KR102184536B1 - 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지 - Google Patents

세그먼트형 고체 산화물 연료 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR102184536B1
KR102184536B1 KR1020130161608A KR20130161608A KR102184536B1 KR 102184536 B1 KR102184536 B1 KR 102184536B1 KR 1020130161608 A KR1020130161608 A KR 1020130161608A KR 20130161608 A KR20130161608 A KR 20130161608A KR 102184536 B1 KR102184536 B1 KR 102184536B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
barrier layer
fuel cell
tubular support
solid oxide
oxide fuel
Prior art date
Application number
KR1020130161608A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150073647A (ko
Inventor
오정환
김형규
최광호
박현규
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020130161608A priority Critical patent/KR102184536B1/ko
Publication of KR20150073647A publication Critical patent/KR20150073647A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102184536B1 publication Critical patent/KR102184536B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2428—Grouping by arranging unit cells on a surface of any form, e.g. planar or tubular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • H01M2300/0077—Ion conductive at high temperature based on zirconium oxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/1253—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지는, 다공성 관형 지지체; 상기 다공성 관형 지지체 상에 형성되는 배리어층; 및 상기 배리어층 위에 형성되는 복수의 단위 셀을 포함하고, 상기 배리어층은 표면 거칠기가 상기 다공성 관형 지지체보다 작다.

Description

세그먼트형 고체 산화물 연료 전지{SEGMENTED SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 구조를 개선한 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 고체 상의 세라믹을 전해질로 사용하여 고온에서 연료(일 예로, 수소)와 산소의 전기 화학 반응에 의하여 전기를 생산하는 연료 전지로서, 발전 효율이 높고 경제성이 우수하다.
고체 산화물 연료 전지는 전극이 고체 상태이기 때문에 평판형이나 원통형 등 다양한 형태로 제조가 가능하다. 평판형 고체 산화물 연료 전지는 전력 밀도와 생산성이 우수하고 전해질의 박막화가 가능한 장점이 있다. 반면, 별도의 밀봉재를 이용한 기체 밀봉이 필요하고 고온에서 연결재를 구성하는 금속(예를 들어, 크롬)이 휘발되어 전극 효율이 저하될 수 있으며 열 사이클에 대한 저항성이 낮아 신뢰성이 부족할 수 있다. 원통형 고체 산화물 연료 전지는 기체 밀봉이 불필요하고 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 신뢰성이 우수한 장점이 있다. 반면, 전류의 이동 경로가 길어서 내부 저항이 높고 출력 밀도가 낮은 단점이 있다.
이러한 형태의 단점을 보완하는 개량 셀 형태 중 하나로 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지가 제안되었다. 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지는 기존의 단전지 관형 셀이 마디형으로 복수 개의 셀로 분리된 구조를 가진다. 이러한 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지는 단위 전지들이 직렬 형태로 연결된 모듈이기 때문에 고전압, 저전류 출력으로 고효율의 발전이 가능하고, 스택의 부피를 감소할 수 있어 시스템을 단순화할 수 있다. 또한, 제조 비용이 낮고 대량 생산이 가능한 다양한 공정을 적용할 수 있다.
다만, 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지는 지지체의 불균일한 기공 분포 및 불균일한 표면으로 인하여 수소 연료가 애노드 전극에 균일하게 도달하지 않을 수 있다. 그러면 복수 개의 셀에서 출력 및 효율이 불균일한 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 복수 개의 셀에서 출력 및 효율을 균일화할 수 있는 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지는, 다공성 관형 지지체; 상기 다공성 관형 지지체 상에 형성되는 배리어층; 및 상기 배리어층 위에 형성되는 복수의 단위 셀을 포함하고, 상기 배리어층은 표면 거칠기가 상기 다공성 관형 지지체보다 작다.
상기 배리어층의 표면 거칠기가 0.2um 내지 0.5um일 수 있다.
상기 배리어층이 이트리아 계열 안정화 지르코니아를 포함하고, 상기 배리어층 100wt%에 대하여, 상기 배리어층의 이트리아 함량이 5wt% 내지 13wt%일 수 있다.
상기 복수의 단위 셀 각각은, 상기 배리어층 위에 형성되는 애노드 전극; 상기 애노드 전극 위에 형성되는 전해질층; 및 상기 전해질층 위에 형성되는 캐소드 전극을 포함할 수 있다. 상기 배리어층이 이트리아 계열 안정화 지르코리아를 포함하고, 상기 전해질층이 이트리아 계열 안정화 지르코니아를 포함하며, 상기 배리어층의 이트리아 함량이 상기 전해질층의 이트리아 함량보다 작을 수 있다.
상기 배리어층의 전기 전도도가 상기 전해질층의 전기 전도도보다 작을 수 있다.
상기 배리어층의 기체 투과도가 상기 전해질층의 기체 투과도보다 클 수 있다.
본 실시예에 따른 연료 전지에서는 다공성 관형 지지체와 애노드 전극 사이에 다공성 관형 지지체보다 작은 표면 거칠기를 가지는 배리어층을 형성하여 배리어층 위에 형성된 애노드 전극에 연료가 균일하게 확산될 수 있도록 한다. 또한, 배리어층에 의하여 기공이 균일하게 분포되도록 하여 애노드 전극에 연료가 좀더 균일하게 확산될 수 있도록 한다. 이에 의하여 각 단위 셀에서 발전 효율 및 출력을 최대화하고 균일화할 수 있다. 이에 의하여 연료 전지의 효율 및 출력을 최대화할 수 있다.
또한, 배리어층의 열팽창 계수를 단위 셀의 전해질층과 유사하게 하여 열적 스트레스를 줄이고, 전기 전도도를 전해질층보다 작게 하여 불필요한 전기 흐름을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지(이하 "연료 전지")(100)는, 다공성 관형 지지체(10)와, 다공성 관형 지지체(10) 상에 형성되는 배리어층(20)과, 배리어층(20)에 형성되는 복수의 단위 셀(30)을 을 포함한다. 여기서, 각각의 단위 셀(30a, 30b, 30c)은 각기 배리어층(20) 위에 형성되는 애노드 전극(32)과, 애노드 전극(32) 위에 형성되는 전해질층(34)과, 전해질층(34) 위에 형성되는 캐소드 전극(36)을 포함하고, 복수의 단위 셀(30)은 연결재(38)에 의하여 서로 직렬 연결될 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
다공성 관형 지지체(10)는 내부에 중공(10a)을 가지는 관 형상을 가지며 복수의 제1 기공(10b)를 가지는 다공성 물질로 구성된다. 다공성 관형 지지체(10)의 다공성에 의하여 중공(10a)을 흐르는 연료(일 예로, 수소)가 다공성 관형 지지체(10)를 통과하여 애노드 전극(32) 쪽으로 이동할 수 있다. 다공성 관형 지지체(10)는 높은 온도에서 견딜 수 있는 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다공성 관형 지지체(10)는 알루미늄계 물질 또는 지르코니아계 물질을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다공성 관형 지지체(10)는 복수의 단위 셀(30)을 지지할 수 있으면서 기체가 흐를 수 있는 다양한 물질을 사용할 수 있다.
다공성 관형 지지체(10) 위에 형성되는 배리어층(20)은 표면을 평탄화하여 기공을 균일화하여 중공(10a)을 흐르는 연료가 균일하게 애노드 전극(32)으로 이동하도록 한다. 이러한 배리어층(20)이 전해질층(34)과 동일 또는 유사한 열팽창 계수를 가질 때 연료 전지(100)가 고온에서 높은 안정성을 가질 수 있다. 따라서, 배리어층(20)은 다공성 관형 지지체(10)의 표면을 평탄화할 수 있으며 전해질층(34)과 열팽창 계수가 동일 또는 유사한 물질을 포함할 수 있다. 그리고 불필요한 전기 흐름을 방지할 수 있도록 배리어층(20)은 전기 전도도가 작은 것이 유리하며, 우수한 기계적 특성을 가지는 것이 유리하다. 또한, 배리어층(20)은 연료 기체가 이동할 수 있도록 기체 투과도가 전해질층(34)보다 높을 수 있다.
좀더 구체적으로, 배리어층(20)의 표면 거칠기는 다공성 관형 지지체(10)의 표면 거칠기보다 작을 수 있다. 일 예로, 다공성 관형 지지체(10)의 표면 거칠기(Ra)가 0.6 내지 0.7um일 수 있고, 배리어층(20)의 표면 거칠기(Ra)가 0.5um 이하일 수 있다. 배리어층(20)의 표면 거칠기가 0.5um를 초과하면 표면을 평탄화하는 특성이 충분하지 않을 수 있다. 배리어층(20)의 표면 거칠기는 작으면 작을수록 좋으므로, 그 하한은 특별히 한정되지 않으나, 0.2um 미만의 표면 거칠기를 구현하기는 어려울 수 있다. 표면을 좀더 평탄화하게 위하여 배리어층(20)의 표면 거칠기는 0.2um 내지 0.4um일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 배리어층(20)의 표면 거칠기가 다양한 값을 가질 수 있다.
그리고 배리어층(20)은 전해질층(34)과 동일 또는 유사한 열팽창 계수를 가질 수 있고, 불필요한 전기 흐름을 방지할 수 있도록 전기 전도도가 전해질층(34)보다 작을 수 있다. 이에 따라 배리어층(20)은 전해질층(34)과 동일한 물질을 포함하되, 그 조성이 다른 물질일 수 있다. 이에 대해서는 추후에 좀더 상세하게 설명한다. 그리고 배리어층(20)을 통해서 연료 기체가 투과하여 애노드 전극(34)에 도달하여야 하므로 배리어층(20)은 기체 투과도가 높은 것이 유리하고, 전해질층(34)은 기체 투과도가 낮은 것이 유리하다. 따라서 배리어층(20)의 기체 투과도는 전해질층(34)보다 클 수 있다. 이를 위하여 배리어층(20)의 기공 크기, 기공 밀도 등이 전해질층(34)보다 클 수 있다.
일 예로, 배리어층(20)은 금속 산화물 안정화 지르코니아를 포함할 수 있다. 금속 산화물 안정화 지르코니아는 지르코니아에 금속 산화물을 첨가하여 상온에서도 안정을 유지할 수 있는 물질이다. 금속 산화물을 많이 포함하게 되면 금속 산화물 안정화 지르코리아가 일정 온도 이상(일 예로, 800℃ 이상)일 때 공공(vacancy)이 생겨 이온이 쉽게 이동할 수 있으므로, 이를 고려하여 금속 산화물의 양이 한정되어야 한다.
금속 산화물 안정화 지르코니아의 금속은 알루미늄(Al), 스칸디움(Sc), 마그네슘(Mg), 하프늄(Hf), 세륨(Ce) 및 이트륨(Y) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라 배리어층(20)은 알루미나 안정화 지르코니아(alumina stabilized zirconia, ASZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia stabilized zirconia, SSZ), 마그네시아 안정화 지르코니아(magnesium stabilized zirconia, MSZ), 하프니아 안정화 (Hafnia stabilized zirconia, HSZ), 세리아 안정화 지르코니아(ceria stabilized zirconia, CSZ) 및 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia, YSZ) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 중에서도 이트리아 안정화 지르코니아는 전기 전도도가 낮고 기계적 강도가 높으면서 가격이 저렴하므로, 배리어층(20)이 이트리아 안정화 지르코니아를 포함할 수 있다.
배리어층(20)이 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하는 경우에는 이트리아 안정화 지르코리아로 구성되는 세라믹 분말, 바인더, 첨가제 등을 용매에 첨가하여 혼합한 페이스트를 다공성 관형 지지체(10) 상에 도포한 후에 이를 소성하는 것에 의하여 배리어층(20)을 형성할 수 있다.
이때, 이트리아 안정화 지르코니아로 구성되는 세라믹 분말은 5wt% 내지 13wt%의 이트리아를 포함할 수 있다. 페이스트를 도포한 후에 소성하게 되면 용매, 바인더 등은 사라지게 되어 이트리아 안정화 지르코리아나가 주로 남게 되므로, 배리어층(20)도 이트리아가 5wt% 내지 13wt%만큼 포함될 수 있다. 이트리아의 함량이 5wt%보다 작으면, 이트리아 함량이 배리어층(20)보다 높은 전해질층(34)과 이트리아 함량의 차이가 커지므로 전해질층(34)과의 열팽창 계수의 차이가 커질 수 있다. 그러면 심할 경우 고온에서 열적 스트레스 등에 의하여 균열이 발생할 수 있다. 이트리아의 함량이 13wt%보다 크면, 이트리아 함량이 증가하여 제조 비용이 증가하고 전기 전도도가 증가할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이트리아 함량 등은 다양한 값을 가질 수 있다.
이때, 세라믹 분말은 페이스트 전체 100 중량부에 대하여 65 중량부 내지 85 중량부만큼 포함할 수 있다. 세라믹 분말의 중량부가 65 미만이면, 한 번의 도포 공정에 의하여 도포될 수 있는 두께가 줄어들어 배리어층(20)을 원하는 두께로 형성하기 어렵거나 공정이 복잡해질 수 있다. 세라믹 분말의 중량부가 85 중량부를 초과하면 페이스트의 점도가 높아져 배리어층(20)의 표면 거칠기가 낮아질 수 있다. 이때, 배리어층(20)의 두께 및 표면 거칠기를 좀더 고려하면, 세라믹 분말의 중량부가 70 내지 80일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 세라믹 분말의 중량부는 다양하게 변형될 수 있다.
바인더는 세라믹 분말 사이의 결합력을 높일 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 바인더로 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)계 물질을 사용할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 알려진 다양한 바인더가 사용될 수 있다. 바인더는 페이스트 100wt%에 대하여 1wt% 내지 10wt%만큼 포함될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
첨가제는 다양한 특성을 향상할 수 있는 다양한 종류의 첨가제가 사용될 수 있다. 일 예로, 첨가제가 표면 장력을 저하여 레벨링 특성을 향상할 수 있는 레벨링제를 포함할 수 있고, 레벨링제는 불소 계열 물질을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 알려진 다양한 첨가제가 사용될 수 있다. 레벨링제 등의 첨가제는 페이스트 100wt%에 대하여 0.2wt% 내지 5wt%만큼 포함될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
용매는 세라믹 분말, 바인더 및 첨가제를 고르게 분산하여 이들을 함께 혼합할 수 있는 다양한 물질을 사용할 수 있다. 일 예로, 용매는 인쇄성이 우수한 알코올 계열 물질을 사용할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 알려진 다양한 용매가 사용될 수 있다.
상술한 페이스트의 점도는 30,000cps 내지 60,000cps일 수 있다. 페이스트의 점도가 30,000cps 미만이면, 점도가 낮아 페이스트가 흘러내려서 작업성이 저하될 수 있다. 페이스트의 점도가 60,000cps를 초과하면, 점도가 높아 표면을 평탄화하기 어려울 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 페이스트의 점도 등은 다양한 값을 가질 수 있다.
페이스트는 일정 온도(예를 들어, 1000℃ 내지 1500℃)의 온도에서 소성되어 배리어층(20)을 형성할 수 있다. 이때, 바인더, 용매 등이 높은 열에 의하여 제거되면서 그 부분에 기공들이 위치하여 배리어층(20)이 상대적으로 큰 기체 투과도를 가질 수 있다. 이러한 배리어층(20)의 두께는 10um 내지 25um일 수 있다. 배리어층(20)의 두께가 10um 미만이면, 표면을 평탄화하는 효과가 충분하게 발휘되지 못할 수 있다. 배리어층(20)의 두께가 25um를 초과하면, 페이스트 내에 포함되는 고형분 함량(특히, 세라믹 분말의 함량)이 증가하여 점도가 높아지게 되어 표면 거칠기가 저하될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 배리어층(20)의 두께가 다양한 값을 가질 수 있다.
배리어층(20) 위에 복수의 단위 셀(30)이 형성된다. 각 단위 셀(30)은 애노드 전극(32), 전해질층(34) 및 캐소드 전극(36)을 포함할 수 있다. 그리고 하나의 단위 셀(30)의 애노드 전극(32)과 이에 이웃한 단위 셀(30)의 캐소드 전극(36)이 연결재(38)에 의하여 연결되어, 복수의 단위 셀(30)이 직렬로 연결될 수 있다.
애노드 전극(32)은 일정한 패턴(일 예로, 다공성 관형 지지체(10)의 원주 방향을 따라 길게 이어지는 스트라이프 패턴)을 가지는 복수 개가 서로 평행하게 배리어층(20) 상에 형성될 수 있다. 일 예로, 애노드 전극(32)은 Ni-YSZ 계열의 서멧(cermet)을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 애노드 전극(32)으로 다양한 물질을 포함할 수 있다.
전해질층(34)은 애노드 전극(32) 상에서 일정한 패턴(일 예로, 다공성 관형 지지체(10)의 원주 방향을 따라 길게 이어지는 스트라이프 패턴)을 가지는 복수 개가 서로 평행하게 애노드 전극(32) 상에 형성될 수 있다. 전해질층(34)은 애노드 전극(32)의 일부 부분(도면에서 애노드 전극(32)의 좌측 부분)을 노출하도록 위치할 수 있다. 일 예로, 전해질층(34)은 YSZ를 포함할 수 있고, 이트리아의 함량이 배리어층(20)보다 클 수 있다. 예를 들어, 전해질층(34)은 이트리아 함량이 13wt% 초과, 30wt%일 수 있다. 그러면, 전해질층(34)이 배리어층(20)보다 우수한 전기 전도도를 가져 우수한 전기적 특성을 가질 수 있고, 전해질층(34)과 배리어층(20)의 열팽창 계수가 유사하도록 하여 열적 스트레스 등에 의한 문제를 방지할 수 있다. 그 외에도 전해질층(34)은 CYZ, LaGaO3 계열 물질, SYZ 등을 포함할 수 있다. 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 전해질층(34)이 이외에도 다양한 물질을 가질 수 있다.
전해질층(34)이 YSZ를 포함하는 경우에는, 배리어층(20)과 유사한 방법에 의하여 형성될 수 있다. 다만, 전해질층(34)은 기체 투과도가 상대적으로 낮아야 하므로, YSZ로 구성되는 세라믹 분말을 용매 상에 균일하게 분포하도록 하여 소결 후에 세라믹 분말들이 높은 적층 밀도를 가지면서 위치하도록 할 수 있다. 그러면 기체 투과도를 최소화하여 불필요하게 기체가 통과하는 것을 방지할 수 있다. 그 외에도 다양한 방법에 의하여 동일한 물질을 포함하더라고 전해질층(34)과 배리어층(20)의 기체 투과도를 서로 다르게 할 수 있다.
캐소드 전극(36)은 전해질층(34) 상에서 일정한 패턴(일 예로, 다공성 관형 지지체(10)의 원주 방향을 따라 길게 이어지는 스트라이프 패턴)을 가지는 복수 개가 서로 평행하게 전해질층(34) 상에 형성될 수 있다. 캐소드 전극(36)의 일부는 애노드 전극(32)과 겹쳐지지 않는 영역에 형성되어 이웃한 애노드 전극(32)과 쉽게 연결될 수 있도록 한다. 캐소드 전극(36)은 페로브스카이트(perovskite) 구조의 LSM(La1 - xSrxMnO3)-YSZ층(여기서, a<x<1)과 플루어라이트(fluorite) 구조의 YSZ의 복합체를 포함할 수 있다.
연결재(38)는 하나의 단위 셀(30)의 애노드 전극(32)과 이에 이웃한 단위 셀(30)의 캐소드 전극(36)을 연결하는 다양한 형상 및 물질을 가질 수 있다. 일 예로, 연결재(38)는, 하나의 단위 셀(30)(즉, 도 2의 좌측에 위치한 제1 단위셀(30a))의 애노드 전극(32)과 겹쳐지지 않는 부분의 캐소드 전극(36)과, 제1 단위 셀(30a)과 이웃한 단위 셀(즉, 도 2의 중간에 위치한 제2 단위셀(30b))에서 전해질층(34)에 의하여 덮여지지 않은 부분의 애노드 전극(32)을 연결할 수 있다. 또한, 제2 단위셀(30b)의 캐소드 전극(36)과 제2 단위셀(30b)에 이웃한 다른 셀(즉. 도 2의 우측에 위치한 제3 단위셀(30c))의 애노드 전극(36)을 연결할 수 있다. 이에 의하여 복수의 단위 셀(30)을 직렬로 연결할 수 있다. 연결재(38)는 페로브스카이트 구조의 LaGaO3 계열 물질을 사용할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 연결재(38)의 형상 및 물질 등은 다양하게 변형될 수 있다.
이와 같은 연료 전지(100)에서는 다공성 관형 지지체(10)의 내부의 중공(10a)으로 연료(일 예로, 수소)를 공급하고 다공성 관형 지지체(10)의 외부(즉, 캐소드 전극(36)이 위치한 부분)으로 공기를 공급한다. 다공성 관형 지지체(10) 및 배리어층(20)을 통과하여 애노드 전극(32)에 공급된 수소는 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질층(34)을 통하여 캐소드 전극(36)으로 이동하여 산소 이온과 만나 반응 생성물(물)을 형성한다. 그리고 수소에서 분리된 전자는 외부 회로를 통하여 캐소드 전극(36)으로 이동하고, 이에 의하여 전기가 흐르게 된다.
본 실시예에 따른 연료 전지(100)에서는 다공성 관형 지지체(10)와 애노드 전극(32) 사이에 다공성 관형 지지체(10)보다 작은 표면 거칠기를 가지는 배리어층(20)을 형성하여 배리어층(20) 위에 형성된 애노드 전극(32)에 연료가 균일하게 확산될 수 있도록 한다. 또한, 배리어층(20)에 의하여 기공이 균일하게 분포되도록 하여 애노드 전극(32)에 연료가 좀더 균일하게 확산될 수 있도록 한다. 이에 의하여 각 단위 셀(30)에서 발전 효율 및 출력을 최대화하고 균일화할 수 있다. 이에 의하여 연료 전지(100)의 효율 및 출력을 최대화할 수 있다. 또한, 배리어층(20)의 열팽창 계수를 단위 셀(30)의 전해질층(34)과 유사하게 하여 열적 스트레스를 줄이고, 전기 전도도를 전해질층(34)보다 작게 하여 불필요한 전기 흐름을 방지할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
중심선 평균 거칠기가 0.60um인 다공성 관형 지지체를 준비하였다.
65wt% YSZ(이때, YSZ 100wt%에 대하여 이트리아가 8wt%만큼 포함됨), 8wt%의 에틸 셀룰로오스계 바인더, 2wt%의 불소 계열 레벨링제, 그리고 나머지 알코올 계열 용매를 혼합하여 페이스트를 제조하여, 이를 다공성 관형 기판의 위에 인쇄에 의하여 코팅하였다. 1200℃에서 소성하여 다공성 관형 지지체 위에 배리어층을 형성하였다.
실시예 2
YSZ의 함량이 70wt%이라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 배리어층을 형성하였다.
실시예 3
YSZ의 함량이 75wt%라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 배리어층을 형성하였다.
실시예 4
YSZ의 함량이 80wt%라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 배리어층을 형성하였다.
실시예 5
YSZ의 함량이 85wt%이고, 바인더의 함량이 2wt%라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 배리어층을 형성하였다.
비교예 1
YSZ의 함량이 90wt%이고, 바인더의 함량이 1wt%라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 배리어층을 형성하였다.
비교예 2
YSZ의 함량이 60wt%라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 배리어층을 형성하였다.
비교예 3
YSZ의 함량이 55wt%라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 배리어층을 형성하였다.
비교예 4
YSZ의 함량이 50wt%라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 배리어층을 형성하였다.
실시예 1 내지 5, 그리고 비교예 1 내지 4에 의하여 형성된 배리어층의 두께 및 표면 거칠기(중심선 평균 거칠기)를 측정하여 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다. 다공성 관형 지지체의 중심선 평균 거칠기는 0.60um였다.
두께[um] 중심선 평균 거칠기[um]
실시예 1 11.5 0.27
실시예 2 13.6 0.26
실시예 3 17.3 0.34
실시예 4 19.4 0.32
실시예 5 22.1 0.43
비교예 1 24.2 0.96
비교예 2 9.5 0.25
비교예 3 8.4 0.22
비교예 4 7.8 0.23
표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 5에 따라 제조된 배리어층은 중심선 평균 거칠기가 다공성 관형 지지체보다 작은 값을 가져 우수한 표면 특성을 가지는 것을 알 수 있고, 배리어층의 두께 또한 10um 이상으로 충분한 두께를 가지도록 형성되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 실시예 1 내지 5에 따르면 우수한 표면 특성 및 충분한 두께를 가지는 배리어층을 1회의 인쇄 공정에 의하여 형성할 수 있음을 알 수 있다.
반면, 비교예 1에 따라 제조된 배리어층은 중심선 평균 거칠기가 다공성 관형 지지체보다 더 큰 값을 가져 표면 평탄화의 효과가 나타나지 않았음을 알 수 있다. 비교예 2 내지 4에 따라 제조된 배리어층은 YSZ의 함량이 낮아 배리어층이 충분한 두께를 가지지 못함을 알 수 있다. 그러면 배리어층이 표면 평탄화 효과 또는 기공 균일화 효과를 충분하게 가지기 어려울 수 있다. 이를 보완하기 위하여 배리어층을 복수의 인쇄에 의하여 형성하면 생산성이 저하될 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지
10: 다공성 관형 지지체
20: 배리어층
30: 단위 셀
32: 애노드 전극
34: 전해질층
36: 캐소드 전극
38: 연결재

Claims (6)

  1. 다공성 관형 지지체;
    상기 다공성 관형 지지체 상에 형성되는 배리어층; 및
    상기 배리어층 위에 형성되는 복수의 단위 셀
    을 포함하고,
    상기 배리어층은 표면 거칠기가 상기 다공성 관형 지지체보다 작으며,
    상기 배리어층의 표면 거칠기가 0.2um 내지 0.5um이고,
    상기 배리어층이 이트리아 계열 안정화 지르코니아를 포함하고,
    상기 배리어층 100wt%에 대하여, 상기 배리어층의 이트리아 함량이 5wt% 내지 13wt%이며,
    상기 배리어층의 두께는 10um 내지 25um인 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 셀 각각은,
    상기 배리어층 위에 형성되는 애노드 전극;
    상기 애노드 전극 위에 형성되는 전해질층; 및
    상기 전해질층 위에 형성되는 캐소드 전극
    을 포함하고,
    상기 배리어층이 이트리아 계열 안정화 지르코리아를 포함하고,
    상기 전해질층이 이트리아 계열 안정화 지르코니아를 포함하며,
    상기 배리어층의 이트리아 함량이 상기 전해질층의 이트리아 함량보다 작은 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배리어층의 전기 전도도가 상기 전해질층의 전기 전도도보다 작은 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 배리어층의 기체 투과도가 상기 전해질층의 기체 투과도보다 큰 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지.
KR1020130161608A 2013-12-23 2013-12-23 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지 KR102184536B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130161608A KR102184536B1 (ko) 2013-12-23 2013-12-23 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130161608A KR102184536B1 (ko) 2013-12-23 2013-12-23 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150073647A KR20150073647A (ko) 2015-07-01
KR102184536B1 true KR102184536B1 (ko) 2020-11-30

Family

ID=53787127

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130161608A KR102184536B1 (ko) 2013-12-23 2013-12-23 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102184536B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220010792A (ko) 2020-07-20 2022-01-27 주식회사 엘지에너지솔루션 유동방지부를 포함하는 파우치형 이차전지 및 이의 제조방법
CN114725454B (zh) * 2022-04-06 2024-07-26 山东工业陶瓷研究设计院有限公司 一种sofc电池及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011228280A (ja) * 2010-03-31 2011-11-10 Dainippon Printing Co Ltd 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101179130B1 (ko) * 2010-10-01 2012-09-07 한국에너지기술연구원 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈
KR20130080723A (ko) * 2012-01-05 2013-07-15 엘지전자 주식회사 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011228280A (ja) * 2010-03-31 2011-11-10 Dainippon Printing Co Ltd 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150073647A (ko) 2015-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4000128B2 (ja) 燃料極支持体式平管型固体酸化物燃料電池スタック及びその製造方法
JP5457954B2 (ja) 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック、横縞型固体酸化物形燃料電池バンドルおよび燃料電池
KR101179130B1 (ko) 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈
JP2001196069A (ja) 燃料電池
KR101341969B1 (ko) 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈
JP5734215B2 (ja) 固体電解質型燃料電池
KR20110004274A (ko) 고체산화물 연료전지의 제조방법
JP5281950B2 (ja) 横縞型燃料電池セルスタックおよびその製法ならびに燃料電池
JP6152171B2 (ja) 固体酸化物燃料電池における層のための粉末混合物
KR102184536B1 (ko) 세그먼트형 고체 산화물 연료 전지
US10003088B2 (en) Solid oxide fuel cell stack
JP2006331743A (ja) 横縞形燃料電池セル、その製造方法、燃料電池セルスタック、その製造方法、および、燃料電池、
JP2012014850A (ja) 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック、横縞型固体酸化物形燃料電池バンドルおよび燃料電池
KR101510402B1 (ko) 평관형 세그먼트 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
KR101657242B1 (ko) 반응방지막을 포함하는 고온 고체산화물 셀, 이의 제조방법
KR101424701B1 (ko) 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈 및 그 제조방법
KR20190129841A (ko) 전기 화학 소자의 제조 방법 및 전기 화학 소자
JP6654765B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池セルスタック
JP2006127973A (ja) 燃料電池セル
JP5401405B2 (ja) 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック、横縞型固体酸化物形燃料電池バンドルおよび燃料電池
JP2009245896A (ja) 固体酸化物形燃料電池の作製用スペーサー、これを用いた固体酸化物形燃料電池用部材の製造方法、及び固体酸化物形燃料電池の製造方法
JP6524756B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池セルスタック
JP6316760B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池の製造方法
US20230096327A1 (en) Bipolar plate for fuel cell stack
KR20110013802A (ko) 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant