KR101528075B1

KR101528075B1 - 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체

Info

Publication number: KR101528075B1
Application number: KR1020130163270A
Authority: KR
Inventors: 문지웅; 전재호; 이성연; 박치록
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-06-10

Abstract

본 발명은 쉴디드 슬롯(Shielded Slot) 구조의 고체산화물 연료전지의 공기극 집전체에 관한 것으로, 쉴디드 슬롯이 공기극의 집전과 공기 통로 역할을 수행할 때 동반되는 수평방향 면 저항을 최소화시킨 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체를 제공한다.

Description

고체산화물 연료전지용 공기극 집전체 {CATHODE CURRENT COLLECTOR FOR SOLID OXIDE FUEL CELL}

본 발명은 공기극 집전체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쉴디드 슬롯 구조를 갖는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체에 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 가능 하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 현재 활발히 이루어지고 있다.

한편, 쉴디드 슬롯(Shielded Slot) 구조를 갖는 고체산화물 연료전지 스택의 경우 분리판에는 별도의 공기 유로를 형성하지 않고 대신 금속 판을 프레스 성형하여 돌기를 형성한 쉴디드 슬롯을 공기극 집전체로 사용하는데, 이때 돌기를 형성한 자리는 빈 공간이 되기 때문에 쉴디드 슬롯과 공기극 접촉부에 수mm 크기의 홀이 형성되어 있는 것이다. 이와 같이 홀이 형성된 부분은 공기극과 금속 집전체의 접촉이 없기 때문에, 이 부분의 공기극의 전류는 쉴디드 슬롯의 금속부분에 도달 할 때까지 공기극 층에 수형 방향으로 퍼지는 과정을 거쳐서 집전된다. 이로 인해, 불필요한 수평방향 저항 성분이 발생하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하고자, 상기 홀의 면적을 줄이게 되면 역으로 공기 통로가 줄어들어 농도 분극에 의한 저항이 증가할 수 있다.

다른 방안으로서, 쉴디드 슬롯 바닥면의 홀 면적은 그대로 유지하면서, 홀의 크기와 간격을 줄이는 방안을 고려할 수 있는데, 0.3mm 이상 두께를 갖는 판재를 이용하여 홀의 크기와 간격이 1mm 이하인 쉴디드 슬롯을 제조하는 것은 가공 공정상 한계가 있어 구현하기 어려운 문제가 있다.

본 발명의 일 측면은, 쉴디드 슬롯(Shielded Slot) 구조의 고체산화물 연료전지 스택의 공기극 집전체에 있어서, 쉴디드 슬롯이 공기극의 집전과 공기 통로 역할을 수행할 때 동반되는 수평방향 면 저항을 최소화시킨 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 연료극, 상기 연료극의 상부에 형성되는 고체 전해질, 상기 고체 전해질의 상부에 형성되는 공기극, 상기 공기극의 상부에 배치되는 쉴디드 슬롯(Shielded Slot) 및 상기 쉴디드 슬롯의 상부에 위치하는 금속 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 있어서,

상기 쉴디드 슬롯(Shielded Slot) 하부와 상기 공기극 사이에 익스펜디드 메탈(Expanded Metal)이 배치되는 것을 포함하고, 상기 익스펜디드 메탈은 40~50%의 개구율(opening ratio)을 갖는 홀이 형성된 것인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체를 제공한다.

본 발명에 의하면, 쉴디드 슬롯을 공기극 집전체로 이용하는 고체산화물 연료전지 스택에 있어서, 공기극 층의 수평 방향의 전류 흐름에 의하여 발생하는 면 방향의 저항성분을 최소화함으로써, 고체산화물 연료전지 스택의 공기극 집전 저항을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 전류 분포의 균일성이 향상되어 대면적 셀을 이용한 고체산화물 연료전지 스택에서 국부적 저항 발열에 의한 성능 열화 및 단위셀 사이의 성능 편차를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1의 (a)는 종래의 쉴디드 슬롯 구조의 공기극 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 모식도를 나타낸 것이고, (b)는 본 발명에 따른 쉴디드 슬롯 구조의 고체산화물 연료전지 스택의 모식도를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면은 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 쉴디드 슬롯을 공기극 집전체로 사용하는 공기극 집전 구조를 갖는 고체산화물 연료전지 스택에 있어서 공기극의 수평방향으로 발생하는 집전저항을 최소화시킨 발명에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명에서는 연료극, 상기 연료극의 상부에 형성되는 고체 전해질, 상기 고체 전해질의 상부에 형성되는 공기극, 상기 공기극의 상부에 배치되는 쉴디드 슬롯(Shielded Slot) 및 상기 쉴디드 슬롯의 상부에 위치하는 금속 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지에 있어서, 상기 공기극과 쉴디드 슬롯(Shielded Slot) 사이에 익스펜디드 메탈(Expanded Metal)을 포함하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체를 제공하는 것이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 쉴디드 슬롯을 공기극 집전체로 적용한 고체산화물 연료전지 스택(a)은 공기극(13)과 쉴디드 슬롯(14)이 직접 접촉하는 구조로 이루어져 있지만, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 스택(b)의 공기극 집전 구조는 공기극(13)과 쉴디드 슬롯(14) 사이에 일정 두께의 익스펜디드 메탈(16)을 더 포함하는 공기극 집전체로 이루어져 있는 것이다.

상기 쉴디드 슬롯(Shielded Slot)의 구조는 금속판재를 단일 또는 반복의 금형 프레스 작업을 통하여 찢고 늘리는 성형방법으로 다수의 돌기를 형성하여 공기가 통과할 수 있는 입체 구조를 갖도록 구성되어 있다 (도 1 참조).

이러한 쉴디드 슬롯을 고체산화물 연료전지의 공기극 집전체로 사용하는 경우, 쉴디드 슬롯의 한쪽 면 즉 다수의 돌기가 형성되어 있는 부분은 금속 분리판에 접촉하고 있으며, 다른 한쪽 면은 공기극과 접촉하여 구비된다.

이때, 금속 분리판과 접촉하는 방향으로 돌기의 면적이나 수를 늘리면 쉴디드 슬롯을 제작하면, 반대 면인 공기극과 접촉하는 금속부분이 상대적으로 감소한다. 그러므로, 금속 분리판과 상기 분리판과 동일한 소재 및 코팅이 적용되는 쉴디드 슬롯 사이는 접촉저항이 낮은 금속-금속간 계면이기 때문에 이론 접촉면적을 공기극 면적의 15% 전후로 설계한다. 이 경우, 공기극과 접촉하는 반대면 즉 돌기를 제외한 나머지 금속 부분과 공기극의 이론 접촉면적은 공기극 면적의 50~60% 수준이 된다. 집전을 위해서는 공기극 전체가 집전체의 금속부 전면적과 접촉하는 것이 유리하지만, 전기화학반응에 필요한 공기의 원활한 공급과 집전의 균형을 고려하여 집전체 즉 쉴디드 슬롯의 평편한 금속부와의 공기의 접촉 면적을 공기극 면적의 50~60% 정도로 확보하는 것이 바람직하다.

쉴디드 슬롯에는 프레스 성형을 통하여 금속판을 찢고 늘려서 형성한 다수의 돌기가 존재하는데, 이러한 돌기는 분리판과 쉴디드 슬롯 사이에 공기가 통과할 수 있는 공간을 확보하는 역할을 수행한다. 이때, 상기 돌기 부위는 금속 분리판과 접촉하는 방향이고, 공기극 쪽으로는 쉴디드 슬롯의 평편한 부분이 접촉하도록 스택에 장착된다.

그런데, 쉴디드 슬롯의 평편한 금속부위 중 분리판과 일정 간격을 유지하여 공기가 통과할 수 있도록 돌기를 형성한 자리는 빈 공간 형태로 존재하기 때문에 이 부분과 접촉하는 공기극은 쉴디드 슬롯의 평편한 금속 부위에 물리적으로 접촉하고 있지 않다. 그러므로, 상기 접촉되지 않는 부분의 전류가 공기극 층에 수평한 방향으로 이동하여 쉴디드 슬롯과 직접 접촉한 부분까지 도달하는 과정에서 면 방향 저항 성분이 추가적으로 발생하게 된다.

이를 최소화 하기 위해서는, 쉴디드 슬롯 제조시 얇은 두께의 금속판재를 이용하면서, 돌기를 매우 작고 조밀하게 형성한다면 수평방향의 집전저항과 전기화학반응 측면에서 모두 유리할 것이나, 실제로 금속판재의 두께가 너무 얇으면 여기에 형성된 돌기가 고온에서 스택의 자중과 면압을 받아 변형이 크게 발생하고, 이는 금속 분리판과 셀(cell) 간의 간격이 설계치 보다 줄어들거나, 실제 접촉면적이 대폭적으로 줄어들 수 있기 때문에, 이러한 점을 고려하여 0.4~0.6 mm 두께의 금속판재를 이용하는 것이 바람직하다.

현재, 쉴디드 슬롯의 평편한 금속 부분과 공기극의 이론치 접촉 면적을 50~60%로 확보하면서, 돌기의 강성 및 프레스 성형시 금속판재의 연신율 등을 종합적으로 고려하여 돌기부를 생성한 후 공기극과의 집적 접촉이 없는 영역의 크기는 길이 4~6 mm, 폭 2.5~3.5mm 정도이다.

두께 0.4~0.6 mm의 금속판재를 이용하여 쉴디드 슬롯을 제작하는 경우, 쉴디드 슬롯이 공기극에 직접 접촉되지 않는 부분의 폭을 2.5~3.5 mm 보다 작게하면서 개구율을 40~50%로 확보하는 것이 사실상 어렵기 때문에, 쉴디드 슬롯과 직접 접촉하지 않는 부분에 위치한 공기극의 전류가 쉴디드 슬롯의 금속부위까지 수평방향으로 이동해야 하는 문제가 있으며, 이로 인해 발생하는 면 방향 저항성분이 공기극 집전 저항에 추가되는 것이다.

이러한 문제를 해결하고자, 본 발명에서는 공기극 위에 금속 분리판 및 쉴디드 슬롯과 동일한 금속소재의 익스펜디드 메탈(expanded metal)을 구비하여, 공기극과의 접촉저항을 낮추고자 하였다.

상기 익스펜디드 메탈은 일정 크기의 홀이 형성되어 있는 것이 바람직하며, 고온 산화시 구조적 안정성을 고려하여 0.1~0.2 mm의 두께를 갖는 금속판재를 이용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 홀은 금속판재를 찢고 늘리는 과정을 반복하여 타원형 또는 마름모 모양으로 형성하는 것이 바람직하며, 이 홀은 공기의 통로로서 작용할 수 있다.

이와 같이, 타원형 또는 마름모 형상의 홀을 포함하는 익스펜디드 메탈은 40~50%의 개구율(opening ratio)을 갖는 것이 바람직하며, 이는 홀의 크기와 개수를 조절함으로써 달성할 수 있다.

상기 타원형 또는 마름모 모양을 갖는 홀은 그 크기가 작을수록 공기극 전류의 수평방향 저항을 줄일 수 있으나, 너무 작으면 원하는 개구율을 확보하기 위하여 홀의 개수를 늘려야 하기 때문에 홀의 가공이 어려워지는 문제가 있다. 따라서, 상기 타원형 또는 마름모 모양을 갖는 홀의 크기는 단경 폭이 0.1~0.3 mm, 장경 폭이 0.7~1.3 mm인 것이 바람직하다.

상기와 같이 홀의 크기와 개수를 조절함으로써 익스펜디드 메탈의 개구율이 40~50%를 만족하게 되면, 목적하는 낮은 집전 저항과 더불어 공기통로의 역할을 충분히 행할 수 있으며, 만일 개구율이 50%를 초과하게 되면 집전저항이 증가하는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

또한, 40~50%의 개구율을 갖는 익스펜디드 메탈을 공기극 위에 구비하는 경우, 상기 익스펜디드 메탈과 그 위에 구비되는 쉴디드 슬롯 간의 접촉면적이 공기극 면적의 25~36% 수준으로서, 동일한 금속 소재로 이루어진 익스펜디드 메탈과 쉴디드 슬롯 간의 접촉계면, 즉 금속-금속 접촉계면의 형성에 의한 저항요소를 배제할 수 있다.

상기한 바와 같은 익스펜디드 메탈은 이미 언급한 바와 같이 쉴디드 슬롯 및 금속 분리판과 동일한 소재인 것으로서, 바람직하게 그 재질로는 페라이트계 스테인리스 스틸(ferritic stainless steel)계 금속인 것이 바람직하다.

페라이트계 스테인리스 합금은 열팽창 계수가 고체산화물 연료전지 셀(cell)과 유사하고, 고온(650~850℃) 산화시 Cr₂O₃ 계열의 치밀한 전도성 산화물을 형성하기 때문에 고온의 산화 분위기에서 장기간 사용되는 고체산화물 연료전지의 금속 분리판, 쉴디드 슬롯 및 익스펜디드 메탈의 소재로서 적합한 것이다.

또한, 상기 익스펜디드 메탈은 상기 재질의 금속판재 표면에는 Ni, Co, Co-Ni(Ni함량 50% 이하)과 같은 합금으로 되는 2~5 ㎛ 두께의 코팅층을 더 포함할 수 있다.

상기 코팅층은 고온 산화 후 전도성 세라믹으로 변형되므로, 고온에서도 전도성을 확보할 수 있다.

본 발명은 일정 개구율을 갖는 익스펜디드 메탈을 공기극과 쉴디드 슬롯 사이에 구비함으로써, 기존 공기극 위에 쉴디드 슬롯을 형성함에 있어서 공기극과 쉴디드 슬롯의 금속 부위가 물리적으로 맞닿지 않는 부분에서 발생되는 수평방향 저항을 억제할 수 있는 효과가 있다.

10: 고체산화물 연료전지 스택의 공기극 집전 구조
11: 연료극
12: 고체 전해질
13: 공기극
14: 쉴디드 슬롯
15: 금속 분리판
16: 익스펜디드 메탈

Claims

연료극, 상기 연료극의 상부에 형성되는 고체 전해질, 상기 고체 전해질의 상부에 형성되는 공기극, 상기 공기극의 상부에 배치되는 쉴디드 슬롯(Shielded Slot) 및 상기 쉴디드 슬롯의 상부에 위치하는 금속 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 있어서,
상기 쉴디드 슬롯(Shielded Slot) 하부와 상기 공기극 사이에 익스펜디드 메탈(Expanded Metal)이 배치되는 것을 포함하고, 상기 익스펜디드 메탈은 40~50%의 개구율(opening ratio)을 갖는 홀이 형성된 것인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
제 1항에 있어서,
상기 홀은 타원형 또는 마름모 형상이고, 단경 폭이 0.1~0.3 mm이고, 장경 폭이 0.7~1.3 mm인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
제 1항에 있어서,
상기 익스펜디드 메탈(Expanded Metal)은 0.1~0.2 mm의 두께를 갖는 것인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
제 1항에 있어서,
상기 익스펜디드 메탈(Expanded Metal)은 재질이 페라이트계 스테인리스 스틸(ferritic stainless steel)계 금속인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
제 1항에 있어서,
상기 익스펜디드 메탈(Expanded Metal) 표면에 Ni, Co 및 Co-Ni(Ni함량 50% 이하) 중 1종의 합금으로 되는 코팅층을 더 포함하고,
상기 코팅층은 2~5 ㎛의 두께를 갖는 것인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
제 5항에 있어서,
상기 코팅층은 고온 산화 후 전도성 세라믹으로 변형되는 것인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.