KR101154505B1 - 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

음극과 분리판 또는 집전체와의 집전이 보다 용이하고, 집전 효율을 높일 수 있도록, 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 양극, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극, 음극에 형성되며 음극보다 높은 전류 흐름을 갖는 다공성 구조물로 이루어진 집전층을 포함하는 연료 전지용 단위 전지를 제공한다.

Description

연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법 {UNIT CELL FOR FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전류 흐름을 개선한 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
예를 들어, 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극)과, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.
양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
상기 분리판은 단위 전지를 기구적으로 지지하면서 표면에 형성된 통로를 통해 연료 가스를 단위 전지에 지속적으로 공급함과 더불어, 단위 전지에서 생산된 전기 에너지를 집전하는 역할을 한다.
상기 단위 전지에서 음극은 지지력을 위한 강도를 확보하고, 연료가스의 공급 유로의 역할 및 전기 이동 통로의 역할을 하도록 설계된다. 이를 위해 음극은 산화 니켈(NiO)과 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia)의 서멧(Cermet) 구조로 형성된다. 산화 니켈은 연료전지의 운전 조건 하에서 니켈로 환원되어 전류 이동 통로를 제공하고, 이트리아 안정화 지르코니아는 음극의 강도를 증가시키고 전해질막과의 열팽창계수를 맞춰 단위 전지가 열 충격에서도 견딜 수 있도록 한다. 또한, 연료가스나 수증기의 원활한 이동을 위해 음극은 카본 블랙이나 그라파이트와 같은 기공 형성제를 첨가하여 다공성 물질로 제조된다.
그러나, 상기의 구조를 갖는 종래의 단위 전지는 다음과 같은 문제가 있다.
단위 전지는 음극과 전해질막의 열팽창이 다르기 때문에 연료전지의 운전조건 하에서 열팽창계수가 큰 음극 방향으로 휘어지게 된다. 이에 단위 전지와 분리판의 접촉 불량이 발생할 수 있으며, 특히 단위 전지 각 모서리 부분이 분리판과 접촉되지 않는 현상이 발생된다.
또한, 음극은 NiO와 YSZ라는 이종의 물질이 혼합되어 있고, 다공성으로 이루어져 있기 때문에 표면에는 미세한 굴곡이 있다. 이에 분리판과 접촉시 집전 효율이 저하되는 문제가 발생된다.
또한, 단위 전지 소결 과정에서 음극의 표면 부분에 존재하는 니켈은 소결체를 지지하는 세터(setter)와 반응하거나 세터에 일부 고용이 되어 소실된다. 이에 니켈이 소실된 부분에서는 원활한 전류 흐름이 일어나지 않게 된다. 따라서 분리판과 단위 전지 사이에 접촉을 용이하게 할 수 있는 금속망이나 폼 형태의 집전체를 삽입하더라도 니켈 소실에 따른 근원적인 집전 문제는 해결되지 않는다.
이에, 음극과 분리판 또는 집전체와의 집전이 보다 용이하도록 된 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법을 제공한다.
또한, 음극과 분리판 또는 집전체와의 집전 효율을 높일 수 있도록 된 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법을 제공한다.
또한, 음극과 분리판 또는 집전체와의 접촉 저항을 최소화할 수 있도록 된 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법을 제공한다.
이를 위해 본 연료 전지는 전기 에너지를 생성하는 연료 전지용 단위 전지에 있어서, 상기 단위 전지는 음극의 외측 표면에 테이프캐스팅되어 음극보다 높은 전류 흐름을 갖는 다공성 구조물로 이루어진 집전층이 일체로 형성된 구조일 수 있다.
본 단위 전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 양극과, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극을 포함하는 고체산화물 연료전지용 단위 전지일 수 있다.
집전층은 음극의 내부에 삽입되거나, 음극의 외측 표면에 위치할 수 있다.
집전층은 i) 금속 산화물 분말과, ii) 바인더, 분산제, 가소제가 녹아 있는 용매, iii) 기공제를 포함할 수 있다.
금속 산화물 분말은 산화 니켈(NiO)이나 산화철(Fe2O3) 등에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
기공제는 집전층에 대해 5 ~ 25 중량%로 포함될 수 있다.
집전층은 10 ~ 100㎛ 두께로 형성될 수 있다.
집전층은 5 ~ 50%의 기공도로 형성될 수 있다.
집전층은 금속 산화물의 입성장 억제 물질을 더 포함할 수 있다.
금속 산화물의 입성장 억제 물질은 YSZ 등의 세라믹에서 선택될 수 있다.
금속 산화물의 입성장 억제 물질은 금속 산화물 분말을 포함하는 집전층 전체 세라믹 분말에 대해 5 ~ 15중량%로 포함될 수 있다.
한편, 본 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법은, ⅰ) 전해질 시트와 음극 시트 및 집전층 시트를 제조하는 단계와, ⅱ) 전해질막 시트와 음극 시트 및 집전층 시트를 적층하여 스택을 형성하는 단계와, iii) 스택을 가열 압착하여 세라믹 성형체를 제조하는 단계와, iv) 세라믹 성형체를 동시 소결하여 집전층이 형성된 음극 및 전해질막을 형성하는 단계와, v) 전해질막 위에 양극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
집전층 시트 제조 단계는 집전층 슬러리를 이용한 테이프 캐스팅 공정을 통해 이루어질 수 있다.
집전층 시트 제조를 위한 집전층 슬러리는 i) 금속 산화물 분말과, ii) 바인더, 분산제, 가소제가 녹아 있는 용매, iii) 기공제를 포함할 수 있다.
금속 산화물 분말은 산화 니켈(NiO)이나 산화철(Fe2O3) 등에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
기공제는 집전층에 대해 5 ~ 25 중량%로 포함될 수 있다.
집전층은 10 ~ 100㎛ 두께로 형성될 수 있다.
집전층은 금속 산화물의 입성장 억제 물질을 더 포함할 수 있다.
금속 산화물의 입성장 억제 물질은 YSZ 등의 세라믹에서 선택될 수 있다
금속 산화물의 입성장 억제 물질은 금속 산화물 분말을 포함하는 집전층 전체 세라믹 분말에 대해 5 ~ 15중량%로 포함될 수 있다.
스택 가열 압착 단계는 70 ~ 120℃에서 이루어질 수 있다.
소결 단계는 1200 ~ 1500℃에서 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 음극 지지체에 집전층을 형성함으로써 접촉저항을 줄이고, 분리판이나 집전체와의 집전효율을 높여 연료 전지의 성능을 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 집전층을 통해 전도도를 높임으로써, 단위 전지의 휘어짐 현상 발생시에도 접촉 불량으로 인한 전도도 저하를 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 측단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 제조방법에서 사용되는 테이프 캐스팅 장치를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 테이프 캐스팅 장치의 부분 확대 단면도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 제조 방법에서 전해질 시트와 음극 시트 및 집전층 시트를 적층하는 과정을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 실시예의 제조 방법에 따라 제조된 세라믹 성형체를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 실시예의 제조 방법에 따라 완성된 단위 전지의 사시도이다.
도 8은 본 실시예의 제조 방법에 따라 완성된 단위 전지의 단면을 나타낸 전자 현미경 사진이다.
도 9는 본 실시예의 연료 전지의 전력 밀도를 종래와 비교하여 실험한 결과를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 실시예의 연료 전지의 전력 밀도에 따른 전압 변화와 전력 변화를 종래와 비교하여 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
도 1은 본 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지를 도시한 개략적인 측단면도이다.
도 1 참고하면, 본 단위 전지(10)는 전해질막(12)과, 전해질막(12)의 일면에 위치하는 양극(14)과, 전해질막(12)의 다른 일면에 위치하는 음극(16)과, 음극(16)에 형성된 집전층(18)을 포함한다.
전해질막(12)은 Y, Sc, Sm, 및 Gd 중 어느 하나가 첨가된 지르코니아(ZrO2) 또는 세리아(CeO2)를 포함할 수 있다. 양극(14)은 페로브스카이트상 산화물인 La-Sr-Mn 산화물(LSM) 또는 La-Sr-Co-Fe 산화물(LSCF)을 포함할 수 있다. 음극(16)은 Ni과 이트리아 안정화 지르코니아의 복합체를 포함할 수 있다. 여기에서 언급한 전해질막(12) 양극(14) 및 음극(16)의 재료는 하나의 예일 뿐, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
집전층(18)은 음극(16)의 내부와 음극(16)의 외면 중 적어도 한 곳에서 음극(16)의 표면과 나란하게 일정한 두께로 형성되어 음극(16)과 일체를 이룬다. 본 실시예에서 상기 집전층(18)은 음극의 외면에 형성되나, 이에 한정되지 않는다. 집전층(18)은 10 ~ 100㎛의 두께로 형성될 수 있다. 집전층(18)의 두께가 10㎛ 미만이면 집전층(18)에 의한 전류 흐름 향상 효과가 미비해지고, 집전층(18)의 두께가 100㎛을 초과하면 집전층의 열팽창 문제로 인해서 단위 전지의 음극과 집전층이 소결시 벌어지거나 크랙이 발생할 수 있다.
집전층(18)은 음극(16)과 비교하여 상대적으로 높은 전류 흐름도를 갖는 다공성 구조물로 이루어진다. 집전층(18)은 바인더, 분산제, 가소제가 녹아 있는 용매와, 상기 용매에 혼합되는 금속 산화물 분말, 및 기공제를 포함한다. 금속 산화물 분말은 산화 니켈(NiO)이나 산화철(Fe2O3) 등에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 기공제는 집전층에 대해 5 ~ 25중량%로 포함될 수 있다. 기공제가 5중량% 미만으로 삽입될 경우에는 소결 후 집전층의 기공도가 매우 낮기 때문에 연료 전지 운전시 가스 투과의 문제가 발생될 수 있다. 기공제가 25중량%를 넘게 되면 소결시 휘어짐 제어가 불가능해진다.
또한, 상기 금속 산화물 분말은 집전층에 대해 70중량% 이상 포함될 수 있다. 금속 산화물은 집전층에 대해 100중량%로 포함되는 것이 성능면에서는 가장 좋으나, 100중량%일 경우 소결 문제가 발생될 수 있다. 이에 단위 전지의 생산이 어렵고 열팽창 제어가 어려워진다. 금속 산화물이 70중량% 이하가 되면 집전층의 성능 향상을 기대하기 어렵다.
본 실시예에서 상기 집전층(18)의 두께 및 그 조성은 단위 전지의 소결시 일어나는 휘어짐에 따라 결정될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 단위 전지의 휘어짐이 소결 후 큰 경우에는 집전체의 기공도를 높여주어 휘어짐을 최소화하거나 집전체의 두께를 증가시켜 휘어짐을 최소화할 수 있다.
또한, 상기한 방법으로 단위 전지의 휘어짐이 제어되지 않는 경우 본 실시예의 집전층은 금속 산화물의 입성장 억제 물질을 더 포함할 수 있다. 입성장 억제 물질은 금속 산화물 분말의 과도한 입성장을 방해하는 물질로, 구체적으로, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 등의 세라믹을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 금속 산화물의 입성장 억제 물질은 금속 산화물을 포함하는 집전층 전체 세라믹 분말에 대해 5 ~ 15중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우 집전층으로서의 성능을 기대하기 어렵다.
전술한 집전층(18)은 음극(16)의 가장 바깥쪽 외면에 형성되어 연료 전지의 분리판 또는 집전체와의 사이에서 집전능을 높이고, 음극(16)에서의 전류 흐름을 증가시키는 역할을 하도록 작동된다. 집전층(18)은 음극(16)으로 사용되는 세라믹 물질과 반응성이 없으므로 음극(16)의 전기 전도 및 이온 전도를 방해하지 않으며, 다공성 구조로 연료가스나 수중기의 이동 역시 방해하지 않는다.
도 2는 본 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2를 참고하면, 본 제조 방법은, 전해질 시트와 음극 시트 및 집전층 시트를 제조하는 제1 단계(S100)와, 전해질 시트와 음극 시트 및 집전층 시트를 적층하여 스택을 제조하는 제2 단계(S200)와, 적층된 스택을 가열 압착하여 세라믹 성형체를 제조하는 제3 단계(S300), 세라믹 성형체를 동시 소결하여 집전층이 형성된 음극과 전해질막을 제조하는 제4 단계(S400)와, 전해질막 위에 양극 재료를 도포 후 소결하여 양극을 제조하는 제5 단계(S500)를 포함한다.
제1 단계(S100)에서, 전해질 시트는 전해질 슬러리를 이용한 테이프 캐스팅법으로 제조되고, 음극 시트는 음극 슬러리를 이용한 테이프 캐스팅법으로 제조된다. 집전층 시트 또한, 집전체 슬러리를 이용한 테이프 캐스팅법으로 제조된다.
상기 전해질 슬러리는 Y, Sc, Sm, 및 Gd 중 어느 하나가 첨가된 지르코니아(ZrO2) 또는 세리아(CeO2)를 포함할 수 있다. 음극 슬러리는 Ni과 이트리아 안정화 지르코니아의 복합체를 포함할 수 있다.
또한, 집전층 슬러리는 바인더, 분산제, 가소제가 녹아 있는 용매에 금속 산화물 분말 및 기공제를 혼합하여 제조된다. 여기서 상기 금속 산화물 분말은 산화 니켈(NiO)이나 산화철(Fe2O3) 등의 집전능을 증가시킬 수 있는 모든 재료가 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 전기적인 특성과 촉매 활성이 우수한 산화니켈이 사용된다.
집전층 슬러리 제조를 위해 산화니켈 분말을 PVB(Poly vinyl butyral) 계통의 바인더와 혼합하고, 이를 이온성 분산제와 혼합한 후 DOP(Dioctyl phthalate)로 이루어진 가소제와 혼합한다. 그리고 점도 조절을 위해 알코올과 톨루엔의 용매에 혼합하고, 기공제를 추가하여 테이프 캐스팅용 집전층 슬러리를 제조한다.
상기 기공제는 집전층에 대해 5 ~ 25중량%로 포함될 수 있다. 또한, 상기 금속 산화물 분말은 집전층에 대해 70 ~ 100중량%로 포함될 수 있다.
필요한 경우 휘어짐과 수축율 제어를 위해, YSZ와 같은 니켈의 입성장을 막아주는 입성장 억제 물질을 더 첨가한다. 입성장 억제 물질은 상기 집전층 슬러리에 대해 5 ~ 15중량%로 포함될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시한 제1 단계에서 사용되는 테이프 캐스팅 장치를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 테이프 캐스팅 장치의 부분 확대 단면도이다.
도 3과 도 4를 참고하면, 테이프 캐스팅 장치(100)는 바탕 필름(20)을 이송하는 한 쌍의 롤러(22)와, 슬러리를 제공받아 바탕 필름(20) 위에 도포하는 슬러리 챔버(24)와, 슬러리 챔버(26)에 부착되어 슬러리를 균일한 두께로 밀어내는 닥터 블레이드(26)와, 바탕 필름(20) 위에 도포된 슬러리를 건조시키는 건조 챔버(28)를 포함한다.
전술한 테이프 캐스팅 장치(100)를 이용하여 전해질 슬러리를 바탕 필름(20) 위에 도포 후 건조시켜 전해질 테이프를 제조하고, 같은 방법으로 음극 슬러리를 바탕 필름(20) 위에 도포 후 건조시켜 음극 테이프를 제조한다. 그리고 집전층 슬러리를 바탕 필름(20) 위에 도포 후 건조시켜 집전층 테이프를 제조한다. 이어서 전해질 테이프와 음극 테이프 및 집전층 테이프를 원하는 크기로 절단 및 가공한 다음 바탕 필름을 제거하여 전해질 시트(30)와 음극 시트(32) 및 집전층 시트(32)를 완성한다.
제2 단계(S200)에서, 테이프 캐스팅 장치를 통해 제조된 전해질 시트(30)와 음극 시트(32) 및 집전층 시트(34)를 적층하여 스택(36)을 제조한다.
본 실시예에서 음극 시트의 일면에 전해질 시트가 적층되고 음극 시트의 다른쪽 면에 집전층 시트가 적층된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 음극 시트(32)가 적층 구비되며 적층된 음극 시트(32)의 양 면에 각각 적어도 하나의 전해질 시트(30)와 집전층 시트(34)를 배치한다.
적층된 음극 시트(32)는 추후 음극(16)이 되고, 전해질막 시트(30)는 추후 전해질막(12)이 되므로, 원하는 음극(16)의 두께 및 전해질막(12)의 두께를 고려하여 음극 시트(32)의 적층 수와 전해질막 시트(30)의 적층 수를 조절한다. 집전층 시트(34) 역시 원하는 집전층(18)의 두께에 맞추어 집전층 시트의 개수와 위치를 조절한다.
도 5와 같이 음극 시트(32)와 전해질막 시트(30) 및 집전층 시트(34)가 적층되면, 이 스택(36)을 가열 압착하여 집전층이 형성된 음극과 전해질막의 구성을 갖는 세라믹 성형체(40)를 제조한다.
여기서 스택(36)의 가열 압착은 70 ~ 120℃에서 진행될 수 있다. 가열 압착 온도가 70℃ 미만이면 소결 후 집전층(18)이 분리되는 현상이 나타날 수 있고, 가열 압착 온도가 100℃를 초과하면 음극 시트(32)와 전해질 시트(30)에 주름이 발생하거나 소결 과정에서 정밀한 두께 조절이 어려워질 수 있다.
도 6은 본 제조방법의 제3 단계를 거치면서 가열 압착되어 제조된 세라믹 성형체를 도시하고 있다.
상기와 같이 제조된 세라믹 성형체(40)를 원하는 크기로 절단한 다음, 동시 소결하여 음극(16)과 전해질막(12)을 제조한다. 동시 소결은 1,200℃ 내지 1,450℃에서 진행될 수 있다.
소결 온도는 음극(16)과 집전층(18)을 동시에 소결할 수 있는 온도 조건으로서, 전술한 범위를 벗어나면 음극(16)과 집전층(18)의 동시 소결이 이루어지지 않거나 휘어짐 현상이 나타나게 되며, 단위 전지(100)의 갈라짐과 크랙 현상을 유발할 수 있다.
제3 단계의 가열 압착 과정과 제4 단계(S400)의 소결 과정을 거치면서 집전층(18)은 음극(16)의 외면에서 음극과 일체를 이루며 음극(16)에 단단하게 고정된다.
여기서 상기 소결 과정에서 집전층의 니켈 일부가 세터와 반응할 수 있다. 그러나, 상기 집전층은 매우 두껍기 때문에 표면에 있는 니켈 일부가 빠져나가더라도 니켈의 함량이 높기 때문에 전도도의 변화는 거의 없다. 따라서 집전층이 세터와 반응하더라도 집전 효율을 높일 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제5 단계(S500)에서 전해질막(12) 위에 양극 슬러리를 도포 후 소결하여 양극(14)을 형성한다. 양극 슬러리는 페로브스카이트상 산화물인 La-Sr-Mn 산화물(LSM) 또는 La-Sr-Co-Fe 산화물(LSCF)을 포함할 수 있다. 양극 슬러리의 소결은 900℃ 내지 1200℃에서 진행될 수 있다. 전술한 과정으로 양극(14)을 형성하여 양극(14)과 전해질막(12) 및 집전층(18)을 구비한 음극(16)으로 이루어진 단위 전지(10)를 완성한다.
도 8은 완성된 단위 전지의 전자 현미경 사진으로, 음극과 집전층의 단면을 보여주고 있다.
도 8과 같이, 본 단위 전지는 음극에 집전층이 일체로 형성되어 있기 때문에 음극과 집전층 사이의 접촉저항이 없으며, 따라서 전기 집전이 매우 효과적임을 알 수 있다. 또한, 집전층은 내부 기공을 충분히 가지고 있기 때문에 연료의 주입시 음극으로의 연료 이동이 매우 효과적임을 알 수 있다.
도 9는 집전층을 구비하지 않은 음극을 포함하는 단위전지와 집전층을 구비한 음극을 갖는 본 실시예의 단위전지의 성능 비교 실험을 나타낸 그래프이다.
본 실험은 800℃에서 3%의 H2O를 포함한 수소(H2)를 음극으로 200ml/min의 속도로 흐르게 하고, 공기를 양극으로 600ml/min의 속도로 흐르게 하여, 8시간 환원 후, 전기로더를 이용한 전류 전압 곡선 측정을 통해 이루어졌다.
도 9에서 비교예는 집전층이 구비되지 않은 단위 전지이며, 실시예는 집전층이 구비된 단위전지이다. 비교예와 실시예 모두 전해질막 상에 50미크론의 양극(LSM:YSZ = 1:1)을 도포하여 제조되었다.
실시예1은 기공제가 5% 포함되고, 집전층은 전체 세라믹 분말에 대해 NiO 분말이 100중량% 포함된 단위전지이다. 실시예2의 단위전지는 기공제가 5% 포함되고, 집전층은 전체 세라믹 분말 중 NiO 90중량%와 10중량%의 YSZ의 혼합물로 제조되었다. 실시예3의 단위전지는 기공제가 10% 포함되고, 집전층은 전체 세라믹 분말 중 NiO와 10중량%의 YSZ의 혼합물로 제조되었다.
도 9는 0.8V의 전압하에서 각 단위 전지의 전류 밀도를 나타내고 있다.
실험 결과, 본 실시예의 단위전지가 종래 비교예의 단위 전지에 비해서 전류 밀도가 높음을 알 수 있다. 이에 본 실시예와 같이 집전층을 구비한 경우 집전층을 구비하지 않은 비교예에 비해 전류 흐름이 보다 원활함을 알 수 있다.
도 10은 단위 전지에서 전류 밀도에 따른 단위 전지 전압 변화와 전력 변화를 나타낸 그래프이다. 도 10의 실험 조건은 도 9의 실험 조건과 동일하다.
도 10에 도시된 바와 같이, 집전층을 구비한 본 실시예의 경우 집전층이 없는 종래 비교예에 비해 약 20% 이상의 최대 출력 향상이 관찰되었다. 따라서 본 실시예의 단위 전지가 종래의 단위 전지에 비해서 집전능이 개선되어 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
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.
10 : 단위 전지 12 : 전해질막
14 : 양극 16 : 음극
18 : 집전층 30 : 전해질막 시트
32 : 음극 시트 34 : 집전층 시트
36 : 스택 40 : 세라믹 성형체

Claims (22)

  1. 전기 에너지를 생성하는 연료 전지용 단위 전지에 있어서,
    상기 단위 전지는 음극의 외측 표면에 테이프 캐스팅되어 음극보다 높은 전류 흐름을 갖는 다공성 구조물로 이루어진 집전층이 일체로 형성된 구조의 연료 전지용 단위 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 전지는 전해질막과, 상기 전해질막의 일면에 위치하는 양극과, 상기 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극을 포함하는 고체산화물 연료 전지용인 연료 전지용 단위 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 집전층은 i) 금속 산화물 분말과, ii) 바인더, 분산제, 가소제가 녹아 있는 용매 및 iii) 기공제를 포함하는 연료 전지용 단위 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 산화물 분말은 산화 니켈이나 산화철에서 선택되는 어느 하나 이상인 연료 전지용 단위 전지.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 기공제는 집전층에 대해 5 ~ 25중량%로 포함되는 연료 전지용 단위 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전층은 10 ~ 100㎛ 두께로 형성되는 연료 전지용 단위 전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 집전층은 5 ~ 50%의 기공도로 형성되는 연료 전지용 단위 전지.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 집전층은 금속 산화물의 입성장 억제 물질을 더 포함하는 연료 전지용 단위 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속 산화물의 입성장 억제 물질은 YSZ를 포함하는 세라믹에서 선택되는 연료 전지용 단위 전지.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속 산화물의 입성장 억제 물질은 금속 산화물 분말을 포함하는 집전층 전체 세라믹 분말에 대해 5 ~ 15중량%로 포함되는 연료 전지용 단위 전지.
  11. 전해질 시트와 음극 시트 및 집전층 시트를 제조하는 단계와,
    전해질막 시트와 음극 시트 및 집전층 시트를 적층하여 스택을 형성하는 단계와,
    스택을 가열 압착하여 세라믹 성형체를 제조하는 단계와,
    세라믹 성형체를 동시 소결하여 집전층이 형성된 음극 및 전해질막을 형성하는 단계와,
    전해질막 위에 양극을 형성하는 단계
    를 포함하는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 집전층 시트 제조 단계는 집전층 슬러리를 이용한 테이프 캐스팅 공정을 통해 이루어지는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 집전층 시트 제조를 위한 집전층 슬러리는 i) 금속 산화물 분말과, ii) 바인더, 분산제, 가소제가 녹아 있는 용매 및 iii) 기공제를 포함하는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 산화물 분말은 산화 니켈이나 산화철에서 선택되는 어느 하나 이상인 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 기공제는 집전층에 대해 5 ~ 25중량%로 포함되는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 집전층은 10 ~ 100㎛ 두께로 형성되는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 집전층은 5 ~ 50%의 기공도로 형성되는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 집전층은 금속 산화물의 입성장 억제 물질을 더 포함하는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 금속 산화물의 입성장 억제 물질은 YSZ를 포함하는 세라믹에서 선택되는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 금속 산화물의 입성장 억제 물질은 금속 산화물 분말을 포함하는 집전층 전체 세라믹 분말에 대해 5 ~ 15중량%로 포함되는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  21. 제 11 항에 있어서,
    상기 스택 가열 압착 단계는 70 ~ 120℃에서 이루어지는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
  22. 제 11 항에 있어서,
    상기 소결 단계는 1200 ~ 1500℃에서 이루어지는 연료 전지용 단위 전지 제조 방법.
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