KR101220739B1 - 평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 - Google Patents

평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 평판형 고체산화물 연료전지에 사용되는 집전체 및 분리판에 관한것으로서, 분리판 기재; 및 상기 분리판 기재의 공기극 또는 연료극 쪽에 형성된 발포금속 집전체를 포함하는 평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판 및 상기 분리판을 포함하는 연료 전지를 제공한다.

Description

평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지{SAPERATOR FOR PLANER SOLID OXIDE FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 고체 산화물 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유로를 형성하지 않은 평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판과 이를 포함하는 고체 산화물 연료 전지에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극)과 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.
공기극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 공기극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
전해질, 공기극 및 연료극으로 이루어진 연료 전지를 단위 전지(unit cell)라고 하며, 1개의 단위 전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 이용하기 위해서는 단위전지를 직렬로 연결해 놓은 형태인 적층 구조물(스택, stack)을 제작하게 된다. 스택을 형성하기 위해 각각의 단위 전지의 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하면서 연료와 공기의 혼합을 막기 위해 분리판을 이용한다.
스택을 구성하기 위해서는 분리판, 연료극, 전해질, 공기극이 하나의 단위를 이루며, 상기 분리판은 기본적으로 Fe-Cr을 기본으로 하는 페라이트계 스테인레스 강판을 사용하며, 공기극과 연료극에는 가스가 이동할 수 있는 통로(유로)를 제공하며, 셀과 셀을 전기적으로 연결시키는 기능이 필요하다.
일반적으로 반응가스(산소 및 수소)의 유로를 제공하기 위하여 분리판은 반응가스가 이동하여 전기화학적 반응에 참여할 수 있도록 에칭을 통하여 유로를 만들거나, 기계 가공 공정이 필수적이다. 그리고 분리판의 집전기능을 향상시키기 위하여 분리판과 셀 사이에 별도의 집전체를 삽입하기도 한다.
상기 유로를 형성하기 위한 에칭 공정은 제조 비용이 높고 제조 시간이 긴 단점이 있으며, 판성형과 같은 기계 가공에 의해 분리판을 제조할 경우 평탄도가 낮고, 별도의 열처리 공정이 필요한 단점이 있다.
본 발명의 일측면은 유로 형성이 필요없는 평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 분리판 기재; 및
상기 분리판 기재의 공기극 또는 연료극 쪽에 형성된 발포금속 집전체를 포함하는 평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판을 제공한다.
또한, 본 발명은 분리판 기재, 상기 분리판 기재의 공기극 또는 연료극 쪽에 형성된 발포금속 집전체를 포함하는 분리판;
상기 분리판의 일면에 접촉되어 형성된 공기극
상기 분리판의 타면에 접촉되어 형성된 연료극; 및
상기 연료극과 공기극 사이에 형성된 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
본 발명에 의한 평판형 분리판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지는 유료 형성을 위한 기계적 또는 화학적 성형 공정을 사용하지 않고 가스의 이동 및 집전이 용이하므로, 제조 공정이 간단하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 연료 전지 적층 구조물(스택)의 일부를 나타낸 모식도임.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 분리판, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다, 본 발명의 상기 분리판은 평판형 분리판을 사용하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명인 평판형 고체 산화물 연료전지 분리판에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 분리판은 분리판 기재를 포함한다. 상기 분리판 기재는 연료 전지와 열팽창 계수가 유사한 페라이트계 스테인레스 스틸 또는 Ni-Fe합금인 것이 바람직하다.
또한, 상기 분리판 기재에서 공기극을 향하는 면에는 보호 코팅층을 포함하는 것이 바람직하다. 특히 상기 페라이트계 스테인레스 스틸을 사용하는 경우에는 기판에서 Cr성분을 포함한 휘발성의 화합물이 증발하여 전지의 전극에 증착되어 전극 반응 면적을 줄여, 전지의 성능을 떨어뜨리기 때문에 보호 코팅을 행하는 것이 바람직하다. 상기 보호 코팅층을 형성하는 방법으로는 스크린 프린팅, 습식 파우더 스프레이, 전기도금, 용사, PVD 등의 기술이 적용 가능하다. 본 발명의 분리판은 유로가 형성되어 있지 않기 때문에 상기 보호 코팅층이 균일하게 형성될 수 있고, 상기 코팅층 형성시 공정이 용이하다는 장점이 있다.
본 발명의 분리판은 상기 분리판 기재의 공기극 또는 연료극 쪽에 발포금속 집전체를 포함한다. 이때 공기극 쪽에 형성된 발포금속 집전체를 공기극 발포금속 집전체라 하고, 연료극 쪽에 형성된 발포금속 집전체를 연료극 발포금속 집전체라 한다.
상기 공기극 발포금속 집전체는 공기극 집전기능 및 공기의 흐름을 위한 것이다. 상기 공기극 발포금속으로는 스테인레스 스틸, Fe-Ni계 합금, Fe-Ni-Cr계 합금, Fe-Ni-SiC계 합금 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 종래에는 공기극 집전체로서, 백금, Crofer(Fe-Cr 합금) 등 금속 메쉬(mesh)를 사용하였으며, 상기 금속 메쉬는 셀과 분리판 사이에 존재하여, 셀과 분리판의 전기적 접촉을 도와주게 된다. 상기 금속 메쉬는 와이어를 그물 모양으로 직조한 형태로서, 셀 또는 분리판과 점 또는 선 접합을 하게 되지만, 본 발명과 같이, 분리판 기재에 발표금속 집전체를 연료극 및 공기극과 접하도록 형성하게 되면, 셀 또는 분리판과 면접합이 가능하게 되어, 접합면적 감소에 의한 손실을 줄일 수 있으며, 따라서, 셀 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 발포금속은 기공을 가지고 있으므로, 분리판에 유로가 없더라도, 공기 및 연료의 분배를 원활하게 해주는 역할을 한다.
상기 연료극 발포금속 집전체는 연료극 집전기능과 연료(수소가스)의 이동이 용이하도록 발포금속 집전체를 구비한다. 상기 연료극 발포금속으로는 Ni 또는 Ni계 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 본 발명의 평판형 고체 산화물 연료전지 분리판은 공기 또는 연료의 유로 역할을 연료극 발포금속 집전체 또는 공기극 발포금속 집전체가 수행하기 때문에, 요철이 없는 분리판의 제작이 가능하다. 따라서, 상기 요철 형성을 위한 화학적 에칭 또는 기계적 가공이 필요치 않아, 제조공정이 단순해지고 공정시간을 단축시킬 수 있으며, 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 발포금속은 탄성을 가지고 있기 때문에, 종래에 탄성이 없는 금속 메쉬(mesh) 등을 사용하여 집전체를 형성하는 경우에 비해, 집전 면적이 증가하므로 전지의 성능도 향상되는 효과가 있다.
이하, 본 발명 고체 산화물 연료전지에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 고체 산화물 연료전지는 분리판 기재, 상기 분리판 기재의 공기극 또는 연료극 쪽에 형성된 발포금속 집전체를 포함하는 분리판을 포함한다.
또한, 상기 분리판의 일면에 접촉하여 연료극을 포함하고, 타면에 접촉하여 공기극을 포함한다. 또한, 상기 연료극과 공기극 사이에 형성된 전해질을 포함한다.
상기 공기극의 집전기능을 향상시키기 위해서, 상기 공기극과 집전체 사이에 고온 전도성 세라믹 코팅층을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 고온 전도성 세라믹 코팅층에 사용되는 코팅물질은 900℃ 이하의 저온에서 소결이 가능한 페로브스카이트 구조의 란탄코발타이트계 물질인 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명 일예의 연료 전지 적층 구조물(스택)의 일부를 나타낸 것이다. 상기 도 1은 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 도 1을 보면, 분리판 기재(1)에 공기극(4)에 접하여 공기극 발포금속 집전체(2)가 형성되고, 상기 공기극(4)과 집전체(2) 사이에 전도성 산화물(3)이 코팅되어 있다.
또한, 분리판 기재(1')에서 연료극(6)에 접하여 연료극 발포금속 집전체(8)가 형성되고, 상기 연료극(6)과 공기극(4) 사이에 전해질(5)이 형성되어 있다. 상기 도 1은 연료극 지지체형 고체 산화물 연료전지를 나타낸 것으로서, 미설명 부호 7은 연료극 지지체를 나타낸 것이다.
1, 1'.....분리판 기재 2.....발포금속 공기극 집전체
3.....전도성 산화물 4.....공기극
5.....전해질 6.....연료극
7.....연료극 지지체 8.....발포금속 연료극 집전체

Claims (6)

  1. 분리판 기재; 및
    상기 분리판 기재의 공기극 또는 연료극 쪽에 형성된 발포금속 집전체를 포함하고, 상기 공기극 쪽에 형성된 발포금속은 스테인레스 스틸, Fe-Ni계 합금, Fe-Ni-Cr계 합금 및 Fe-Ni-SiC계 합금의 1종 또는 2종 이상인 평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료극 쪽에 형성된 발포금속은 Ni 또는 Ni계 합금인 평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판 기재의 공기극 쪽의 표면에 보호 코팅층을 포함하는 평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판.
  5. 분리판 기재, 상기 분리판 기재의 공기극 또는 연료극 쪽에 형성된 발포금속 집전체를 포함하는 분리판;
    상기 분리판의 일면에 접촉되어 형성된 공기극
    상기 분리판의 타면에 접촉되어 형성된 연료극; 및
    상기 연료극과 공기극 사이에 형성된 전해질
    을 포함하고, 상기 공기극 쪽에 형성된 발포금속은 스테인레스 스틸, Fe-Ni계 합금, Fe-Ni-Cr계 합금 및 Fe-Ni-SiC계 합금의 1종 또는 2종 이상인 고체 산화물 연료 전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 공기극과 공기극 발포금속 집전체 사이에 고온 전도성 세라믹 코팅층을 포함하는 고체 산화물 연료 전지.
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