KR20130036884A - 고체산화물 연료전지 스택 및 이를 구비한 연료전지 모듈 - Google Patents

고체산화물 연료전지 스택 및 이를 구비한 연료전지 모듈 Download PDF

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KR20130036884A
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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 양방향 단자형 고체산화물 연료전지 스택은 셀 어레이, 집전부재, 제1 단자부, 제2 단자부 및 절연부재를 포함한다. 셀 어레이는 병렬로 연결된 M개(M은 자연수)의 인터커넥터형 단위 셀이 하나의 번들을 형성하고, N(N은 자연수)개의 번들이 직렬로 연결된다. 집전부재는 한 쌍으로 구비되고, 판형으로 형성되며, 상기 셀 어레이 중 첫번째 번들 및 제N번째 번들에 각각 연결되어 집전한다. 제1 및 제2 단자부는 상기 집전부재 각각에 구비된다. 절연부재는 한 쌍으로 구비되고, 상기 제1 및 제2 단자부가 관통하는 제1 관통구가 형성되며, 상기 한 쌍의 집전부재 외측에 각각 구비된다.
본 발명에 따르면 일측면에 형성된 두 단자부를 통하여 간편하게 다수의 연료전지 스택을 연결할 수 있으므로 연료전지 스택 간의 연결부에서 발생하는 전기적 손실을 줄일 수 있으며, 간편하고 단순한 방법으로 연료전지 스택 간을 연결 할 수 있는 효과가 있다.

Description

고체산화물 연료전지 스택 및 이를 구비한 연료전지 모듈{Solid oxide fuel cell stack and fuel cell module having the same}
본 발명은 고체산화물 연료전지 스택 및 이를 구비한 연료전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연결이 용이한 구조를 갖는 연료전지 스택과 모듈에 관한 것이다.
전해질의 종류에 따라 연료전지는 여러 종류로 구분될 수 있다. 이러한 연료전지는 출력범위 및 사용용도 등이 다양하여 목적에 따라 알맞은 연료전지를 선택할 수 있다. 이 중에서도 고체산화물 연료전지는 상대적으로 전해질의 위치제어가 쉽고, 전해질의 위치가 고정되어 있어서 전해질 고갈의 위험성이 없으며, 부식성이 약하여 소재의 수명이 길다는 장점으로 인하여 분산 발전용, 상업용 및 가정용으로서 각광을 받고 있다.
한편, 연료전지에 사용되는 단위 셀 자체의 전압은 실제 용도에 비하여 높지 않다. 따라서 실생활이나 필요한 전압을 구현하기 위하여 복수의 단위 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 최종적으로 연료전지의 정격 전압과 용량을 설계하게 된다.
본 발명의 과제는 연료전지 스택 간의 연결을 용이하게 하는 동시에 연료전지 스택 간의 연결부에서 발생하는 손실을 줄일 수 있는 연료전지 스택의 구조를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 과제는 다양한 방법으로 연결되는 연료전지 스택 및 이를 구비한 연료전지 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 양방향 단자형 고체산화물 연료전지 스택은 셀 어레이, 집전부재, 제1 단자부, 제2 단자부 및 절연부재를 포함한다.
셀 어레이는 병렬로 연결된 복수의 인터커넥터형 단위 셀이 하나의 번들을 형성하고, 상기 번들 복수개가 직렬로 연결된다.
집전부재는 한 쌍으로 구비되고, 판형으로 형성되며, 상기 직렬로 연결된 복수의 번들 말단에 각각 전기적으로 연결되어 집전한다.
제1 및 제2 단자부는 상기 집전부재 각각에 구비된다.
절연부재는 한 쌍으로 구비되고, 상기 제1 및 제2 단자부가 관통하는 제1 관통구가 형성되며, 상기 한 쌍의 집전부재 외측에 각각 구비된다.
또한 상기 단위 셀은 내측으로부터 차례로 적층되는 제1 전극층, 전해질층 및 제2 전극층을 구비하고, 상기 제1 전극층과 연결되며 상기 제2 전극층과 절연된 상태로 외부에 노출되는 인터커넥터를 구비할 수 있다. 이 때 상기 제1 집전부재와 상기 제2 집전부재는 각각 상기 인터커넥터와 상기 제2 전극층과 접촉한다.
나아가 판형으로 형성되고, 상기 제1 및 제2 단자부가 관통하는 제2 관통구가 형성되며, 상기 한 쌍의 절연부재 외측에 각각 구비되는 한 쌍의 홀더를 구비할 수 있다.
더 나아가 상기 한 쌍의 홀더에는 각각 대응하는 위치에 고정홀이 형성될 수 있다. 이 때 상기 고정홀에 삽입되어 상기 한 쌍의 홀더의 간격을 고정하는 고정부재를 포함한다.
또한 상기 셀 어레이 및 상기 홀더 외측을 둘러싸도록 구비되고, 상기 제1 및 제2 단자부가 외부로 각각 노출되는 제3 관통구가 형성될 수 있다.
또한 상기 단위 셀은 튜블라 또는 플랫 튜블라 형상일 수 있다.
또한 상기 제1 및 제2 단자부는 판형으로 형성될 수 있다.
또한 제1 및 제2 단자부는 상기 한 쌍의 집전부재 각각으로부터 수직방향으로 돌출될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 단방향 단자형 연료전지 스택은 셀 어레이, 집전부재, 보조 집전부재, 제1 단자부, 제2 단자부, 제1 절연부재 및 제2 절연부재를 포함한다.
셀 어레이는 병렬로 연결된 복수의 인터커넥터형 단위 셀이 하나의 번들을 형성하고, 상기 번들 복수개가 직렬로 연결된다.
집전부재는 한 쌍으로 구비되고, 상기 직렬로 연결된 복수의 번들 말단에 각각 전기적으로 연결되어 집전한다.
보조 집전부재는 직렬 연결되는 두 번들이 동일면에 접하도록 구비된다.
제1 및 제2 단자부는 상기 집전부재 각각에 구비된다.
제1 절연부재는 상기 제1 및 제2 단자부가 관통하는 제1 관통구가 형성되고, 상기 한 쌍의 집전부재 외측에 구비된다.
제2 절연부재는 상기 제1 절연부재의 타측에 구비된 보조 집전부재의 외측에 구비된다.
또한 상기 단위 셀은 내측으로부터 차례로 적층되는 제1 전극층, 전해질층 및 제2 전극층을 구비하고, 상기 제1 전극층과 연결되며 상기 제2 전극층과 절연된 상태로 외부에 노출되는 인터커넥터를 구비할 수 있다. 이 때 상기 제1 집전부재와 상기 제2 집전부재는 각각 상기 인터커넥터와 상기 제2 전극층과 접촉한다.
나아가 제1 및 제2 홀더를 구비할 수 있다. 제1 홀더는 판형으로 형성되고, 상기 제1 및 제2 단자부가 관통하는 제2 관통구가 형성되며, 상기 제1 절연부재 외측에 구비된다. 제2 홀더는 판형으로 형성되고, 상기 제2 절연부재 외측에 구비된다.
나아가 상기 제1 홀더 및 상기 제2 홀더에는 각각 대응하는 위치에 고정홀이 형성될 수 있다. 이 때 상기 고정홀에 삽입되어 상기 한 쌍의 홀더의 간격을 고정하는 고정부재를 포함한다.
또한 상기 셀 어레이, 상기 제1 홀더 및 상기 제2 홀더 외측을 둘러싸도록 구비되고, 상기 제1 및 제2 단자부가 각각 외부로 노출되는 제3 관통구가 형성되는 외부 케이스를 구비할 수 있다.
또한 상기 단위 셀은 튜블라 또는 플랫 튜블라 형상일 수 있다.
또한 상기 제1 및 제2 단자부는 판형으로 형성될 수 있다. 나아가 제1 및 제2 단자부는 상기 한 쌍의 집전부재 각각으로부터 수직방향으로 돌출될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 모듈은 상기 단방향 단자형 연료전지 스택을 구비하고, 상기 단방향 단자형 연료전지 스택 간은 직렬로 연결될 수 있다.
다른 한편, 상기 양방향 단자형 연료전지 스택과 상기 단방향형 연료전지 스택을 구비하고, 상기 양방향 단자형 연료전지 스택과 상기 단방향 단자형 연료전지 스택은 번갈아 직렬로 연결될 수 있다.
다른 한편, 양방향 단자형 연료전지 스택을 구비하고, 상기 양방향 단자형 연료전지 스택은 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면 일측면에 형성된 두 단자부를 통하여 간편하게 다수의 연료전지 스택을 연결할 수 있으므로 연료전지 스택 간의 연결부에서 발생하는 전기적 손실을 줄일 수 있으며, 간편하고 단순한 방법으로 연료전지 스택 간을 연결한 연료전지 모듈을 제공 할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면 간편하면서도 다양한 방법으로 연료전지 스택을 연결할 수 있게 된다.
도 1은 인터커넥터형 단위 셀을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 의한 셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택을 고정하는 구성을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 4a는 일 실시예에 의한 연료전지 스택을 나타내는 횡단면도이다.
도 4b는 다른 실시예에 의한 연료전지 스택을 나타내는 횡단면도이다.
도 4c는 또 다른 실시예에 의한 연료전지 스택을 나타내는 횡단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타내는 사시도이다.
도 6 내지 도 11은 각각 다른 실시예에 의한 연료전지 모듈을 나타내는 개략도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
일반적인 연료전지는 연료를 개질하여 공급하는 연료변환기(개질기 및 반응기)와 연료전지 모듈로 구성된다. 여기서 연료전지 모듈은 화학적 에너지를 전기화학적인 방법으로 전기에너지와 열에너지로 전환하는 연료전지 스택을 포함한 어셈블리(assembly)을 말한다. 즉 연료전지 모듈은 연료전지 스택; 연료, 산화물, 냉각수, 배출물 등이 이동하는 배관 시스템; 스택에 의해 생산된 전기가 이동하는 배선; 스택의 제어 혹은 모니터링을 위한 부분; 스택의 이상상태 발생시 조치를 위한 부분 등을 포함한다.
본 발명은 연료전지 스택, 특히 복수의 튜블라형 또는 평관형 단위 셀을 이용한 연료전지 스택의 구조와 이러한 연료전지 스택이 전기적으로 다수 연결된 연료전지 모듈에 관한 것이다. 이하 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1을 참조하여 단위 셀을 설명한다. 도 1은 인터커넥터형 단위 셀의 일 예를 나타내는 사시도이다.
단위 셀(100)은 연료변환기(미도시)로부터 개질된 연료를 공급받아 산화반응에 의하여 전기를 생산하는 구성이다. 단위 셀(100)은 중심축으로부터 방사상으로 제1 전극층(101), 전해질층(102) 및 제2 전극층(103)이 적층되어 있다. 인터커넥터(104)는 제1 전극층(101)과 전기적으로 연결된 상태에서 단위 셀(100) 외부로 노출되도록 구비된다. 이 때 인터커넥터(104)는 제2 전극층(103)과의 사이에 절연물질을 구비하거나 공간적으로 이격되는 방식으로 제2 전극층(103)과 절연된다. 즉, 본 실시예에 따른 단위 셀은 집전방식면에서는 인터커넥터형이며, 형상면에서는 튜블라형(tubular; 관형)으로 형성될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 단위 셀은 튜블라형 뿐만 아니라 플랫 튜블라형(falt-tubular; 평관형)으로 형성될 수도 있다. 여기서 플랫 튜블라형이라 함은 장반경과 단반경을 갖는 납작한 튜블라형을 의미한다.
본 발명에 따른 단위 셀은 연료극 지지체식이나 공기극 지지체식으로 형성될 수 있으며, 그 방식에 의하여 제한되지 않는다. 즉, 제1 전극층(101)이 연료극이고 제2 전극층(103)이 공기극일 수 있으며, 반대로 제1 전극층(101)이 공기극이고 제2 전극층(103)이 연료극일 수 있다.
공기극은 LaMnO3계나 LaCoO3계와 같이 높은 이온전도도와 전자 전도도를 갖고 산화분위기에서 안정적이며 후술하는 전해질층과의 화학반응이 없는 순수 전자전도체나 혼합전도체로 제작된다. 전해질층은 공기극 측에서 발생된 산소이온 및 후술하는 연료극 측에서 발생된 수소이온의 이동로 역할을 하는 부분이다. 이러한 전해질층은 기체가 투과하지 못할 정도의 치밀도를 갖는 세라믹재로 이루어진다. 또한 연료극은 기본적으로 상술한 YSZ와 같은 세라믹재로 이루어진다. 특히 가격이 저렴하고 고온의 환원분위기에서 안정적인 NiO-8YSZ 나 Ni-8YSZ와 같은 금속세라믹 복합체(cermet)를 사용하는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하여 상술한 단위 셀 간의 전기적으로 연결되는 모습을 설명한다. 도 2는 인터커넥터형 단위 셀이 전기적으로 연결된 단위 셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 단위 셀(100) 간을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 셀 어레이를 형성할 수 있다. 단위 셀(100)은 인터커넥터(104)가 제1 전극으로 기능하게 되고, 단위 셀(100) 외주면에 노출되는 제2 전극층(103)이 제2 전극으로 기능한다. 따라서 단위 셀(100) 간을 직렬로 연결하는 경우에는 어느 한 단위 셀(100)의 인터커텍터(104)와 타 단위 셀(100)의 제2 전극층(103)이 접촉하도록 연결한다. 반면 단위 셀(100) 간을 병렬로 연결하는 경우에는 연결되는 두 단위 셀(100)의 제2 전극층(103)끼리 접촉하도록 연결한다. 도 2는 3S5P(3 series 5 parallel) 방식으로 연결된 셀 어레이(1000)를 나타내고 있다.
도 3 및 도 4a를 참조하여 일 실시예에 의한 양방향 단자형 연료전지 스택을 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀 고정을 위한 구성을 나타내는 개략적인 분해 사시도이고, 도 4a는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 모습을 나타내는 횡단면도이다.
집전부재(200)는 판형으로 형성된다. 판형으로 형성된 집전부재(200)는 와이어 형태의 집전체에 비하여 고전류 집전에 유리하다. 집전부재(200)의 일 면에는 단자부(210)가 형성된다. 단자부(210)는 마찬가지로 집전된 고전류를 외부에 효율적으로 전달하기 위하여 판형으로 형성하는 것이 바람직하다. 단자부(210)는 집전부재(200)의 일 면으로부터 수직방향으로 돌출되도록 구비된다. 또한 집전부재(200)와 단자부(210)는 니켈(Ni), 은(Ag) 등 종래의 집전부재로 사용되는 성분을 적어도 하나 이상 포함하는 단일 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다.
집전부재(200)는 3S5P 방식으로 배열되는 셀 어레이에 구비되어 집전한다. 이 때 3S5P 방식으로 배열된 셀 어레이 중 병렬로 연결되는 5개의 단위 셀이 하나의 번들이라 가정하면, 도 4의 셀 어레이(1000)는 총 3개의 번들(100a, 100b, 100c)이 직렬로 연결되는 형태로 배열된다. 이 때 집전부재(200)는 한 쌍으로 구비되며, 하나는 제1 번들(100a)을 구성하는 단위 셀들의 인터커넥터(104) 측에 접촉하여 제1 전극의 단자로 기능하고, 나머지 하나는 제3 번들(100c)을 구성하는 단위 셀들의 제2 전극층(103) 측에 접촉하여 제2 전극의 단자로 기능한다. 한편, 하나의 번들을 구성하는 단위 셀의 수를 증가시키면 연료전지의 전기용량이 증가하게 되고, 번들의 수를 증가시키면 총 전압이 커지게 된다.
절연부재(300)는 판형의 전기적 절연체로 형성된다. 절연부재(300)에는 양 면을 관통하는 제1 관통구(310)가 형성된다. 절연부재(300)는 상술한 집전부재(200)의 외측에 각각 구비되며, 이 때 집전부재(200)에 형성된 단자부(210)가 제1 관통구(310)를 관통하여 외부로 노출된 상태가 된다. 절연부재(300)에는 후술할 고정부재(500)가 관통할 수 있도록 고정홀을 형성할 수 있으나, 후술할 홀더에 형성된 고정홀 간의 간격보다 작은 가로 및 세로 길이를 갖는 경우에는 고정홀을 별도로 형성할 필요는 없다. 다만 이 경우에도 절연부재(300)의 가로 및 세로 길이는 상술한 집전부재의 가로 및 세로 길이보다는 커야 절연 효과를 극대화 할 수 있다.
홀더(400)는 판형으로 형성되고, 양 면을 관통하는 제2 관통구(410)가 형성된다. 홀더(400)는 상술한 절연부재(300)의 각각의 외측에 구비된다. 이 때 단자부(210)는 제1 관통구(310) 및 제2 관통구(410)를 관통하여 외부로 노출된 상태가 된다. 홀더(400)와 집전부재(200) 사이에는 절연부재(300)가 구비되어 있어 전기적으로 절연된다. 이 때 단자부(210)와 홀더(400)가 접촉하여 통전되는 것을 방지하기 위하여 제2 관통구(410)의 가로 및 세로 길이는 제1 관통구(310)의 가로 및 세로 길이보다 각각 같거나 크게 형성되는 것이 바람직하다.
홀더(400)의 외곽에는 총 4개의 고정홀(420)이 형성된다. 고정부재(500)는 마주보는 고정홀(420)에 각각 삽입되어 나사 체결 방식 등으로 홀더(400) 간의 간격을 고정 및 유지하는 역할을 하게 된다. 한편, 홀더(400) 간의 간격을 고정하고 유지하는 구성에 대하여 설명을 하였으나, 이러한 구성에 대하여 제한은 없다. 즉, 절연부재(300)가 고온에서 강성이 충분히 유지되는 경우에는 홀더(400)를 생략하고 절연부재(300)간의 간격을 고정 및 유지하는 고정부재의 구성으로 대체하는 것도 가능하며, 고정홀(420)이 아닌 단순히 암나사가 형성된 홈(recess)을 홀더(400)에 형성한 후 양단에 나사산이 형성된 별도의 고정부재를 홈에 체결함으로써 두 홀더(400)를 고정하는 것도 가능하다. 또한 고정홀(420)의 개수 및 형성 위치에도 제한이 없다.
한편, 고정부재(500)는 후술할 외부 케이스로 대체할 수도 있으며, 외부 케이스와 함께 사용되는 것도 가능하다. 외부 케이스에 대하여는 이후 상세히 설명한다.
도 4b를 참조하여 일 실시예에 따른 단방향 단자형 연료전지 스택을 설명한다. 도 4b는 일 실시예에 따른 단방향 단자형 연료전지 스택을 나타내는 횡단면도이다.
본 실시예는 앞서 설명한 양방향 단자형 연료전지 스택과 비교하면 제1 및 제2 단자부(210a, 210b)가 동일한 면에 형성되며, 이러한 구성을 위하여 보조 집전부재(300b)가 구비된다는 점에서 차이가 있다.
본 실시예에서의 셀 어레이는 10S3P(10 series 3 parrarel) 방식으로 연결되어 있다. 이전의 실시예에서는 모든 단위 셀(100)들이 번들을 이루어 단일한 방향으로 직렬 연결되었으나, 본 실시예에서는 첫번째 번들(1000a) 내지 다섯번째 번들(1000c)은 도면상에서 윗 방향으로 나머지 절반의 번들, 즉 여섯번째 번들(1000d) 내지 열번째 번들(1000b)은 도면상에서 아래 방향으로 인터커넥터(104)가 정렬된다. 이 때 집전부재(210a, 210b)는 앞선 실시예에서와 동일하게 직렬연결에서의 첫번째 번들(1000a)과 마지막 번들(1000b)에 각각 접촉한다. 보조 집전부재(200b)는 다섯번째 번들(1000c)과 여섯번째 번들(1000d)이 동일한 면에 접촉하는 방식으로 구비된다. 이 때 보조 집전부재(200b)는 번들 간의 직렬연결을 보조하는 역할을 하게 된다.
한편, 제1 절연부재(300a)와 제2 절연부재(300b)는 제1 및 제2 단자부(210a, 210b)가 관통하게 될 관통구의 위치가 한쪽 면에만 형성된다는 차이가 있을 뿐 앞서 설명한 단방향 단자형 연료전지 스택에서와 큰 차이가 없다. 이는 제1 홀더(400)와 제2 홀더(400b)의 경우도 마찬가지이다.
도 4c를 참조하여 다른 실시예에 따른 단방향 단자형 연료전지 스택을 설명한다. 도 4c는 또 다른 실시예에 의한 연료전지 스택을 나타내는 횡단면도이다.
본 실시예는 앞서 설명한 단방향 단자형 연료전지 스택의 경우와 비교하면, 보조 집전부재(200b)의 개수에 차이가 있다. 또한 본 실시예는 20S3P 방식으로 연결된 셀 어레이가 사용된다.
본 실시예의 경우 보조 집전부재(200b)가 각 번들의 방향을 바꾸어 직렬로 연결하는 것을 보조하는 기능을 한다는 면에서는 동일하지만, 3개의 보조 집전부재(200b)가 구비되어, 전체 셀 어레이는 3번의 방향을 바꾸면서 직렬로 연결된다. 즉, 동일한 면에 제1 및 제2 단자부(210a, 210b)가 형성될 수 있도록 하려면 보조 집전부재(200b)가 홀수개로 구비되어야 함을 알 수 있다.
한편, 본 실시예의 경우 앞서 설명한 단방향 단자형 연료전지 스택의 경우에 비하여 높은 전압을 출력하는 효과가 있다. 다만 전기 용량을 증가시키기 위해서는 앞서 설명한 단방향 또는 양방향 단자형 연료전지 스택에서 각 번들을 구성하는 단위 셀의 수를 증가시키는 것으로 충분하다.
도 5를 참조하여 다른 실시예에 따른 단방향 단자형 연료전지 스택을 설명한다. 도 5는 외부 케이스를 구비한 연료전지 스택을 나타내는 사시도이다.
외부 케이스(600)는 상술한 여러 구성요소들이 이탈하는 것을 방지하고, 외부와 격리하는 기능을 한다. 외부 케이스(600)는 제1 및 제2 단자부(210a, 210b)가 각각 외부로 노출되도록 하여야 하며, 상술한 집전부재(200)와는 절연되도록 하여야 한다.
도 6 내지 도 11을 참조하여 다양한 형태의 전기적 연결구조를 갖는 연료전지 모듈을 설명한다. 도 6 내지 도 11은 각각 다양한 형태의 전기적 연결구조를 갖는 연료전지 모듈을 나타내는 개략도이다.
도 6은 단방향 단자형 연료전지 스택(10)만을 이용하여 직렬로 연결한 연료전지 모듈을 나타내고 있다. 이 경우 각 스택(10)의 제1 단자부(210a)는 직렬연결되는 타 스택(10)의 제2 단자부(210b)와 연결된다.
도 7은 단방향 단자형 연료전지 스택(10)과 양방향 단자형 연료전지 스택(10b)을 번갈아 이용하여 직렬로 연결하는 연료전지 모듈을 나타내고 있다. 이 경우 각 스택(10, 10b)의 제1 단자부(210a)는 직렬연결되는 타 스택(10, 10b)의 제2 단자부(210b)와 연결된다는 점에서는 도 6의 경우와 동일하나 단방향 단자형 연료전지 스택(10)의 사이 사이에 양방향 단자형 연료전지 스택(10b)이 연결된다는 점에서 차이가 있다.
도 8은 단방향 및 양방향 단자형 연료전지 스택을 이용하여 직렬로 연결한 연료전지 모듈을 나타내는고 있다. 양방향 단자형 연료전지 스택(10b) 사이에 한번은 단방향 단자형 연료전지 스택(10)을 이용하여 직렬로 연결하고, 한번은 양방향 단자형 연료전지 스택(10b)의 단자간을 직렬로 연결한다. 이는 도 7의 연결방식과 큰 차이는 없으나 단방향 단자형 연료전지 스택(10)의 수가 절반으로 줄어드는 차이가 있다. 연료전지 모듈이 구비될 공간에 따라 도 7 및 도 8의 연료전지 모듈을 선택하여 구성할 수 있다.
도 9는 양방향 단자형 연료전지 스택(10b)만을 이용하여 병렬로 연결한 연료전지 모듈을 나타내고 있다. 복수의 양방향 단자형 연료전지 스택(10b)을 구비하고 단자부의 방향을 일치시킨 후 각 단자부(210a, 210b)를 동일한 극성을 갖는 것끼리 전기적으로 연결한다.
도 10 및 도 11은 양방향 단자형 연료전지 스택(10b)만을 이용하여 직렬 및 병렬 혼합방식으로 연결한 연료전지 모듈을 나타내는 개략도이다. 도 10과 도 11에 도시된 연료전지 모듈은 성능 또는 기능 면에서 큰 차이가 없으나 연료전지 모듈을 설치할 공간에 따라 다양한 형태로 연료전지 모듈을 형성할 수 있음을 나타내고 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 고체산화물 연료전지 스택으로 구현될 수 있다.
10: 단방향 단자형 연료전지 스택
10b: 양방향 단자형 연료전지 스택
100: 단위 셀
200, 200a, 200b: 집전부재
210, 210a, 210b: 단자부
300: 절연부재 310: 제1 관통구
400, 400a: 홀더 410: 제2 관통구

Claims (19)

  1. 병렬로 연결된 복수의 인터커넥터형 단위 셀이 하나의 번들을 형성하고, 상기 번들 복수개가 직렬로 연결되는 셀 어레이;
    상기 직렬로 연결된 복수의 번들 말단에 각각 전기적으로 연결되어 집전하는 한 쌍의 판형 집전부재;
    상기 집전부재 각각에 구비되는 제1 및 제2 단자부; 및
    상기 제1 및 제2 단자부가 관통하는 제1 관통구가 형성되고, 상기 한 쌍의 집전부재 외측에 각각 구비되는 한 쌍의 절연부재;를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀은 내측으로부터 차례로 적층되는 제1 전극층, 전해질층 및 제2 전극층을 구비하고, 상기 제1 전극층과 연결되며 상기 제2 전극층과 절연된 상태로 외부에 노출되는 인터커넥터를 구비하고,
    상기 제1 집전부재와 상기 제2 집전부재는 각각 상기 인터커넥터와 상기 제2 전극층과 접촉하는 고체산화물 연료전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    판형으로 형성되고, 상기 제1 및 제2 단자부가 관통하는 제2 관통구가 형성되며, 상기 한 쌍의 절연부재 외측에 각각 구비되는 한 쌍의 홀더를 구비하는 고체산화물 연료전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 홀더에는 각각 대응하는 위치에 고정홀이 형성되고,
    상기 고정홀에 삽입되어 상기 한 쌍의 홀더의 간격을 고정하는 고정부재를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 셀 어레이 및 상기 홀더 외측을 둘러싸도록 구비되고, 상기 제1 및 제2 단자부가 외부로 각각 노출되는 제3 관통구가 형성되는 외부 케이스를 구비하는 고체산화물 연료전지 스택.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀은 튜블라 또는 플랫 튜블라 형상인 고체산화물 연료전지 스택.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단자부는 판형으로 형성되는 고체산화물 연료전지 스택.
  8. 제7항에 있어서,
    제1 및 제2 단자부는 상기 한 쌍의 집전부재 각각으로부터 수직방향으로 돌출되는 고체산화물 연료전지 스택.
  9. 병렬로 연결된 복수의 인터커넥터형 단위 셀이 하나의 번들을 형성하고, 상기 번들 복수개가 직렬로 연결되는 셀 어레이;
    상기 직렬로 연결된 복수의 번들 말단에 각각 전기적으로 연결되어 집전하는 한 쌍의 판형 집전부재;
    직렬 연결되는 두 번들이 동일면에 접하도록 구비되는 판형 보조 집전부재;
    상기 집전부재 각각에 구비되는 제1 및 제2 단자부;
    상기 제1 및 제2 단자부가 관통하는 제1 관통구가 형성되고, 상기 한 쌍의 집전부재 외측에 구비되는 제1 절연부재; 및
    상기 제1 절연부재의 타측에 구비된 보조 집전부재의 외측에 구비되는 제2 절연부재;를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단위 셀은 내측으로부터 차례로 적층되는 제1 전극층, 전해질층 및 제2 전극층을 구비하고, 상기 제1 전극층과 연결되며 상기 제2 전극층과 절연된 상태로 외부에 노출되는 인터커넥터를 구비하고,
    상기 제1 집전부재와 상기 제2 집전부재는 각각 상기 인터커넥터와 상기 제2 전극층과 접촉하는 고체산화물 연료전지 스택.
  11. 제10항에 있어서,
    판형으로 형성되고, 상기 제1 및 제2 단자부가 관통하는 제2 관통구가 형성되며, 상기 제1 절연부재 외측에 구비되는 제1 홀더; 및
    판형으로 형성되고, 상기 제2 절연부재 외측에 구비되는 제2 홀더;를 구비하는 고체산화물 연료전지 스택.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 홀더 및 상기 제2 홀더에는 각각 대응하는 위치에 고정홀이 형성되고,
    상기 고정홀에 삽입되어 상기 한 쌍의 홀더의 간격을 고정하는 고정부재를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 셀 어레이, 상기 제1 홀더 및 상기 제2 홀더 외측을 둘러싸도록 구비되고, 상기 제1 및 제2 단자부가 각각 외부로 노출되는 제3 관통구가 형성되는 외부 케이스를 구비하는 고체산화물 연료전지 스택.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 단위 셀은 튜블라 또는 플랫 튜블라 형상인 고체산화물 연료전지 스택.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단자부는 판형으로 형성되는 고체산화물 연료전지 스택.
  16. 제15항에 있어서,
    제1 및 제2 단자부는 상기 한 쌍의 집전부재 각각으로부터 수직방향으로 돌출되는 고체산화물 연료전지 스택.
  17. 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 의한 단방향 단자형 연료전지 스택을 구비하고, 상기 단방향 단자형 연료전지 스택 간은 직렬로 연결되는 고체산화물 연료전지 모듈.
  18. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 의한 양방향 단자형 연료전지 스택과 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 의한 단방향형 연료전지 스택을 구비하고,
    상기 양방향 단자형 연료전지 스택과 상기 단방향 단자형 연료전지 스택은 번갈아 직렬로 연결되는 고체산화물 연료전지 모듈.
  19. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 의한 양방향 단자형 연료전지 스택을 구비하고,
    상기 양방향 단자형 연료전지 스택은 직렬 및 병렬로 연결되는 고체산화물 연료전지 모듈.
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