KR101353839B1 - Solid oxide fuel cell haivng excellent maintaining surface pressure uniformity and durability - Google Patents

Abstract

The present invention provides a solid oxide fuel cell comprising a lower end plate; an upper end plate; a stack placed between the lower end plate and the upper end plate; a joining bar for connecting the lower end plate and the upper end plate; and a buffer layer placed either or both between the lower end plate and the stack and between the upper end plate and the stack, wherein the thermal expansion coefficient of the joining bar (K1), the thermal expansion coefficient of the stack (K2) and the thermal expansion coefficient of the buffer layer (K3) satisfy the relation of inequality 1, K3 > K1 > K2 (If K1 > K2), and inequality 2, K1 < K2 < K3 (If K1 < K2). Accordingly, the present invention can provide a solid oxide fuel cell having excellent surface pressure uniformity and durability because the problem of thermal deformation during the operation of the fuel cell can be solved.

Description

우수한 면압 균일성 및 내구성을 갖는 고체산화물 연료전지{SOLID OXIDE FUEL CELL HAIVNG EXCELLENT MAINTAINING SURFACE PRESSURE UNIFORMITY AND DURABILITY}Solid oxide fuel cell with excellent surface pressure uniformity and durability {SOLID OXIDE FUEL CELL HAIVNG EXCELLENT MAINTAINING SURFACE PRESSURE UNIFORMITY AND DURABILITY}

본 발명은 우수한 면압 균일성 및 내구성을 갖는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a solid oxide fuel cell having excellent surface pressure uniformity and durability.

고체산화물 연료전지는 일반적으로 연료전지 중 가장 높은 온도에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 현재 활발히 이루어지고 있다.
Solid oxide fuel cells generally operate at the highest temperatures of any fuel cell, and because all components are solid, they are simpler in structure than other fuel cells, and there is no problem of electrolyte loss, replenishment and corrosion, and precious metal catalysts. No fuel is required and fuel is supplied directly through internal reforming. In addition, it has the advantage that thermal combined cycle power generation using waste heat is possible because the high-temperature gas is discharged. Due to these advantages, researches on solid oxide fuel cells are actively conducted.

고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 전기화학적 에너지 변환장치로서, 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 및 연료극으로 이루어진다. 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다.
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is an electrochemical energy conversion device composed of an oxygen ion conducting electrolyte, an air electrode and a fuel electrode located on both sides thereof. In the air electrode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen move to the fuel electrode through the electrolyte and react with hydrogen supplied to the fuel electrode to generate water. At this time, electrons are generated in the fuel electrode and electrons are consumed in the air electrode. When the electrodes are connected to each other, electricity flows.

그러나, 상기 공기극, 전해질 및 연료극을 기본으로 하는 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 여러 개의 단위 전지를 적층(스택)하여 연료 전지를 구성함으로써 상당량의 전력을 출력시킬 수 있게 되고, 나아가 다양한 발전 시스템 분야에 적용할 수 있게 된다. 상기 적층을 위해서, 한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극은 전기적으로 연결되어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 분리판(seperator)이 사용된다. 또한, 상기 공기극 또는 연료극과 분리판 사이에는 집전체(current collector)가 구비되어 공기극 또는 연료극이 분리판과 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있게 한다. 또한, 상기 스택의 상하부에는 각각 상부 엔드판 및 하부 엔드판이 구비되고, 이 상부 및 하부 엔드판은 체결봉과 연결되어 볼트/너트를 통해 체결됨으로써 연료전지가 제조된다.
However, since the electric power generated in one unit cell based on the air electrode, the electrolyte and the fuel electrode is considerably small, a large amount of electric power can be output by constructing the fuel cell by stacking (stacking) a plurality of unit cells, And can be applied to various power generation systems. For lamination, it is necessary that the air electrode of one unit cell and the fuel electrode of another unit cell be electrically connected, and a separator is used for this purpose. Further, a current collector is provided between the air electrode or the fuel electrode and the separator plate so that the air electrode or the fuel electrode can electrically and uniformly contact the separator plate. In addition, upper and lower ends of the stack are provided with upper and lower end plates, respectively, and the upper and lower end plates are connected with fastening bars to be fastened through bolts / nuts to manufacture a fuel cell.

한편, 연료전지 특히, 대면적 평판형 연료전지의 경우 압력의 균일한 분배는 스택 전처리 및 운전시 성능과 안정성에 큰 영향을 미치는 요소로서, 이에 대한 정확한 제어가 필요하다. 도 1은 유압 실린더를 사용한 연료전지의 모식도이며, (a)는 상부 유압 실린더를 사용한 경우, (b)는 하부 유압 실린더를 사용한 경우이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 종래의 평판형 분리판을 이용한 연료전지(1)의 경우에는 하부구조물 또는 하부 엔드판(3) 위에 순차적으로 스택(5) 및 상부 엔드판(7) 또는 면압판이 적층되며, 적층 완료 후에는 유압 또는 공압 실린더 등의 면압 유지 장치(9)를 사용하여 상부 또는 하부에서 면압을 가하는 방법을 이용하고 있다. 이 때, 전처리를 위하여 800℃까지 온도를 올리거나 700~800℃의 운전조건까지 온도를 올리는 경우 연료전지의 각 구성요소는 각각의 소재 및 구조에 따른 열팽창을 겪게 된다. 또한 상부 또는 하부에서 유압이나 공압 실린더를 사용하는 경우에는 연료전지의 열팽창에 따라 높이 변화로 인하여, 상기 유압 또는 공압 실린더가 면압의 변화를 적정 수준으로 맞추어 주는 액티브 컨트롤(active control)을 해주지만, 제조 가격이 매우 높다는 단점이 있다.
On the other hand, in the case of fuel cells, in particular, large area flat fuel cells, uniform distribution of pressure is a factor that greatly affects performance and stability during stack pretreatment and operation, and requires precise control thereof. 1 is a schematic diagram of a fuel cell using a hydraulic cylinder, (a) is a case using the upper hydraulic cylinder, (b) is a case using the lower hydraulic cylinder. As shown in FIG. 1, in the case of a fuel cell 1 using a conventional flat plate separator, a stack 5 and an upper end plate 7 or a pressure plate are sequentially stacked on a lower structure or a lower end plate 3. After the lamination is completed, a method of applying surface pressure at the top or the bottom using a surface pressure holding device 9 such as a hydraulic or pneumatic cylinder is used. At this time, when raising the temperature up to 800 ℃ for pretreatment or operating conditions of 700 ~ 800 ℃ each component of the fuel cell undergoes thermal expansion according to the material and structure. In addition, when using the hydraulic or pneumatic cylinder in the upper or lower portion, due to the height change in accordance with the thermal expansion of the fuel cell, the hydraulic or pneumatic cylinder provides an active control to adjust the change in the surface pressure to an appropriate level, The disadvantage is that the manufacturing price is very high.

한편, 전술한 열팽창에 따른 문제점을 해결하기 위해서 저온형 연료전지인 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrance Fuel Cell, PEMFC)의 경우에는 볼트/너트 부위에 스트링을 사용하여 면압을 조정하고 있다. 또한, 고온형 연료전지의 일종이긴 하지만 고체산화물 연료전지보다 작동온도가 낮은 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)의 경우에는 특수한 스프링을 이용하기도 한다. 하지만 고체산화물 연료전지의 작동온도에서 기능하는 스프링은 제작이 어려우며, 제작이 가능하더라도 제작비용이 높아 상용화되기는 곤란하다는 문제점이 있다.
Meanwhile, in order to solve the problems caused by the above-described thermal expansion, in the case of the electrolyte fuel cell (PEMFC), which is a low temperature fuel cell, a surface pressure is adjusted by using a string at a bolt / nut region. In addition, a molten carbonate fuel cell (MCFC), which is a kind of high-temperature fuel cell but has a lower operating temperature than a solid oxide fuel cell, uses a special spring. However, the spring functioning at the operating temperature of the solid oxide fuel cell is difficult to manufacture, there is a problem that it is difficult to commercialize the high production cost even if possible.

이에 따라, 제조 가격이 낮으면서도 전술한 열팽창의 문제를 해소할 수 있는 연료전지의 개발이 시급히 요구되고 있다.
Accordingly, there is an urgent need for the development of a fuel cell capable of solving the above-described thermal expansion problem while having a low manufacturing price.

한국 공개특허공보 제2009-0034621호Korean Unexamined Patent Publication No. 2009-0034621 한국 공개특허공보 제2005-0027696호Korean Laid-Open Patent Publication 2005-0027696

본 발명은 열변형에 따른 문제를 해결할 수 있는 우수한 면압 균일성 및 내구성을 갖는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a solid oxide fuel cell having excellent surface pressure uniformity and durability that can solve the problems caused by thermal deformation.

본 발명은 하부엔드판; 상부엔드판; 상기 하부엔드판 및 상부엔드판 사이에 구비되는 스택; 상기 하부엔드판과 상부엔드판을 연결하는 체결봉; 및 상기 하부엔드판과 상기 스택 사이 및 상기 상부엔드판과 상기 스택 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 구비되는 완충층을 포함하고, 상기 체결봉의 열팽창계수(K1), 상기 스택의 열팽창계수(K2) 및 상기 완충층의 열팽창 계수(K3)는 하기 식 1 및 2의 관계를 만족하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.The present invention is a lower end plate; Upper end plate; A stack provided between the lower end plate and the upper end plate; A fastening rod connecting the lower end plate and the upper end plate; And a buffer layer provided at at least one position between the lower end plate and the stack and between the upper end plate and the stack, wherein the fastening rod has a thermal expansion coefficient K1, a thermal expansion coefficient K2 of the stack, and the stack The thermal expansion coefficient K3 of the buffer layer provides a solid oxide fuel cell that satisfies the following equations (1) and (2).

[식 1] K1>K2일 경우, K3>K1>K2[Equation 1] When K1> K2, K3> K1> K2

[식 2] K1<K2일 경우, K1<K2<K3
[Equation 2] When K1 <K2, K1 <K2 <K3

본 발명에 따르면, 연료전지 구동시 열변형에 의한 문제를 해결할 수 있어 우수한 면압 균일성 및 내구성을 확보한 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.
According to the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having excellent surface pressure uniformity and durability by solving a problem caused by thermal deformation during fuel cell driving.

도 1은 유압 실린더를 사용한 연료전지의 모식도이며, (a)는 상부 유압 실린더를 사용한 경우, (b)는 하부 유압 실린더를 사용한 경우이다.
도 2는 체결봉 및 볼트/너트를 사용한 고체산화물 연료전지의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 3은 열팽창에 따른 연료전지의 면압 변화의 개념을 나타내는 단면도이며, (a)는 적정 면압이 유지되는 경우, (b)는 면압이 부족한 경우, (c)는 면압이 과다한 경우를 나타낸다.
도 4는 완충층의 삽입에 의한 체결봉과 스택간의 높이 변화 차이의 보정 효과를 나타내기 위한 모식도이며, (a)는 체결봉이 스택보다 높은 열팽창계수를 가질 경우를, (b)는 체결봉이 스택보다 낮은 열팽창계수를 가질 경우를 나타낸다.1 is a schematic diagram of a fuel cell using a hydraulic cylinder, (a) is a case using the upper hydraulic cylinder, (b) is a case using the lower hydraulic cylinder.
2 is a perspective view showing an example of a solid oxide fuel cell using a fastening rod and a bolt / nut.
3 is a cross-sectional view showing the concept of the surface pressure change of the fuel cell due to thermal expansion, (a) is a case where the proper surface pressure is maintained, (b) is a case where the surface pressure is insufficient, (c) is a case where the surface pressure is excessive.
4 is a schematic diagram showing the correction effect of the height change difference between the fastening rod and the stack by the insertion of the buffer layer, (a) is a case where the fastening rod has a higher coefficient of thermal expansion than the stack, (b) is a fastening rod is lower than the stack The case of having a thermal expansion coefficient is shown.

도 2는 체결봉 및 볼트/너트를 사용한 고체산화물 연료전지의 일례를 나타내는 사시도이다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명을 설명한다.
2 is a perspective view showing an example of a solid oxide fuel cell using a fastening rod and a bolt / nut. Hereinafter, the present invention will be described with reference to Fig.

도 2에 나타난 바와 같이, 체결봉 및 볼트/너트를 사용한 고체산화물 연료전지(10)는 하부엔드판(20), 상부엔드판(40), 상기 하부엔드판(20)과 상부엔드판(40) 사이에 구비되는 스택(30)과, 면압 및 체결 유지를 위해 상기 하부엔드판(20)과 상부엔드판(40)을 연결하는 체결봉(50)이 구비된다. 그리고 상기 체결봉(50)을 고정하기 위하여 볼트/너트(60)가 구비된다.
As shown in FIG. 2, the solid oxide fuel cell 10 using the fastening rod and the bolt / nut has a lower end plate 20, an upper end plate 40, the lower end plate 20, and an upper end plate 40. ) Is provided between the stack 30 and a fastening rod 50 connecting the lower end plate 20 and the upper end plate 40 to maintain the surface pressure and fastening. A bolt / nut 60 is provided to fix the fastening rod 50.

상기와 같이, 유압 또는 공압 실린더와 같은 능동형의 면압제어 장치를 가지지 않는 저가형 상용화 연료전지의 경우, 상부 및 하부 엔드판을 연결하는 체결봉의 길이가 변화하고 스택 내부의 높이가 변화하게 된다. 이 때, 온도의 변화에 따라 구성요소간의 열팽창 차이로 인하여, 상기 체결봉의 길이변화와 스택의 높이 변화에 차이가 발생한다. 이는 곧 면압의 변화로 나타나게 되어, 원하는 적정 수준의 면압 유지가 어려워지게 된다.
As described above, in the case of a low-cost commercial fuel cell that does not have an active surface pressure control device such as a hydraulic or pneumatic cylinder, the length of the fastening rod connecting the upper and lower end plates is changed and the height inside the stack is changed. At this time, due to the difference in thermal expansion between the components according to the change in temperature, a difference occurs in the change in the length of the fastening rod and the change in the height of the stack. This is soon manifested as a change in surface pressure, making it difficult to maintain the desired level of surface pressure.

도 3은 열팽창에 따른 연료전지의 면압 변화의 개념을 나타내는 단면도이며, (a)는 적정 면압이 유지되는 경우, (b)는 면압이 부족한 경우, (c)는 면압이 과다한 경우를 나타낸다. 도 3 (a)에 나타난 바와 같이, 연료전지의 안정적인 구동이 이루어지기 위해서는 적정 수준의 면압이 균일하게 유지되어야 한다. 그러나, 스택과 체결봉간의 열팽창에 따른 변화에 차이가 있고, 이 때 스택에 비하여 체결봉의 길이가 더 크게 변화할 경우에는 도 3 (b)에 나타난 바와 같이 스택에 면압이 작게 작용하여 스택의 구성요소간의 전기적 접촉이 나빠지거나 밀봉재가 인장 응력을 받아 파손되어 가스 밀봉성이 떨어지는 문제가 발생한다. 이와는 반대로, 체결봉의 길이가 더 적게 변화하는 경우에는 스택에 면압이 과다하게 걸리게 되어 스택 내부의 구성요소를 파손하는 등의 문제가 발생한다.
3 is a cross-sectional view showing the concept of the surface pressure change of the fuel cell due to thermal expansion, (a) is a case where the proper surface pressure is maintained, (b) is a case where the surface pressure is insufficient, (c) is a case where the surface pressure is excessive. As shown in FIG. 3 (a), in order to achieve stable driving of the fuel cell, an appropriate surface pressure must be maintained uniformly. However, there is a difference in the change due to thermal expansion between the stack and the fastening rods. In this case, when the length of the fastening rods is larger than the stack, the surface pressure acts on the stack as shown in FIG. The electrical contact between the elements is bad, or the sealing material is damaged due to tensile stress, which causes a problem of poor gas sealability. On the contrary, when the length of the fastening rod is changed less, the surface pressure is excessively applied to the stack, which causes problems such as damage to components inside the stack.

전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 하부엔드판과 스택 사이 및 상부엔드판과 스택 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 완충층을 구비하는 고체산화물 연료전지를 제공한다. 상기 완충층은 고체산화물 연료전지의 구동시 체결봉과 스택의 열팽창 계수의 차이로 인한 길이 변화의 차이를 극복하기 위한 것이다.
In order to solve the above problems, the present invention provides a solid oxide fuel cell having a buffer layer in at least one position between the lower end plate and the stack and between the upper end plate and the stack. The buffer layer is to overcome the difference in length change due to the difference in the coefficient of thermal expansion of the fastening rod and the stack when the solid oxide fuel cell is driven.

도 4는 완충층의 삽입에 의한 체결봉과 스택간의 높이 변화 차이의 보정 효과를 나타내기 위한 모식도이며, (a)는 체결봉이 스택보다 높은 열팽창계수를 가질 경우를, (b)는 체결봉이 스택보다 낮은 열팽창계수를 가질 경우를 나타낸다. 앞서 언급한 바와 같이, 체결봉이 스택보다 높은 열팽창계수를 가질 경우에는 높이 변화의 차이에 의해 체결봉이 스택보다 더 많은 변형을 하게 되어 면압이 부족하게 되어 면압 균일성이 저하된다. 그러나, 본 발명은 스택의 하부에 완충층(70)을 삽입함으로써 도 4 (a)에 나타난 바와 같이, 높이 변화의 차이를 상기 완충층(70)이 보정해주는 역할을 함으로써 면압의 균일성을 확보할 수 있고, 이로 인해 연료전지의 내구성 또한 확보할 수 있다. 다만, 상기와 같이 체결봉이 스택보다 높은 열팽창계수를 가질 경우에는 완충층이 체결봉보다 높은 열팽창계수를 가져야 보정 효과를 확보할 수 있다. 반대로, 체결봉이 스택보다 낮은 열팽창계수를 가질 경우에는 높이 변화의 차이에 의해 스택이 체결봉보다 더 많은 변형을 하게 되어 면압이 과도해지는 현상이 나타나게 된다. 그러나, 본 발명은 도 4 (b)에 나타난 바와 같이 완충층 삽입에 의한 높이 차이의 보정 효과를 확보할 수 있으며, 이 경우에는 완충층의 열팽창계수가 체결봉이나 스택보다 낮아야 한다.
4 is a schematic diagram showing the correction effect of the height change difference between the fastening rod and the stack by the insertion of the buffer layer, (a) is a case where the fastening rod has a higher coefficient of thermal expansion than the stack, (b) is a fastening rod is lower than the stack The case of having a thermal expansion coefficient is shown. As mentioned above, when the fastening rod has a higher coefficient of thermal expansion than the stack, the fastening rod deforms more than the stack due to the difference in height, resulting in insufficient surface pressure and lowering the surface pressure uniformity. However, in the present invention, as shown in FIG. 4 (a) by inserting the buffer layer 70 at the bottom of the stack, the buffer layer 70 serves to correct the difference in height change, thereby ensuring the uniformity of the surface pressure. As a result, durability of the fuel cell can be ensured. However, when the fastening rod has a higher coefficient of thermal expansion than the stack as described above, the buffer layer must have a higher coefficient of thermal expansion than the fastening rod to ensure a correction effect. On the contrary, when the fastening rod has a lower coefficient of thermal expansion than the stack, the stack deforms more than the fastening rod due to the difference in height, resulting in excessive surface pressure. However, the present invention can ensure the correction effect of the height difference by the insertion of the buffer layer, as shown in Figure 4 (b), in this case, the thermal expansion coefficient of the buffer layer should be lower than the fastening rod or stack.

즉, 본 발명이 제공하는 연료전지는 구성요소 중 체결봉의 열팽창계수(K1), 스택의 열팽창계수(K2) 및 완충층의 열팽창 계수(K3)가 하기 식 1 및 2의 관계를 만족해야 한다.
That is, in the fuel cell provided by the present invention, the thermal expansion coefficient K1 of the fastening rod, the thermal expansion coefficient K2 of the stack, and the thermal expansion coefficient K3 of the buffer layer of the components must satisfy the following equations (1) and (2).

[식 1] K1>K2일 경우, K3>K1>K2[Equation 1] When K1> K2, K3> K1> K2

[식 2] K1<K2일 경우, K3<K1<K2
[Equation 2] When K1 <K2, K3 <K1 <K2

또한, 상온에서의 스택의 높이를 H₀라고 하고, 상온에서의 완충층의 높이를 H라고 할 때, 주어진 K3에 대하여 승온시 면압을 일정하게 유지하기 위한 완충층의 높이 H, 또는 주어진 완충층의 높이 H에 대하여 승온시 면압을 일정하게 유지하기 위한 완충층의 열팽창 계수 K3는 하기 식 3 및 4와 같이 구해질 수 있다.
Further, when the height of the stack at room temperature is referred to as H ₀ , and the height of the buffer layer at room temperature is referred to as H, the height H of the buffer layer for maintaining a constant surface pressure at elevated temperature for a given K3, or the height H of the given buffer layer. The thermal expansion coefficient K3 of the buffer layer for maintaining a constant surface pressure at elevated temperature can be obtained as in Equations 3 and 4 below.

[식 3] K3>K1>K2일 경우, H = H₀(K₁-K₂)/(K₃-K₁), 또는 K₃ = K₁ + (K₁-K₂)H₀/HWhen K3>K1> K2, H = H ₀ (K ₁ -K ₂ ) / (K ₃ -K ₁ ), or K ₃ = K ₁ + (K ₁ -K ₂ ) H ₀ / H

[식 4] K3<K1<K2일 경우, H = H₀(K₂-K₁)/(K₁-K3), 또는 K₃ = K₁ - (K₂-K₁)H₀/H
When K3 <K1 <K2, H = H ₀ (K ₂ -K ₁ ) / (K ₁ -K3), or K ₃ = K _1- (K ₂ -K ₁ ) H ₀ / H

본 발명에 적용될 수 있는 체결봉이나 스택은 그 종류를 다양하게 할 수 있고, 이에 따라 상기 체결봉이나 스택은 다양한 열팽창 계수를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에 적용될 수 있는 완충층은 상기 식 1 및 2의 관계를 만족하는 것이라면 그 종류에 한정되지 않고 모두 사용될 수 있다. 또한, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 식 3 및 4를 이용하여, 체결봉과 스택의 열팽창계수를 고려하여 완충층의 종류 및 높이를 적절하게 설정할 수 있다. 예를 들면, 상기 식 1을 만족하는 완충층으로는 알루미늄 또는 스테인리스 304 등을 이용할 수 있고, 상기 식 2를 만족하는 완충층으로는 스테인리스 409L 또는 스테인리스 410L 등을 이용할 수 있다.
Fastening rods or stacks that can be applied to the present invention may have a variety of types, and thus the fastening rods or stacks may have various coefficients of thermal expansion. Therefore, the buffer layer that can be applied to the present invention may be used without any limitation as long as it satisfies the relationship of Equations 1 and 2 above. In addition, if the person skilled in the art can use the above formulas 3 and 4, the type and height of the buffer layer can be appropriately set in consideration of the coefficient of thermal expansion of the fastening rod and the stack. For example, aluminum or stainless steel 304 may be used as the buffer layer that satisfies Formula 1, and stainless steel 409L or stainless steel 410L may be used as the buffer layer that satisfies Formula 2.

한편, 보통 단일 소재로 가공되는 즉, 열팽창이 온도변화에 선형적으로 비례하는 체결봉에 비하여, 여러 구성 요소의 적층구조로 이루어지는 스택의 경우에는 온도변화에 따른 열팽창이 비선형적으로 발생하기도 한다. 이러한 비선형적 열팽창 구조에 대응하기 위해서, 본 발명은 하부엔드판과 스택 사이 또는 상부엔드판과 스택 사이, 혹은 두 영역 모두에 완충층을 2개 이상 구비시킬 수 있으며, 이 때 상기 완충층들은 서로 다른 열팽창계수를 가질 수 있다. 이와 같이, 각기 다른 열팽창율을 갖는 다층 구조의 완충층을 삽입함으로써 스택과 체결봉간의 높이 변화 차이를 보완할 수 있다. 예를 들면, 연료전지를 구성하기 위한 스택과 체결봉의 종류 및 크기가 정해지게 되면 상기 스택과 체결봉의 열팽창계수의 차이에 따라 삽입되어야 할 완충층이 결정되어질 수 있다. 그러나, 상기 스택과 체결봉의 열팽창계수의 차이에 따른 높이 변화를 완벽하게 보정해줄 수 있는 완충층은 존재하지 않거나 비용이 높을 수 있다는 단점이 있다. 이는, 완충층의 열팽창계수 또한 재료 본래의 특성에 의해 결정되어지게 때문인데, 본 발명에서는 상기한 바와 같이, 완충층을 2개 이상 구비시키고, 이 때, 상기 완충층의 종류를 달리하여 즉, 서로 다른 열팽창계수를 갖도록 하여 스택과 체결봉의 열팽창계수의 차이에 따른 높이 변화의 보정 효과를 보다 향상시킬 수 있다. 물론, 열팽창계수가 다른 2개 이상의 완충층을 적용하더라도 상기 완충층은 전술한 식 1 및 2의 조건을 만족하는 것이 바람직하다. 상기 완충층의 종류 또는 개수는 체결봉 및 스택의 종류나 연료전지의 운전조건에 따라 달리될 수 있으므로 본 발명에서는 이에 대하여 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 과도한 반복 실험 없이 용이하게 선택하여 적용할 수 있다.
On the other hand, compared to a fastening rod which is usually processed in a single material, that is, thermal expansion is linearly proportional to the temperature change, a thermal expansion due to temperature change may occur nonlinearly in a stack having a stack structure of several components. In order to cope with such a nonlinear thermal expansion structure, the present invention may include two or more buffer layers between the lower end plate and the stack, between the upper end plate and the stack, or both regions, wherein the buffer layers are different from each other. May have coefficients. As such, by inserting a buffer layer having a multi-layered structure having different thermal expansion rates, it is possible to compensate for the difference in height change between the stack and the fastening rod. For example, when the type and size of the stack and the fastening rod for constituting the fuel cell are determined, the buffer layer to be inserted may be determined according to the difference in the coefficient of thermal expansion of the stack and the fastening rod. However, there is a disadvantage that a buffer layer that can completely compensate for the height change due to the difference in thermal expansion coefficient of the stack and the fastening rod does not exist or may be expensive. This is because the thermal expansion coefficient of the buffer layer is also determined by the inherent properties of the material. In the present invention, as described above, two or more buffer layers are provided. By having a coefficient, it is possible to further improve the correction effect of the height change according to the difference in the thermal expansion coefficient of the stack and the fastening rod. Of course, even if two or more buffer layers having different thermal expansion coefficients are applied, it is preferable that the buffer layer satisfies the above-described conditions of Equations 1 and 2 above. The type or number of the buffer layer may vary depending on the type of fastening rod and stack or the operating conditions of the fuel cell, and thus the present invention is not particularly limited thereto, and a person having ordinary knowledge in the art may do so without excessive repetitive experiments. It can be easily selected and applied.

전술한 바와 같이 본 발명이 제공하는 고체산화물 연료전지는 완충층의 삽입에 의해 체결봉과 스택간의 열팽창계수의 차이에 따른 높이 변화 차이를 보정함으로써 면압이 일정하게 유지될 수 있으며, 이로 인해 안정적인 구동과 내구성을 확보할 수 있다. 또한, 유압 또는 공압 실린더 등과 같은 면압 유지 장치를 이용하지 않아도 되므로, 제조 비용을 저감시킬 수 있고, 재료 선택의 폭을 넓게 할 수 있어 양산화 과정에서 연료전지의 설계에 있어 다양성을 부여할 수 있다.As described above, in the solid oxide fuel cell provided by the present invention, the surface pressure can be kept constant by correcting the difference in height change due to the difference in thermal expansion coefficient between the fastening rod and the stack by inserting a buffer layer, thereby providing stable driving and durability. Can be secured. In addition, since it is not necessary to use a surface pressure maintaining device such as a hydraulic pressure or a pneumatic cylinder, manufacturing cost can be reduced, and a wide range of material selection can be provided, thereby allowing diversity in the design of a fuel cell during mass production.

1 : 연료전지
3 : 하부 엔드판
5 : 스택
7 : 상부 엔드판
9 : 면압 유지 장치
10 : 연료전지
20 : 하부 엔드판
30 : 스택
40: 상부 엔드판
50 : 체결봉
60 : 볼트/너트
70 : 완충층1: fuel cell
3: lower end plate
5: stack
7: upper end plate
9: surface pressure maintaining device
10: Fuel cell
20: lower end plate
30: stack
40: upper end plate
50: fastening rod
60: bolts / nuts
70 buffer layer

Claims (2)

하부엔드판;
상부엔드판;
상기 하부엔드판 및 상부엔드판 사이에 구비되는 스택;
상기 하부엔드판과 상부엔드판을 연결하는 체결봉; 및
상기 하부엔드판과 상기 스택 사이 및 상기 상부엔드판과 상기 스택 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 구비되는 완충층을 포함하고,
상기 체결봉의 열팽창계수(K1), 상기 스택의 열팽창계수(K2) 및 상기 완충층의 열팽창 계수(K3)는 하기 식 1 및 2의 관계를 만족하는 고체산화물 연료전지.
[식 1] K1>K2일 경우, K3>K1>K2
[식 2] K1<K2일 경우, K1<K2<K3
Lower end plate;
Upper end plate;
A stack provided between the lower end plate and the upper end plate;
A fastening rod connecting the lower end plate and the upper end plate; And
And a buffer layer provided at at least one position between the lower end plate and the stack and between the upper end plate and the stack.
And a thermal expansion coefficient (K1) of the fastening rod, a thermal expansion coefficient (K2) of the stack, and a thermal expansion coefficient (K3) of the buffer layer satisfying the following equations (1) and (2).
[Equation 1] When K1> K2, K3>K1> K2
[Equation 2] When K1 <K2, K1 <K2 <K3
청구항 1에 있어서,
상기 완충층은 2개 이상이며, 서로 다른 열팽창계수를 갖는 고체산화물 연료전지.The method according to claim 1,
The buffer layer is at least two, the solid oxide fuel cell having a different coefficient of thermal expansion.

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