support of the lowest layer of the merged anode support stacked. The plurality of upper plates and the plurality of lower plates of the merged anode support stacked are configured to be connected in parallel by connecting electrodes using electrical connectors and using the anode layer output terminals.

본 발명은 하나의 연료극 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀을 형성함으로써, 필요한 전압을 획득하기 위해 사용되는 연료극 지지체의 개수를 감소할 수 있고 경제적으로도 비용을 절감할 수 있는 뛰어난 장점이 있다.According to the present invention, by forming two fuel cell unit cells in one anode support, the number of anode supports used to obtain a required voltage can be reduced and economically, the cost can be reduced.

본 발명은 하나의 연료극 지지체에 두 개의 연료전지 단위셀이 형성된 병합형 연료극 지지체를 사용하여 평관형 고체산화물 연료전지의 스택을 구성함으로써, 사용되는 연료극 지지체의 개수가 감소하여 연료전지의 물리적 부피를 효율적으로 줄일 수 있으며 각 연료극 지지체의 직렬 또는 병렬연결 배치구조를 설계하기가 매우 용이한 다른 장점이 있다. The present invention constructs a stack of flat-shaped solid oxide fuel cells using a merged anode support having two fuel cell unit cells formed in one anode support, thereby reducing the number of anode supports used to reduce the physical volume of the fuel cell. Another advantage is that it can be efficiently reduced and it is very easy to design a series or parallel connection arrangement of each anode support.

도 1은 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체의 측면도이다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체의 정면도이며, 도 3(b)는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체의 배면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용한 직렬연결 구조 스택의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용한 병렬연결 구조 스택의 개략도이다.1 is an exploded perspective view of a flattened solid oxide fuel cell integrated fuel cell support according to the present invention.
FIG. 2 is a side view of a merged anode support for a flat tubular solid oxide fuel cell according to the present invention. FIG.
FIG. 3 (a) is a front view of a flattened solid oxide fuel cell integrated fuel cell support according to the present invention, and FIG. 3 (b) is a rear view of a flattened solid oxide fuel cell integrated fuel cell support according to the present invention.
4 is a schematic diagram of a series connection structure stack using a merged anode support for a flat tubular solid oxide fuel cell according to the present invention.
5 is a schematic diagram of a parallel connection structure stack using a merged anode support for a flat tubular solid oxide fuel cell according to the present invention.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체의 측면도이며, 도 3(a)는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체의 정면도이며, 도 3(b)는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체의 배면도이다.1 is an exploded perspective view of a flattened solid oxide fuel cell integrated fuel cell support according to the present invention, Figure 2 is a side view of a flattened solid oxide fuel cell integrated fuel cell support according to the present invention, Figure 3 (a) is 3 is a front view of a flattened solid oxide fuel cell integrated fuel cell support according to the present invention, and FIG. 3 (b) is a rear view of a flattened solid oxide fuel cell integrated fuel cell support according to the present invention.

도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체(100)는 제1 연료전지 단위셀을 이루는 상부 플레이트(110), 제1 전극(140), 및 제2 전극(150)과; 제2 연료전지 단위셀을 이루는 하부 플레이트(120), 제3 전극(160), 및 제4전극과; 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)를 전기적 및 물리적으로 분리하는 분리절연판(130)을 포함하여 구성된다.1, 2, and 3, the flattened solid oxide fuel cell merged anode support 100 according to the present invention includes an upper plate 110 and a first electrode 140 constituting a first fuel cell unit cell. And a second electrode 150; A lower plate 120, a third electrode 160, and a fourth electrode constituting the second fuel cell unit cell; It comprises a separation insulating plate 130 for electrically and physically separating the upper plate 110 and the lower plate 120.

이때, 상기 상부 플레이트(110)는 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 상판의 일부를 형성하는 메인상판(111)과 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 하판의 일부를 형성하는 서브하판(112)으로 구성되어 있는데, 상기 메인상판(111)은 상기 서브하판(112)에 비하여 일측에서 길이방향으로 타측으로 더 길게 형성되어 있고 상기 서브하판(112)에서 상측으로 일정 두께만큼 수직으로 절곡된 형상을 이루고 있어 상기 메인상판(111)의 하면에는 일측에서부터 연속적으로 형성된 연료가스 유로(180)가 상기 서브하판(112)이 형성된 부분을 제외하고 하측으로 노출되어 있다.In this case, the upper plate 110 may include a main upper plate 111 forming a part of the upper plate of the coalescing anode support 100 and a sub lower plate 112 forming a part of the lower plate of the coalescing anode support 100. The main upper plate 111 is formed longer than one side in the longitudinal direction from the other side in the longitudinal direction than the sub lower plate 112 and is bent vertically by a predetermined thickness from the sub lower plate 112 to the upper side. The lower surface of the main upper plate 111 is exposed to the lower side of the fuel gas flow path 180 formed continuously from one side except for the portion where the sub lower plate 112 is formed.

또한, 상기 하부 플레이트(120)는 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 상판의 일부를 형성하는 서브상판(121)과 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 하판의 일부를 형성하는 메인하판(122)으로 구성되어 있는데, 상기 메인하판(122)은 상기 서브상판(121)에 비하여 타측에서 길이방향으로 일측으로 더 길게 형성되어 있고 상기 서브상판(121)에서 하측으로 일정 두께만큼 수직으로 절곡된 형상을 이루고 있어 상기 메인하판(122)의 상면에는 타측에서부터 연속적으로 형성된 연료가스 유로(180)가 상기 서브상판(121)이 형성된 부분을 제외하고 상측으로 노출되어 있다.In addition, the lower plate 120 may include a sub-top plate 121 that forms part of an upper plate of the coalesced anode support 100 and a main lower plate 122 that forms part of a lower plate of the merged anode support 100. The main lower plate 122 is formed longer in one side in the longitudinal direction from the other side than the sub upper plate 121 and vertically bent from the sub upper plate 121 vertically by a predetermined thickness. The upper surface of the main lower plate 122 is exposed to the upper side of the fuel gas flow path 180 formed continuously from the other side except for the portion where the sub upper plate 121 is formed.

상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)는 정확하게 대칭적인 구조를 하고 있으며 실질적으로는 동일한 형상을 이루고 있고 상기 병합형 연료극 지지체(100) 상에서 결합되는 위치에 따라 편의적으로만 구별될 뿐이어서 각 구성품의 제조단계에서도 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)로 각각 구별되어 제조되지 않고 동일하게 생산하면 되며, 물론 이와 같이 상기 병합형 연료극 지지체(100)는 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)를 분할하여 제조하고 전기절연 물질에 의하여 결합하는 방식이 아닌 하나의 일체형으로, 다시 말해서 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120) 사이에 치밀성의 전기절연 물질을 추가하여 하나의 일체형으로 제조할 수도 있다. 이때, 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)에 치밀성의 전기절연 물질을 추가하여 상기 병합형 연료극 지지체(100)를 제조할 시에는 치밀성의 전기절연 물질의 두께 및 형상에 따라 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)는 정확하게 대칭적인 구조를 이루지 않아도 제작할 수 있음은 물론이다.The upper plate 110 and the lower plate 120 have a precisely symmetrical structure and have substantially the same shape, and are distinguished only by convenience according to the position of coupling on the merged anode support 100. In the manufacturing step of the component, the upper plate 110 and the lower plate 120 are not separately manufactured, but may be produced in the same manner. Of course, the merged anode support 100 may be the upper plate 110 and the lower plate ( 120 is manufactured by dividing one by one and not in a manner of being joined by an electrically insulating material, that is, a dense electrically insulating material is added between the upper plate 110 and the lower plate 120 to form a single piece. You may. In this case, when the dense electrically insulating material is added to the upper plate 110 and the lower plate 120 to manufacture the merged anode support 100, the upper plate according to the thickness and shape of the dense electrically insulating material. Of course, the 110 and the lower plate 120 may be manufactured even without forming a precisely symmetrical structure.

그리고 양극을 통하여 생성된 산소이온이 전해질을 통하여 전달되고, 전해질에서 전달된 산소이온이 음극에서 수소와 반응을 하여 물과 전자를 생성하면 생성된 전자는 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)를 통하여 각각 이동하여야 하므로, 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)는 고체산화물 연료전지의 작동온도에서 우수한 전기전도도 및 높은 기공률과 아울러 높은 기계적 강도를 갖는 물질이어야 하는데, 일산화니켈(NiO)과 이트리아 안정화 지르코니아(Yittria Stabilized Zirconia, YSZ)의 도성합금(NiO-YSZ cermet)을 이용하는 것이 바람직하다.Oxygen ions generated through the anode are transferred through the electrolyte, and when the oxygen ions delivered from the electrolyte react with hydrogen at the cathode to generate water and electrons, the generated electrons are the upper plate 110 and the lower plate 120. Since the upper plate 110 and the lower plate 120 must be moved through each of the), the upper plate 110 and the lower plate 120 should be a material having excellent electrical conductivity and high porosity as well as high mechanical strength at the operating temperature of the solid oxide fuel cell. It is preferable to use NiO-YSZ cermet of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) and Yttria Stabilized Zirconia (YSZ).

한편, 상기 분리절연판(130)은 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)가 접합되는 사이에 위치하게 되는데, 따라서 그 형상도 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)의 접합면의 형상을 하고 있다. 즉 상기 상부 플레이트(110)의 메인상판(111)의 하면과 상기 하부 플레이트(120)의 메인하판(122)의 상면이 접합되는 부분, 상기 상부 플레이트(110)의 메인상판(111)의 측면과 상기 하부 플레이트(120)의 서브상판(121)의 측면이 접합되는 부분, 및 상기 상부 플레이트(110)의 서브하판(112)의 측면과 상기 하부 플레이트(120)의 메인하판(122)의 측면이 접합되는 부분에 대응되도록 평면 박판 형상에서 양 끝단이 각각 상측과 하측으로 절곡되어 있으며, 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120) 상에 상기 연료가스 유로(180)가 형성되어 있는 부분에 대응되는 부분은 제거하여 연료가스가 유통하는데 지장이 없도록 한다.On the other hand, the separation insulating plate 130 is located between the upper plate 110 and the lower plate 120 are bonded, so the shape of the junction surface of the upper plate 110 and the lower plate 120 It is shaped. That is, a portion where the lower surface of the main upper plate 111 of the upper plate 110 and the upper surface of the main lower plate 122 of the lower plate 120 are joined, and the side surface of the main upper plate 111 of the upper plate 110. The side portion of the lower upper plate 121 of the lower plate 120 is joined, and the side of the sub lower plate 112 of the upper plate 110 and the side of the main lower plate 122 of the lower plate 120 Both ends are bent upward and downward in a planar thin plate shape so as to correspond to the portion to be joined, and correspond to a portion where the fuel gas flow path 180 is formed on the upper plate 110 and the lower plate 120, respectively. This part is removed so that fuel gas is not disturbed.

또한, 상기 분리절연판(130)은 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120) 상호간에 가스의 유통이나 전기의 유통을 완벽히 차단할 수 있도록 치밀성 및 전기 절연성을 동시에 가지는 재질을 이용하여 제조하여 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)를 물리적, 화학적, 전기적으로 분리 단절하게 하며, 더욱 중요하게는 고체산화물 연료전지의 동작온도에서 상기 상부 플레이트(110) 및 하부 플레이트(120)와 동일 또는 20% 범위 내의 유사한 열팽창 계수를 가지는 물질로 상기 분리절연판(130)을 구성하여야 열팽창 계수가 다름으로 해서 일어날 수 있는 문제를 미연에 방지할 수 있다. 즉, 예를 들어 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)가 일산화니켈-이트리아 안정화 지르코니아(NiO-YSZ) 도성합금 재질로 구성되는 경우, 상기 일산화니켈-이트리아 안정화 지르코니아 도성합금 재질은 10.5*10-6~ 13.5*10-6 K-1의 열팽창 계수를 가지는 물질이므로 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트의 사이에 위치하는 상기 분리절연판(130)은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 또는 가돌리늄으로 도핑된 산화세슘(GDC)와 같이 11*10-6 ~ 13*10-6 K-1의 열팽창 계수를 가지는 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 이와 같이 구성함으로써 상기 병합형 연료극 지지체를 사용하여 650℃ 이상의 고온에서 평관형 고체산화물 연료전지 단위셀 및 상기 단위셀로 구성된 스택을 운전할 시에 고온 장기운전 안정성 및 부하추종 열-사이클에서도 열팽창 계수 차이에 의한 연료전지 단위셀 및 스택 구성요소간의 계면박리나 상기 상부 및 하부 플레이트와 상기 분리절연판 간의 상호 분리를 방지할 수 있다. 물론, 상기 분리절연판(130)과 상부 플레이트(110) 및 하부 플레이트(120)를 매우 치밀하게 접합하여 상기 연료가스 유로(180)로 유통되는 연료가스가 외부로 누출되지 않도록 밀봉하는 것도 대단히 중요하다.In addition, the separation insulating plate 130 is manufactured by using a material having both density and electrical insulation at the same time so as to completely block the flow of gas or electricity between the upper plate 110 and the lower plate 120. Physically, chemically and electrically separating and disconnecting the plate 110 and the lower plate 120, and more importantly, the same as or equal to the upper plate 110 and the lower plate 120 at the operating temperature of the solid oxide fuel cell. The separation insulating plate 130 must be made of a material having a similar coefficient of thermal expansion within a range of% to prevent a problem that may occur due to different thermal expansion coefficients. That is, for example, when the upper plate 110 and the lower plate 120 is made of a nickel monoxide-yttria stabilized zirconia (NiO-YSZ) conductive alloy material, the nickel monoxide-yttria stabilized zirconia conductive alloy material is Since the material has a coefficient of thermal expansion of 10.5 * 10 -6 to 13.5 * 10 -6 K -1 , the separation insulating plate 130 positioned between the upper plate and the lower plate is doped with yttria stabilized zirconia (YSZ) or gadolinium. It is preferable to use a material having a coefficient of thermal expansion of 11 * 10 −6 to 13 * 10 −6 K −1 , such as cesium oxide (GDC). The difference between the coefficients of thermal expansion in long-term operation stability and load-following heat-cycle at high temperature when operating a flat tube solid oxide fuel cell unit cell and a stack composed of the unit cell at high temperature It is possible to prevent the mutual separation between the fuel cell unit cell and stack configurations interfacial peeling or the top and bottom plate and the insulating plate separating between elements. Of course, it is also very important that the separation insulating plate 130 and the upper plate 110 and the lower plate 120 are tightly bonded to seal the fuel gas circulated to the fuel gas flow path 180 from leaking to the outside. .

이상에서 설명한 본 실시예에서 제시하는 상기 상부 플레이트(110), 하부 플레이트(120), 및 분리절연판(130)의 형상은 구현 가능한 여러 형상 중의 하나에 불과하며 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)의 측면을 평면이 아닌 곡면으로 형성한다든지, 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)의 접합면을 절곡이 없는 대각선 방향의 평면으로 구성한다든지 등으로 변형할 수 있는 것은 물론이다.Shapes of the upper plate 110, the lower plate 120, and the separation insulating plate 130 in the present embodiment described above are only one of various shapes that can be implemented, and the upper plate 110 and the lower plate ( Of course, the side surface of the 120 may be formed into a curved surface rather than a flat surface, or the joint surface of the upper plate 110 and the lower plate 120 may be configured in a diagonal plane without bending. .

한편, 상기 상부 플레이트(110)의 메인상판(111)에는 제1 전극(140)이, 서브하판(112)에는 제2 전극(150)이 형성되어 있으며, 상기 하부 플레이트(120)의 메인하판(122)에는 제3 전극(160)이, 서브상판(121)에는 제4 전극(170)이 형성되어 있는데, 상기 제1 전극(140)과 제3 전극(160)은 양극층 역할을 하게 되고 상기 제2 전극(150)과 제4 전극(170)은 음극층 역할을 하게 된다. 이때, 양극층을 이루는 제1 전극(140)과 제3 전극(160)은 상기 상부 플레이트(110)의 메인상판(111)과 하부 플레이트(120)의 메인하판(122)의 표면에 각각 고체 전해질층을 적층하고 상기 고체 전해질층 상면에 공기극층을 적층하여 형성된다. 상기 고체 전해질층은 산소 투과성이면서도 전기적으로는 전기절연성을 가지는 재질을 사용하는데 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 또는 가돌리늄으로 도핑된 산화세륨(Gadolinium Doped Ceria, GDC)을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 고체 전해질층 상에 적층된 공기극층은 페로브스카이트 구조의 LSM((La,Sr)MnO3), LSCF((La,Sr)(Co,Fe)O3), LSC((La,Sr)CoO3) 등을 사용하여 제조한다. 또한, 음극층을 이루는 제2 전극(150)과 제4 전극(170)의 재질은 상기 고체 전해질층을 통하여 전달되는 산소이온과 연료극의 기공을 통하여 전달되는 수소와 반응이 잘 일어나도록 할 수 있는 삼상계면(Thre Phase Boundary)이 넓고 수소분위기 즉, 산소분압이 매우 낮은 조건에서도 전기전도도가 좋은 물질을 사용하여야 하는데, 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)의 재질과 동일한 일산화니켈과 이트리아 안정화 지르코니아 도성합금(NiO-YSZ cermet)을 사용할 수 있다.Meanwhile, the first electrode 140 is formed on the main upper plate 111 of the upper plate 110, and the second electrode 150 is formed on the sub lower plate 112, and the main lower plate of the lower plate 120 is formed. The third electrode 160 is formed at 122 and the fourth electrode 170 is formed at the sub-top plate 121. The first electrode 140 and the third electrode 160 serve as an anode layer. The second electrode 150 and the fourth electrode 170 serve as a cathode layer. In this case, the first electrode 140 and the third electrode 160 forming the anode layer are solid electrolytes on the surfaces of the main upper plate 111 of the upper plate 110 and the main lower plate 122 of the lower plate 120, respectively. It is formed by laminating a layer and laminating a cathode layer on the upper surface of the solid electrolyte layer. The solid electrolyte layer is oxygen-permeable and electrically insulating material, it is preferable to use yttria stabilized zirconia (YSZ) or gadolinium doped Ceria (GDC) doped with gadolinium, the solid electrolyte The cathode layer laminated on the layer was formed of perovskite structure LSM ((La, Sr) MnO 3 ), LSCF ((La, Sr) (Co, Fe) O 3 ), LSC ((La, Sr) CoO 3 ) And the like. In addition, the materials of the second electrode 150 and the fourth electrode 170 forming the cathode layer may react with oxygen ions delivered through the solid electrolyte layer and hydrogen delivered through the pores of the fuel electrode. A material having good electrical conductivity even under a condition where the three-phase interface is wide and the hydrogen atmosphere, that is, the oxygen partial pressure is very low. Nickel monoxide and the same material as the materials of the upper plate 110 and the lower plate 120. Tria stabilized zirconia ceramics (NiO-YSZ cermet) can be used.

이때, 상기 공기극층은 상기 병합형 연료극 지지체(100) 표면 외부에 유통되는 공기에서 산소를 받아들여 투과하는 역할을 하는데 안정적으로 산소를 공급하기 위하여 되도록이면 넓게 구성하는 것이 바람직하고, 따라서 본 실시예에서 구현한 바와 같이 공기극층을 포함하는 상기 제1 전극(140)과 제3 전극(160)이 형성되어 있는 상기 상부 플레이트(110)의 메인상판(111)과 하부 플레이트(120)의 메인하판(122)이 상기 하부 플레이트(120)의 서브상판(121)과 상부 플레이트(110)의 서브하판(112)보다 넓게 구성하여 안정적인 동작을 하도록 한다.In this case, the cathode layer serves to receive and transmit oxygen in the air circulated outside the surface of the coalescing anode support 100, so that the cathode layer is preferably configured to be as wide as possible in order to stably supply oxygen. As described above, the main upper plate 111 of the upper plate 110 and the main lower plate of the lower plate 120 on which the first electrode 140 and the third electrode 160 including the cathode layer are formed ( 122 is configured to be wider than the sub upper plate 121 of the lower plate 120 and the sub lower plate 112 of the upper plate 110 to perform a stable operation.

이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따라 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체(100)의 동작을 살펴보면, 먼저 상기 연료가스 유로(180)로 수소를 함유한 연료가스를 유통시켜주고 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 외부에는 공기를 공급하여 준다. 이후에 산소 분압의 차이를 유지해 주면 상기 제1 전극(140)과 제3 전극(160)에 형성된 고체 전해질층을 통해 산소가 이동하려는 구동력이 형성되게 되는데, 상기 고체 전해질층은 전자전도성은 낮은 반면 높은 이온전도성만 가지고 있으므로 공기극층에서 전자를 받아 이온화된 산소이온이 고체 전해질층을 통과하여 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120) 내부로 진입하게 된다. 이와 같이 상기 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120) 내부로 진입한 산소이온은 연료가스에서 공급되는 수소와 반응하여 전자를 방출하고 수증기로 변환된다. 이러한 반응이 계속 일어날 수 있도록 지속적으로 산소와 수소를 공급하여 주면, 전자는 제2 전극(150)과 제4 전극(170)에 형성된 음극층을 통하여 외부의 도선으로 흐르게 되며, 이때 발생하는 전기에너지를 인출하여 이용하게 된다. 이상에서 간단하게 살펴 본 바와 같이 본 발명은 일반적인 평관형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체와는 다르게 제1 전극(140)과 제2 전극(150) 및 제3 전극(160)과 제4 전극(170)을 통하여 2개의 연료전지 단위셀에서 발생하는 전기에너지를 이용할 수 있게 되고, 따라서 하나의 병합형 연료극 지지체(100)에서 출력할 수 있는 개회로 전압은 기존의 연료극 지지체에서 출력되는 개회로 전압인 1.00 ~ 1.10V보다 2배 증가한 2.00 ~ 2.20V를 나타내게 된다.Referring to the operation of the flattened solid oxide fuel cell merger type anode support 100 according to an embodiment of the present invention configured as described above, first, the fuel gas containing hydrogen is circulated through the fuel gas flow path 180 and the merger is performed. Air is supplied to the outside of the type anode support 100. Subsequently, if the oxygen partial pressure is maintained, a driving force for moving oxygen is formed through the solid electrolyte layers formed on the first electrode 140 and the third electrode 160. The solid electrolyte layer has low electron conductivity. Since it has only high ion conductivity, ionized oxygen ions received from the cathode layer pass through the solid electrolyte layer to enter the upper plate 110 and the lower plate 120. As such, the oxygen ions entering the upper plate 110 and the lower plate 120 react with hydrogen supplied from the fuel gas to emit electrons and are converted into water vapor. If oxygen and hydrogen are continuously supplied such that the reaction can continue, electrons flow to the external conductive wire through the cathode layers formed on the second electrode 150 and the fourth electrode 170, and the electrical energy generated at this time is generated. Withdraw will be used. As briefly described above, the present invention is different from the conventional cathode support for a flat-shaped solid oxide fuel cell, in which the first electrode 140, the second electrode 150, the third electrode 160, and the fourth electrode 170 are formed. Through the use of the electric energy generated in the two fuel cell unit cells, it is possible to use the open circuit voltage that can be output from the combined anode support 100 is 1.00 which is the open circuit voltage output from the conventional anode support It is 2.00 ~ 2.20V which is doubled from ~ 1.10V.

다음에는 이와 같이 구성된 상기 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체(100)를 이용한 스택 구조를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Next, a stack structure using the merged anode support 100 for the flat tubular solid oxide fuel cell configured as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용한 직렬연결 구조 스택의 개략도이며, 도 5는 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용한 병렬연결 구조 스택의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a series connection structure stack using a combined anode support for a flat tubular solid oxide fuel cell according to the present invention, and FIG. 5 is a parallel connection structure stack using a merged anode support for a flat tubular solid oxide fuel cell according to the present invention. Schematic diagram of.

먼저 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용한 직렬연결 구조를 가지는 스택은 다수개가 적층된 병합형 연료극 지지체(100)와 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 전극을 상호 연결하는 전기연결재(210)와 적층된 상기 병합형 연료극 지지체(100)를 분리하는 분리절연체(220)를 포함하여 구성된다.First, referring to FIG. 4, a stack having a series connection structure using a merged anode support for a flat tubular solid oxide fuel cell according to the present invention has a plurality of stacked stacked anode support 100 and the merged anode support 100. It comprises an electrical insulator 210 for interconnecting the electrodes of the insulating insulator 220 for separating the laminated anode support (100).

이때, 다수개가 적층된 상기 병합형 연료극 지지체(100) 상호간은 먼저 상층의 병합형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제2 전극(150)과 하층의 병합형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제1 전극(140)을 전기연결재(210)를 이용하여 연속적으로 연결하여 준다. 그리고 상층의 병합형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제4 전극(170)과 하층의 병합형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제3 전극(160)을 전기연결재(210)를 이용하여 연속적으로 연결하여 준다. 이와 같이 전기적으로 상층과 하층의 병합형 연료극 지지체(100)를 연결하여 주면 각 병합형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)는 상부 플레이트(110) 상호간에, 하부 플레이트(120)는 하부 플레이트(120) 상호간에 직렬연결되는 구조를 가지게 된다.In this case, the plurality of stacked cathode electrode supports 100 may be stacked between the second electrode 150 of the upper plate 110 of the upper cathode 110 and the merged anode support 100 of the lower layer. The first electrode 140 of the upper plate 110 is continuously connected using the electrical connector 210. The fourth electrode 170 of the lower plate 120 of the merged anode support 100 of the upper layer and the third electrode 160 of the lower plate 120 of the merged anode support 100 of the lower layer are electrically connected. Use 210 to connect continuously. When the upper and lower layers of the merged anode support 100 are electrically connected to each other, the upper plate 110 of each of the merged anode supports 100 may be disposed between the upper plates 110 and the lower plate 120 may be a lower plate. (120) It has a structure that is connected in series with each other.

한편, 상기 병합형 연료극 지지체(100)를 적층하고 상기 전기연결재(210)를 이용하여 연결하여 줄 때 각 층의 병합형 연료극 지지체(100) 사이에 전기절연성의 분리절연체(220)를 삽입하여 상기 전기연결재(210)가 상호 간섭을 일으키지 않도록 함과 동시에 상기 병합형 연료극 지지체(100) 사이에 충분한 공간을 확보하여 공기가 잘 유통되도록 공기극 유로가 형성되도록 한다.Meanwhile, when the merged anode support 100 is stacked and connected using the electrical connector 210, an electrically insulating separation insulator 220 is inserted between the merged anode support 100 of each layer. At the same time, the electrical connection member 210 does not cause mutual interference and at the same time, a sufficient space is secured between the merged anode support 100 so that an air flow path is formed so that air is well distributed.

이와 같이 상기 병합형 연료극 지지체(100)가 적층된 연료전지 스택(200)에서 최상층의 병합형 연료극 지지체(100)의 연결되지 않은 전극인 상부 플레이트(110)의 제1 전극(140)과 하부 플레이트(120)의 제4 전극(170)을 전기연결재(210)를 이용하여 연결하게 되면, 직렬연결된 상기 상부 플레이트(110)들과 직렬연결된 상기 하부 플레이트(120)들이 또한 직렬연결되게 되어 모든 연료전지 단위셀들이 전기적으로 직렬연결된 구조가 되게 된다. 또한, 상기 병합형 연료극 지지체(100)가 적층된 연료전지 스택(200)의 최하층 병합형 연료극 지지체(100)의 연결되지 않은 전극인 상부 플레이트(110)의 제2 전극(150)과 하부 플레이트(120)의 제3 전극(160)을 각각 음극층 출력단자와 양극층 출력단자로 이용하여 전기에너지를 외부로 인출하게 한다. 이와 같이 구성된 연료전지 스택(200)을 이용하게 되면 적층된 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 개수에 1.00 ~ 1.10V를 곱한 값의 2배에 해당하는 개회로 전압을 획득할 수 있게 된다.As such, in the fuel cell stack 200 in which the merged anode support 100 is stacked, the first electrode 140 and the lower plate of the upper plate 110, which are unconnected electrodes of the merged anode support 100 of the uppermost layer, are disposed. When the fourth electrode 170 of the 120 is connected using the electrical connector 210, the lower plates 120 connected in series with the upper plates 110 connected in series are also connected in series to all fuel cells. Unit cells are electrically connected in series. In addition, the second electrode 150 and the lower plate of the upper plate 110, which is an unconnected electrode of the lowermost merged anode support 100 of the fuel cell stack 200 in which the merged anode support 100 is stacked, The third electrode 160 of the 120 is used as the cathode layer output terminal and the anode layer output terminal, respectively, to draw electrical energy to the outside. When the fuel cell stack 200 configured as described above is used, an open circuit voltage corresponding to twice the value of the number of stacked stacked anode supports 100 may be obtained by multiplying 1.00 to 1.10V.

본 실시예에서는 적층된 병합형 연료극 지지체(100) 중에서 최상층의 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)를 전기적으로 연결하고 최하층의 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)를 출력단자로 사용하였지만, 반대로 최하층의 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)를 전기적으로 연결하고 최상층의 상부 플레이트(110)와 하부 플레이트(120)를 출력단자로 사용할 수 있음은 물론이다.In the present exemplary embodiment, the upper plate 110 and the lower plate 120 of the uppermost layer are electrically connected among the stacked merged anode supports 100, and the upper plate 110 and the lower plate 120 of the lowermost layer are used as output terminals. On the contrary, the upper plate 110 and the lower plate 120 of the lowermost layer may be electrically connected to each other, and the upper plate 110 and the lower plate 120 of the uppermost layer may be used as output terminals.

다음으로 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용한 병렬연결 구조를 가지는 스택은 역시 다수개가 적층된 병합형 연료극 지지체(100)와 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 전극을 상호 연결하는 전기연결재(210)와 적층된 상기 병합형 연료극 지지체(100)를 분리하는 분리절연체(220)를 포함하여 구성된다.Next, referring to FIG. 5, a stack having a parallel connection structure using a merged anode support for a flat-type solid oxide fuel cell according to the present invention may also have a merged anode support 100 and a merged anode support 100 stacked in plurality. And an isolation insulator 220 that separates the merged anode support 100 stacked therein and an electrical connector 210 interconnecting the electrodes of 100.

이때, 기본적인 상기 병합형 연료극 지지체(100)가 적층된 방법은 앞서 도 4에서 설명한 적층 방법과 동일하다. 즉, 먼저 상층의 병합형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제2 전극(150)과 하층의 병합형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제1 전극(140)을 전기연결재(210)를 이용하여 연속적으로 연결하여 준다. 그리고 상층의 병합형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제4 전극(170)과 하층의 병합형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제3 전극(160)을 전기연결재(210)를 이용하여 연속적으로 연결하여 준다. 이와 같이 전기적으로 상층과 하층의 병합형 연료극 지지체(100)를 연결하여 각 병합형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)는 상부 플레이트(110) 상호간에, 하부 플레이트(120)는 하부 플레이트(120) 상호간에 직렬연결한다. 적층된 각 병합형 연료극 지지체(100) 사이를 분리절연체(220)를 이용하여 분리하여 주는 것도 앞서 설명한 바와 마찬가지이다.In this case, the method of stacking the basic hybrid anode support 100 is the same as the stacking method described with reference to FIG. 4. That is, first, the second electrode 150 of the upper plate 110 of the merged anode support 100 of the upper layer and the first electrode 140 of the upper plate 110 of the merged anode support 100 of the lower layer are electrically connected. It is connected continuously using the connecting material (210). The fourth electrode 170 of the lower plate 120 of the merged anode support 100 of the upper layer and the third electrode 160 of the lower plate 120 of the merged anode support 100 of the lower layer are electrically connected. Use 210 to connect continuously. As such, the upper and lower layers of the merged anode support 100 are electrically connected to each other so that the upper plate 110 of each of the merged anode supports 100 is upper plate 110, and the lower plate 120 is lower plate ( 120) Connect each other in series. It is also the same as previously described that the stacked separators between the anode support bodies 100 are separated using the isolation insulator 220.

이와 같이 기본적으로 적층된 연료전지 스택(200)에서 최상층의 병합형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제4 전극(170)과 최하층의 병합형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제2 전극(150)을 전기연결재(210)를 이용하여 연결하고 공통 단자를 인출하여 음극층 출력단자로 사용한다. 또한, 최상층의 병합형 연료극 지지체(100)의 상부 플레이트(110)의 제1 전극(140)과 최하층의 병합형 연료극 지지체(100)의 하부 플레이트(120)의 제3 전극(160)을 전기연결재(210)를 이용하여 연결하고 공통 단자를 인출하여 양극층 출력단자로 사용한다. 이와 같이 구성함으로써 적층된 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 각각 직렬연결된 상부 플레이트(110)들과 직렬연결된 하부 플레이트(120)들을 전기적으로 병렬연결된 구조가 되게 되며, 출력할 수 있는 개회로 전압은 적층된 상기 병합형 연료극 지지체(100)의 개수에 1.00 ~ 1.10V를 곱한 값이 되게 된다.As such, the fourth electrode 170 of the lower plate 120 of the merged anode support 100 of the uppermost layer and the upper plate 110 of the merged anode support 100 of the lowermost layer of the fuel cell stack 200 basically stacked. ) Is connected to the second electrode 150 using the electrical connector 210 and draws a common terminal to use as the negative electrode output terminal. In addition, the first electrode 140 of the upper plate 110 of the merged anode support 100 of the uppermost layer and the third electrode 160 of the lower plate 120 of the merged anode support 100 of the lowermost layer are electrically connected. Connect using (210) and draw the common terminal to use as the anode layer output terminal. In this configuration, the stacked upper plates 110 and the lower plates 120 connected in series may be electrically connected in parallel to each other, and the open circuit voltage may be output. The number of the stacked anode electrodes 100 is multiplied by 1.00 to 1.10V.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the scope of the present invention.

100 - 병합형 연료극 지지체 110 - 상부 플레이트
111 - 메인상판 112 - 서브하판
120 - 하부 플레이트 121 - 서브상판
122 - 메인하판 130 - 분리절연판
140 - 제1 전극 150 - 제2 전극
160 - 제3 전극 170 - 제4 전극
180 - 연료가스 유로 200 - 연료전지 스택
210 - 전기연결재 220 - 분리절연체100-Merged Anode Support 110-Top Plate
111-Main Top 112-Sub Bottom
120-Bottom plate 121-Sub top plate
122-Main lower plate 130-Separate insulation plate
140-first electrode 150-second electrode
160-third electrode 170-fourth electrode
180-Fuel Gas Euro 200-Fuel Cell Stack
210-Electrical Connector 220-Insulator

Claims (8)

길이 방향으로 적어도 하나 이상의 연료가스 유로가 형성되어 있는 평관형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체에 있어서,
상면이 상기 연료극 지지체 상판의 일부인 메인상판을 이루고, 하면이 상기 연료극 지지체 하판의 일부인 서브하판을 이루는 상부 플레이트;
상면이 상기 연료극 지지체 상판의 일부인 서브상판을 이루고, 하면이 상기 연료극 지지체 하판의 일부인 메인하판을 이루는 하부 플레이트;
상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 사이에 위치하여 전기적 및 물리적으로 분리하는 분리절연판;
상기 상부 플레이트의 메인상판에 형성되는 제1 전극과, 서브하판에 형성되는 제2 전극; 및
상기 하부 플레이트의 메인하판에 형성되는 제3 전극과, 서브상판에 형성되는 제4 전극을 포함하여 구성되며,
상기 상부 플레이트, 제1 전극, 및 제2 전극이 제1 연료전지 단위셀을 형성하며, 상기 하부 플레이트, 제3 전극, 및 제4 전극이 제2 연료전지 단위셀을 형성하는 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체.In the anode support for a flat-shaped solid oxide fuel cell having at least one fuel gas flow path formed in the longitudinal direction,
An upper plate of which an upper surface forms a main upper plate which is a part of the upper surface of the anode support, and a lower plate which forms a sub lower plate which is a part of the lower surface of the anode support;
A lower plate having an upper surface forming a sub upper plate which is a part of the upper plate of the anode support, and a lower plate forming a main lower plate which is a part of the lower plate of the anode support;
A separation insulating plate disposed between the upper plate and the lower plate to electrically and physically separate it;
A first electrode formed on the main upper plate of the upper plate and a second electrode formed on the sub lower plate; And
And a third electrode formed on the main lower plate of the lower plate, and a fourth electrode formed on the sub upper plate.
Wherein the upper plate, the first electrode, and the second electrode form a first fuel cell unit cell, and the lower plate, the third electrode, and the fourth electrode form a second fuel cell unit cell. Combined anode support for tubular solid oxide fuel cells. 제1항에 있어서,
상기 상부 플레이트는 메인상판의 하면이 서브하판에서 상측으로 일정 높이만큼 절곡되어 연료가스 유로가 하측으로 노출되어 있으며;
상기 하부 플레이트는 메인하판의 상면이 서브상판에서 하측으로 일정 높이만큼 절곡되어 연료가스 유로가 상측으로 노출되어 있으며;
상기 분리절연판은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트가 접합되는 면의 형상을 이루고 있으되, 가스유로가 형성되어 있는 부분에 대응되는 부분은 절개되어 제거되어 있는 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체.The method of claim 1,
The upper plate has a lower surface of the main upper plate bent upward by a predetermined height from the sub lower plate to expose the fuel gas flow path downward;
The lower plate has an upper surface of the main lower plate bent downward from the sub upper plate by a predetermined height so that a fuel gas flow path is exposed upward;
The separation insulating plate has a shape in which the upper plate and the lower plate are joined to each other, but a portion corresponding to the portion where the gas flow path is formed is cut and removed. Support. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 전극 및 제3 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각의 표면에 형성된 고체 전해질층과, 상기 고체 전해질층 상면에 형성된 공기극층으로 이루어진 양극층을 구성하며,
상기 제2 전극 및 제4 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각에 전기적으로 연통되어 음극층을 구성하는 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체.The method according to claim 1 or 2,
The first electrode and the third electrode constitute a positive electrode layer formed of a solid electrolyte layer formed on the surface of each of the upper plate and the lower plate, and a cathode layer formed on an upper surface of the solid electrolyte layer.
And the second electrode and the fourth electrode are in electrical communication with each of the upper plate and the lower plate to form a cathode layer. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 전극 및 제4 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각의 표면에 형성된 고체 전해질층과, 상기 고체 전해질층 상면에 형성된 공기극층으로 이루어진 양극층을 구성하며,
상기 제1 전극 및 제3 전극은 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트 각각에 전기적으로 연통되어 음극층을 구성하는 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체.The method according to claim 1 or 2,
The second electrode and the fourth electrode constitute a positive electrode layer comprising a solid electrolyte layer formed on the surface of each of the upper plate and the lower plate, and an air electrode layer formed on an upper surface of the solid electrolyte layer.
And the first electrode and the third electrode are in electrical communication with each of the upper plate and the lower plate to form a cathode layer. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 분리절연판을 구성하는 물질은 상기 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 구성하는 물질의 열팽창 계수의 80~120%의 열팽창 계수를 가지는 전기절연성 물질인 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체.The method according to claim 1 or 2,
The material constituting the separation insulating plate is an electrically insulating material having a thermal expansion coefficient of 80 to 120% of the thermal expansion coefficient of the material constituting the upper plate and the lower plate. 제1항의 구성을 가지는 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체 다수 개를 적층하고 상층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제2 전극과 하층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제1 전극을 전기연결재를 이용하여 연속적으로 연결하며,
상층의 병합형 연료극 지지체의 하부 플레이트의 제4 전극과 하층의 병합형 연료극 지지체의 하부 플레이트의 제3 전극을 전기연결재를 이용하여 연속적으로 연결하며,
상기 각각의 병합형 연료극 지지체 사이에 일정 간격을 유지시켜 상기 각각의 전기연결재가 상호 접촉하지 않도록 함과 동시에 상기 각각의 병합형 연료극 지지체 사이에 공기극 유로를 형성시킬 수 있도록 전기절연성 재질의 분리절연체를 위치시키는 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용한 스택 구조.A plurality of flattened solid oxide fuel cell merged anode supports having the configuration of claim 1 are stacked, and the second electrode of the upper plate of the upper merged anode support and the first electrode of the upper plate of the merged anode support of the lower layer are electrically Connect continuously using the connecting material,
Continuously connecting the fourth electrode of the lower plate of the merged anode support of the upper layer and the third electrode of the lower plate of the merged anode support of the lower layer by using an electrical connection material,
An insulating insulator made of an electrically insulating material may be formed to maintain a predetermined gap between each of the merged anode supports to prevent the respective electrical connecting members from contacting each other and to form a cathode flow path between the respective merged anode supports. A stack structure using a flattened solid oxide fuel cell combined fuel cell support for positioning. 제6항에 있어서,
적층된 상기 병합형 연료극 지지체 중 최상층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제1 전극과 하부 플레이트의 제4 전극을 전기연결재를 이용하여 연결하고,
적층된 상기 병합형 연료극 지지체 중 최하층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제2 전극과 하부 플레이트의 제3 전극을 각각 음극층 출력단자와 양극층 출력단자로 이용함으로써 적층된 상기 병합형 연료극 지지체가 직렬연결되는 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용한 스택 구조.The method of claim 6,
Connecting the first electrode of the upper plate and the fourth electrode of the lower plate of the merged anode support of the uppermost layer of the merged anode support stacked using an electrical connection material,
Among the stacked hybrid anode supports, the merged anode support stacked by using the second electrode of the upper plate and the third electrode of the lower plate of the lowermost merged anode support as the cathode layer output terminal and the anode layer output terminal, respectively, Stack structure using a combined type anode support for a flat-type solid oxide fuel cell, characterized in that connected in series. 제6항에 있어서,
적층된 상기 병합형 연료극 지지체 중 최상층의 병합형 연료극 지지체의 하부 플레이트의 제4 전극과 최하층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제2 전극을 전기연결재를 이용하여 연결하고 음극층 출력단자로 이용하며,
적층된 상기 병합형 연료극 지지체 중 최상층의 병합형 연료극 지지체의 상부 플레이트의 제1 전극과 최하층의 병합형 연료극 지지체의 하부 플레이트의 제3 전극을 전기연결재를 이용하여 연결하고 양극층 출력단자로 이용함으로써 적층된 상기 병합형 연료극 지지체의 복수개의 상부 플레이트와 복수개의 하부 플레이트가 병렬연결되는 것을 특징으로 하는 평관형 고체산화물 연료전지용 병합형 연료극 지지체를 이용한 스택구조.The method of claim 6,
The fourth electrode of the lower plate of the merged anode support of the uppermost layer and the second electrode of the upper plate of the merged anode support of the lowermost layer of the stacked hybrid anode supports are connected by using an electrical connection material and used as the cathode layer output terminal. ,
By connecting the first electrode of the upper plate of the merged anode support of the uppermost layer and the third electrode of the lower plate of the merged anode support of the lowermost layer of the merged anode support stacked by using an electrical connection material and using the anode layer output terminal. And a plurality of upper plates and a plurality of lower plates of the stacked hybrid anode supports stacked in parallel to each other.
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