KR101228763B1 - 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 요철 구조를 갖는 음극 기능층을 제조함으로써 반응 면적을 증가시켜 연료 전지의 효율을 증가시킬 수 있는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 음극 지지체; 상기 음극 지지체 상부에 구비되는 음극 기능층; 상기 음극 기능층 상부에 구비되는 전해질을 포함하며, 상기 음극 기능층은 상기 음극 지지체와 접촉하는 면의 반대면에 요철부를 갖고, 상기 음극 기능층은 10~40㎛의 두께를 갖는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 음극 기능층의 반응 면적 증가에 의해 연료 전지의 반응 효율을 증가시킬 수 있으며, 나아가 대면적, 대출력의 평판형 연료전지에 적용할 수 있는 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법{PLANAR SOLID OXIDE FUEL CELL HAVING IMPROVED REACTION AREA AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 요철 구조를 갖는 음극 기능층을 제조함으로써 반응 면적을 증가시켜 연료 전지의 효율을 증가시킬 수 있는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법을 제공하고자 한다.
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.
한편, 최근에는 연료 전지의 성능 향상을 위하여, 반응 단면적을 확대하려는 노력을 하고 있다. 이를 위한 가장 보편적인 방법은 셀의 사이즈를 최대화하는 것이다. 그러나, 셀의 사이즈를 확대하는 것은, 셀 두께 균일성의 저하, 휘어짐의 발생 등의 문제가 발생할 수 있으며, 제조 장비가 고가화되어야 한다는 단점이 있다. 또한, 셀의 사이즈가 커지면 분리판, 밀봉재 등의 기타 연료전지의 구성요소의 사이즈가 커질 뿐만 아니라, 전체적인 스택의 크기가 커지게 된다.
한편, 종래의 고체산화물 연료 전지는 전해질과 음극이 2차원적인 평면구조로 접합되어 있어, 반응 면적이 제한적이라는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 대표적인 기술로는 한국 공개특허공보 제2088-0085092호가 있다. 그러나, 상기 기술은 반도체 공정을 이용한 마이크로 연료 전지에 적용이 가능한 경우이므로, 대면적, 대출력의 평판형 연료전지의 영역에는 적용할 수 없으며, 경제성이 있는 테이프 캐스팅 공법에는 적용할 수 없다.
본 발명은 반응의 주요 역할을 하는 음극 기능층을 요철 형태의 3차원 구조로 제조함으로써, 연료 전지의 반응 효율을 증가시킬 수 있는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 음극 지지체; 상기 음극 지지체 상부에 구비되는 음극 기능층; 상기 음극 기능층 상부에 구비되는 전해질을 포함하며, 상기 음극 기능층은 상기 음극 지지체와 접촉하는 면의 반대면에 요철부를 갖고, 상기 음극 기능층은 10~40㎛의 두께를 갖는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지를 제공한다.
상기 음극 지지체는 스테인리스 스틸, 철계 합금 및 니켈계 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 음극 기능층은 니켈-이트륨 안정화 지르코니아 복합체를 포함할 수 있다. 상기 전해질은 이트륨 안정화 지르코니아 또는 Ce를 주성분으로 하는 산소이온 전도체를 포함할 수 있으며, 상기 전해질은 일면 또는 양면에 요철부를 갖는 것이 바람직하다.
상기 연료 전지의 단면적은 400~1000㎝2인 것이 바람직하며, 상기 연료 전지의 두께는 0.5~1.5mm인 것이 바람직하다.
본 발명은 음극 지지체를 준비하는 음극 지지체 준비단계; 상기 음극 지지체의 상부에 음극 기능층을 적층하는 음극 기능층 적층단계; 상기 적층된 음극 기능층을 펀칭하여 요철부를 갖도록 하는 펀칭단계; 및 상기 펀칭된 음극 기능층의 상부에 전해질을 적층하는 전해질 적층단계를 포함하며, 상기 음극 기능층 및 전해질의 적층은 테이프 캐스팅법, 스크린 인쇄법 및 습식 스프레이법으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 이용하는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
상기 펀칭은 레이저 또는 기계를 이용하는 것이 바람직하며, 상기 전해질은 요철부를 갖도록 적층되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 음극 기능층의 반응 면적 증가에 의해 연료 전지의 반응 효율을 증가시킬 수 있으며, 나아가 대면적, 대출력의 평판형 연료전지에 적용할 수 있는 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 기존의 연료 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 부합하는 연료 전지 구조의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 부합하는 연료 전지 구조의 또 다른 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1은 기존의 연료 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 기존의 연료 전지(10)의 구조는 음극 지지체(101) 상부에 음극 기능층(102)과 전해질(103)이 2차원적인 평면구조로 접합되어 있어, 반응 면적이 제한적이라는 단점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 반응의 주요 역할을 하는 음극 기능층(Anode Function Layer)을 요철 형태의 3차원 구조로 제조함으로써, 반응 면적을 확대하여 전지 효율을 향상시키고자 하는 것이다.
도 2는 본 발명에 부합하는 연료 전지(10a) 구조의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다. 이하, 도 2를 참조하여, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명의 연료전지(10a)는 음극 지지체(101a), 상기 음극 지지체(101a) 상부에 구비되는 음극 기능층(102a) 및 상기 음극 기능층(102a) 상부에 구비되는 전해질(103a)을 포함한다. 이 때, 상기 음극 기능층(102a)은 상기 음극 지지체(101a)와 접촉하는 면의 반대면에 요철부를 갖는 것이 바람직한데, 상기와 같은 요철 구조를 갖는 음극 기능층(102a)을 연료 전지에 적용함으로써, 전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있고, 이로 인해 셀(cell)의 사이즈(size)를 줄일 수 있게 된다. 나아가, 기타 구성요소 뿐만 아니라 전체 스택(stack)의 사이즈 또한 줄일 수 있게 된다. 또한, 고출력에 의한 저전류 운전이 가능하므로, 셀의 열화율에 이점이 있으며, 스택의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 상기 음극 기능층(102a)은 10~40㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 음극 기능층의 두께가 10㎛미만인 경우에는 음극 내에서 반응이 이루어질 수 있는 사이트(site)의 수가 적어, 연료 전지의 효율이 저감된다. 따라서, 많은 반응 사이트를 제공하기 위해 상기 음극의 두께는 두꺼울수록 좋으나, 40㎛를 초과하는 경우에는 음극의 두께가 너무 두꺼워 반응 가스들이 잘 투입되지 않으므로, 전지 효율이 오히려 저감된다. 따라서, 상기 음극 기능층의 두께는 10~40㎛의 범위인 것이 바람직하다.
상기 음극 지지체는 스테인리스 스틸, 철계 합금 및 니켈계 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 음극 기능층은 니켈-이트륨 안정화 지르코니아 복합체를 포함할 수 있다.
상기 전해질은 이트륨 안정화 지르코니아 또는 Ce를 주성분으로 하는 산소이온 전도체를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 전해질은 일면 또는 양면에 요철부를 갖는 것이 바람직하다. 상기 전해질의 일면에 요철부가 형성되는 것은 도 2에서 나타난 바와 같이, 음극 기능층에 요철부가 형성됨에 따라 그 위에 적층되는 전해질 또한 자동적으로 요철부를 갖게 되는 원리이다.
도 3은 요철부가 양면에 형성되는 전해질을 포함하는 연료 전지 구조(10b)를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 음극 지지체(101b) 상부에 요철부를 갖는 음극 기능층(102b)이 적층되고, 일정 수준의 점도를 갖는 전해질(103b)이 상기 음극 기능층(102b)의 상부에 적층되는 경우, 음극 기능층(102b)의 홈 부분으로 저절로 흘러들어가게 되고, 이에 따라, 양면에 요철부를 갖는 전해질(103b)이 형성되게 된다. 연료 전지는 음극 기능층과 전해질 모두 반응에 참여하게 되므로, 상기와 같이, 전해질의 반응 면적이 커지게 되면, 전지의 효율이 보다 향상되게 된다.
본 발명에서 제안하는 연료 전지는 음극 지지체, 음극 기능층 및 전해질에 더하여 공기극과 분리판을 더 포함함으로써 구성될 수 있으며, 상기 연료 전지가 적용될 수 있는 연료 전지(단위 셀)의 단면적은 400~1000㎝2이며, 두께는 0.5~1.5mm의 범위를 가질 수 있다. 상기와 같이, 대면적, 대용량을 갖는 연료 전지는 출력량 또한 많아질 수 있다. 또한, 단위 전지 적층시 단위 전지의 수가 적게 소요되므로, 제조 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 제조방법은 다음과 같다. 우선, 음극 지지체를 준비한 후, 상기 음극 지지체의 상부에 음극 기능층을 적층한다. 이어서, 상기 적층된 음극 기능층을 펀칭하여 요철부를 형성시키고, 상기 펀칭된 음극 기능층의 상부에 전해질을 적층한다. 상기 음극의 요철부를 생성시키는 방법으로는 펀칭을 이용하는 것이 바람직하며, 상기 펀칭으로는 레이저 또는 기계를 이용할 수 있다. 또한, 상기 음극 기능층 및 전해질의 적층은 테이프 캐스팅법, 스크린 인쇄법 및 습식 스프레이법으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 이용할 수 있다. 상기 적층 방법은 비교적 저렴하면서도 제조 공정이 간단하기 때문에, 연료 전지 제조에 사용되기 적합하다.
10: 연료 전지 101: 음극 지지체
102: 음극 기능층 103: 전해질

Claims (10)

  1. 음극 지지체;
    상기 음극 지지체 상부에 구비되는 음극 기능층; 및
    상기 음극 기능층 상부에 구비되는 전해질을 포함하며,
    상기 음극 기능층은 상기 음극 지지체와 접촉하는 면의 반대면에 요철부를 갖고,
    상기 음극 기능층은 10~40㎛의 두께를 갖는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음극 지지체는 스테인리스 스틸, 철계 합금 및 니켈계 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 음극 기능층은 니켈-이트륨 안정화 지르코니아 복합체를 포함하는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 이트륨 안정화 지르코니아 또는 Ce를 주성분으로 하는 산소이온 전도체를 포함하는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 일면 또는 양면에 요철부를 갖는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지의 단면적은 400~1000㎝2인 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지의 두께는 0.5~1.5mm인 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지.
  8. 음극 지지체를 준비하는 음극 지지체 준비단계;
    상기 음극 지지체의 상부에 음극 기능층을 적층하는 음극 기능층 적층단계;
    상기 적층된 음극 기능층을 펀칭하여 요철부를 갖도록 하는 펀칭단계; 및
    상기 펀칭된 음극 기능층의 상부에 전해질을 적층하는 전해질 적층단계를 포함하며,
    상기 음극 기능층 및 전해질의 적층은 테이프 캐스팅법, 스크린 인쇄법 및 습식 스프레이법으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 이용하는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 펀칭은 레이저 또는 기계를 이용하는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 전해질은 요철부를 갖도록 적층되는 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지의 제조방법.
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