KR101235262B1 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

고체산화물 연료전지는 전해질막과 공기극 및 연료극을 포함하는 단위전지와, 접합층에 의해 단위전지의 가장자리에 고정되며 접합층 및 연료극의 일부를 수용하는 절개부를 포함하는 프레임과, 공기극과 프레임의 외측에 위치하는 제1 분리판과, 연료극과 프레임의 외측에 위치하는 제2 분리판과, 프레임의 표면 일부와 프레임을 향한 제1 분리판의 표면 일부 및 프레임을 향한 연료극의 측면 중 적어도 한 곳에 형성되어 프레임을 매개로 하는 공기극과 연료극의 통전을 방지하는 절연막을 포함한다.The solid oxide fuel cell includes a unit cell including an electrolyte membrane, an air electrode, and a fuel electrode, a frame fixed to an edge of the unit cell by a bonding layer, and a cutoff portion for receiving a portion of the bonding layer and the anode, and an air electrode and an outer side of the frame. At least one of a first separator plate positioned at the fuel cell, a fuel electrode and a second separator plate positioned outside the frame, a portion of the surface of the frame and a part of the surface of the first separator plate facing the frame, and a side surface of the fuel electrode facing the frame. And an insulating film which prevents energization of the air electrode and the fuel electrode via the frame.

Description

고체산화물 연료전지 {SOLID OXIDE FUEL CELL}Solid Oxide Fuel Cell {SOLID OXIDE FUEL CELL}

본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택 조립시 프레임에 의한 공기극과 연료극의 통전을 방지하는 절연구조에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly, to an insulating structure that prevents the air electrode and the fuel electrode from energizing by a frame during stack assembly.

고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 연료기체의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이며, 다른 연료전지에 비해 효율이 높고 공해가 적으며 복합 발전이 가능한 장점이 있다.Solid oxide fuel cell (SOFC) is a device that converts chemical energy of fuel gas directly into electrical energy by electrochemical reaction, and has higher efficiency, less pollution, and complex power generation than other fuel cells. There is this.

고체산화물 연료전지는 단위전지들과 분리판들이 적층된 스택을 포함한다. 각각의 단위전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 형성된 연료극과, 전해질막의 다른 일면에 형성된 공기극으로 구성된다. 단위전지의 가장자리에는 프레임이 고정되어 단위전지를 지지하며, 한 쌍의 분리판이 단위전지와 프레임의 외측에 위치한다.The solid oxide fuel cell includes a stack in which unit cells and separators are stacked. Each unit cell is composed of an electrolyte membrane, a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane. The frame is fixed to the edge of the unit cell to support the unit cell, and a pair of separator plates are located outside the unit cell and the frame.

연료극과 마주하는 분리판에는 연료유로가 형성되고, 공기극과 마주하는 분리판에는 공기유로가 형성되어 단위전지와 연료와 공기를 공급한다. 프레임은 접합층에 의해 단위전지에 고정되고, 프레임과 한 쌍의 분리판 사이에 밀봉재가 위치하여 단위전지로 공급된 연료와 공기의 누출을 차단한다.A fuel passage is formed in the separator plate facing the anode, and an air passage is formed in the separator plate facing the cathode to supply unit cells, fuel, and air. The frame is fixed to the unit cell by the bonding layer, and a sealing material is positioned between the frame and the pair of separator plates to prevent leakage of fuel and air supplied to the unit cell.

스택 제조를 위해 단위전지, 접합층, 프레임, 밀봉재, 및 분리판을 적층하고, 고온에서 이들을 가압하여 일체로 조립한다. 이 과정에서 스택에 압력을 가하여 밀봉재의 두께를 균일하게 만드는데, 접합층으로도 압력이 전달되어야 접합층의 두께를 균일하게 만들 수 있다.The unit cell, the bonding layer, the frame, the sealing material, and the separator are laminated for fabrication of the stack, and they are assembled by pressing them at a high temperature. In this process, pressure is applied to the stack to make the thickness of the sealing material uniform. However, pressure must be transmitted to the bonding layer to make the thickness of the bonding layer uniform.

이를 위해 한 쌍의 분리판 중 어느 하나의 분리판, 예를 들어 공기극측 분리판이 프레임에 밀착되어 접합층에 압력을 전달한다. 이때 분리판과 프레임은 금속으로 제조되어 통전된 상태이므로, 스택을 조립하는 과정에서 단위전지가 조금만 이동하여도 연료극이 프레임과 접촉하여 연료극과 공기극이 통전될 수 있다.To this end, any one of the pair of separator plates, for example, the cathode side separator, is in close contact with the frame to transfer pressure to the bonding layer. In this case, since the separator and the frame are made of metal and are energized, the anode and the cathode may be energized by contacting the fuel electrode even when the unit cell is slightly moved in the process of assembling the stack.

이 경우 연료와 공기의 전기화학 반응에 의해 생성되는 단위전지 양단의 전위차가 감소하여 결과적으로 스택의 전기 출력량이 낮아진다. 또한, 국부적인 온도상승이나 전압 불균일이 발생하고, 이로 인해 단위전지의 열화현상이 심해져 스택의 수명이 단축된다.In this case, the potential difference across the unit cell generated by the electrochemical reaction between fuel and air is reduced, resulting in a lower electrical output of the stack. In addition, a local temperature rise or voltage nonuniformity occurs, which causes a deterioration of the unit cell and shortens the life of the stack.

본 발명은 단위전지들과 분리판들을 적층하여 스택을 제조하는 과정에서 단위전지가 위치 이동하는 경우에도 프레임을 통한 공기극과 연료극의 통전을 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공하고자 한다.The present invention is to provide a solid oxide fuel cell that can prevent the electrode and the anode from energizing through the frame even when the unit cell is moved in the manufacturing process of the stack by stacking the unit cells and the separator plates.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 전해질막과 공기극 및 연료극을 포함하는 단위전지와, 접합층에 의해 단위전지의 가장자리에 고정되며 접합층 및 연료극의 일부를 수용하는 절개부를 포함하는 프레임과, 공기극과 프레임의 외측에 위치하는 제1 분리판과, 연료극과 프레임의 외측에 위치하는 제2 분리판과, 프레임의 표면 일부와 프레임을 향한 제1 분리판의 표면 일부 및 프레임을 향한 연료극의 측면 중 적어도 한 곳에 형성되어 프레임을 매개로 하는 공기극과 연료극의 통전을 방지하는 절연막을 포함한다.A solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a unit cell including an electrolyte membrane, an air electrode, and a fuel electrode, and a cutout portion fixed to an edge of the unit cell by a bonding layer and accommodating a portion of the bonding layer and the anode. To the frame, the air separator and the first separation plate located outside the frame, the fuel electrode and the second separation plate located outside the frame, a portion of the surface of the frame and the surface portion of the first separation plate facing the frame and toward the frame It is formed on at least one side of the anode and includes an insulating film for preventing the conduction of the cathode and the anode via the frame.

공기극은 연료극보다 작은 크기로 형성되고, 접합층은 공기극의 둘레를 따라 전해질막 위에 배치될 수 있다.The cathode is formed to have a smaller size than the anode, and the bonding layer may be disposed on the electrolyte membrane along the circumference of the cathode.

프레임은 접합층과 중첩되어 접합층에 밀착되는 고정부와, 고정부 및 연료극의 외측에 위치하며 고정부보다 큰 두께를 가지는 지지부를 포함할 수 있다.The frame may include a fixing part overlapping the bonding layer to be in close contact with the bonding layer, and a support part positioned outside the fixing part and the anode and having a thickness greater than that of the fixing part.

제1 분리판은 프레임과 마주하는 일면에서 고정부 및 지지부의 일부를 향해 돌출된 돌출부를 포함할 수 있다.The first separator may include a protrusion protruding toward a part of the fixing part and the support part on one surface facing the frame.

절연막은 제1 분리판과 마주하는 프레임의 일면에 형성되며, 돌출부는 절연막에 밀착될 수 있다. 다른 한편으로, 절연막은 프레임과 마주하는 돌출부의 일면에 형성되며 프레임에 밀착될 수 있다.The insulating film is formed on one surface of the frame facing the first separator, and the protrusion may be in close contact with the insulating film. On the other hand, the insulating film is formed on one surface of the protrusion facing the frame and may be in close contact with the frame.

다른 한편으로, 절연막은 연료극의 측면과 마주하는 지지부의 측면에 형성될 수 있다. 다른 한편으로, 절연막은 지지부의 측면과 마주하는 연료극의 측면에 형성될 수 있다.On the other hand, the insulating film may be formed on the side of the support portion facing the side of the anode. On the other hand, the insulating film may be formed on the side of the fuel electrode facing the side of the support.

다른 한편으로, 절연막은 연료극의 측면과 마주하는 지지부의 측면과, 제2 분리판과 마주하는 지지부의 일면에 형성될 수 있다. 다른 한편으로, 절연막은 제1 분리판과 마주하는 프레임의 일면과, 연료극의 측면과 마주하는 지지부의 측면, 및 제2 분리판과 마주하는 지지부의 일면에 형성될 수 있다.On the other hand, the insulating film may be formed on the side of the support portion facing the side of the anode and on one surface of the support portion facing the second separator. On the other hand, the insulating film may be formed on one surface of the frame facing the first separation plate, the side of the support portion facing the side of the fuel electrode, and one surface of the support portion facing the second separation plate.

고체산화물 연료전지는 공기극과 제1 분리판 사이에 위치하는 공기극 집전체와, 연료극과 제2 분리판 사이에 위치하는 연료극 집전체와, 제1 분리판과 프레임 사이 및 제2 분리판과 프레임 사이에 위치하는 밀봉재를 더 포함할 수 있다.The solid oxide fuel cell includes a cathode collector positioned between the cathode and the first separator plate, an anode collector positioned between the anode and the second separator plate, between the first separator plate and the frame, and between the second separator plate and the frame. It may further include a sealing material located in.

본 발명에 의한 고체산화물 연료전지는 프레임을 매개로 하는 공기극과 연료극의 통전을 방지함으로써 스택의 출력성능을 높이고, 단위전지의 국부적인 온도상승이나 전압 불균일 같은 열화현상을 예방하여 스택의 수명을 연장시킬 수 있다.The solid oxide fuel cell according to the present invention improves stack output performance by preventing an air electrode and a fuel electrode from passing through a frame, and prevents deterioration such as local temperature rise or voltage unevenness of a unit cell, thereby extending the life of the stack. You can.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 고체산화물 연료전지 중 프레임의 부분 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.1 is a block diagram of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of a frame of the solid oxide fuel cell illustrated in FIG. 1.
3 is a block diagram of a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
4 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
5 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
6 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention.
7 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to a sixth embodiment of the present invention.

본 발명의 이점과 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 개시되는 실시예들에 한정되지 않으며 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 아래의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The following examples are merely provided to make the disclosure of the present invention complete, and to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined by the scope of the claims. Is defined. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 고체산화물 연료전지에 대해 설명한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. For reference, in the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 고체산화물 연료전지 중 프레임의 부분 절개 사시도이다.1 is a block diagram of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view of a partially cut out of the frame of the solid oxide fuel cell shown in FIG.

도 1과 도 2를 참고하면, 고체산화물 연료전지(100)는 단위전지(10)와, 단위전지(10)의 가장자리에 고정되어 단위전지(10)를 지지하는 프레임(20)과, 단위전지(10)와 프레임(20)의 양측에 배치된 한 쌍의 분리판(31, 32)을 포함한다. 도 1에 도시한 단위전지(10)와 프레임(20) 및 한 쌍의 분리판(31, 32)은 스택의 최소 단위로서 이들이 복수개로 반복 적층되어 고체산화물 연료전지(100)의 스택을 구성한다.1 and 2, the solid oxide fuel cell 100 includes a unit cell 10, a frame 20 fixed to an edge of the unit cell 10 to support the unit cell 10, and a unit cell. 10 and a pair of separator plates 31 and 32 disposed on both sides of the frame 20. The unit cell 10, the frame 20, and the pair of separator plates 31 and 32 shown in FIG. 1 are the minimum units of the stack and are repeatedly stacked in plural to form a stack of the solid oxide fuel cell 100. .

단위전지(10)는 전해질막(11)과, 전해질막(11)의 일면에 형성된 공기극(12)과, 전해질막(11)의 다른 일면에 형성된 연료극(13)을 포함한다. 공기극(12)의 외측에는 공기극 집전체(14)와 제1 분리판(31)이 위치하고, 연료극(13)의 외측에는 연료극 집전체(15)와 제2 분리판(32)이 위치한다.The unit cell 10 includes an electrolyte membrane 11, an air electrode 12 formed on one surface of the electrolyte membrane 11, and a fuel electrode 13 formed on the other surface of the electrolyte membrane 11. The cathode current collector 14 and the first separator 31 are positioned outside the cathode 12, and the anode collector 15 and the second separator 32 are positioned outside the anode 13.

공기극 집전체(14)와 마주하는 제1 분리판(31)의 일면에는 공기유로(33)가 형성되어 공기극(12)으로 공기를 전달한다. 연료극 집전체(15)와 마주하는 제2 분리판(32)의 일면에는 연료유로(34)가 형성되어 연료극(13)으로 연료를 전달한다.An air passage 33 is formed on one surface of the first separator plate 31 facing the cathode current collector 14 to transfer air to the cathode 12. A fuel passage 34 is formed on one surface of the second separator 32 facing the anode current collector 15 to transfer fuel to the anode 13.

전해질막(11)은 치밀하게 구성되어 연료가스와 공기의 투과를 차단하며, 전자전도성은 없으나 산소이온 전도성은 높은 물질로 형성된다. 반면 공기극(12)과 연료극(13)은 공기와 연료가스가 잘 확산 공급되도록 다공질로 구성되고, 높은 전자전도성을 가지는 물질로 형성된다.The electrolyte membrane 11 is densely constructed to block the permeation of fuel gas and air, and is formed of a material having no electron conductivity but high oxygen ion conductivity. On the other hand, the cathode 12 and the anode 13 are made of a porous material so that air and fuel gas are diffused and supplied well, and are formed of a material having high electron conductivity.

공기극(12)에서는 산소의 환원반응이 일어나 산소이온이 생성되며, 전해질막(11)을 통해 연료극(13)으로 이동한 산소이온은 연료극(13)의 수소와 반응하여 수증기를 생성한다. 이때 연료극(13)에서는 전자가 생성되고, 공기극(12)에서는 전자가 소모되므로 두 전극(12, 13)을 연결하는 외부회로에 전기가 흐른다.Reduction of oxygen occurs in the cathode 12 to generate oxygen ions, and oxygen ions moved to the anode 13 through the electrolyte membrane 11 react with hydrogen of the anode 13 to generate water vapor. At this time, electrons are generated at the anode 13 and electrons are consumed at the cathode 12, so electricity flows through an external circuit connecting the two electrodes 12 and 13.

공기극 집전체(14)는 공기극(12)의 기계적 강도를 높이면서 공기극(12)과 제1 분리판(31)이 전기를 잘 통하도록 이들의 접촉성능을 보강하는 역할을 한다. 연료극 집전체(15) 또한 연료극(13)의 기계적 강도를 높이면서 연료극(13)과 제2 분리판(32)이 전기를 잘 통하도록 이들의 접촉성능을 보강하는 역할을 한다. 공기극 집전체(14)와 연료극 집전체(15)는 금속 발포체일 수 있으며, 제1 분리판(31)과 제2 분리판(32)은 금속으로 제조된다.The cathode current collector 14 serves to reinforce the contact performance of the cathode 12 and the first separator 31 so that the cathode 12 is electrically connected while increasing the mechanical strength of the cathode 12. The anode current collector 15 also serves to reinforce the contact performance of the anode 13 and the second separation plate 32 so as to allow electrical communication while increasing the mechanical strength of the anode 13. The cathode current collector 14 and the anode current collector 15 may be metal foams, and the first separator 31 and the second separator 32 are made of metal.

프레임(20)은 접합층(41)에 의해 단위전지(10)의 가장자리에 부착되어 단위전지(10)를 지지한다. 프레임(20)은 금속으로 제조되고, 접합층(41)은 유리 계열 물질, 예를 들어 글래스 프릿을 포함할 수 있다. 그리고 프레임(20)과 제1 분리판(31) 사이 및 프레임(20)과 제2 분리판(32) 사이에 밀봉재(42)가 위치하여 단위전지(10)로 공급된 공기와 연료가스의 누출을 방지한다. 밀봉재(42)는 접합층(41)과 같은 물질로 형성될 수 있다.The frame 20 is attached to the edge of the unit cell 10 by the bonding layer 41 to support the unit cell 10. The frame 20 is made of metal and the bonding layer 41 can comprise a glass based material, for example glass frit. In addition, a sealant 42 is positioned between the frame 20 and the first separator 31 and between the frame 20 and the second separator 32 to leak air and fuel gas supplied to the unit cell 10. To prevent. The sealing material 42 may be formed of the same material as the bonding layer 41.

단위전지(10)에서 공기극(12)과 공기극 집전체(14)는 연료극(13) 및 연료극 집전체(15)보다 작은 크기로 형성되고, 공기극(12)과 공기극 집전체(14)의 둘레를 따라 전해질막(11) 위로 접합층(41)이 위치한다. 프레임(20)은 단위전지(10)를 향한 일측에 접합층(41) 전체와 전해질막(11)의 일부 및 연료극(13)의 일부를 수용하는 절개부(23)를 형성한다. 이로써 프레임(20)은 접합층(41)에 밀착 고정되는 고정부(21)와, 고정부(21)를 지지하는 지지부(22)로 구분될 수 있다.In the unit cell 10, the cathode 12 and the cathode current collector 14 are formed to have a smaller size than the anode 13 and the anode current collector 15, and the circumference of the cathode 12 and the cathode current collector 14 is reduced. Accordingly, the bonding layer 41 is positioned on the electrolyte membrane 11. The frame 20 forms a cutout 23 for receiving the entire bonding layer 41, a part of the electrolyte membrane 11, and a part of the fuel electrode 13 on one side facing the unit cell 10. As a result, the frame 20 may be divided into a fixing part 21 which is tightly fixed to the bonding layer 41 and a supporting part 22 which supports the fixing part 21.

고정부(21)는 단위전지(10)의 두께방향(도 1을 기준으로 세로방향)을 따라 접합층(41)과 중첩되며, 제1의 두께(t1)(도 2 참조)를 가진다. 지지부(22)는 고정부(21)의 외측에서 한 쌍의 밀봉재(42) 사이에 위치하고, 고정부(21)의 두께보다 큰 제2의 두께(t2)(도 2 참조)를 가질 수 있다.The fixing part 21 overlaps the bonding layer 41 along the thickness direction (vertical direction with reference to FIG. 1) of the unit cell 10 and has a first thickness t1 (see FIG. 2). The support part 22 may be located between the pair of seal members 42 on the outside of the fixing part 21 and may have a second thickness t2 (see FIG. 2) that is greater than the thickness of the fixing part 21.

이때 연료극(13)이 프레임(20)과 접촉하지 않도록 서로 마주하는 지지부(22)의 측면간 거리(d)(도 2 참조)는 연료극(13)의 폭보다 크게 형성된다. 그리고 절개부(23)의 수직 높이, 즉 단위전지(10)와 마주하는 지지부(22)의 측면 높이는 접합층(41)과 전해질막(11) 및 연료극(13)의 두께를 합한 값보다 작은 값으로 형성되어 프레임(20)과 연료극 집전체(15)가 접촉하지 않도록 한다.In this case, the distance d between the side surfaces of the support part 22 (see FIG. 2) facing each other so that the anode 13 does not contact the frame 20 is larger than the width of the anode 13. The vertical height of the cutout 23, that is, the side height of the support part 22 facing the unit cell 10 is smaller than the sum of the thicknesses of the bonding layer 41, the electrolyte membrane 11, and the anode 13. It is formed so that the frame 20 and the anode current collector 15 does not contact.

단위전지(10), 접합층(41), 프레임(20), 밀봉재(42), 및 한 쌍의 분리판(31, 32)은 도 1에 도시한 순서로 적층되고, 고온에서 가압되어 일체로 조립된다. 이때 밀봉재(42)는 고온에서 소정의 점성을 가지면서 가스 투과를 차단하는 기능을 한다.The unit cell 10, the bonding layer 41, the frame 20, the sealing material 42, and the pair of separator plates 31 and 32 are laminated in the order shown in FIG. 1, pressurized at a high temperature, and integrally. Are assembled. At this time, the sealing material 42 serves to block gas permeation while having a predetermined viscosity at high temperature.

이 과정에서 단위전지(10)와 프레임(20)의 접합을 원활하게 할 수 있도록 제1 분리판(31)의 내면에 돌출부(35)가 형성된다. 돌출부(35)는 프레임(20)의 고정부(21) 및 지지부(22)의 일부와 마주하도록 형성된다. 따라서 제1 분리판(31)의 외측에서 돌출부(35)가 형성된 부위로 강한 압력을 가하면, 돌출부(35)가 프레임(20)과 접합층(41)으로 압력을 전달하여 프레임(20)이 단위전지(10)에 견고하게 고정되도록 한다.In this process, the protrusion 35 is formed on the inner surface of the first separator 31 so that the unit cell 10 and the frame 20 can be smoothly bonded. The protrusion 35 is formed to face a part of the fixing portion 21 and the supporting portion 22 of the frame 20. Therefore, when a strong pressure is applied from the outside of the first separation plate 31 to the portion where the protrusion 35 is formed, the protrusion 35 transmits pressure to the frame 20 and the bonding layer 41 so that the frame 20 is united. It is to be firmly fixed to the battery (10).

스택을 조립하는 과정에서 단위전지(10)의 위치가 변할 수 있으며, 이로 인해 프레임(20)을 매개로 공기극(12)과 연료극(13)이 통전될 수 있다. 제1 실시예의 고체산화물 연료전지(100)는 제1 분리판(31)과 마주하는 프레임(20)의 일면(도 1과 도 2를 기준으로 상면)에 절연막(51)을 형성하여 제1 분리판(31)과 프레임(20)을 절연시킨다.In the process of assembling the stack, the position of the unit cell 10 may change, and thus, the air electrode 12 and the fuel electrode 13 may be energized through the frame 20. In the solid oxide fuel cell 100 of the first embodiment, the insulating film 51 is formed on one surface (upper surface of FIGS. 1 and 2) of the frame 20 facing the first separation plate 31 to separate the first separation. Plate 31 and frame 20 are insulated.

절연막(51)은 프레임(20) 제조 후 프레임(20)의 상면에 절연성 세라믹 재료를 코팅하는 방법으로 형성되거나, 프레임(20)의 상면에 세라믹 입자들을 용사 코팅하는 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 이 경우 절연막(51)은 이트리아-안정화 지르코니아를 포함할 수 있다.The insulating film 51 may be formed by coating an insulating ceramic material on the upper surface of the frame 20 after manufacturing the frame 20 or by spray coating ceramic particles on the upper surface of the frame 20. . In this case, the insulating layer 51 may include yttria-stabilized zirconia.

절연막(51)이 없는 경우를 가정하면, 프레임(20)은 제1 분리판(31)의 돌출부(35)와 접촉하여 제1 분리판(31)을 매개로 공기극(12)과 통전된다. 이 상태에서 단위전지(10)의 위치가 변하여 연료극(13)이 프레임(20)에 닿으면, 단위전지(10)의 연료극(13)과 공기극(12)은 프레임(20)을 매개로 통전되어 스택의 성능이 현저하게 떨어진다.Assuming that there is no insulating film 51, the frame 20 is in contact with the protrusion 35 of the first separation plate 31 and is energized with the cathode 12 through the first separation plate 31. In this state, when the position of the unit cell 10 changes and the fuel electrode 13 contacts the frame 20, the fuel electrode 13 and the air electrode 12 of the unit cell 10 are energized through the frame 20. The performance of the stack drops significantly.

그러나 제1 실시예의 고체산화물 연료전지(100)에서는 절연막(51)에 의해 제1 분리판(31)과 프레임(20)이 절연되므로, 연료극(13)이 제위치에서 어긋나 프레임(20)에 닿더라도 프레임(20)을 매개로 하는 공기극(12)과 연료극(13)의 통전은 일어나지 않는다. 따라서 제1 실시예의 고체산화물 연료전지(100)는 스택의 출력저하를 효과적으로 예방하고, 통전에 따른 국부적인 온도상승이나 전압 불균일을 예방하여 단위전지(10)의 열화현상을 방지할 수 있다.However, in the solid oxide fuel cell 100 of the first embodiment, since the first separator 31 and the frame 20 are insulated from each other by the insulating film 51, the fuel electrode 13 is displaced in position and contacts the frame 20. Even if the air electrode 12 and the fuel electrode 13 via the frame 20 are not energized. Therefore, the solid oxide fuel cell 100 of the first embodiment can effectively prevent the output decrease of the stack and prevent the degradation of the unit cell 10 by preventing local temperature rise or voltage unevenness caused by energization.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.3 is a block diagram of a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention.

도 3을 참고하면, 제2 실시예의 고체산화물 연료전지(200)는 절연막(52)이 프레임(20) 대신 프레임(20)과 마주하는 제1 분리판(31)의 돌출부(35) 일면(도 3을 기준으로 아랫면)에 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 고체산화물 연료전지와 동일한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면부호를 사용한다.Referring to FIG. 3, in the solid oxide fuel cell 200 of the second embodiment, one surface of the protrusion 35 of the first separation plate 31 in which the insulating film 52 faces the frame 20 instead of the frame 20 is illustrated (FIG. It has the same structure as the solid oxide fuel cell of the first embodiment described above except that it is formed on the lower surface of 3). The same reference numerals are used for the same members as in the first embodiment.

절연막(52)은 제1 분리판(31)을 제조하는 과정에서 돌출부(35)의 아랫면에 절연성 세라믹 재료를 코팅하는 방법으로 형성될 수 있다. 절연막(52)의 기능은 전술한 제1 실시예의 절연막과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. 제1 실시예와 제2 실시예의 고체산화물 연료전지(100, 200)는 제1 분리판(31)과 프레임(20)을 절연시킴으로써 이들의 접촉에 의해 프레임(20)을 매개로 유발되는 공기극(12)과 연료극(13)의 통전을 방지한다.The insulating layer 52 may be formed by coating an insulating ceramic material on the lower surface of the protrusion 35 in the process of manufacturing the first separator 31. Since the function of the insulating film 52 is the same as that of the insulating film of the first embodiment described above, a detailed description thereof will be omitted. The solid oxide fuel cells 100 and 200 of the first and second embodiments insulate the first separator plate 31 from the frame 20 by insulating the air electrode, which is caused by the contact of the frame 20 by the contact thereof. 12 and electricity supply of the fuel electrode 13 are prevented.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.4 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to a third embodiment of the present invention.

도 4를 참고하면, 제3 실시예의 고체산화물 연료전지(300)는 절연막(53)이 프레임(20)의 윗면 대신 단위전지(10)와 마주하는 지지부(22)의 측면에 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 고체산화물 연료전지와 동일한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면부호를 사용한다.Referring to FIG. 4, the solid oxide fuel cell 300 according to the third embodiment has the above-described structure except that the insulating film 53 is formed on the side of the support part 22 facing the unit cell 10 instead of the top surface of the frame 20. It has the same structure as the solid oxide fuel cell of the first embodiment. The same reference numerals are used for the same members as in the first embodiment.

제1 분리판(31)과 마주하는 프레임(20)의 일면에 절연막이 없으므로 프레임(20)은 제1 분리판(31)과 접촉하여 제1 분리판(31)을 매개로 공기극(12)과 통전된다. 그러나 절연막(53)이 지지부(22)의 측면에 형성되어 있으므로 단위전지(10)의 위치가 변하여 연료극(13)이 프레임(20)을 향해 이동하더라도 연료극(13)은 프레임(20) 대신 절연막(53)과 접촉한다. 따라서 제3 실시예의 고체산화물 연료전지(300)는 프레임(20)을 매개로 하는 공기극(12)과 연료극(13)의 통전을 방지한다.Since there is no insulating film on one surface of the frame 20 facing the first separation plate 31, the frame 20 contacts the first separation plate 31 to contact the cathode 12 through the first separation plate 31. It is energized. However, since the insulating film 53 is formed on the side surface of the support part 22, even if the position of the unit cell 10 is changed so that the fuel electrode 13 moves toward the frame 20, the fuel electrode 13 may be formed of an insulating film instead of the frame 20. 53). Accordingly, the solid oxide fuel cell 300 of the third embodiment prevents the air electrode 12 and the fuel electrode 13 from energizing through the frame 20.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.5 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.

도 5를 참고하면, 제4 실시예의 고체산화물 연료전지(400)는 절연막(54)이 프레임(20)의 지지부(22) 측면 대신 연료극(13)의 측면에 형성된 것을 제외하고 전술한 제3 실시예의 고체산화물 연료전지와 동일한 구조로 이루어진다. 제3 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면부호를 사용한다.Referring to FIG. 5, the solid oxide fuel cell 400 of the fourth embodiment is the third embodiment except that the insulating film 54 is formed on the side of the fuel electrode 13 instead of the side of the support 22 of the frame 20. It has the same structure as the solid oxide fuel cell of the example. The same reference numerals are used for the same members as in the third embodiment.

절연막(54)은 연료극(13)을 제조하는 과정에서 연료극(13)의 측면에 절연성 세라믹 재료를 코팅하는 방법으로 형성될 수 있다. 절연막(54)의 기능은 전술한 제3 실시예의 절연막과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. 제3 실시예와 제4 실시예의 고체산화물 연료전지(300, 400)는 연료극(13)과 프레임(20)을 절연시킴으로써 이들의 접촉에 의해 프레임(20)을 매개로 유발되는 공기극(12)과 연료극(13)의 통전을 방지한다.The insulating film 54 may be formed by coating an insulating ceramic material on the side surface of the fuel electrode 13 in the process of manufacturing the fuel electrode 13. Since the function of the insulating film 54 is the same as that of the insulating film of the third embodiment, detailed description thereof will be omitted. The solid oxide fuel cells 300 and 400 of the third and fourth embodiments are insulated from the anode 13 and the frame 20 by the contact of the cathode 12, which is caused by the contact of the frame 20 with the contact of the frame 20. The energization of the fuel electrode 13 is prevented.

도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.6 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention.

도 6을 참고하면, 제5 실시예의 고체산화물 연료전지(500)는 절연막(55)이 지지부(22)의 측면뿐만 아니라 제2 분리판(32)과 마주하는 지지부(22)의 일면(도 6을 기준으로 아랫면)까지 확대 형성된 것을 제외하고 전술한 제3 실시예의 고체산화물 연료전지와 동일한 구조로 이루어진다. 제3 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면부호를 사용한다.Referring to FIG. 6, in the solid oxide fuel cell 500 of the fifth embodiment, one surface of the support part 22 in which the insulating film 55 faces the second separator plate 32 as well as the side surface of the support part 22 (FIG. 6) It is made of the same structure as the solid oxide fuel cell of the above-described third embodiment except that it is expanded to the bottom surface). The same reference numerals are used for the same members as in the third embodiment.

제5 실시예에서는 연료극 집전체(15)가 프레임(20)을 향해 이동하여 프레임(20)과 중첩되는 경우가 발생하더라도 연료극 집전체(15)는 프레임(20) 대신 절연막(55)과 접촉한다. 따라서 제5 실시예의 고체산화물 연료전지(500)는 연료극(13)과 프레임(20)의 접촉뿐만 아니라 연료극 집전체(15)와 프레임(20)의 접촉 또한 예방하여 프레임(20)을 매개로 하는 공기극(12)과 연료극(13)의 통전을 방지한다.In the fifth embodiment, even when the anode current collector 15 moves toward the frame 20 and overlaps the frame 20, the anode current collector 15 contacts the insulating film 55 instead of the frame 20. . Accordingly, the solid oxide fuel cell 500 of the fifth embodiment prevents the contact between the anode 13 and the frame 20 as well as the contact between the anode current collector 15 and the frame 20 to prevent the contact between the anode 13 and the frame 20. The energization of the air electrode 12 and the fuel electrode 13 is prevented.

도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.7 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to a sixth embodiment of the present invention.

도 7을 참고하면, 제6 실시예의 고체산화물 연료전지(600)는 절연막(56)이 제1 분리판(31)과 마주하는 프레임(20)의 일면(도 7을 기준으로 윗면)뿐만 아니라 지지부(22)의 측면, 그리고 제2 분리판(32)과 마주하는 프레임(20)의 일면(도 7을 기준으로 아랫면)까지 확대 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 고체산화물 연료전지와 동일한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면부호를 사용한다.Referring to FIG. 7, the solid oxide fuel cell 600 according to the sixth exemplary embodiment may support not only one surface (the upper surface of FIG. 7) of the frame 20 in which the insulating film 56 faces the first separator 31. The same structure as that of the solid oxide fuel cell of the first embodiment described above except that it is extended to one side (bottom side with reference to FIG. 7) of the side of the frame 22 and the frame 20 facing the second separator 32. Is made of. The same reference numerals are used for the same members as in the first embodiment.

제6 실시예에서는 프레임(20)이 제1 분리판(31)과 연료극(13) 및 연료극 집전체(15) 모두와 절연된다. 따라서 프레임(20)은 공기극(12) 및 연료극(13) 모두와 절연 상태를 유지하므로, 제6 실시예의 고체산화물 연료전지(600)는 프레임(20)을 매개로 하는 공기극(12)과 연료극(13)의 통전을 원천적으로 예방할 수 있다.In the sixth embodiment, the frame 20 is insulated from both the first separator 31, the anode 13, and the anode current collector 15. Therefore, since the frame 20 is insulated from both the cathode 12 and the anode 13, the solid oxide fuel cell 600 of the sixth embodiment uses the cathode 12 and the anode 12 via the frame 20. The power supply of 13) can be prevented at the source.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

100~600: 고체산화물 연료전지 10: 단위전지
11: 전해질막 12: 공기극
13: 연료극 14: 공기극 집전체
15: 연료극 집전체 20: 프레임
21: 고정부 22: 지지부
23: 절개부 31: 제1 분리판
32: 제2 분리판 33: 공기유로
34: 연료유로 35: 돌출부
41: 접합층 42: 밀봉재
51~56: 절연막100 to 600: solid oxide fuel cell 10: unit cell
11: electrolyte membrane 12: air electrode
13: anode 14: cathode current collector
15: anode collector 20: frame
21: fixing part 22: supporting part
23: cutout 31: the first separator
32: second separator 33: air flow path
34: fuel passage 35: protrusion
41: bonding layer 42: sealing material
51-56: insulating film

Claims (11)

전해질막, 상기 전해질막의 일면에 형성된 공기극, 및 상기 전해질막의 다른 일면에 형성된 연료극을 포함하는 단위전지;
접합층에 의해 상기 단위전지의 가장자리에 고정되며, 상기 접합층 및 상기 연료극의 일부를 수용하는 절개부를 포함하는 프레임;
상기 공기극과 상기 프레임의 외측에 위치하는 제1 분리판;
상기 연료극과 상기 프레임의 외측에 위치하는 제2 분리판; 및
상기 프레임의 표면 일부와, 상기 프레임을 향한 상기 제1 분리판의 표면 일부, 및 상기 프레임을 향한 상기 연료극의 측면 중 적어도 한 곳에 형성되어 상기 프레임을 매개로 하는 상기 공기극과 상기 연료극의 통전을 방지하는 절연막
을 포함하되,
상기 공기극은 상기 연료극보다 작은 크기로 형성되고, 상기 접합층은 상기 공기극의 둘레를 따라 상기 전해질막 위에 배치되는 고체산화물 연료전지.A unit cell including an electrolyte membrane, an air electrode formed on one surface of the electrolyte membrane, and a fuel electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane;
A frame fixed to an edge of the unit cell by a bonding layer, the frame including a cut-out portion accommodating a portion of the bonding layer and the fuel electrode;
A first separator disposed outside the air electrode and the frame;
A second separator disposed outside the fuel electrode and the frame; And
A portion of the surface of the frame, a portion of the surface of the first separator plate facing the frame, and at least one side of the fuel electrode facing the frame to prevent electricity from passing between the cathode and the anode via the frame; Insulating film
Including,
The cathode is formed to have a smaller size than the anode, and the bonding layer is disposed on the electrolyte membrane along the circumference of the cathode. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 프레임은 상기 접합층과 중첩되어 상기 접합층에 밀착되는 고정부와, 상기 고정부 및 상기 연료극의 외측에 위치하며 상기 고정부보다 큰 두께를 가지는 지지부를 포함하는 고체산화물 연료전지.The method of claim 1,
The frame includes a fixing portion overlapping with the bonding layer and in close contact with the bonding layer, and a support portion positioned outside the fixing portion and the anode and having a thickness greater than that of the fixing portion. 제3항에 있어서,
상기 제1 분리판은 상기 프레임과 마주하는 일면에서 상기 고정부 및 상기 지지부의 일부를 향해 돌출된 돌출부를 포함하는 고체산화물 연료전지.The method of claim 3,
The first separator includes a protrusion protruding toward a part of the fixing part and the support part on one surface facing the frame. 제4항에 있어서,
상기 절연막은 상기 제1 분리판과 마주하는 상기 프레임의 일면에 형성되며, 상기 돌출부는 상기 절연막에 밀착되는 고체산화물 연료전지.5. The method of claim 4,
And the insulating film is formed on one surface of the frame facing the first separator, and the protrusion is in close contact with the insulating film. 제4항에 있어서,
상기 절연막은 상기 프레임과 마주하는 상기 돌출부의 일면에 형성되며 상기 프레임에 밀착되는 고체산화물 연료전지.5. The method of claim 4,
The insulating film is formed on one surface of the protruding portion facing the frame and in close contact with the frame. 제3항에 있어서,
상기 절연막은 상기 연료극의 측면과 마주하는 상기 지지부의 측면에 형성되는 고체산화물 연료전지.The method of claim 3,
And the insulating film is formed on a side of the support part facing the side of the anode. 제3항에 있어서,
상기 절연막은 상기 지지부의 측면과 마주하는 상기 연료극의 측면에 형성되는 고체산화물 연료전지.The method of claim 3,
And the insulating film is formed on the side of the fuel electrode facing the side of the support. 제3항에 있어서,
상기 절연막은 상기 연료극의 측면과 마주하는 상기 지지부의 측면과, 상기 제2 분리판과 마주하는 상기 지지부의 일면에 형성되는 고체산화물 연료전지.The method of claim 3,
And the insulating layer is formed on a side surface of the support portion facing the side surface of the fuel electrode and on one surface of the support portion facing the second separation plate. 제4항에 있어서,
상기 절연막은 상기 제1 분리판과 마주하는 상기 프레임의 일면과, 상기 연료극의 측면과 마주하는 상기 지지부의 측면, 및 상기 제2 분리판과 마주하는 상기 지지부의 일면에 형성되는 고체산화물 연료전지.5. The method of claim 4,
And the insulating layer is formed on one surface of the frame facing the first separator plate, a side surface of the support portion facing the side surface of the fuel electrode, and one surface of the support portion facing the second separator plate. 제1항 또는 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공기극과 상기 제1 분리판 사이에 위치하는 공기극 집전체와, 상기 연료극과 상기 제2 분리판 사이에 위치하는 연료극 집전체와, 상기 제1 분리판과 상기 프레임 사이 및 상기 제2 분리판과 상기 프레임 사이에 위치하는 밀봉재를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.The method according to any one of claims 1 or 3 to 10,
A cathode current collector positioned between the cathode and the first separator plate, an anode collector positioned between the fuel electrode and the second separator plate, between the first separator plate and the frame, and the second separator plate; Solid oxide fuel cell further comprises a sealing material located between the frame.
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