KR101158478B1 - 기계적 유연성을 갖는 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법 - Google Patents

기계적 유연성을 갖는 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 총 두께가 약 150㎛ 이하인 금속지지체형 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 기계적으로 안정하면서도 동시에 유연한 성질을 가지는 경량의 금속지지체형 단위전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 단위전지는 통상의 후막공정인 테이프 캐스팅 방법으로 제조되며, 이를 통해 두께 및 면적의 조절이 용이하고, 기계적 금속지지체의 강도 및 기계적 유연성으로 인해 외부 충격 및 반복적인 휘어짐에도 시편의 파괴가 발생하지 않으며, 특히 스택 제조시 적층 및 집전 상태를 효과적으로 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
금속 지지체, 연료전지, 테이프 캐스팅, 기계적 유연성

Description

기계적 유연성을 갖는 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법 {FABRICATING METHOD OF MECHANICALLY FLEXIBLE METAL-SUPPORTED SOFCS}
본 발명은 기계적으로 유연성을 갖는 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 일반적인 후막 공정인 테이프캐스팅(tape casting) 방법을 이용하여 고체산화물 연료전지를 구성하는 금속 지지체, 음극 및 전해질 후막을 제조하여 적층 및 소결하는 방법을 통해, 기존의 취성이 강한 음극지지체형 고체산화물 연료전지에 비해 총 두께를 150㎛이하로 매우 얇게 유지하면서도 강도, 연성(ductility) 및 인성(toughness)을 구비하여 기계적으로 안정하고 유연성을 구비한 고체산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학반응을 통하여 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치로서, 에너지 변환 효율이 높고 공해가 적으며 수소 연료 외에 천연 가스 등 다양한 연료 사용 시에도 연료 개질기 없이 발전이 가능하며 복합발전이 가능한 등의 장점이 있다.
또한 전력밀도가 높고 용도에 따른 다양한 설계가 가능하여 대형 열병합 발전시스템에서부터 자동차 보조전원장치나 휴대 전원장치와 같은 중소형 전원 시스 템으로까지 매우 광범위한 분야에서 기존의 발전시스템을 대체할 차세대 에너지원으로 많은 주목을 받고 있다.
이러한 고체산화물 연료전지는 주로 전해질 지지체형 및 음극 지지체형으로 개발 및 적용되고 있다. 그런데 전해질 지지체형이나 음극 지지체형은 단위전지의 구성요소가 모두 세라믹으로 되어 있어 기계적으로 매우 취약한 단점을 가지고 있다. 즉, 재료 자체의 취성(brittleness)으로 인해 기계적인 충격이나 변형에 취약하고, 세라믹 재료의 낮은 열전도도로 인해 열 충격에 약하여 빠른 구동이 어렵다. 또한 단위전지를 적층하여 스택을 제조할 때, 집전 상태를 향상시키기 위해 가하는 외부 압력에 단위전지가 쉽게 파괴될 수 있어 집전이 용이하지 않은 문제점도 가지고 있다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 최근에는 금속 지지체형 고체산화물 연료전지에 대한 연구가 진행되고 있다.
금속 지지체형 고체산화물 연료전지는 금속 지지체의 우수한 열전도도 및 금속 소재 특유의 기계적 강도와 연성으로 인해 기존의 세라믹 지지체 형태의 고체산화물 연료전지가 갖는 취약점을 극복할 수 있게 한다.
현재 금속 지지체형 고체산화물 연료전지는 두께 1 ~ 3㎜의 두꺼운 금속 지지체 위에 전극 및 전해질 후막을 형성하는 방법을 통해 고체산화물 연료전지를 구현하는 방법으로 연구되고 있다.
그런데, 두꺼운 금속 지지체는 기계적 강도 면에서는 우수한 특성을 나타낼 수는 있으나, 단위전지가 여전히 단단한 성질을 가지고 있어 집전시 외부의 높은 압력을 필요로 하여 단위전지의 파손을 초래할 수 있을 뿐 아니라, 밀도가 높아 단위전지 및 스택이 무거워져 소형, 휴대용 전원에의 적용에 많은 제약이 있다.
본 발명은 전술한 종래의 세라믹 지지체형 고체산화물 연료전지와 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 금속 지지체를 사용하여 세라믹 지지체의 문제점을 일거에 해소하고 동시에 기존의 두꺼운 금속 지지체와 달리, 일반적인 후막 공정인 테이프 캐스팅법과 소결공정을 통해 얇으면서도 단위전지를 지지할 충분한 강도와 함께 유연성을 구비한 다공질 후막 금속 지지체 후막을 형성함으로써, 총 두께 150㎛ 이하의 얇고 유연한 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 금속 지지체형 고체 산화물 연료전지의 제조방법으로서, (a) 금속 또는 금속산화물 분말과 유기용액을 혼합한 금속 지지체, 음극 및 전해질용 슬러리를 이용하여 금속 지지체, 음극 및 전해질용 후막을 각각 제조하는 단계; (b) 제조된 금속 지지체, 음극 및 전해질용 후막을 적층하고 접합하여 성형체를 제조하는 단계; (c) 상기 성형체를 환원 분위기에서 소결하여, 다공질 금속 지지체, 음극 및 전해질로 이루어진 반전지를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 전해질 위에 양극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 고체산화물 연료전지는, 그 총 두께가 150㎛ 이하이고 기계적 유연성을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 제조방법은 상기 (a)단계에서 후막의 제조는 테이프캐스팅 방법에 의하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 금속 지지체의 기공도 및 기공의 크기는 상기 금속 지지체용 슬러리에 포함되는 금속 분말이나 금속 산화물 분말의 입도(粒度)와 열처리 온도를 조절함으로써 제어될 수 있다.
또한, 상기 (a)단계에서 금속 분말을 사용하여 금속 지지체용 슬러리를 제조할 경우, 금속 지지체의 기공도 제어를 위한 탄소(Carbon), 흑연(Graphite)이나 전분(Starch)과 같은 기공전구체(Pore former)와 함께 금속의 소결 현상을 억제하기 위해 환원 분위기에서 환원되지 않고 잔류할 수 있는 지르코니아(zirconia), 티타니아(titania)나 알루미나(Alumina)와 같은 산화물 분말을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속으로는 제조 및 작동 중 환원분위기에서 산화되지 않고 열팽창 계수 및 반응성, 내산화성 등을 조절할 수 있는 금속이라면 순 금속은 물론 스테인리스강과 같은 합금도 사용할 수 있다.
또한, 상기 (a)단계에서 금속산화물 분말을 사용하여 금속 지지체용 슬러리를 제조할 경우, 산화분위기에서 소결한 후 환원공정에서 환원될 수 있는 금속산화물을 사용하여야 하며, 특히 금속산화물의 환원단계에서는 저온 환원을 통해 음극의 과도한 소결을 제어할 수 있고, 환원온도 조절을 통해 요구되는 음극의 미세구조를 구현할 수 있다.
또한, 상기 유기용액은 테이프캐스팅에 일반적으로 사용되는 고분자용액으로, 이 고분자용액은 톨루엔(Toluene), 에탄올(Ethanol), 폴리비닐부티 랄(Polyvinyl butyral) 및 디옥틸프탈레이트(Dioctyl phthalate)의 혼합물로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 접합은 적층된 후막을 일축 가압하는 방식을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지를 구성하는 단위전지의 두께는, 상기 테이프캐스팅 시의 막의 두께 또는 적층단계에서의 적층되는 장수의 조절을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 50 ~ 100㎛의 두께를 갖는 다공질 금속 지지체와, 상기 금속 지지체 상에 형성된 10 ~ 40㎛ 두께의 음극과, 상기 음극 상에 형성된 5 ~ 10㎛ 두께의 전해질과, 상기 전해질 상에 형성된 양극을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
상기 다공질 금속 지지체의 두께가 50㎛ 미만일 경우 금속의 특성을 구현하기 힘들고 100㎛를 초과할 경우 유연한 특성이 감소하기 때문에, 50 ~ 100㎛의 범위가 바람직하다. 그리고 음극의 두께가 10㎛미만일 경우 전극성능이 감소하게되고 30㎛를 초과할 경우 세라믹 층의 두께가 두꺼워 셀의 유연성이 감소하기 때문에, 10 ~ 30㎛의 범위가 바람직하다. 또한, 전해질의 두께가 5㎛ 미만일 경우 금속지지체에 비해 너무 얇아 셀의 휘어짐에 전해질이 쉽게 파괴될 수 있고, 10㎛를 초과할 경우 저온에서 유효한 전도성을 얻기 어려워 중,저온용으로는 적합하지 않기 때문이다.
또한, 상기 고체산화물 연료전지에 있어서, 상기 단위전지를 구성하는 전해 질로는 세리아 (Ceria) 또는 지르코니아 (Zirconia)와 같은 공지의 고체산화물 연료전지용 전해질 물질을 사용할 수 있으며, 양극 및 음극 물질 또한 고체 산화물 연료전지에서 통상적으로 사용되는 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 고체산화물 연료전지는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 방법은 테이프캐스팅법을 통해 금속 지지체를 제조하는데, 금속 지지체의 경우 강도가 높기 때문에 두께를 얇게 할 수 있어 3 ~ 6장 정도의 적은 수의 테이프의 적층만으로도 단위전지를 지지할 수 있는 강도의 지지체를 얻을 수 있으나, 기존의 음극 지지체의 경우 수십 장을 적층 하여야만 단위전지를 지지할 수 있는 강도를 얻을 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 제조방법은 저비용으로 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있게 한다.
둘째, 본 발명에 따르면 금속 지지체를 수십㎛ 범위 내에서 얇고 균일하게 제조할 수 있으므로 재료비 및 제조비용을 절감할 수 있으며, 소형뿐만 아니라 장비의 성능이 허용하는 한 대면적의 연료전지를 제조할 수 있어 광범위한 분야에 적용이 가능하게 된다.
셋째, 본 발명에 따라 제조된 연료전지는 기존의 연료전지에 비해 경량화가 용이하여, 특히 경량화가 요구되는 운송용, 휴대용 및 군사용 전원장치에 유용하게 적용될 수 있다.
넷째, 본 발명에 따라 제조된 연료전지는 얇은 금속 지지체를 통해 유연성을 구비하고 있으므로, 외부의 기계적 충격이나 변형에 의해 단위전지가 쉽게 파손되지 않고, 스택 제조시 단위전지의 적층과정에서 낮은 외부 압력에도 양호한 집전상태를 쉽게 구현할 수 있어 다른 형태의 단위전지에 나타나는 집전문제를 쉽게 해결할 수 있다.
다섯째, 본 발명에 따라 제조된 연료전지는 금속 지지체를 사용하여 열충격에 강하기 때문에 빠른 구동이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 대표적인 실시 예를 기초로 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
금속 지지체 후막 제조
금속 분말이나 금속으로 환원이 되는 금속 산화물 분말을 테이프 캐스팅용 고분자 용액(Toluene + Ethanol + Polyvinyl butyral + Dioctyl phthalate)과 혼합하여 볼밀링(ball milling)방법으로 슬러리를 제조하고 테이프 캐스팅 방법으로 균일한 두께의 시트(sheet)를 제조한다.
이때 금속 분말에 흑연(Graphite) 분말, 전분(Starch)와 같은 기공 전구체 (Pore former)와 지르코니아(zirconia), 알루미나(Alumina) 등과 같은 세라믹 분말을 적당량 첨가하여 후막 금속 지지체의 기공도, 기공 크기 및 소결 거동을 조절할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시 예에서는 금속 분말로 평균 입도가 6㎛ 정도인 스테인리스강(STS) 분말을 사용하고 기공 전구체로 전분을 STS 분말 대비 무게비로 10%, 지르코니아 분말을 5%를 첨가하여 혼합분말을 제조하였다.
그리고 상기 테이프 캐스팅용 고분자 용액을 상기 혼합분말과 함께 48시간 볼밀링으로 교반하여 슬러리를 수득하였다. 이렇게 수득한 슬러리를 두께 약 80㎛의 테이프로 성형하고 건조하여, 금속 지지체 후막을 제조하였다.
음극 및 전해질 후막 제조
상기 금속 지지체와 동일한 방법으로 음극 및 전해질 후막도 테이프 캐스팅 법으로 성형하여 제조하였다.
구체적으로 음극으로는 NiO-YSZ(Yttria Stabilized Zirconia) 복합체 분말과 상기 고분자 용액(Toluene + Ethanol + Polyvinyl butyral + Dioctyl phthalate)을 혼합하여 볼밀링 방법으로 슬러리를 제조하였다. 이렇게 제조된 슬러리를 약 30 ~ 40㎛ 두께의 테이프로 성형한 후 건조하여 음극 후막을 제조하였다.
동일한 방법으로, YSZ(Yttria Stabilized Zirconia) 분말과 상기 고분자 용액을 혼합하여 볼밀링 방법으로 슬러리를 제조한 후 두께 약 10㎛의 테이프로 성형한 후 건조하여 전해질 후막을 제조하였다.
지지체/음극/전해질 반전지 제조
이상과 같은 방법으로 제조된 금속 지지체, 음극, 및 전해질 후막을 순차적 으로 적층하여 70℃에서 일축 가압하여 도 1에 도시된 바와 같은 3층 구조의 성형체를 제조하였다.
그리고 3층 구조의 성형체를 직경 2cm로 펀칭하여 버튼형 반전지 성형체를 완성한 다음, 400℃에서 1시간 동안 공기 중에서 열처리하여 성형체 내에 포함된 유기물을 열분해 제거한 후, 1300℃에서 3시간 동안 5%H2-95%Ar의 환원분위기에서 소결하여 도 2에 나타낸 금속지지체/음극/전해질의 구조를 가지는 반전지를 제조하였다.
도 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방법을 통해, 약 50㎛의 두께를 가지는 다공성의 스테인리스강 지지체와, 미세한 다공질의 20㎛ 두께의 Ni-YSZ 음극, 그리고 약 10㎛ 두께의 얇고 치밀한 전해질이 성공적으로 제조되었다.
기계적 유연성 평가
이와 같이 제조된 금속 지지체형 반전지의 유연성을 테스트하기 위해 반전지에 외력을 가하여 굴곡변형을 시켰으며, 도 3a와 3b는 각각 변형 전과 후의 상태를 나타내는 사진이다.
도 3에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 금속 지지체형 고체산화물 반전지는 나타내었다. 도 3a와 같이 초기 편평한 단위전지가 도 3b와 같이 쉽게 휘어지며, 금속 지지체 위에 형성된 세라믹의 음극 및 전해질의 파괴 도 발생하지 않았다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 방법을 통해, 종래의 두꺼운 금속 지지체형 고체산화물 연료전지와 차별되는 얇으며 우수한 기계적 강도와 함께 유연성을 구비한 금속 지지체형 연료전지를 제조할 수 있게 되었다.
도 1은 본 발명에 따른 얇은 금속지지체를 이용한 금속 지지체형 고체산화물 단위전지의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 금속 지지체형 고체산화물 단위전지의 단면을 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 금속 지지체형 고체산화물 단위전지의 기계적 유연성을 나타내는 사진으로 편평한 상태(a)에서 시편의 파괴 없이 휘어짐(b)을 보여준다.

Claims (8)

  1. 금속 지지체형 고체 산화물 연료전지의 제조방법으로서,
    (a) 금속 또는 금속산화물 분말과 유기용액을 혼합한 금속 지지체, 음극 및 전해질용 슬러리를 이용하여 금속 지지체, 음극 및 전해질용 후막을 각각 제조하는 단계;
    (b) 제조된 금속 지지체, 음극 및 전해질용 후막을 적층하고 접합하여 성형체를 제조하는 단계;
    (c) 상기 성형체를 환원 분위기에서 소결하여, 다공질 금속 지지체, 음극 및 전해질로 이루어진 반전지를 제조하는 단계; 및
    (d) 상기 전해질 위에 양극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 금속 지지체용 슬러리는 기공도 제어를 위한 기공전구체(Pore former)와, 소결력 제어를 위한 지르코니아(zirconia), 티타니아(titania) 또는 알루미나(Alumina) 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지의 총 두께가 150㎛ 이하이고 기계적 유연성을 갖는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 (a)단계의 후막은 테이프캐스팅법을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 테이프캐스팅 또는 적층 시의 두께 조절을 통해 단위전지의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 접합은 적층된 후막에 일축 가압 방식을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
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