KR101298622B1 - 연료전지용 전극체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 전극체에 관한 것으로, 연료전지에 있어서 장기간 사용에도 소결과 크립(creep)에 의한 전극의 변형이 없어 안정적인 운전이 가능하며 비교적 제조공정이 간단하여 생산비용을 절감하고 친환경적인 제조공정에 의해 생산될 수 있는 연료전지용 전극체를 제공하는데 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 전극체는 다공성 부재인 제1 전극부(100), 상기 제1 전극부(100)의 다공성 부재 내부에 마련되는 제2 전극부(200) 및 상기 제1 전극부(100)와 밀착되고 상기 제1 전극부의 두께를 지지하는 제3 전극부(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 전극체{Electrode Assembly for Fuel cell}
본 발명은 연료전지에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 지속적인 사용에 의한 소결 및 크립(creep)현상을 방지할 수 있는 연료전지용 전극체에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 탄화수소 혹은 수소를 연료로 하며, 연료가 가진 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 전기에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 장치이다.
연료전지는 일반적으로 연료공급부, 공기공급부 및 스택을 포함하며 상기 연료공급부는 상기 연료전지의 스택에 연료를 공급하고, 상기 공기공급부는 상기 스택에 공기(산소)를 공급한다.
도 1을 참고하면, 상기 스택은 복수개의 단위셀들을 포함하는데, 이러한 연료전지의 스택(13)에 구비되는 단위셀은 연료극(10),전해질 매트릭스(20) 및 공기극(30)을 포함하며, 상기 단위셀에는, 단위셀을 복수개 적층할 때 이웃하는 단위셀을 분리하기 위한 분리판(40)을 구비하고 있다.
또한, 상기 연료극(10) 및 공기극(30)은 집전체(50)와 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 연료극(10) 및 공기극(30)의 분리판(40)의 내부에는 연료공급부 또는 공기공급부로부터 공급된 연료 및 공기가 흘러들어갈 수 있는 복수의 가스채널(60)이 형성되어 있다.
이러한 연료전지는 운전온도와 전해질의 종류 등에 따라, 알칼리 연료전지(Alkaline fuel cell, AFC), 인산염 연료전지(Phosphoric acid fuel cell, PAFC), 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 용융탄산염 연료전지(Molten carbonate fuel cell, MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct methanol fuel cell, DMFC) 등으로 분류된다.
예를 들어, 용융탄산염 연료전지는 600℃ 이상에서 작동되는 고온형 연료전지로 연료극(anode), 공기극(cathode), 매트릭스(matrix) 등으로 구성되고, 연료극에는 연료가스가 주입되어 산화반응에 의해 전자를 생산하고, 공기극에는 산소와 이산화탄소가 주입되어 카보네이트 이온(CO3 2 -)을 만들면서 외부회로에서 전달된 전자를 소모시킨다.
이러한 용융탄산염 연료전지가 전기를 잘 생산해내기 위해서는 용융탄산염 연료전지의 전극은 전기전도성이 좋아야 하며 전기화학 반응을 위한 충분한 반응 면적이 있어야 하고 전해질에 적당한 젖음성을 가져야 한다.
따라서, 용융탄산염 연료전지용 전극체의 재료로는 전기적 활성이 우수한 Ni이 주로 사용되고 있는데, 연료가스와 전해질 반응 면적을 증가시키기 위하여 전극체는 다공성 구조를 가지는 것이 바람직하다.
그러나, 용융탄산염 연료전지는 650℃의 고온에서 작동되며, 기체의 밀봉 및 전지 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위해 강한 면압을 가하여 구성요소들을 결착하므로 그 결과 전극의 기공 구조가 변화되기도 한다.
용융탄산염 연료전지의 운전시 연료극에서 유발되는 전극구조의 변형은 주로 소결과 크립(creep)에 의한 것으로 연료극의 전극물질이 금속으로 존재하기 때문인데, 금속으로 된 전극물질이 650℃의 고온과 수 Kgf/cm2의 장착압력 하에서 장시간 노출되면 소결과 크립(creep) 현상의 발생은 필연적이다.
상기와 같이 전극의 기공 분포가 변하면 전해질 역시 재분포되는데, 이때 전극 반응면적의 감소가 초래되거나 매트릭스의 균열이 유발되어 기체의 섞임 현상이 일어날 수 있으므로, 이러한 소결과 크립 발생의 문제를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
예컨대, 한국공개특허공보 2001-0038319호에서는 산화 열처리와 환원 열처리를 순차적으로 진행하여 연료극의 고온 크립 특성을 향상시키고 있으며, 한국공개특허공보 2003-0036964호에서는 같이 연료극의 기공 내부에 알루미나나 세리아를 코팅하여 고온 장기 안정성 확보를 시도하다.
그러나, 상기 방법은 미세 구조를 제어하는 방법으로서 이러한 방법으로는 대형 전극 제조에 어려움이 있고 공정이 복잡하여 제조에 어려움이 있는 단점이 있다.
한편, 한국공개특허공보 2003-0070725호에서는 상기와 같이 처리된 전극을 열처리가 없이 스택에 삽입하는 방법을 개시하고 있으나 이러한 방법 역시 고온 크립의 특성을 방지하는 확실한 효과가 입증되지 않고 있다.
미국특허 US 5558947호에서는 테이프를 제조한 후 타공망을 결합하는 방식으로 전극의 강도 증진 및 장기안정성을 확보하고자 하였으나 타공망의 가공이 난해하고 제조비용이 많이 든다는 단점이 있다.
또한, 연료전지의 전극체를 제작하는 방법으로 현재 테이프 캐스팅법이라는 습식법이 가장 널리 사용되고 있으며, 이 방법은 전극의 두께가 매우 일정하고 일정 면적의 전극을 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다.
그러나, 테이프 캐스팅법의 경우에는 습식법으로 유기용제에 여러 유기물을 혼합한 후 금속 분말을 첨가하여 슬러리를 제작하여 하기 때문에 많은 공정 시간을 필요로 하며, 슬러리 제작, 탈포, 닥터 블레이딩, 건조, 소결의 과정을 거쳐야 하는 등 단계가 매우 복잡하고 시간이 많이 걸리며 공정 비용이 높은 단점을 가지고 있다.
나아가, 환경에 유해한 유기 용제를 사용하기 때문에 환경오염의 원인으로 차세대 전극 제조방법으로 제한받을 요소가 많은 문제점이 있으므로 연료전지용 전극체에 있어서 장기 사용 안정성이 확보되면서도 제조공정이 간단하여 제조비용이 저렴하며 환경오염의 문제를 유발하지 않는 연료극 및 그 제조방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 연료전지에 있어서 장기간 사용에도 소결과 크립(creep)에 의한 전극의 변형이 없어 안정적인 운전이 가능하며, 비교적 제조공정이 간단하여 생산비용을 절감하고 친환경적인 제조공정에 의해 생산될 수 있는 연료전지용 전극체를 제공하는데 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 전극체는 다공성 부재인 제1 전극부(100), 상기 제1 전극부(100)의 다공성 부재 내부에 마련되는 제2 전극부(200) 및 상기 제1 전극부(100)와 밀착되고 상기 제1 전극부의 두께를 지지하는 제3 전극부(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 전극부(200)는 상기 제1 전극부(100)에 도포되는 입자상 물질로 성형되며, 상기 제1 전극부(100)에서 도포되는 제2 전극부(200)에 의한 기공이 형성되고, 상기 형성된 기공의 크기는 직경 10㎛ 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극부(100)에 도포되는 제2 전극부(200)는 상기 제1 전극부(100)의 일면측과 타면측에 도포되는 밀도가 상이하여 상기 제1 전극부(100)의 두께방향으로 제2 전극부(200)의 밀도 분포가 달라지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제2 전극부(200)의 입자상 물질은 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 코발트, 은, 리튬, 주석, 스테인레스 스틸 및 티타늄에서 선택된 1종 이상의 금속 분말이거나, 상기 금속원소를 적어도 2종 이상 포함하는 합금 분말일 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극부(100)에 형성된 기공의 크기는 직경 70㎛ 이하이며, 상기 다공성 부재는 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 코발트, 은, 티타늄, 리튬, 주석, 스테인레스 스틸 또는 이들의 합금에 의해 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
나아가, 상기 제1 전극부(100)인 다공성 부재는 기공크기가 5 ppi(pore per inch) 이하이고 기공율이 95% 이하이며, 상기 제3 전극부(300)는 금속 또는 세라믹에 의하여 형성된 선, 구, 블럭 또는 망인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 연료전지용 전극체는 금속 폼에 금속분말을 도포하고 전극체의 두께를 지지하는 구성이 마련되어 전극체의 강도 및 크립 저항성을 증대시켜 전극체의 장기 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 스택 설치 전단계에서 열처리와 같은 단계를 생략할 수 있으므로 생산성이 높으며, 슬러리 제조공정도 생략되어 연료전지의 생산원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 이른바 건식 인-시츄 소결에 의한 제조가 가능하므로 전극 제조시 바인더나 기타 유기물을 함유하지 않으므로 스택 적층 후 열처리 과정에서 유해가스나 기타 유기 화합 가스가 발생하지 않는 친환경 제조공정을 구축할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지의 스택에 구비되는 단위셀의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극체의 사진 및 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극체의 SEM 단면 사진을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극체와 종래 전극의 연료전지 출력을 비교한 실험 결과 그래프를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극체와 종래 전극의 내부 저항에 따른 출력 감소를 비교한 실험 결과 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극체에 있어서 금속 폼(제1 전극부), 금속 분말(제2 전극부) 및 메쉬(제3 전극부)의 조합에 따른 연료전지 출력을 비교한 실험 결과 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극체와 종래 전극의 크립 저항성을 비교한 실험 결과 그래프를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극체에 있어서 제2 전극부인 금속 분말의 투입비율에 전극체의 가스 흐름성 변화를 비교한 실험 결과 그래프를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극체에 있어서 다양한 형태의 제3 전극부를 적용한 전극체의 실제 사진을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극체에 대해서 설명한다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 의한 연료전지용 전극체는 다공성 부재인 제1 전극부(100), 상기 제1 전극부(100)의 다공성 부재 내부에 마련되는 제2 전극부(200) 및 상기 제1 전극부(100)와 밀착되고 상기 제1 전극부의 두께를 지지하는 제3 전극부(300)를 포함한다.
상기 제1 전극부(100)는 다공성 부재에 의해 형성된 것으로 전체적으로 전극체의 모양을 형성하는 기본적인 구성이며, 일반적으로 제1 전극부(100)를 형성하는 상기 다공성 부재는 평판 형상의 금속 다공성 막으로 마련될 수 있다.
상기 제1 전극부(100)인 다공성 부재는 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 코발트, 은, 티타늄, 리튬, 주석, 스테인레스 스틸 또는 이들의 합금에 의하여 형성된 다양한 금속 다공성 막을 사용할 수 있는데, 특히 니켈에 의해 형성된 금속 다공성 막 또는 금속 폼을 사용하는 것이 일반적이다.
상기 금속 다공성 막 형태의 다공성 부재에서 기공의 크기와 기공율은 필요에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 당업자라면 필요한 기공의 크기와 기공율을 갖는 금속 폼을 적절히 선택하여 제조 또는 구매하여 사용할 수 있을 것이다.
일반적으로 상기 다공성 부재의 기공크기는 5 ppi(pore per inch) 이하이며 기공율이 95%이하인 것이 바람직하며, 연료전지용 전극체에서 상기 제1 전극부(100)인 다공성 부재에 형성된 기공의 크기는 직경 70㎛이하인 것이 적절하다.
상기 제2 전극부(200)는 상기 제1 전극부(100)에 도포되는 입자상 물질로 구성되어 성형될 수 있으며, 상기 제2 전극부(200)를 구성하는 입자상 물질은 고체형태의 금속재질의 분말이나 액상 또는 겔(gel)상의 다양한 소재가 적용될 수 있다.
일반적으로 상기 제2 전극부(200)의 입자상 물질은 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 코발트, 은, 리튬, 주석, 스테인레스 스틸 및 티타늄에서 선택된 1종 이상의 금속 분말이거나, 상기 금속원소를 적어도 2종 이상 포함하는 합금 분말로 구성될 수 있다.
상기 제2 전극부(200)의 입자상 물질은 전극체의 제조공정에서 도포 후 롤링 머신을 이용해 압착하거나, 압착하지 않은 채 직접 스택에 장착하여 적층 시 중력 또는 최종 가해지는 면압에 의해 자연스럽게 압착될 수 있다.
상기와 같은 경우, 따로 소결 등의 프로세스를 거치지 않고 스택 전처리 및 운전 중에 자연스럽게 소결되어 전극이 완성될 수 있으므로 제조 공정이 줄어들어 생산비가 절감되는 효과가 있다.
특히, 종래 습식 테이프 캐스팅 방법 대비 바인더 제조, 테이프 캐스팅, 소결 공정을 거치지 않아 90% 이상의 제조 시간 단축 및 제조 소요 에너지가 감소한다.
상기 금속분말과 같은 입자상 물질은 그 입자가 너무 작으면 금속분말 제조가 힘들고 금속분말을 다공성 부재로 된 제1 전극부에 도포하기 어려우며, 입자가 지나치게 크게 되면 완성된 전극체의 비 표면적이 적고 박막형태의 전극체를 제조하기가 용이하지 않다.
따라서, 연료전지용 전극체에서 상기 제2 전극부(200)에 사용되는 입자상 물질의 입자 크기는 입경 5 내지 100㎛ 정도인 것이 바람직하며, 입자의 형태는 전극체의 목적 및 형상에 따라 구형, 봉상형, 침상형 또는 판상형 형태 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
나아가, 상기 제1 전극부(100)에서 도포되는 제2 전극부(200)에 의한 기공이 형성되고, 상기 형성된 기공의 크기는 직경 10㎛ 이하인 것이 바람직하며, 상기와 같은 크기의 미세 기공이 고르게 형성될 경우 전해질을 유인 및 포집이 용이하여 연료전지의 화학반응이 원활하게 진행되도록 할 수 있다.
결과적으로, 상기 제1 전극부(100)에 형성된 기공의 크기는 직경 70㎛ 이하이며, 상기 제2 전극부(200)인 금속 분말에 의해 형성된 기공의 크기는 직경 10㎛ 이하로 마련된다.
상기 이러한 미세 기공에 적정량의 전해질이 담지 될 수 있는데, 그 결과 이러한 제1 전극부(100)에서 연료전지의 전기화학 반응이 주로 일어나게 되며, 여기서 제2 전극부(200)가 제1 전극부(100)의 보조기능을 담당할 수 있게 된다.
또한, 상기 제1 전극부(100)에는 제2 전극부(200) 비하여 상대적으로 직경이 큰 미세기공이 형성되어, 가스채널을 통하여 공급된 연료가스가 제2 전극부(200)로 원활하게 공급될 수 있다.
나아가, 상기 제1 전극부(100)에 도포되는 제2 전극부(200)는 상기 제1 전극부(100)의 일면측과 타면측에 도포되는 밀도가 상이하여 상기 제1 전극부(100)의 두께방향으로 제2 전극부(200)의 밀도 분포가 달라지도록 마련될 수 있다.
도 3을 참고하면, 상기 제1 전극부(100)에서 차지하는 제2 전극부(200)의 밀도를 조절하여 기공율을 조절하고 평면형의 전극체의 방향에 따라 밀도를 달리하여 연료전지의 효율을 높일 수 있으며, 제2 전극부(200)의 밀도를 낮게 하면 금속분말의 양이 줄어들어 제조원가가 절감되는 효과가 있다.
또한, 상기 제2 전극부(200)의 입자상 물질은 투입되는 공정 (예를 들어, Dry Doctoring, Mechanical Rubbing, Mechanical Squeezing 등)을 통해 입자상 물질을 제1 전극부(100) 다공성 부재의 절반 부분까지 채우고 표면에 남아있는 파우더를 걷어내거나 제1 전극부(100)의 다공성 부재를 통과하여 털어내는 양을 조절하는 등 다양한 방법으로 도포 되는 양을 조절할 수 있다.
결국, 본 발명의 전극체는 다공성 부재와 입자상 물질을 함께 사용하여 전극체를 생산하게 되므로 종래의 습식 슬러리 제조에 비하여 금속 분말과 같은 재료의 사용량이 최소 1/8가량 절약되는 효과가 있다.
상기 제3 전극부(300)는 금속 또는 세라믹에 의하여 형성된 선, 구, 블럭 또는 망으로 구성될 수 있으며, 상기 제1 전극부(100)의 일면에 밀착되고 상기 제1 전극부(100)의 두께를 지지하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 제3 전극부(300)를 구성하는 선, 구, 블럭 또는 망 구조는 상기 제1 전극부(100)의 다공성 부재에서 유지하려는 두께를 가지고 제1 전극부(100)인 다공성 부재 보다 기계적인 강도가 더 높은 것이 바람직하며 선, 구, 블럭 또는 망 구조가 제1 전극부(100)의 다공성 부재에서 기둥과 같은 역할을 수행하고 전극체의 형상 및 제1 전극부(100)의 구조에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다.
일반적으로 상기 제3 전극부(300)는 금속사에 의하여 형성된 금속 메쉬 또는 금속 펠트이거나 세라믹 소재로 형성된 세라믹 메쉬 또는 세라믹 펠트로 마련될 수 있으며, 메쉬는 와어어의 겹침으로 형성되는 단층 구조이며 펠트는 와이어의 겹침이 무작위적으로 결합된 형상이라고 할 수 있다.
또한, 상기 제3 전극부(300)는 스테인리스 스틸이나 니켈(Ni) 또는 세라믹 재료의 선, 구, 블럭 또는 망 구조로 이루어지는 군으로부터 선택되는 단독 혹은 2종 이상을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 제3 전극부(300)가 와이어로 구성된 메쉬나 펠트인 경우 그 와이어는 그 직경이 200㎛ 내지 1mm 이며, 상기 와이어 간의 간격은 200㎛ 내지 3mm인 것이 일반적이며, 스테인리스 스틸 또는 니켈로 된 와이어에 의하여 형성된 금속 메쉬 또는 금속 펠트를 별도의 전극처럼 사용할 수 있다.
또한, 상기 메쉬나 펠트 뿐만 아니라 선, 구, 블럭 구조인 경우에도 금속 또는 세라믹 재질로 되어 금속 메쉬 또는 금속 펠트와 같이 별도의 전극처럼 사용할 수 있다.
나아가, 상기 제3 전극부(300)는 전극체 내에서 기둥과 같은 구조적 역할을 하는 것과 동시에 제3 전극부(300)가 전기전도체 역할도 함께 수행할 수 있으므로 기존 습식제조/소결형 전극에 비해 1/4수준으로 내부저항을 감소시켜 전극체의 성능을 향상시킬 수 있다.
그리고, 이러한 기둥구조가 전극체 내부에서 내크립성 구조로 작용하여 종래 자사 및 선진사의 전극체의 경우 10%~20% 정도 두께가 감소한 것과 대비하여 종래 최대 4%의 두께만 감소하는 등 크립 저항성을 획기적으로 증가시켜 장기 성능 발현에 매우 유리하다.
결론적으로, 상기 제1 전극부(100)인 다공성 부재와 제3 전극부(300)인 선, 구, 블럭 또는 망 구조는 전극 활성물질인 제2 전극부(200) 입자상 물질을 수축시키는 표면에너지를 보상해주는 탄성을 가지므로, 그 자체가 소성이 되지 않아 전극체가 연료전지의 스택에 장착되어 작동되는 동안에도 전극체의 크립 저항성을 높여준다.
도 3 및 도 4를 참고하여 전극체의 단면을 살펴보면, 상기 제3 전극부(300)는 전체적인 두께를 지지하는 기둥으로 역할을 하여 전극체 전체의 두께를 지지하는 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극부(100) 및 제3 전극부(300)의 재료는 전해질인 카보네이트와 반응하지 않는 재료가 바람직하며, 예를 들면 니켈이나 스테인리스 스틸을 사용할 수 있다.
나아가, 상기와 같은 상기 제1 전극부(100), 제2 전극부(200) 및 제3 전극부(300) 구조는 전극체로 구성시 완벽히 압착되어 벌크구조를 유지하여, 기계적 스트레스 완충기능을 하며 크립 저항성을 대폭 향상시켜 결과적으로 장기안정성을 부여해 준다.
결론적으로, 상기 제1 전극부(100)와 제3 전극부(300)의 존재에 의하여 전극체의 강도가 향상되고 또한 제2 전극부(200)의 안정성이 증대되어 전극체를 스택에 장착하는 과정에서 작업의 안정성을 보다 높일 수 있다.
본 발명에 의한 전극체의 두께는 그 용도에 따라 다양하게 구현될 수 있으며 일반적으로 0.1 내지 1mm 범위에서 제조될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하며 이들 실시예는 본 발명의 예시적인 기재일뿐 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 5를 참고하면, 종래 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체와의 연료전지 출력을 비교한 그래프로서 종래의 전극의 출력에 비해 더 높으면서도 오랜 시간 운전에도 안정적인 전기가 발생하는 것을 알 수 있다.
도 6을 참고하면, 종래 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체의 내부 저항에 따른 출력 감소를 비교한 것으로 클수록 성능이 떨어지는 것이나 현저히 내부저항이 줄어들어 성능이 개선된 결과를 보여준다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체에 있어서 제1 전극부로서 금속 폼 또는 펠트, 제2 전극부로서 금속 분말 및 제3 전극부로서 메쉬, 구, 선 중 선택되는 1군의 조합에 따른 연료전지 출력을 비교한 것으로 아래 표 1에 따라 샘플의 출력을 도시해 놓았다.
Powder Only Powder + Foam/Felt Foam/Felt Only
Mesh Sample#.1 Sample#.2 Sample#.3
타공망, Rod 형태 Sample#.4 Sample#.5 Sample#.6
구, 선 Sample#.7 Sample#.8 Sample#.9
결국, 파우더와 금속 폼에 메쉬를 결합한 구조의 전극체가 가장 우수한 출력을 지속적으로 발생하여 종래의 금속분말의 슬러리 타입에 비하여 성능이 대폭 향상된 결과를 나타내었다.
도 8을 참고하면, 종래 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 전극체에 있어서 크립 저항성을 비교한 것으로서 Creep Strain이 클수록 성능이 떨어지며 표 2에 서와 같이 본 발명에 의한 전극체의 크립 저항성이 매우 향상된 것을 알 수 있다.
강화원소 첨가전극 기존 일반 전극 신 개발 전극
Creep Strain 9.90% 20.70% 1.90%
도 8을 참고하면, 본 발명의 일 실시에 따른 연료전지용 전극체는 제2 전극부(200)를 구성하는 금속분말의 투입량을 다양하게 조절할 수 있으며 금속 분말의 투입비율에 따른 전체적인 전극체의 가스 흐름성의 변화를 살펴볼 수 있다.
상기 제1 전극부(100)에 도포할 수 있는 제2 전극부(200)양의 100%를 투입하면 35% 전후의 가스 흐름성을 보이며 금속 분말을 줄여가면 이와 비례하여 가스 흐름성이 증가하는 성질을 가지므로, 연료전지의 사용환경 및 전극 특성에 따라 최적의 가스 흐름성을 가지는 전극체를 쉽게 제조할 수 있다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시에 따른 연료전지용 전극체에 있어서 다양한 형태의 제3 전극부(300)를 적용할 수 있으며 익스텐디드 포일 및 메쉬를 적용하여 폼, 파우더 사이에 삽입한 전극체의 실시예를 확인할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시에 따른 연료전지용 전극체는 연료극 뿐만 아니라 공기극 또는 전해질 매트릭스에도 폭넓게 적용될 수 있으며, 실시예의 용융탄산염 연료전지 외 다른 방식의 전해질을 사용하는 연료전지에 대해서도 적용되어 연료전지의 효율을 높이고 제조공정을 단순화할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10; 연료극 20; 전해질 매트릭스
30; 공기극 40; 분리판
50; 집전체 60; 가스채널
100; 제1 전극부 200; 제2 전극부
300; 제3 전극부

Claims (9)

  1. 다공성 부재인 제1 전극부(100);
    상기 제1 전극부(100)의 다공성 부재 내부에 마련되는 제2 전극부(200) 및
    상기 제1 전극부(100)와 밀착되고 상기 제1 전극부의 두께를 지지하는 제3 전극부(300)를 포함하되,
    상기 제3 전극부(300)는 상기 제1 전극부(100)보다 기계적 강도가 높은 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 전극부(200)는 상기 제1 전극부(100)에 도포되는 입자상 물질이 소결로 성형된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극체.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 전극부(100)에 도포되는 제2 전극부(200)는 상기 제1 전극부(100)의 일면측과 타면측에 도포되는 밀도가 상이하여 상기 제1 전극부(100)의 두께방향으로 제2 전극부(200)의 밀도 분포가 달라지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극체.
  5. 제 2 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 전극부(200)의 입자상 물질은 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 코발트, 은, 리튬, 주석, 스테인레스 스틸 및 티타늄에서 선택된 1종 이상의 금속 분말이거나, 상기 금속원소를 적어도 2종 이상 포함하는 합금 분말인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극체.
  6. 삭제
  7. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극부(100)인 다공성 부재는 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 코발트, 은, 티타늄, 리튬, 주석, 스테인레스 스틸 또는 이들의 합금에 의하여 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 전극체.
  8. 삭제
  9. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 전극부(300)는 금속 또는 세라믹에 의하여 형성된 선, 구, 블럭 또는 망인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극체.
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