KR100685215B1 - 가스 투과성 기판 및 이를 이용한 고체 산화물형 연료 전지 - Google Patents

가스 투과성 기판 및 이를 이용한 고체 산화물형 연료 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 가스 투과성 기판은 상면 및/또는 하면에 개구를 형성하는 다수의 미세 구멍을 갖는 다공질 금속판; 및 미세 구멍에 충전된 미립자를 포함한다. 가스 투과성 기판에 있어서, 다공질 금속판의 상면 및 하면 중의 적어도 하나가 실질적으로 평활하다.

Description

가스 투과성 기판 및 이를 이용한 고체 산화물형 연료 전지{Gas permeable substrate and solid oxide fuel cell using the same}
본 발명은 가스 투과성 기판 및 이를 이용한 고체 산화물형 연료 전지에 관한 것이다. 본 발명은 경량 또한 박형이며, 특히 고체 산화물형 연료 전지의 기판에 적합한 가스 투과성 기판 및 이것을 이용한 고체 산화물형 연료 전지에 관한 것이다.
고체 산화물형 연료 전지(이하 「SOFC」로 생략한다), 산소 센서 및 수소 분리막 등의 기능 막을 사용하는 디바이스에서는, 가스 투과성 지지체가 사용되고 있다. 예를 들면, 지지 기판으로서 이용되는 세라믹스 소결체는 지지 부재 또한 가스 유로로서 기능한다. 그러나, 가스 투과성과 기판 강도를 확보하는 면으로부터 디바이스의 경박화가 곤란했다.
경박화의 관점으로부터, 철망 지지체 상에 금속 소결 분말 등을 2층 구조로 피복한 금속 필터가 제안되고 있다(일본국 특개평 7-60035호 공보 참조).
또한, 철망을 압하한 기판에 분말을 도포하여 제작된 금속 필터가 제안된다. 이 금속 필터는 각종 유류, 가스류 및 액체 등의 여과에 사용되고 있다(일본국 특허 제3146837호 공보 및 일본국 특개평 8-229320호 공보 참조). 이 필터는 여과 대상의 크기(입자 직경 등)에 따라서 미세 구멍 직경을 조정하여 이용된다.
가스 투과성 기판을 사용하는 SOFC로서, 발전 요소(연료극, 전해질, 및 공기극)를 다공질 금속 기판에 분사로 제막한 SOFC이 제안되고 있다(Plasma Sprayed Thin-Film SOFC for Reduced Operating Temperature, Fuel Cells Bulletin, pp597-600, 2000 참조).
또한, 수소 분리 기능을 갖는 막, 박 또는 시트를 가스 투과성 기판에 피복하여 이루어지는 수소 분리 부품이 제안되고 있다. 이 수소 분리 부품은 기판의 두께 방향으로 가압되고, 분리되는 가스를 통해서 사용된다.
그러나, 일본국 특공개 7-60035에 있어서, 철망이 소결 금속 분말층으로부터 돌출하고, 즉, 철망이 소결 금속 분말층에 매설되지 않기 때문에, 기판을 박형으로 제작하는 것은 어렵다.
일본국 특허 제3146837호 공보에 있어서, 금속 필터는 철망을 압하하여 제작된다. 따라서, 철망이 돌출하고 있는 부분 때문에 기판의 평탄 표면을 얻을 수 없고, 그 위에 박막을 형성하는 것이 어렵다. 또한, 분말층이 철망 상에 형성되기 때문에, 전체 필터가 두껍게 제조되는 문제를 갖고 있다.
연료 전지 공보에 개시된 SOFC에 있어서, 기판을 가스 유로로서 이용할 수가 없기 때문에, 별도의 가스 유로가 제공된다. 이것은 다공질 금속 지지체의 상면이 치밀하게 형성되어, 분사에 의해 성막이 가능해지기 때문이다. 따라서, 부품점수가 증가하고, 집전체나 가스 유로를 포함하는 셀 부분이 두꺼워져 소형화가 곤란했 다.
수소 분리 부품은 기판의 두께 방향으로 가압되고, 분리되는 가스를 통해서 사용된다. 이 경우, 수소 분리 부품이 수소를 분리하는 데만 이용할 때, 다공질 기판에 전기 전도성은 요구되지 않는다. 그러나, SOFC에 이용할 때는, 기판에 집전체 기능을 부여하여 전기 전도성으로 하는 것이 요구된다. 또한, SOFC에 있어서, 가스의 흐름 방향이 다공질 기판의 평면 방향으로 되기 때문에, 보다 높은 가스 투과성도 요구된다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 행하여진 것이다. 본 발명의 목적은 경량, 박형으로 가스 확산성이 높고, 기능성 재료와의 접촉률 및 밀착성이 큰 가스 투과성 기판 및 이것을 이용한 고체 산화물형 연료 전지를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1 측면은 상면 및/또는 하면에 개구를 형성하는 다수의 미세 구멍을 갖는 다공질 금속판; 및 미세 구멍에 충전된 미립자를 포함하고, 상기 다공질 금속판의 상면 및 하면 중의 적어도 하나가 실질적으로 평활한 가스 투과성 기판을 제공한다.
본 발명의 제2 측면은 상면 및/또는 하면에 개구를 형성하는 다수의 미세 구멍을 갖는 다공질 금속판, 및 미세 구멍에 충전된 미립자를 갖는 가스 투과성 기판을 포함하고, 상기 다공질 금속판의 상면 및 하면 중의 적어도 하나가 실질적으로 평활하고, 가스 투과성 기판의 상면 및 하면에 적층된 발전 요소를 포함하는 각각의 단전지가 적층되는 고체 산화물형 연료 전지를 제공한다.
도 1은 본 발명의 가스 투과성 기판을 도시하는 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 가스 투과성 기판을 도시하는 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 가스 투과성 기판을 도시하는 개략 단면도이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명의 프레임을 갖는 가스 투과성 기판을 도시하는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 SOFC를 도시하는 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 SOFC를 도시하는 개략 단면도이다.
도 7은 실시예 3의 가스 투과성 기판을 도시하는 개략 단면도이다.
도 8은 실시예 5의 가스 투과성 기판을 도시하는 개략 단면도이다.
도 9는 비교예 1의 가스 투과성 기판을 도시하는 개략 단면도이다.
도 10은 실시예 1의 가스 투과성 기판의 횡단면을 도시하는 SEM도이다.
도 11은 실시예 2의 가스 투과성 기판의 횡단면을 도시하는 SEM도이다.
본 발명의 실시 형태는 도면을 참조하여 하기에 설명하고, 동일 부품에는 동일 참조 부호를 부여한다. 설명의 편의를 위해, 다공질 금속판 등의 한 면을 상면으로 설명하고, 이의 다른 면을 하면으로 설명한다. 그렇지만, 이들은 등가의 요소이고, 이들 요소를 서로 대체하는 구성도 본 발명의 범위 내에 포함된다.
(제1 실시 형태)
본 발명의 가스 투과성 기판은 상면 및/또는 하면에 개구를 형성하는 다수의 미세 구멍을 갖는 다공질 금속판; 및 미세 구멍에 충전된 미립자를 포함한다. 가 스 투과성 기판은 다공질 금속판의 상면 및 하면 중의 적어도 하나가 실질적으로 평활한 것을 특징으로 한다. 구체적인 실시 형태는 도 1 내지 도 3에 도시된다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 가스 투과성 기판(1)은 다공질 금속판(3) 및 미립자층(7)을 포함한다. 다공질 금속판(3)은 다수의 미세 구멍(5)을 포함하고, 미세 구멍(5)에 근거하는 개구(5a, 5b)는 다공질 금속판(3)의 상면(3a) 및 하면(3b)에 형성된다. 미립자가 이들 미세 구멍(5)에 충전되어 미립자층(7)을 형성하여, 이의 상면은 평활해진다. 본 발명의 가스 투과성 기판(1)이 이와 같이 얻어진다.
이러한 구성에 있어서, 가스 투과성 기판(1)은 경량 및 경박형으로 되고, 지지 부재 및 가스 유로로서 기능한다. 게다가, 이 가스 투과성 기판(1)을 사용하고 있는 모든 디바이스는 경량 및 소형으로 설계될 수 있다. 게다가, 가스가 미립자층(7) 내의 구멍을 통과하기 때문에, 가스는 효율적으로 확산되면서 기판을 통과할 수 있다. 다공질 금속판(3)에 포함되는 미세 구멍(5)에 관점에서, 각각의 미세 구멍(5)은 수직 방향 즉 판재의 두께 방향으로 관통되는 것이 바람직하다. 그렇지만, 미세 구멍(5)이, 한 표면에 개구를 갖고, 금속판(3) 내에 다른 미세 구멍과 연통함으로써 수직 방향으로 관통된다면, 충분하다.
본 발명의 가스 투과성 기판(1)은 전형적으로 하기와 같이 제조된다. 미립자의 슬러리는 스크린 인쇄, 그린 시트법, 딥핑, 등에 의해 다공질 금속판(3)에 도포되어, 진공, 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 분위기에서, 또는 수소와 같은 환원 분위기에서 소성된다. 이 때, 미세 구멍 형성 재료 등이 미립자층(7)에 구멍을 제공하기 위해 적당하게 사용될 수가 있다.
바람직하게는, 미립자층(7)은 다공질 금속판(3)의 상면(3a) 면적의 30% 이상 및/또는 이의 하면(3b) 면적의 30% 이상을 피복한다. 즉, 구성은 다공질 금속판(3)의 표면부가 도 2에 도시하는 바와 같이 미립자 중에서 소성되는 것이 바람직하다. 이에 의해 미립자층(7)을 통하여 다공질 금속판(3)의 모든 표면에 걸쳐 가스를 분산시킬 수 있다. 피복된 영역이 30% 미만일 때에 미립자층(7)은 얇고, 가스 투과성 기판(1)의 강도는 감소한다. 금속판(3)이 집전체 등으로서의 기능을 포함하는 경우에 있어서, 금속판(3)과 미립자 사이의 접촉 면적이 30% 미만으로 감소되기 때문에, 이 기능은 때때로 저하한다. 구체적으로, 금속판(3)과 미립자 사이의 접촉 면적이 감소하면, 전자는 미립자층(7)과 금속판(3) 사이에 효율적으로 이송되지 않을 수도 있다.
미세 구멍(5)에 충전된 미립자 및 다공질 금속판(3)의 상면(3a) 및 하면(3b)을 피복하는 미립자는 동일 재료 또는 상이한 재료일 수도 있다.
다공질 금속판의 가스 투과율 및 내구성에 입각하여, 미립자층(7)을 구성하는 미립자는 세라믹스 또는 세라믹스 및 금속의 복합 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 세라믹의 예로는 NiO, CuO, Al2O3, TiO2, 세리아 고용체, 안정화 지르코니아, 란탄 코발트계 산화물 및 란탄 망간계 산화물을 포함한다. 금속의 예로는 니켈, 니켈-붕소 합금, 백금, 백금-납 합금 및 은을 포함한다. 세라믹스 및 금속의 복합 재료로서는, 양쪽 모두 임의로 혼합함으로써 얻는 재료가 사용될 수가 있다. 미립자는 약 0.1∼10㎛의 직경을 갖고, 소결 미립자인 것이 바람직하다.
본 발명의 가스 투과성 기판(1)은 다공질 금속판의 표면, 즉 상면(3a) 및 하면(3b) 중의 어느 하나 또는 양쪽 모두 실질적으로 평활한 것을 특징으로 한다. 따라서, 다공질 금속판(3)은 양호한 밀착성을 가진 다른 박막층으로 피복될 수 있다. 다공질 금속판(3)의 표면 및 개구가 평탄해질 때까지 미세 구멍(5)이 미립자로 충전되지 않은 경우라도, 임의의 박막층은 표면에 형성될 수가 있다. 구체적으로, 다공질 금속판이 후술하는 바와 같이 두께가 감소하기 때문에, 일부 경우에 있어서, 금속판의 표면 및 개구는 미립자로 미세 구멍을 충전함으로써 일부 경우에 완전히 평탄하게 될 수 없다. 따라서, 본 발명의 가스 투과성 기판에 있어서, 이의 표면은 일부 경우에 약간 불균일하지만, 표면은 실질적으로 평활하다. 따라서, 다른 박막층과의 밀착성은 종래기술에 비해 매우 향상된다. 또한, 금속판(3)의 표면이 미립자로 미세 구멍(5)을 충전함으로써 평탄하게 형성되기 때문에, 임의의 박막층은 미세 구멍(5)의 크기에 관계 없이 표면에 형성될 수가 있다.
이러한 다공질 금속판(3)으로서는, 예를 들면, 발포 금속 등의 금속 소결체, 케미칼 에칭으로 형성된 미세 구멍을 가진 금속막, 및 레이저나 전자 빔으로 펀칭하여 형성된 미세 구멍을 가진 금속막이 사용될 수 있다. 다공질 금속판이 박형이고, 이의 형상 또는 개구가 유지될 수 없는 경우에 있어서, 프레임을 이의 외측에 제공하여 다공질 금속판을 지지한다. 구체적으로, 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시되는 바와 같이, 프레임(33)이 가스 투과성 기판(1)의 주위에 제공될 때, 향상된 기계 강도를 가진 가스 투과성 기판(30, 32) 및 유지되는 미세 구멍(5)이 얻어질 수 있 다. 예를 들면, 도 10에 도시되는 바와 같이, 다공질 금속판(3)이 양측으로부터 에칭될 때, 미립자를 충전하기에 적합한 형상이 얻어질 수 있다.
다공질 금속판(3)을 구성하는 재료로서는, 스테인리스 강, 인코넬(Inconel), 니켈, 은, 백금, 구리 또는 이들 금속을 임의로 조합시켜서 사용할 수 있다. 이에 의해, 다공질 금속판(3)이 전기 전도성을 가질 수 있다. 다공질 금속판의 두께는 디바이스의 경량화 및 박형화의 면으로부터 0.03∼1㎜인 것이 바람직하다. 0.03㎜ 미만이면 강도가 작고, 1㎜를 초과하면 두껍고 무거워져 가스 투과성 기판을 박판화시킬 수 없다.
미립자층(7)을 형성하기 위해 첨가된 미세 구멍 형성 재료로서는, 탄소 및 유기 재료 등의, 소성함으로써 분해되어 다공질 미립자층을 만드는 재료가 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 다공질 금속판의 미세 구멍은 미립자로 충전되고, 이의 표면은 실질적으로 평활하다. 따라서, 경량, 박형으로 가스 확산성이 높고, 기능성 재료와의 높은 접촉률 및 밀착성을 갖는 가스 투과성 기판을 제공할 수 있다. 여기서, 미립자층(7)은 도 1에 도시되는 바와 같이 미세 구멍(5) 내 및 상면(3a)에 형성된다. 그렇지만, 도 2에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 가스 투과성 기판은 미립자층(7)이 미세 구멍(5) 내와 다공질 금속판(3)의 상면(3a) 및 하면(3b)에 제공되는 가스 투과성 기판(10)일 수도 있다. 이에 의해 가스 투과성 기판의 강도를 더욱 증가시킬 수 있다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 가스 투과성 기판은 미립자층(7)이 미세 구멍(5) 내에만 제공되는 가스 투과성 기 판(20)일 수도 있다. 따라서, 박막으로 형성된 가스 투과성 기판이 얻어질 수 있다. 또한, 도 7에 도시되는 바와 같이, 다공질 금속판(3)의 모든 미세 구멍(5)이 미립자층(7)으로 충전될 필요는 없고, 가스 투과성 기판이 어느 정도까지 미립자로 충전된 미세 구멍을 갖고, 평활한 상면을 갖는다면, 가스 투과성 기판은 본 발명의 기술 범위 내에 있다.
본 발명의 가스 투과성 기판(1)은 다공질 금속판(3)의 표면이 실질적으로 평활한 것을 특징으로 한다. 그렇지만, "실질적으로"란 제조 처리 등에 의한 불가피한 각종 오차를 고려한 표현이며, 불가피 오차를 포함하는 범위여도, 기대 효과를 발휘하는 한, 본 발명의 기술 범위에 속한다.
(제2 실시 형태)
다음에, 본 발명의 가스 투과성 기판을 사용하는 고체 산화물형 연료 전지를 상세히 설명한다. 본 실시 형태의 고체 산화물형 연료 전지의 구성에 대하여 제1 실시 형태의 부분과 동일한 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하여 중복 설명을 생략한다.
본 발명의 SOFC는 제1 실시 형태의 가스 투과성 기판을 이용하여 제조된다. 구체적으로, 가스 투과성 기판의 상면 및/또는 하면에 적층된 발전 요소를 포함하는 각각의 단전지를 적층함으로써 제조된다. 본 발명의 가스 투과성 기판의 표면은 평활하기 때문에, 박형, 경량의 발전 요소가 가스 투과성 기판 전체에 형성되어, 저온에서 작동하는 SOFC가 얻어질 수 있다. 이하에, 도 5 및 도 6을 참조하여 자세히 설명한다. 발전 요소는 연료극, 전해질, 및 공기극, 또는 필요에 따른 중 간층을 포함하는 적층체를 가르킨다. 적층은 단전지를 두께 방향으로 연결하는 경우에 한정되지 않고, 평면 방향으로 연결하는 경우도 포함한다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 가스 투과성 기판(41) 상에 형성된 전해질층(43), 중간층(44), 및 공기극층(45)을 포함하는 본 발명의 SOFC가 도시된다. 가스 투과성 기판(41)은 다공질 금속판(3) 상에 형성된 연료극층(42)을 포함한다. 본 발명의 가스 투과성 기판(41)이 평활한 표면을 갖기 때문에, 전해질층(43), 중간층(44), 및 공기극층(45)이 박형 및 균일하게 형성될 수 있다. 또한, 연료극 재료는 가스 투과성 기판 내의 미립자층에 사용된다. 따라서, 확산 연료 가스(수소 가스, 탄화수소 가스, 등)와 산소 이온 사이의 반응성이 증가하여, 발전 효율이 증가한다.
본 발명의 SOFC는 다공질 금속판의 미세 구멍이 개질 촉매 및 전극 재료로 충전되고, 2개 이상의 층을 포함하는 적층 구조가 미세 구멍에 형성되는 SOFC일 수 있다. 여기서, 전극 재료는 연료극층을 구성하는 연료극 재료, 공기극층을 구성하는 공기극 재료, 및 중간층을 구성하는 중간층 재료를 포함하는 개념이다. 구체적으로, 도 6에 도시되는 바와 같이, 가스 투과성 기판(51)은 개질 촉매층(57) 및 연료극층(52)이 다공질 금속판(3)의 미세 구멍(5) 내에 제공되어 사용된다. 본 발명의 SOFC(50)은 가스 투과성 기판(51) 상에 제1 중간층(53), 전해질층(54), 제2 중간층(55), 및 공기극층(56)을 제공함으로써 얻어질 수 있다. SOFC(50)에 있어서, 개질 촉매층(57) 및 연료극층(52)이 다공질 금속판(3)의 미세 구멍(5) 내에 제공되기 때문에, 연료 가스는 바람직한 가스 조성을 갖도록 개질이 행하여지는 개질 촉 매층(57)을 통과한 후에 연료극층(52)에 공급된다. 또한, 개질 촉매 및 연료극 재료는 다공질 금속판 내에 정렬되기 때문에, SOFC의 두께가 더욱 감소될 수 있다.
본 발명의 SOFC(40)은 중간층(44)이 전해질층(43)과 공기극층(45) 사이에 제공되는 구조를 갖는다. 본 발명의 SOFC(50)는 제1 중간층(53)이 연료극층(52)과 전해질층(54) 사이에 제공되고, 제2 중간층(55)이 전해질층(54)과 공기극층(56) 사이에 제공되는 구조를 갖는다. 중간층이 연료극층과 전해질층 사이에 제공되기 때문에, 연료극층과 전해질층 사이의 접촉 저항은 감소될 수 있다. 또한, 중간층이 전해질층과 공기극층 사이에 제공되기 때문에, 산소 분자의 이온화 반응에 대한 저항성이 감소될 수 있다. 따라서, 산소 분자의 이온화가 촉진되고, 발전 효율이 증가될 수 있다. 중간층을 연료극층과 전해질층 사이에, 및 전해질층과 공기극층 사이에 제공하는 것이 바람직하지만, 중간층 없이 고 발전 효율을 갖는 SOFC를 얻을 수 있다. 가장 바람직한 실시 형태는 도 5에 도시된 SOFC, 즉 다공질 금속판(3) 내에 연료극층(42)을 제공하여 평활한 상면의 가스 투과성 기판(41)을 형성한 후, 전해질층(43), 중간층(44) 및 공기극층(45)을 적층함으로써 얻어지는 SOFC(40)이다. SOFC(40)는 또한 경량화 및 경박화의 관점에서 가장 바람직한 실시 형태이다.
본 발명의 SOFC(50)에 있어서, 다공질 금속판(3)의 미세 구멍(5)은 개질 촉매층(57) 및 연료극층(52)으로 충전되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 미세 구멍은 다른 전극 재료로 충전되어 2층 구조로 형성될 수도 있다. 구체적으로, 연료극층(52) 및 제1 중간층(53)이 미세 구멍(5) 내에 제공될 수 있다. 중간층을 사용하지 않는 SOFC의 경우에 있어서, 연료극층 및 전해질층은 미세 구멍 내에 제 공될 수도 있다. 연료 가스는 개질 촉매층(57)에 제공됨으로써 적합하게 제조되지만, 개질 촉매가 반드시 요구되지는 않는다.
발전 요소 및 개질 촉매는 스퍼터링, 증착, 에어로졸 증착, 이온 플레이팅, 이온 클러스터링, 레이저 빔 에블레이션, 스프레이 열 분해, 등에 의해 가스 투과성 기판에 형성될 수 있다. 또한, 발전 요소 및 개질 촉매는 이들 방법 중의 어느 것을 사용하여 연속적으로 형성될 수 있다.
연료극 재료로서는, 니켈, 니켈 서어밋, Ni-이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 서어밋, Ni-사마리아 도프된 세리아(SDC:samaria doped ceria) 서어밋, 백금, 등이 사용될 수 있다. 전해질층 재료로서는, 안정화 지르코니아가 사용될 수 있다. 공기극 재료로서는, 란탄 코발트계 산화물(La1-xSrxCoO3, 등), 란탄 망간계 산화물(La1-xSrxMnO3, 등) 등이 사용될 수 있다. 개질 촉매층의 재료로서는, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 이리디윰(Ir), 레늄(Re)과 루테늄(Ru), 및 철(Fe) 등의 8족 전이 금속이 사용될 수 있다. 또, 개질 촉매층의 재료로서는, 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화크롬(Cr2O3 ), 산화실리콘(SiO2), 산화텅스텐(WO2, WO3, 등), 산화지르코늄(ZrO2), 산화세륨(CeO 2) 및 산화비스무트(Bi2O3) 등의 금속 산화물이 또한 사용될 수 있다. 중간층 재료로서는, 사마리아 도프된 세리아(SDC) 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 가스 투과성 기판을 사용하는 SOFC에 있어서, 다공질 금속판(3)은 다공질 금속판(3)이 전기 전도성 재료를 사용하기 때문에 집전체로서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 가스 투과성 기판이 SOFC의 부분으로서 사용될 때, 전극 재료는 미립자층에 사용될 수 있고, 다공질 금속판은 집전체로서 사용될 수 있다. 전극 재료는 집전체에 의해 지지되어, 가스 투과성 기판이 박형으로 제조될 수 있다. 또한, 전극 재료와 집전체 사이에 접촉 면적이 증가하기 때문에, 전기 성능이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 가스 투과성 기판의 표면은 평활하기 때문에, 기판 전체에 박형, 경량의 발전 요소를 형성하여, 저온에서 작동하는 SOFC를 얻을 수 있다. 또한, 발전 요소의 부분, 즉 전극 재료가 기판에 충전되기 때문에, 접촉 면적이 증가하여, 양호한 강도 및 가스 확산을 갖는 SOFC가 얻어진다.
도 5에 도시된 SOFC(40)에 있어서, 공기극층(45), 중간층(44), 전해질층(43), 및 연료극층(42)은 SOFC(40)의 상면으로부터 시작하는 순서로 도시되지만, 이의 순서는 상면으로부터 시작하여, 연료극층(42), 전해질층(43), 중간층(44), 및 공기극층(45)의 순서일 수도 있다. 또한, 도 6에 도시되는 SOFC(50)에 있어서, 적층 순서는 역전될 수도 있다.
이하에, 본 발명을 실시예를 들어 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
도 1에 도시하는 바와 같이, 다공질 금속판(3)으로서, SUS 304로 이루어지고, 두께 0.1㎜인 에칭 보드에, 포토 에칭에 의해 φ=0.1㎜의 다수의 미세 구멍을 형성했다. 이어서, 미립자층(7)으로서, Ni-SDC로 이루어지고, 입자 직경 2㎛인 연료극 재료의 페이스트를, 스크린 인쇄에 의해 두께 0.12㎜로 다공질 금속판(3) 상에 도포한 후, H2 환원 분위기중 1050℃에서 소성하였다. 이 방법으로, 도 1에 도시되는 가스 투과성 기판을 얻었다. 이 가스 투과성 기판의 단면 확대 사진을 도 10에 도시한다.
(실시예 2)
도 2에 도시하는 바와 같이, 다공질 금속판(3)으로서, Pt로 이루어지고, 두께 1㎜, 기공률 98%인 발포 금속을 금속 분말의 소결에 의해 얻었다. 이어서, 미립자층(7)으로서, Ni-YSZ로 이루어지고, 입자 직경 5㎛인 연료극 재료의 페이스트를, 딥핑에 의해 두께 1.2㎜로 다공질 금속판(3) 상에 도포한 후, H2 환원 분위기중 1050℃에서 소성하였다. 이 방법으로, 도 2에 도시되는 가스 투과성 기판을 얻었다. 이 가스 투과성 기판의 단면 확대 사진을 도 11에 도시한다.
(실시예 3)
도 7에 도시하는 바와 같이, 다공질 금속판(3)으로서, Ni로 이루어지고, 두께 0.2㎜인 펀칭 보드에 레이저 가공에 의해 φ=0.2㎜의 미세 구멍을 형성했다. 이어서, 연료극층으로서, Ni-YSZ로 이루어지고, 입자 직경 2㎛인 연료극 재료를, 그린 시트법으로 두께 0.15㎜로 다공질 금속판(3) 상에 압착 부착한 후, H2 환원 분위기중 1050℃에서 소성하여, 연료극층(42)이 형성된 가스 투과성 기판을 얻었다. 또, 박막 발전 요소로서, 얻어진 가스 투과성 기판에 YSZ로 이루어지고, 입자 직경 0.03㎛인 전해질 재료를 스크린 인쇄에 의해 피복하여, 전해질층(43)을 형성하였다. 얻어진 전해질층(43)에 SSC(Sm 및 Sr 첨가 코발트 산화물)로 이루어지고, 입자 직경 5㎛인 공기극 재료를 스크린 인쇄에 의해 두께 10㎛로 피복하여, 공기극층(45)을 형성하였다. 이 방법으로, 도 7에 도시되는 SOFC 전지(60)를 얻었다. 이 SOFC 전지(60)에 있어서, 0.1W/㎠의 발전을 확인했다.
(실시예 4)
도 3에 도시하는 바와 같이, 다공질 금속판(3)으로서, SUS 304로 이루어지고, 두께 0.1㎜인 에칭 보드에, 포토 에칭에 의해 φ=0.1㎜의 다수의 미세 구멍을 형성했다. 이어서, 미립자층(7)으로서, Ni로 이루어지고, 입자 직경 10㎛인 연료극 재료의 페이스트를, 스크린 인쇄에 의해 두께 0.12㎜로 다공질 금속판(3) 상에 도포한 후, H2 환원 분위기중 1050℃에서 소성하였다. 이 방법으로, 도 3에 도시되는 가스 투과성 기판(20)을 얻었다.
(실시예 5)
도 8에 도시하는 바와 같이, 다공질 금속판(3)으로서, SUS 304로 이루어지고, 두께 0.1㎜인 에칭 보드에, 포토 에칭에 의해 φ=0.1㎜의 다수의 미세 구멍을 형성했다. 이어서, Ni-SDC로 이루어지고, 입자 직경 2㎛인 연료극 재료의 페이스트를, 스크린 인쇄에 의해 두께 60㎛로 상면(3a) 상에 도포하여 연료극층(52)을 형성했다. 또한, Pt로 이루어지고, 입자 직경 3㎛인 개질 촉매층 재료의 페이스트를, 스크린 인쇄에 의해 두께 60㎛로 하면(3b) 상에 도포한 후, H2 환원 분위기중 1050℃에서 소성하여, 개질 촉매층(57)을 형성했다. 이 방법으로, 도 8에 도시되는 가스 투과성 기판(70)을 얻었다.
(비교예 1)
도 9에 도시하는 바와 같이, 다공질 금속판(3')으로서, SUS 304로 이루어지고, 두께 0.25㎜이며, φ=0.1㎜인 금속 메쉬를, 플레인 더치 직조(plain Dutch weaving)에 의해 얻었다. 이어서, 미립자층(7')으로서, Ni-SDC로 이루어지고, 입자 직경 2㎛인 연료극 재료의 페이스트를, 스크린 인쇄에 의해 두께 0.1㎜로 얻어진 금속 메쉬 상에 도포한 후, H2 환원 분위기중 1050℃에서 소성하여, 도 9에 도시되는 바와 같은 가스 투과성 기판을 얻었다.
실시예 1∼5에서는, 기판과 미립자와의 밀착성이 양호하며, 박판화되는 가스 투과성 기판이 얻어졌다. 실시예 1 내지 3 및 5의 가스 투과성 기판의 각각에서 다공질 금속판의 상면 및 미세 구멍 내에 연료극층이 있기 때문에, 가스는 금속판의 상면에서 확산되어, 효율적으로 이송되었다. 실시예 2에 있어서, 연료극층은 다공질 금속판의 상면 및 하면 상에 있기 때문에, 상면 및 하면으로부터의 응력은 밸런스가 용이해지고, 기판의 내구성은 향상되었다. 실시예 3에 있어서, 가스 투과성 기판 상에 발전 요소를 추가로 포함하는 박형 SOFC 전지가 쉽게 얻어졌다. 또한, 실시예 3에 있어서, 연료극 재료는 용이한 제조법인 그린 시트법에 의해 압착 부착되어, 공정수가 감소되었다. 실시예 4에 있어서, 연료극층이 미세 구멍 내에 형성되기 때문에, 연료극층과 기판 재료 사이의 밀착성은 양호했다. 실시예 5 에 있어서, 연료극층 및 개질 촉매층이 미세 구멍 내에 제공되기 때문에, 두께를 더욱 감소시킬 수 있었다. 반대로, 비교예 1에 있어서, 금속 메쉬를 연료극층으로 피복하기 때문에, 연료극층의 두께가 두꺼워졌다. 또한, 다공질 금속판과 연료극층 사이의 접촉 면적이 작기 때문에, 다공질 금속판과 연료극층 사이의 밀착성은 낮다고 추정된다. 또한, 미립자층이 박형으로 제조될 때, 다공질 금속판(3')의 표면 형상 때문에 평활한 표면을 얻는 것이 불가능하다.
일본국 특허 출원 제2002-375781호(2002, 12, 26) 공보의 모든 내용은 참조로서 본원에 통합된다.
본 발명은 본 발명의 특정 실시 형태를 참조하여 상기와 같이 설명되고 있지만, 본 발명은 상술의 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 교시에 입각하여 당업자에 의해 실시될 것이다. 본 발명의 범위는 하기의 청구항을 참조하여 정의된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 다공질 금속판의 미세 구멍은 미립자로 충전되고, 이의 표면은 평활해진다. 따라서, 경량, 박형으로 가스 확산성이 높고, 기능성 재료와의 접촉률 및 밀착성이 큰 가스 투과성 기판 및 이것을 이용한 고체 산화물형 연료 전지를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 가스투과성 기판으로서,
    상면 및/또는 하면에 개구를 형성하는 다수의 미세 구멍을 갖는 다공질 금속판; 및
    상기 미세 구멍에 충전된 미립자를 포함하고,
    상기 가스투과성 기판의 상면 및 하면 중의 적어도 하나가 실질적으로 평활한 가스 투과성 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공질 금속판의 상면 및/또는 하면의 30% 이상이 미립자로 피복되는 가스 투과성 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미립자는 세라믹과, 세라믹 및 금속의 복합 재료 중의 어느 하나로 구성되는 가스 투과성 기판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미립자는 개질 촉매 및 전극 재료를 포함하고,
    2층 이상을 갖는 적층 구조가 각각의 미세 구멍 내에 형성되는 가스 투과성 기판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전극 재료는 공기극층, 연료극층, 및 중간층으로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 적어도 1개의 층을 형성하는 가스 투과성 기판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공질 금속판은 금속 소결체, 에칭 보드, 및 펀칭 보드 중의 어느 하나인 가스 투과성 기판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공질 금속판은 집전체인 가스 투과성 기판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공질 금속판은 스테인리스 강, 인코넬(Inconel), 니켈, 은, 백금, 및 구리로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 적어도 1개의 금속 타입을 포함하는 가스 투과성 기판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다공질 금속판의 두께는 0.03∼1㎜인 가스 투과성 기판.
  10. 상면 및/또는 하면에 개구를 형성하는 다수의 미세 구멍을 갖는 다공질 금속판, 및 상기 미세 구멍에 충전된 미립자를 갖는 가스 투과성 기판을 포함하고,
    상기 가스 투과성 기판의 상면 및 하면 중의 적어도 하나가 실질적으로 평활하고,
    상기 가스 투과성 기판의 상면 및/또는 하면에 적층된 발전 요소를 포함하는 각각의 단전지가 적층되는 고체 산화물형 연료 전지.
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