KR101121110B1 - 연료전지용 집전체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전도성 물질과 탄화규소를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 집전체에 관한 것이다.

Description

연료전지용 집전체{COLLECTOR FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 집전체에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 600~1,000℃의 고온에서 작동하고, 도시가스 등 다양한 하이드로카본(Hydrocarbon) 계통의 연료를 사용할 수 있다. 그리고, 고체산화물 연료전지가 가스 터빈(Gas turbine) 등과 연계된 혼합형 구조이면, 고온에서 효율이 매우 높으면서도 환경 오염물질을 거의 방출하지 않는다. 이러한 이유로, 고체산화물 연료전지는 차세대 청정 에너지원으로 주목 받고 있다.
한편, 연료전지에서 발생된 전기를 접전하기 위하여, 금속성 집전체, 예를 들면, SUS400계, 크로퍼(Crofer)계, 인코넬(Inconel)계, 귀금속계(백금, 금, 은 등) 집전체를 이용하고 있다. 보다 상세하게 설명하면, SUS400계 집전체와 인코넬계 집전체는 연료전지 운전 온도 영역에 따라 700℃이하에서 이용되고, 크로퍼 또는 내산화 막을 코팅한 크로퍼 재질인 크로퍼계 집전체는 700~800℃에서 이용된다.
그러나, 이러한 금속성 집전체는 고온에서 부식 및 Cr 피독 현상으로 인하여 실제로는 작동 온도를 높이는데 많은 제약이 따르고 있다. 특히, SUS400계 집전체와 크로퍼계 집전체는 고온에서 장시간 운전하면, 집전체의 표면이 산화되어 산화막이 형성되고, 이로 인해 셀 전체의 오믹 저항(Ohmic resistance)이 증가되고, 저항증가로 인해 전기전도도가 떨어지는 단점이 있다. 그리고, SUS400계 집전체와 크로퍼계 집전체는 휘발 및 확산된 Cr 성분의 오염으로 인하여 셀 성능이 낮아지는 문제가 있다. 그리고, 귀금속계 집전체는 실험실 규모의 시험 평가용 연료전지 셀에서 귀금속 메쉬 또는 와이어로 이용되고 있으나, 양산시에는 가격의 문제로 사용이 어렵다.
한편, 탄화규소(SiC)계 소재는 고온에서 구조재료로 이용되는 대표적인 소재로서, 고온의 산화분위기에서 부식되지 않고, 타 소재와 반응성이 매우 낮다. 그리고, 탄화규소계 소재는 온도가 높아질수록 전기저항이 낮아지고, 이로 인해 전기전도도가 향상된다. 따라서, 탄화규소계 소재가 고온에서 집전체용 재료로 사용 가능하다.
하지만, 탄화규소계 소재는 상온에서 전기전도도가 매우 낮아 집전체를 시스템 외부의 상온 부위까지 연장하여 일체형으로 사용할 수 없다. 이러한 문제를 극복하고자, 집전판에 별도의 금속성 버스 바(Bus Bar)를 연결하여 사용하는 방법을 고려해볼 수 있으나, 금속성 버스바 역시 부식의 문제로 인하여 사용하기 어렵다.
본 발명의 목적은 850℃ 이상의 고온과 상온 모두에서 전기전도도가 우수한 연료전지용 집전체를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 850℃ 이상의 고온과 상온 모두에서 부식되지 않는 연료전지용 집전체를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 연료전지의 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 집전체를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 금속성 물질로부터 유발된 크롬 등의 오염물질에 의한 성능저하를 최소화할 수 있는 연료전지용 집전체를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 제조단가가 낮고 경량화된 연료전지용 집전체를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 장기간 사용하여도 집전효율이 저하되지 않는, 수명이 길고 내구성이 우수한 연료전지용 집전체를 제공하는 것이다.
본 발명은 전도성 물질과 탄화규소를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 집전체를 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지용 집전체는 850℃ 이상의 고온에서만 전기전도도가 우수하고 상온에서는 전기가 흐르지 않는 탄화규소계 집전체와는 달리, 탄화규소와 전도성 물질의 복합구조인 집전체이므로 850℃ 이상의 고온과 상온 모두에서 전기전도도가 우수하다. 본 발명에 따른 연료전지용 집전체는 850℃ 이상의 고온에서 부식되는 금속 집전체와는 달리, 탄화규소와 전도성 물질의 복합구조인 집전체이므로 850℃ 이상의 고온과 상온 모두에서 부식되지 않는다. 본 발명에 따른 연료전지용 집전체는 연료전지의 작동 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지용 집전체는 제조단가가 낮고 가볍다. 본 발명에 따른 연료전지용 집전체는 장기간 사용하여도 집전효율이 저하되지 않으므로, 수명이 길고 내구성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 연료전지용 집전체의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 코어-쉘 구조의 연료전지용 집전체를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일례에 따른 코어-쉘 구조의 연료전지용 집전체를 나타낸 도면이다.
도 4은 본 발명의 또 다른 일례에 따른 연료전지용 집전체를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 연료전지용 집전체는 단위셀의 분리판, 단위셀들 사이에 위치하는 연결재 또는 스택의 전기를 집전하는 집전체를 의미한다.
본 발명의 연료전지용 집전체는 전도성 물질과 탄화규소를 포함한다.
상기 연료전지용 집전체가 전도성 물질과 탄화규소를 모두 포함한 복합체이므로, 850℃ 이상의 고온에서만 전기전도도가 우수하고 상온에서는 전기가 흐르지 않는 탄화규소계 집전체와는 달리, 850℃ 이상의 고온 및 상온에서도 전기전도도가 우수하다. 그리고, 상기 연료전지용 집전체는 850℃ 이상의 고온에서 부식되는 금속 집전체와는 달리, 탄화규소와 전도성 물질의 복합구조인 집전체이므로 850℃ 이상의 고온과 상온 모두에서 부식되지 않는다.
상기 연료전지용 집전체는 탄화규소를 포함하므로, 금속만 포함한 금속성 집전체와는 달리, 제조단가가 낮고 가볍다.
상기 전도성 물질은 탄화규소 내부에 위치하는 것, 즉 탄화규소로 전도성 물질의 표면이 모두 보호된 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 전도성 물질이 외부로 노출되지 않아야 전도성 물질의 표면이 산화되지 않고, 이로 인해 저항에 의한 전류의 손실이 최소화되고, 이에 따라 전기전도도가 높아지기 때문이다.
도 1은 본 발명의 연료전지용 집전체의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지용 집전체의 탄화규소로 보호된 것을 알 수 있다.
상기 연료전지용 집전체의 구조는 상술한 바와 같이, 상기 전도성 물질이 외부로 노출되지 않는다면 특별히 한정하지 않으나, 상기 전도성 물질을 상기 탄화규소가 감싸는 코어(core)-쉘(shell) 구조, 상기 전도성 물질과 상기 탄화규소가 적층된 구조, 상기 전도성 물질이 상기 탄화규소 내에 스며든 구조(percolation structure) 중에서 선택되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 적층된 구조는 상기 전도성 물질이 가운데 층으로 존재하고, 이의 상, 하부에 상기 탄화규소가 위치하는 것이 바람직하다.
한편, 집전부위의 전류가 복합체 내부를 통해 상온부위까지 전달될 수 있도록 전도성 물질은 서로 연결되어 있는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 코어-쉘 구조의 연료전지용 집전체를 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 다른 일례에 따른 코어-쉘 구조의 연료전지용 집전체를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전도성 물질을 탄화규소가 둘러싸고 있는 코어-쉘 구조인 것을 알 수 있다.
도 4은 본 발명의 또 다른 일례에 따른 연료전지용 집전체를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 전도성 물질이 섬유 구조로 짜여 있고, 상기 전도성 물질을 모두 탄화규소가 감싸고 있는 것을 알 수 있다.
상기 전도성 물질은 당 업계에서 이용되는 물질이라면 특별히 한정하지 않으나, 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 실리콘(Si) 및 탄소를 포함하는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전도성 물질은 전기전도도에 영향을 미치지 않는다면 형태는 특별히 한정하지 않으나, 파티클 또는 섬유 구조일 수 있다.
상기 연료전지용 집전체는 상기 전도성 물질과 탄화규소를 1:9~9:1의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 4:6~6:4의 중량비로 포함하는 것이 보다 바람직하다.
상술한 범위를 만족하면, 고온산화분위기와 상온 모두에서, 부식되지 않으며 전기전도도가 우수해진다.
본 발명은 상술한 연료전지용 집전체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 상기 연료전지는 고체산화물 연료전지인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연료전지용 집전체는 850℃ 이상의 고온에서만 전기전도도가 우수하고 상온에서는 전기가 흐르지 않는 탄화규소계 집전체와는 달리, 탄화규소와 전도성 물질의 복합구조인 집전체이므로 850℃ 이상의 고온과 상온 모두에서 전기전도도가 우수하다. 본 발명에 따른 연료전지용 집전체는 850℃ 이상의 고온에서 부식되는 금속 집전체와는 달리, 탄화규소와 전도성 물질의 복합구조인 집전체이므로 850℃ 이상의 고온과 상온 모두에서 부식되지 않는다. 본 발명에 따른 연료전지용 집전체는 연료전지의 작동 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지용 집전체는 제조단가가 낮고 가볍다. 본 발명에 따른 연료전지용 집전체는 장기간 사용하여도 집전효율이 저하되지 않으므로, 수명이 길고 내구성이 우수하다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
실시예1 및 비교예1: 연료전지용 집전체의 제조
경화된 페놀 수지로 충진된 탄소섬유를 900℃에서 탄화시켜 다공성 탄소 복합체를 형성하였다. 상기 다공성 탄소 복합체 상에 실리콘을 위치시키고, 1620℃에서 열처리하였다. 상기 열처리 결과, 일부 실리콘은 탄소섬유와 반응하여 탄화규소를 형성하였고, 일부 실리콘은 그대로 탄화규소에 스며들었고, 일부 탄소섬유는 실리콘과 반응하지 않고 그대로 남아 있었다. 이로 인해 표면은 탄화규소이고, 내부에는 실리콘과 탄소섬유가 위치하는 탄화규소 복합체를 형성하였다.
상기 탄화규소 복합체 내 탄화규소와 실리콘과 탄소섬유의 부피%는 하기 표 1에 나타내었다. 그리고 상기 탄화규소 복합체를 연료전지용 집전체로 이용하였다.
탄화규소
(부피%)		 전도성 물질
실리콘(부피%) 탄소섬유(부피%)
실시예1 30 30 40
비교예1 100 - -
시험예: 연료전지용 집전체의 특성 평가
실시예1 및 비교예1의 연료전지용 집전체를 디지털멀티미터(제조사: fluke, 모델명: 233)을 이용하여 전기전도도를 측정하였다.
전기전도도
상온
실시예1 1.1Ω
비교예1 전기가 흐르지 않음
표 2를 참조하면, 본 발명의 따른 실시예1의 연료전지용 집전체가 상온에서 저항이 1.1Ω이므로, 전기전도도가 우수한 것을 알 수 있다. 반면에, 탄화규소만으로 이루어진 비교예1의 경우 상온에서 전기가 흐르지 않아, 상온에서 집전체로 이용할 수 없음을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 전도성 물질 및 탄화규소를 포함하고, 상기 전도성 물질은 탄화규소 내부에 위치하는 연료전지용 집전체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전도성 물질을 상기 탄화규소가 감싸는 코어(core)-쉘(shell)의 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지용 집전체.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 전도성 물질과 상기 탄화규소는 적층 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지용 집전체.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 전도성 물질이 상기 탄화규소 내에 스며든 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지용 집전체.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 전도성 물질은 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 실리콘(Si) 및 탄소를 포함하는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 집전체.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 전도성 물질과 탄화규소는 1:9~9:1의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 집전체.
  8. 청구항 2의 연료전지용 집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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