KR101180161B1 - 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 - Google Patents

서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체를 고체산화물 연료전지에 삽입함으로써, 유로가 없는 분리판을 사용할 수 있는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 적어도 일면이 평평한 금속 분리판; 상기 평평한 금속 분리판의 상부에 적층되는 NiO, Fe3O4, CuO 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체; 상기 유로가 형성된 시트 성형체의 상부에 위치되는 음극층; 상기 음극층의 상부에 위치되는 전해질층; 및 상기 전해질층의 상부에 위치되는 양극층을 포함하는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체를 고체산화물 연료전지에 삽입함으로써, 집전의 효과를 향상시킬 수 있으며, 유로가 없는 분리판을 사용할 수 있고, 나아가 연료전지의 두께를 줄일 수 있는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

Description

서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법{SOLID OXIDE FUEL CELL WITH SERPENTINE GAS FLOW CHANNEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SMAE}
본 발명은 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체를 고체산화물 연료전지에 삽입함으로써, 유로가 없는 평평한 분리판을 사용할 수 있는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지는 일반적으로 연료전지 중 가장 높은 온도(700 ~ 1000℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 현재 활발히 이루어지고 있다.
고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 전기화학적 에너지 변환장치로서, 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극) 및 연료극(음극)으로 이루어진다. 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다.
그러나, 상기 공기극, 전해질 및 연료극을 기본으로 하는 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 여러 개의 단위 전지를 적층(스택)하여 연료 전지를 구성함으로써 상당량의 전력을 출력시킬 수 있게 되고, 나아가 다양한 발전 시스템 분야에 적용할 수 있게 된다. 상기 적층을 위해서, 한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극은 전기적으로 연결되어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 분리판(seperator)이 사용된다. 또한, 상기 공기극 또는 연료극과 분리판 사이에는 집전체(current collector)가 구비되어 공기극 또는 연료극이 분리판과 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있게 한다. 이러한 집전체로는 세라믹 재질의 재료나 은 또는 백금이 사용될 수 있다.
상기 분리판은 일반적으로 철계 합금, 니켈계 합금, 크롬계 합금, 스테인리스 등의 재질로 이루어는데, 상기 분리판은 셀과 셀간의 직렬연결과 전자 집전을 도우며, 원료 가스를 잘 분배해주는 기능을 위해 요철 형태의 유로를 갖도록 가공이 되어 사용되어 왔다. 그러나, 상기 분리판의 형상을 제어하기 위해서는 고가의 장비가 요구되고, 제조 시간도 상당히 길다는 문제점이 있다. 또한, 상기 분리판은 부피가 매우 크기 때문에 열 소모가 크며, 전자저항의 증가를 가져오는 등 여로모로 비효율적인 상황이다.
한편, 상기 분리판의 유로 분배를 원활하게 하기 위하여, 서펜틴 유로를 형성시키기도 하는데, 고체산화물 연료전지는 고온에서 작동이 되므로, 세펜틴 유로의 복잡한 형상에 의해 휘어짐의 문제가 발생하게 된다.
본 발명의 일측면은 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체를 고체산화물 연료전지에 삽입함으로써, 집전의 효과를 향상시킬 수 있으며, 유로가 없는 평평한 분리판을 사용할 수 있고, 나아가 연료전지의 두께를 줄일 수 있는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 적어도 일면이 평평한 금속 분리판; 상기 평평한 금속 분리판의 상부에 적층되는 NiO, Fe3O4, CuO 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체; 상기 유로가 형성된 시트 성형체의 상부에 위치되는 음극층; 상기 음극층의 상부에 위치되는 전해질층; 및 상기 전해질층의 상부에 위치되는 양극층을 포함하는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지를 제공한다.
이 때, 상기 유로가 형성된 시트 성형체의 두께는 0.3~1.0mm인 것이 바람직하다.
본 발명은 NiO, Fe3O4, CuO 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 시트를 적층하여 시트 성형체를 제조하는 단계; 상기 시트 성형체를 압착시키는 단계; 상기 압착된 시트 성형체를 가공하여 서펜틴 유로를 형성시키는 단계; 상기 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체의 상부에 음극층을 적층시키는 단계; 상기 음극층의 상부에 전해질층을 적층시켜 적층체를 형성하는 단계; 상기 적층체를 가열 압착한 후, 1300~1450℃에서 소결하여 소결체를 형성하는 단계; 상기 소결체의 상부에 양극층을 적층시켜 연료전지 셀을 형성하는 단계; 및 상기 연료전지 셀의 하부에 적어도 일면이 평평한 분리판을 구비시키는 단계를 포함하는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체를 고체산화물 연료전지에 삽입함으로써, 집전의 효과를 향상시킬 수 있으며, 유로가 없는 평평한 분리판을 사용할 수 있고, 나아가 연료전지의 두께를 줄일 수 있는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 서펜틴 유로가 형성된 시트의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 2는 유로가 형성된 복수의 시트가 적층된 시트 성형체를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 부합하는 연료 전지의 구조의 일례를 나타내는 개략도이다.
본 발명은 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체를 고체산화물 연료전지에 삽입함으로써, 집전의 효과를 향상시킬 수 있으며, 유로가 없는 평평한 분리판을 사용할 수 있고, 나아가 연료전지의 두께를 줄일 수 있는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명은 적어도 일면이 평평한 금속 분리판; 상기 평평한 금속 분리판의 상부에 적층되는 NiO, Fe3O4, CuO 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체; 상기 유로가 형성된 시트 성형체의 상부에 위치되는 음극층; 상기 음극층의 상부에 위치되는 전해질층; 및 상기 전해질층의 상부에 위치되는 양극층을 포함하는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지를 제공한다.
도 1은 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체의 일례를 나타낸 단면도이다. 도 1에 나타난 바와 같은 서펜틴 형태의 유로는 가스의 분배에 아주 효과적이다. 또한, 분리판에 직접 서펜틴 유로를 형성하지 않고, 서펜틴 형태의 시트 성형체(200)를 연료 전지에 적용 즉, 분리판과 음극의 사이에 적층시킴으로써, 집전의 효과를 높일 수 있다. 이는, 음극과 분리판이 결합되는 경우에는 물리적으로 접합되기 때문에 전기 저항이 상당히 크다는 문제가 있으나, 이에 반하여 음극과 시트 성형체(200)는 소결에 의해 결합되므로, 화학적 결합이 일어나게 되고, 이 때문에 전기 저항이 감소하게 된다. 나아가, 시트 성형체(200)와 금속 분리판은 전기 저항을 무시할 수 있는 금속 물질을 재료로서 사용하기 때문에 본 발명에서와 같이, 시트 성형체(200)를 도입하는 경우에는 연료 전지의 효율을 높일 수 있다. 본 발명의 시트 성형체(200)는 가스 도입부(11)를 통해 연료 전지에 원료 가스를 공급하게 되며, 가스 배출부(12)를 통해 가스를 외부로 배출하게 된다. 또한, 상기 시트 성형체(200)는 집전체의 역할을 하기 때문에, 집전체를 따로 장착시키지 않아도 된다는 장점이 있다.
상기 시트 성형체는 NiO, Fe3O4, CuO 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 물질들을 이용하여 연료전지의 음극 밑면에 서펜틴 유로를 삽입함으로써 카본 계통의 연료, 예를 들어 메탄과 같은 물질을 사용할 경우, 유로에서의 개질 반응을 제어할 수 있기 때문에 연료 이용 효과가 증가하게 된다. 또한, 상기 물질들을 이용하여 유로를 제작할 경우, 음극지지체와 결합되어 강도 보강의 역할을 하게 되기 때문에 셀의 강도를 증가시키는 장점을 가지게 된다.
도 2는 유로가 형성된 복수의 시트가 적층된 시트 성형체를 나타내는 사시도이다. 상기 시트 성형체는 도 2에 나타난 바와 같이, 복수의 시트(10)가 적층되어 형성될 수 있으며, 적층 후, 압착되어 연료 전지에 적용될 수 있다.
이 때, 상기 유로가 형성된 시트 성형체의 두께는 0.3~1.0mm인 것이 바람직하다. 상기 시트 성형체의 두께가 0.3mm미만인 경우에는 소결력 저하로 인하여 유로의 형성의 어려우며, 셀의 기계적인 충격을 흡수할 수 없기 때문에 스택에 적용시 셀의 파손이 나타나게 된다. 반면, 1.0mm를 초과하는 경우에는 기계강도의 보강 측면에서는 효과적이나 유로의 분배가 급속히 저하되고 연료전지 셀의 농도 분극 현상이 크게 나타나게 된다.
상기 음극층은 NiO, Fe3O4, CuO 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 금속 산화물과 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia), ScSZ(Scandia Stabilized Zirconia), GDC(Gadolinium Doped Zirconia), YDC(Yttrium Doped Zirconia) 및 SDC(Samarium Doped Zirconia)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 산화물의 복합체일 수 있다.
상기 전해질층은 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia), ScSZ(Scandia Stabilized Zirconia), GDC(Gadolinium Doped Zirconia), YDC(Yttrium Doped Zirconia) 및 SDC(Samarium Doped Zirconia)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
한편, 상기 시트 성형체와 음극층 및 전해질층이 적층된 적층체를 가압 압착시킨 경우, 그 두께는 1.0~2.0mm인 것이 바람직하다. 상기 범위의 적층체 두께를 확보함으로써, 일정 수준 이상의 강도를 확보할 수 있으며, 농도 분극 현상을 줄여 연료 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 1.0mm미만인 경우에는, 강도 확보가 곤란해지며, 2.0mm를 초과하는 경우에는 가스의 분배가 용이하지 않다는 단점이 있다.
상기 양극층은 LSM(Lanthanum Strontium Manganite), LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Iron), LSC(Lanthanum Strontium Cobaltite)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
한편, 상기와 같이, 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체를 음극에 위치시킴으로써, 금속 분리판은 유로가 없어도 사용이 가능하게 된다. 따라서, 금속 분리판의 유로 형성시 소요되는 공정 시간과 비용 등을 절감시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 금속 분리판의 두께를 얇게 할 수 있기 때문에 금속 분리판이 갖는 열 소모와 전자저항을 저감시킬 수 있다. 나아가, 연료 전지의 전체 두께를 감소시킬 수 있으며, 이로 인하여 연료 전지의 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 금속 분리판은 크로퍼(Crofer) 22, 스테인리스(STS) 444, 스테인리스 316 및 니켈 코팅된 스테인리스 및 인코넬(Inconel)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명에 부합하는 연료 전지의 구조의 일례를 나타내는 개략도이다. 이하, 상기 언급한 도 2와 도 3을 참조하여, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, NiO, Fe3O4, CuO 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 시트(10)를 적층하여 시트 성형체(200)를 제조한 후, 상기 시트 성형체(200)를 압착시킨다. 이 때, 압착방법으로는 온간 등가압 성형(Warm Isostatic Press, WIP)을 이용하는 것이 바람직하다.
이후, 상기 압착된 시트 성형체(200)를 가공하여 서펜틴 유로를 형성시킨다. 상기 서펜틴 유로 형성을 위해서는 톰슨(Thomson)장치를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체(200)의 상부에 음극층(300)을 적층시키고, 상기 음극층(300)의 상부에 전해질층(400)을 적층시켜 적층체를 형성한다. 이어서, 상기 적층체를 가열 압착한 후, 1300~1450℃에서 소결하여 소결체를 형성한 뒤, 상기 소결체의 상부에 양극층(500)을 적층시켜 연료전지 셀을 형성시킨다. 이 때, 상기 소결온도가 1300℃미만이면, 소결체의 강도를 확보할 수 없으며, 소결 자체가 잘 안 일어날 수 있으며, 1450℃를 초과하는 경우에는 기공형성이 잘 안되거나 작게 형성되어, 연료 전지의 효율을 떨어뜨릴 수 있으며, 연료 전지의 휘어짐이 발생할 수 있다.
상기한 음극층(300), 전해질층(400) 및 양극층(500)을 형성하는 방법으로는 테이프 캐스팅법, 스크린 인쇄법 및 습식 스프레이법으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 택할 수 있다.
이후, 상기 연료전지 셀의 하부에 적어도 일면이 평평한 분리판(100)을 구비시킴으로써, 본 발명이 제안하는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다.
10: 시트 11: 가스 도입부
12: 가스 배출부 100: 금속 분리판
200: 시트 성형체 300: 음극층
400: 전해질층 500: 양극층

Claims (3)

  1. 적어도 일면이 평평한 금속 분리판;
    상기 평평한 금속 분리판의 상부에 적층되는 NiO, Fe3O4, CuO 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체;
    상기 유로가 형성된 시트 성형체의 상부에 위치되는 음극층;
    상기 음극층의 상부에 위치되는 전해질층; 및
    상기 전해질층의 상부에 위치되는 양극층을 포함하는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유로가 형성된 시트 성형체의 두께는 0.3~1.0mm인 것을 특징으로 하는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지.
  3. NiO, Fe3O4, CuO 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 시트를 적층하여 시트 성형체를 제조하는 단계;
    상기 시트 성형체를 압착시키는 단계;
    상기 압착된 시트 성형체를 가공하여 서펜틴 유로를 형성시키는 단계;
    상기 서펜틴 유로가 형성된 시트 성형체의 상부에 음극층을 적층시키는 단계;
    상기 음극층의 상부에 전해질층을 적층시켜 적층체를 형성하는 단계;
    상기 적층체를 가열 압착한 후, 1300~1450℃에서 소결하여 소결체를 형성하는 단계;
    상기 소결체의 상부에 양극층을 적층시켜 연료전지 셀을 형성하는 단계; 및
    상기 연료전지 셀의 하부에 적어도 일면이 평평한 분리판을 구비시키는 단계를 포함하는 서펜틴 유로가 삽입된 고체산화물 연료전지의 제조방법.
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