KR101807781B1 - 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 단위를 이루는 금속 분리판과 셀(cell) 사이에 삽입되는 공기극 집전체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.

Description

고체산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 {CATHOD CURRENT COLLECTORC AND SOFC COMPRISING THE SAME}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 단위를 이루는 금속 분리판과 셀(cell) 사이에 삽입되는 공기극 집전체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 다공성 연료극(anode) 및 공기극(cathode)과 치밀한 구조의 전해질(electrolyte)로 구성된 셀(cell)을 기본으로 하고, 연료극에는 수소, 공기극에는 공기가 주입될 때 전해질을 통해 이온이 이동하면서 최종적으로 물을 생성시키는 발전시스템이다. 이때, 전자는 분리판을 통해 외부로 흐르게 되며, 이와 같은 분리판과 셀(cell)의 조합을 단위 전지(unit cell)라고 부르며, 이러한 단위 전지들이 직렬로 연결된 상태를 연료전지 스택(stack)이라고 한다.
보다 구체적으로, 단위 전지(unit cell)는 분리판, 셀(cell), 집전체로 구성되는데, 이 중 셀(cell)은 PEMFC, MCFC, SOFC 등 연료전지의 종류에 따라 그 구성에 차이가 있다.
일 예로, 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; SOFC)의 경우 연료극, 공기극 및 전해질로 이루어진 셀(cell) 구조를 갖는다. 이때, 연료극, 공기극 및 전해질 모두 세라믹 물질로 이루어지며, 이들을 적층 후 고온에서 소성시켜 한 장의 셀(cell)로 제조하게 되므로, 셀의 표면이 평탄하지 못하고 일정수준의 표면조도를 갖는다.
상술한 바와 같이 연료극, 공기극 및 전해질로 이루어지는 셀(cell) 구조에서, 연료로 사용되는 수소와 공기를 분리해주고 가스가 흐르는 유로('채널'이라고 함)를 형성함과 동시에 단위 전지 간의 전기적인 연결을 위하여 분리판(separator)이 사용된다. 이러한 분리판은 기계적 가공, 에칭, 스탬핑(stamping) 등으로 연료극 또는 공기극과 접합되도록 제작할 수 있다.
그런데, 이와 같이 분리판을 형성함에 있어서 연료극 또는 공기극이 평탄하지 못함에 따라 분리판 유로(채널) 간의 높이 공차가 필연적으로 발생한다.
한편, 연료극과 분리판, 공기극과 분리판 사이에는 집전체(current collector)를 더 구비함으로써, 전극과 분리판이 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있도록 한다.
일 예로 SOFC의 경우, 연료극 집전체로서 단일 조성의 Ni 폼(foam)을 사용하는데, 연료인 수소가 흐르는 환원분위기에서 Ni 폼(foam)은 금속성을 그대로 유지하기 때문에 전류 집전에 문제가 없다. 그러나, 공기극 집전체로서 금속 메쉬나 금속 폼을 사용하는 경우 약 700~800℃의 작동온도와 공기가 흐르는 공기극의 특성상, 공기극 접전체의 금속 물질이 급격히 산화되어 집전성능을 잃게 되는 문제가 있다.
이러한 문제를 방지하고자, 현재 공기극 집전체로서 전도성 세라믹 페이스트를 주로 사용한다. 하지만, 전도성 세라믹은 스크린 프린팅(screen printing) 또는 파우더 스프레이(powder spray)와 같은 공정을 통해 제작할 경우 두께 조절의 한계가 있어, 분리판의 공차나 셀(cell)의 표면조도를 충분히 흡수하면서 집전면적을 확보하는 데에 한계가 있다.
관련 기술로서, 특허문헌 1에서는 공기극 집전체로서 금속 산화물 폼(foam)을 이용하고 있으나, 이는 초기 장착상태부터 모두 산화물 형태로 이루어진 폼(foam) 이기 때문에 분리판의 공차나 셀(cell)의 표면조도를 흡수할 수 있는 능력이 거의 없으며, 제조방법도 폴리머에 금속 산화물 슬러리를 코팅하는 방법으로서 균일한 두께로 제조하기 어려운 문제가 있다. 또한, 그 조성도 페로브스카이트(perovskite) 구조로만 한정되는 한계가 있다.
한국 등록특허 제10-0797048호
본 발명의 일 측면은, 집전 효율을 개선할 수 있는 공기극 집전체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체로서,
상기 공기극 집전체는 기공을 갖는 다공성의 금속 폼(foam)이고, 상기 금속 폼(foam)은 CoNi, CoMn, 및 CuMn으로 이루어지는 2원계 합금 중 1종 또는 2종 이상 또는 CoNiMn 및 CoCuMn으로 이루어지는 3원계 합금 중 1종 또는 2종으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 공기극, 연료극, 전해질 및 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지의 공기극 집전체의 제조방법으로서,
고분자 폼(foam)을 준비하는 단계; 상기 고분자 폼(foam) 표면에 금속을 증착하는 단계; 상기 증착된 금속의 상부에 Co, Cu, Ni 및 Mn 중 2종 이상의 혼합 금속을 코팅하는 단계; 상기 코팅 후 환원 열처리하는 단계; 및 상기 환원 열처리 후 고분자 폼(foam)을 제거하여 금속 폼(foam)을 제조하는 단계로 이루어지고,
상기 금속 폼(foam)은 CoNi, CoMn, CuMn, CoNiMn 및 CoCuMn 중 1종 이상인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 측면은, 상기한 공기극 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
본 발명에 의하면, 기존 전도성 세라믹 페이스트를 공기극 집전체로 사용한 경우에 비해 연료전지의 성능 및 열화율이 우수한 연료전지 스택을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 공기극 집전체와 이를 포함한 고체산화물 연료전지의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 폼(foam)을 800℃에서 1500시간 동안 ASR 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Co:Ni의 비율이 9:1인 금속 폼(foam)을 ASR 측정 전·후에 따른 미세조직을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Co:Ni의 비율이 9:1인 금속 폼(foam)과 연료극 지지체로 사용되는 Ni 폼(foam)의 수축율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 폼(CoNi foam, 9:1)을 공기극 집전체로 적용한 고체산화물 연료전지 스택의 단위전지(100cm2)의 출력평가 및 장기열화율 평가 결과를 나타낸 것이다.
일반적으로, 고체산화물 연료전지의 공기극 집전체로서 다공성의 금속판이나, 금속 메쉬(mesh) 등이 사용되고 있으나, 이러한 공기극 집전체를 갖는 고체산화물 연료전지는 고온에서 운전시 공기극 집전체의 금속 물질들이 급격히 산화되어 집전성능이 크게 열화하는 문제가 있다.
최근에는, 전도성 세라믹 페이스트를 공기극 집전체로서 사용하는 경우가 증가하고 있으나, 전도성 세라믹 페이스트를 일정 두께로 코팅하는데에 오랜 시간이 소요되어 생산성이 저하될 뿐만 아니라, 페이스트를 균일하게 코팅하는데 한계가 있어 그 위에 형성되는 분리판과의 높이 공차가 발생하여 효율이 저하되는 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 집전효율이 우수할 뿐만 아니라 분리판의 공차를 효과적으로 흡수할 수 있는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체를 제공하기 위하여 깊이 연구한 결과, 전기전도도가 우수한 금속물질로 3차원 망상구조를 갖도록 공기극 집전체를 제조하는 경우, 고체산화물 연료전지의 운전 후에도 우수한 집전성능을 갖는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체는, 기공을 갖는 다공성의 금속 폼(foam) 형상으로서, 이때 상기 금속 폼(foam)은 Co, Cu, Ni 및 Mn 중 2종 이상의 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이하, 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하도록 하다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 공기극 집전체는 상기 공기극 표면 전체를 덮으면서 상기 공기극과 분리판 사이에 형성된다.
구체적으로, 도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 고체산화물 연료전지의 일례를 나타낸 것으로서, 연료극 집전체(1)와 접촉하는 연료극(2) 위에 전해질과 공기극(3)이 있고, 공기극(3) 전체를 덮는 공기극 집전체(4) 및 그 위에 형성되는 분리판(7)과 분리판립(5)과 분리판립(5) 사이에서 공기극 유로(6)가 형성된다.
일반적으로 고체산화물 연료전지의 연료극 집전체로서 Ni 폼(foam)을 주로 사용하는 반면, 공기극 집전체로서 금속 메쉬(emsh)나 금속 폼(foam) 형태의 것을 사용하는 데에 큰 한계가 있다. 이는, 700℃ 이상의 작동온도와 공기가 흐르는 공기극의 특성상 금속물질들이 급격히 산화되어 전도성이 없는 산화물로 변형되며, 이렇게 변형된 산화물은 최초 금속 폼(foam)의 신축성을 유지할 수 없을 뿐만 아니라, 분리판의 공차나 공기극의 표면조도를 흡수할 수 없어, 집전성능을 잃게 되기 때문이다.
본 발명자들은 상술한 공기극 집전체의 한계점을 해결하고자, 충분한 집전면적을 확보하면서, 고온에서도 안정한 성분들로만 이루어진 금속 폼(foam)을 공기극 집전체로서 적용하고자 한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체는 다공성의 금속 폼(foam)으로서, 상기 금속 폼은 고온에서 스피넬 구조의 전도성 세라믹을 형성할 수 있는 원소로서 이루어지는 것이 바람직하다.
특별히, 본 발명에서는 공기극 집전체의 전기전도성 및 신축성 등을 고려하여 Co, Cu, Ni 및 Mn 중 2종 이상의 금속으로 이루어지도록 하였으며, 바람직하게 CoNi, CoMn 및 CuMn으로 이루어지는 2원계 합금 중 1종 또는 2종 이상 또는 CoNiMn 및 CoCuMn으로 이루어지는 3원계 합금 중 1종 또는 2종의 혼합금속으로 이루어진 금속 폼(foam)인 것이 바람직하다.
이때, 본 발명은 고체산화물 연료전지의 셀(cell) 특성에 악영향을 미치는 크롬(Cr)과 전도성이 없는 산화물과의 계면 탈착의 문제가 있는 철(Fe) 성분을 제외하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 금속 폼(foam)이 단일 원소로 이루어지게 되면, 고온에서 전도성이 낮은 산화물이 형성되어 집전체로 사용하기 곤란한 문제가 있으므로, 바람직하지 못하다.
보다 구체적으로, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 금속 폼(foam)이 CoMn인 경우 고온(약 800℃)에서 형성된 스피넬 산화물(MnxCoyO4)의 전기전도도가 최대 60S/cm으로 우수한 전기전도성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 금속 폼(foam)을 고체산화물 연료전지의 공기극 집전체로서 적합하게 이용할 수 있다. 더불어, 상기 CoMn 산화물과 유사한 전기전도도를 갖는 CoNi, CuMn뿐만 아니라, CoNiMn 및 CoCuMn의 금속 폼(foam)도 본 발명에서 의도하는 공기극 집전체로서 적합하게 이용할 수 있는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, CoNi 금속 폼(foam)을 공기극 집전체로 사용하는 경우, 고온에서 500시간 이상 사용하더라도 성능열화율이 1% 미만으로 매우 우수한 것을 확인할 수 있다 (도 6 참조).
→A-site
↓B-site		 Mg Mn Co Ni Cu Zn
Al MgAl2O4
10-6 		MnAl2O4
10-3 		CoAl2O4
10-5 		NiAl2O4
10-4 		CuAl2O4
0.05		 ZnAl2O4
10-6
Cr MgCr2O4
0.02		 MnxCryO4
0.002-0.03		 CoCr2O4
7.5		 NiCr2O4
0.73		 CuCr2O4
0.4		 ZnCr2O4
0.01
Mn MgMn2O4
0.97		 Mn3O4
0.1		 CoMn 2 O 4
7		 NiMn2O4
1.4		 Cu x Mn y O 4
1~200
12.2(평균값)		 ZnAl2O4
10-6
Fe MgFe2O4
0.08		 MnFe2O4
8		 CoFe2O4
0.94		 NiFe2O4
0.26		 CuFe2O4
9.1		 ZnFe2O4
0.07
Co - Mn x Co y O 4
0.01-60
9.7(평균값)		 Co3O4
6.7		 NiCo 2 O 4
10		 - -
(상기 표 1에서 전기전도도의 단위는 'S/cm' 이다.)
상기 본 발명의 금속 폼(foam)을 이루는 Co, Cu, Ni 및 Mn은 그 조성이 Co:Ni, Co:Mn, Cu:Ni 및 Cu:Mn = 1:9~9:1을 만족하는 것이 바람직하며, 이와 같이 조성됨으로써 고온에서 우수한 전기전도도를 갖는 전도성 세라믹을 형성할 수 있다.
보다 바람직하게는, Co:Ni의 경우 1.5~2.0:1.5~1.0, Co:Mn의 경우 1.5~2.0:1.5~1.0, Cu:Mn의 경우 1.0~1.3:2.0~1.7의 조성을 만족할 때, 보다 우수한 전기전도도를 갖는 전도성 세라믹을 형성할 수 있다.
상기한 혼합 금속으로 이루어지는 본 발명의 금속 폼(foam)은 고온에서 우수한 전기전도성을 갖는 것 이외에, 운전 전 상온상태에서 3차원 망목구조 형태로서 분리판의 높이 공차를 우수하게 흡수할 수 있는 효과가 있다.
다만, 이러한 효과를 극대화시키기 위하여 금속 폼(foam)의 밀도를 200 g/m2이상의 밀도를 갖도록 금속 폼(foam)을 제조하는 것이 바람직하다.
금속 폼(foam)의 밀도가 200g/m2 미만이면 기공율은 높아지는 반면 그 두께가 충분하지 못하여 공기극 집전체로서의 충분한 전기전도성의 확보가 어려운 문제가 있다. 다만, 금속 폼의 밀도가 1000g/m2을 초과하게 되면 공기흐름이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 금속 폼(foam)의 밀도를 200~1000g/m2로 제한하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 조성 및 밀도를 만족하는 본 발명의 금속 폼(foam)을 공기극 집전체로서 장착하는 경우 그 초기에는 폼(foam) 형상으로서 공차 흡수능을 향상시켜 접촉면적을 최대화하는 장점이 있으며, 이후 연료전지 작동 중에는 표면에 수십~수백S/cm의 높은 전기전도도를 갖는 스피넬(spinel) 구조의 전도성 세라믹이 형성되어 접촉저항이 낮아지며, 여전히 3차원 망목 구조로서 공기극으로의 원활한 전류흐름을 유도할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 측면에 따른 공기극 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지에 대하여 상세히 설명한다.
보다 구체적으로, 공기극, 연료극, 전해질 및 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지로서, 상기 공기극과 분리판 사이에는 공기극 집전체를 더 포함하고, 이때 상기 공기극 집전체는 기공을 갖는 다공성의 금속 폼(foam)인 것이 바람직하다.
특히, 본 발명에서 상기 금속 폼(foam)은 CoNi, CoMn 및 CuMn으로 이루어지는 2원계 합금 중 1종 또는 2종 이상 또는 CoNiMn 및 CoCuMn으로 이루어지는 3원계 합금 중 1종 또는 2종으로 이루어진 것으로서, 고온 산화 후 전기전도성이 우수한 전도성 세라믹을 형성함으로써, 장시간 운전에도 성능열화가 거의 없다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체를 제조하는 방법에 대하여, 하기에 일 구현예로서 설명한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체는, 고분자 폼(foam)을 준비하고, 상기 고분자 폼(foam) 표면에 금속을 증착한 후 그 위에 상기한 바에 따른 혼합 금속을 코팅하고, 이를 환원 열처리한 다음 고분자 폼(foam)을 제거함으로써 제조할 수 있다.
이때, 상기 고분자 폼(foam)으로는 폴리우레탄 또는 폴리에틸렌 폼(foam)을 사용함이 바람직하다.
상기 고분자 폼(foam)은 전기전도성이 없으므로, 그 위에 금속을 증착하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 고분자 폼(foam) 표면을 금속으로 증착하게 되면, 후속되는 코팅 공정을 행할 수 있게 된다. 상기 증착 금속으로서는 전기전도성을 부여할 수 있는 금속이라면 특별히 한정하지 아니하나, 예컨대 Ni, Cu, Co 중 1종의 금속을 사용할 수 있으며, 이때 증착 방법으로는 PVD를 이용할 수 있다.
상기 금속의 증착이 완료되면, 그 위에 본 발명에 따른 혼합 금속 즉, Co, Cu, Ni 및 Mn 중 2종 이상의 혼합 금속을 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 코팅은 전기도금 또는 분말코팅을 행할 수 있으며, 이때, 상기 금속 간의 조성은 앞서 서술한 바를 따르는 것이 바람직하다.
상기 코팅시 전기도금을 이용하는 경우, 도금하고자 하는 피도물 즉 금속이 PVD 증착된 고분자 폼을 음극으로 하고, 전착시키고자 하는 금속을 양극으로 준비한다. 이후, 상기 혼합 금속 이온을 포함한 전해액에 상기 음극 및 양극을 담근 다음, 전기를 가해줌으로써, 원하는 금속 이온을 부착시킬 수 있다. 이때, 상기 전착시키고자 하는 금속이 Co인 경우, 상기 전해액은 Ni, Cu 및 Mn 중 2종 이상의 혼합 금속 이온을 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같이 전기도금을 행할 시, 가해지는 인가전압과 전류는 각각 5~10V 및 200A 미만의 조건으로 실시하는 것이 바람직하며, 전해액의 온도와 산도(pH)는 각각 30~35℃, 3.5~5.5 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 코팅시 분말코팅 방법을 이용하는 경우, 상기 혼합 금속 분말을 스프레이 방식으로 1차 코팅한 후 그 위에 바인더를 도포하고, 나머지 분말을 2차 코팅처리하는 것이 바람직하다. 상기 1차 코팅시 원하는 전체 두께의 40~60% 정도에 해당하는 양을 코팅하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 2번에 걸쳐 분말코팅을 행하는 것은 균일한 두께의 금속 폼(foam)을 얻기 위한 것이다. 이와 같은 분말코팅 방법을 이용할 경우, 분말의 입도는 미세할수록 유리하며, 보다 바람직하게는 100nm~10mm 범위 내 크기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 코팅을 완료한 후 환원 열처리를 행함으로써 고분자 폼(foam)을 제거하는 것이 바람직하다. 이때, 열처리 온도는 폼(foam)의 두께, 도금층의 두께 등에 따라 달라질 수 있으나, 상기 고분자 폼(foam)이 모두 제거될 수 있는 온도 범위인 것이 바람직하다. 본 발명에서는 도금층의 상호확산을 통한 치밀한 폼(foam) 구조를 형성시킬 수 있는 온도 범위로서, 500~1000℃ 범위에서 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 이때, 열처리는 도금층의 산화를 방지하기 위해 수소와 질소 또는 수소와 아르곤으로 구성된 혼합가스 분위기 내에서 행하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
실시예 1. 금속 폼( foam ) 제조
1. CoNi 폼( foam ) 제조
폴리우레탄 폼(foam) 표면에 PVD 방법으로 Ni을 증착한 후 그 위에 5:5(발명예 1), 9:1(발명예 2)의 Co:Ni로 전기도금을 행하였다. 이후, 500~1000℃에서 환원 열처리하여 우레탄 폼을 제거함으로써, CoNi 폼(foam)을 제조하였다.
2. Ni 폼( foam ) 제조
전기도금시 Ni 도금을 실시한 것 이외에, 상기 CoNi 폼 제조와 동일한 방법으로 제조하였다.
실시예 2. 금속 폼( foam ) 성능 평가
1. CoNi 폼( foam ) 면저항 ( area specific resistance , ASR ) 측정
상기 실시예 1에서 제조한 발명예 1 및 2의 CoNi 폼을 800℃에서 1500시간 동안 ASR을 측정하고, 그 결과를 하기 도 2에 나타내었다.
측정 결과, 본 발명에 따른 금속 폼(foam)의 저항값이 전도성 세라믹의 저항값인 0.005Ω보다 높고, 장시간 동안 변화없이 유지하는 것을 확인할 수 있다.
이는, 본 발명에 따른 금속 폼(foam)의 외부 피막은 CoNi 스피넬(spinel) 구조의 전도성 세라믹으로 구성되고, 내부는 금속 소재의 3차원 망목 구조를 갖기 때문인 것으로 사료된다.
즉, 발명예 2의 CoNi 폼(foam)을 ASR 측정 전·후에 따른 미세조직을 관찰해본 결과, ASR 측정 전 금속 폼(foam) 내부의 3차원 망목 구조가 1500시간(800℃) 후에도 안정적으로 유지된 것을 확인할 수 있었다 (도 3 참조).
2. CoNi 폼 및 Ni 폼의 수축율 ( shinkage rate ) 측정
발명예 2의 CoNi 금속 폼과 비교를 위해 제조한 Ni 폼의 수축율을 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 상기 Ni 폼은 주로 연료극 집전체로서 사용된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 CoNi 폼(foam)은 일반적으로 연료극 집전체로 사용되는 Ni 폼과 유사한 수출율을 나타냄을 확인할 수 있다. 특히, 본 발명의 CoNi 폼은 초기 두께 0.75mm에서도 우수한 수축율을 보이는 것으로 볼 때, 본 발명의 금속 폼(foam)은 분리판의 공차 및 공기극의 표면조도를 충분히 흡수할 수 있을 것으로 사료된다.
실시예 3. CoNi 폼(foam)을 공기극 집전체로서 사용한 고체산화물 연료전지의 성능 평가
상시 실시예 1에서 제조한 발명예 2의 CoNi 폼(foam)을 공기극 집전체로 적용한 고체산화물 연료전지 스택의 단위전지(100cm2)의 출력평가 및 장기열화율 평가 결과를 도 5 및 6에 나타내었다. 이때, 연료전지의 운전온도는 750℃ 였으며, 기존 전도성 세라믹 페이스트를 공기극 집전체로 사용한 경우와 본 발명에 따른 CoNi 폼(foam)을 공기극 집전체로 사용한 경우의 결과를 함께 측정하여 비교·분석 하였다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 전류밀도 0.6A/cm2에서 CoNi 폼(foam)을 공기극 집전체로 적용한 단위전지의 성능이 전도성 세라믹을 적용한 단위전지에 비해 성능이 약 11% 높게 나타난 것을 확인할 수 있다.
이는, 본 발명에 따른 CoNi 폼(foam)이 분리판의 공차와 공기극의 표면조도를 효과적으로 흡수하여 집전면적을 충분히 확보할 수 있었던 것으로 판다되며, 또한 도 2에서 확인하였듯이 ASR이 전도성 세라믹에 비해 우수하였기 때문인 것으로 판단된다.
또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 CoNi 폼(foam)을 적용한 고체산화물 연료전지는 전류밀도 0.3A/cm2에서는 약 500시간 동안 성능열화가 없으며, 0.475A/cm2의 전류밀도에서는 약 900시간 동안 0.78% 정도 성능이 열화된 것을 확인할 수 있는데, 이는 현재 최고수준인 SOFC의 성능열화율 1% 보다 우수한 결과이다.
1...연료극 집전체
2...연료극
3...공기극
4...공기극 집전체
5...분리판립
6...공기극 유로
7...분리판

Claims (10)

  1. 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체로서,
    상기 공기극 집전체는 기공을 갖는 다공성의 금속 폼(foam)이고,
    상기 금속 폼(foam)은 200~1000 g/m2의 밀도를 가지며, Co:Mn이 1.5~2.0:1.5~1.0의 조성을 갖는 CoMn 및 Cu:Mn이 1.0~1.3:2.0~1.7의 조성을 갖는 CuMn으로 이루어지는 2원계 합금 중 1종 이상인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 공기극, 연료극, 전해질 및 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지의 공기극 집전체의 제조방법으로서,
    고분자 폼(foam)을 준비하는 단계; 상기 고분자 폼(foam) 표면에 금속을 증착하는 단계; 상기 증착된 금속의 상부에 Co, Cu 및 Mn 중 2종 이상의 혼합 금속을 코팅하는 단계; 상기 코팅 후 환원 열처리하는 단계; 및 상기 환원 열처리 후 고분자 폼(foam)을 제거하여 금속 폼(foam)을 제조하는 단계로 이루어지고,
    상기 금속 폼(foam)은 200~1000 g/m2의 밀도를 가지며, Co:Mn이 1.5~2.0:1.5~1.0의 조성을 갖는 CoMn 및 Cu:Mn이 1.0~1.3:2.0~1.7의 조성을 갖는 CuMn으로 이루어지는 2원계 합금 중 1종 이상인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 금속은 Ni, Cu 및 Co 중 1종인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 혼합 금속의 코팅은 전기도금 또는 분말코팅으로 실시하는 것인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 환원 열처리는 500~1000℃에서 실시하는 것인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 환원 열처리는 수소+질소 또는 수소+아르곤의 혼합가스 분위기 내에서 실시하는 것인 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  9. 공기극, 연료극, 전해질 및 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지로서,
    상기 공기극과 분리판 사이에는 공기극 집전체를 더 포함하고, 상기 공기극 집전체는 기공을 갖는 다공성의 금속 폼(foam)이고, 상기 금속 폼(foam)은 200~1000 g/m2의 밀도를 가지며, Co:Mn이 1.5~2.0:1.5~1.0의 조성을 갖는 CoMn 및 Cu:Mn이 1.0~1.3:2.0~1.7의 조성을 갖는 CuMn으로 이루어지는 2원계 합금 중 1종 이상인 고체산화물 연료전지.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 공기극 집전체는 고온 산화 후 전도성 세라믹으로 변형된 것인 고체산화물 연료전지.
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