KR102642175B1 - 고체 산화물 연료전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

고체 산화물 연료전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 출원은 공기극; 및 상기 공기극 상에 형성된 금속 메쉬(mesh) 소재의 집전층을 포함하며, 상기 집전층은 상기 공기극의 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 형성된 것인 고체 산화물 연료전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고체 산화물 연료전지 및 이의 제조 방법 {SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 출원은 고체 산화물 연료전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.
일반적으로 SOFC는 대전력을 발생시키기 위해 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(캐소드) 및 연료극(애노드)으로 이루어진 단위 전지(cell)을 여러 개 쌓아 놓은 형태인 스택 구조를 가진다. 상기 단위 전지를 스택 구조로 결합하기 위해 연결재(Interconnect)가 사용되고, 집전 기능을 향상시키기 위해 상기 단위 전지와 연결재 사이에 집전층이 삽입된다. 집전층은 실질적인 발전이 일어나는 셀에서 생성된 전기를 모아 다음 단계로 전해주는 역할을 한다.
집전층은 SOFC 성능과 관련된 주요 구성요소로, 집전층에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 오고 있으며, 공기극 집전층의 재료로 주로 사용되는 금속 메쉬의 경우 가격이 높아 이를 절감하기 위한 제조 방법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
한국 특허공개공보 제2012-0110787호
본 출원은 고체 산화물 연료전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 출원의 일 실시상태는,
공기극;
연료극;
상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층; 및
상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 형성된 금속 메쉬(mesh) 소재의 집전층을 포함하며,
상기 집전층은 상기 공기극의 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 형성된 것인 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
또한, 본 출원의 다른 실시상태는,
연료극, 전해질층 및 공기극의 적층체를 형성하는 단계; 및
상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 금속 메쉬(mesh)를 부착하여 집전층을 형성하는 단계
를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조 방법을 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 기체 배출부 주변에서 금속 이온이 환원되어 석출되면서 기체 흐름을 방해하는 현상을 방지하는 효과가 있다.
또한, 집전층 형성 시 고가의 금속 메쉬를 부분적으로 적용하기 때문에 제조 비용이 절감되는 효과가 있다.
도 1은 비교예 및 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2은 비교예의 연료전지를 3,000시간 동안 운전 후 공기극과 전해질층의 계면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 도이다.
도 3은 실시예의 연료전지를 3,000시간 동안 운전 후 공기극과 전해질층의 계면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시상태에 따라 집전층이 형성되는 영역을 예시한 도이다.
도 5는 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시상태에 따라 은 메쉬를 재단한 모습을 촬영한 도이다.
이하, 본 출원의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 출원의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 출원의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 출원의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 출원을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
공기극 집전층의 재료로 사용되는 금속 메쉬에서 금속 이온이 확산되면 이는 메쉬 내 금속 조성의 변화를 야기하여 집전층 자체의 내구성을 저하시킬 뿐만 아니라, 상기 금속 이온의 환원 반응에 의해 금속이 석출되어 기체의 흐름을 방해할 수 있다. 예컨대, 도 1과 같이 집전층으로 Ag mesh를 도입한 경우를 살펴보면, Ag mesh로부터 확산된 Ag는 산화은(Ag oxide)으로 안정화하려는 성질을 가지므로, 공기가 주입되는 기체 유입부(Gas inlet)에서는 산소와 결합된 상태로 존재하게 된다. 그러나 기체 배출부(Gas outlet) 주변에서 전자의 퍼텐셜이 증가하면 Ag+ 이온이 전자와 만나 기체 배출부 외부에 은이 석출되어 기체의 흐름을 방해할 수 있다(Ag++2e-→Ag).
이에 본 발명의 발명자들은 도 1의 우측 그림과 같이 Ag mesh를 기체 배출부 부근에는 형성하지 않음으로써, 은이 석출되는 문제점을 해결하였을 뿐만 아니라, 금속 메쉬의 사용량을 줄임으로써 공정 비용을 절감하였다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 공기극; 연료극; 상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층; 및 상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 형성된 금속 메쉬(mesh) 소재의 집전층을 포함하며, 상기 집전층은 상기 공기극의 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 형성된다. 즉, 상기 공기극 상에 집전층 형성 영역과 집전층 미형성 영역이 존재한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 일부는 공기극 총 면적의 10% 내지 80%, 바람직하게는 30% 내지 50%을 의미한다. 집전층이 공기극 총 면적의 10% 미만의 면적으로 형성될 경우, 접촉 면적의 절대 감소로 인해 전자 퍼텐셜 분포가 불균등하게 되어 전극 성능에 악영향을 미칠 수 있으며, 80%를 초과하여 형성될 경우 은이 환원되어 석출되는 현상을 방지하는 본 발명의 효과가 미미해지는 문제점이 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 집전층은 기체 배출부(Gas outlet)에 접하는 영역을 포함하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 4와 같이 공기극 전체 면적 중 기체 배출부를 비롯하여 외부와 접하는 영역에는 집전층이 모두 형성된 형태일 수 있다. 기체 배출부와 접하는 영역의 집전층을 모두 제거할 경우, 전자 퍼텐셜 분포에 악영향을 미칠 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 메쉬란 금속 와이어가 서로 교차하며 격자 형태로 형성된 것을 의미하며, 상기 금속 와이어의 선경(Wire Diameter) 및 선고(Wire height)는 0.1mm 내지 0.2mm인 것이 바람직하다. 상기 격자는 인치제곱 당 50개 내지 70개 포함된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속 메쉬 소재의 집전층은 Ag mesh 또는 Pt mesh로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 Ag mesh로 이루어질 수 있다. Ag mesh는 다른 귀금속 메쉬에 비하여 가격이 저렴한 장점이 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극의 두께는 10㎛ 내지 100㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는, 30㎛ 내지 70㎛, 더욱 바람직하게는 40㎛ 내지 50㎛ 일 수 있다.
공기극의 두께가 상기 범위에 포함될 경우, 반응 영역(reaction area)을 충분히 확보함과 동시에 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극의 기공률은 10% 내지 70%, 바람직하게는 20% 내지 50%, 더욱 바람직하게는 30% 내지 40% 일 수 있다.
공기극의 기공률이 상기 범위에 포함될 경우, 과도한 치밀함으로 인해 가스 확산에 있어서 농도 분극이 증가하는 문제점을 방지할 수 있고, 적절한 내구성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
상기 공기극의 기공의 직경은 1㎛ 내지 10㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는 3㎛ 내지 5㎛일 수 있다.
공기극의 기공의 직경이 상기 범위에 포함될 경우, 가스 확산 저항을 줄이면서도 내구성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극은 산소이온 전도성을 갖는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 란탄 스트론튬 망간 산화물(Lanthanum strontium manganese oxide: LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(Lanthanum calcium nickel ferrite: LCNF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(Lanthanum strontium cobalt oxide: LSC) 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(Gadolinium strontium cobalt oxide: GSC), 란탄 스트론튬 페라이트 (Lanthanum strontium ferrite: LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물 (Samarium strontium cobalt oxide: SSC), 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite : BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 공기극은 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(Lanthanum strontium cobalt oxide: LSC) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite: BSCF) 중 적어도 하나를 포함하고, 전해질의 금속 산화물과 동일한 무기물을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질이 세리아계 금속 산화물을 포함하는 경우, 상기 공기극은 세리아계 금속 산화물을 더 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 전해질이 가돌리늄 도프 세리아(GDC)를 포함하는 경우, 상기 공기극은 가돌리늄 도프 세리아(GDC)를 더 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극은 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 가돌리늄 도프 세리아(GDC) 및 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC) 을 포함한다.
상기 공기극의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 공기극용 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 공기극용 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 공기극용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 공기극용 그린시트 단독 또는 이웃한 이종층의 그린시트와 함께 소성하여 공기극을 제조할 수 있다.
상기 공기극용 슬러리는 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 공기극용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 공기극용 그린시트의 두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다.
상기 공기극용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량이 40중량% 이상 70중량% 이하이며, 용매의 함량이 10중량% 이상 30중량% 이하이고, 분산제의 함량이 5중량% 이상 10중량% 이하이고, 가소제의 함량이 0.5중량% 이상 3중량% 이하이고, 바인더가 10중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 집전층의 두께는 100㎛ 내지 500㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는 300㎛ 내지 400㎛ 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
집전층의 두께가 상기 범위에 포함될 때, 공기극에 충분히 밀착되는 효과가 있다.
도 5는 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 고체 산화물형 연료전지는 전해질(Electrolyte)층과 이 전해질층의 양면에 형성되는 연료극(Anode) 및 공기극(Cathode)으로 구성된다. 도 5를 참조하면, 공기극에서 공기가 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질층을 통해 연료극으로 전달된다. 연료극에서는 수소, 메탄올, 부탄 등과 같은 연료가 주입되고 연료가 산소이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고 물을 생성한다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료극은 산소이온 전도성을 갖는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 및 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 연료극의 두께는 10㎛ 내지 1,000㎛ 일 수 있다. 구체적으로, 상기 연료극의 두께는 100㎛ 내지 800㎛ 일 수 있다.
상기 연료극의 기공율은 10% 내지 50% 일 수 있다. 구체적으로, 상기 연료극의 기공율은 10% 내지 30% 일 수 있다.
상기 연료극의 기공의 직경은 0.1㎛ 내지 10㎛ 일 수 있다. 구체적으로, 상기 연료극의 기공의 직경은 0.5㎛ 내지 5㎛ 일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 연료극의 기공의 직경은 0.5㎛ 내지 2㎛ 일 수 있다.
상기 연료극의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 연료극용 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 연료극 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 연료극용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 연료극용 그린시트 단독 또는 이웃한 층의 그린시트와 함께 소성하여 연료극을 제조할 수 있다.
상기 연료극용 그린시트의 두께는 10㎛ 내지 500㎛ 일 수 있다.
상기 연료극용 슬러리는 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 연료극용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 연료극용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%이며, 용매의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%이고, 분산제의 함량이 5 중량% 내지 10 중량%이고, 가소제의 함량이 0.5 중량% 내지 3 중량%이고, 바인더의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%일 수 있다.
상기 연료극용 슬러리는 NiO를 더 포함할 수 있다. 상기 연료극용 슬러리의 총중량을 기준으로, 상기 NiO의 함량은 10 중량% 내지 30 중량%일 수 있다.
상기 연료극은 별도의 다공성 세라믹 지지체 또는 다공성 금속 지지체 상에 구비되거나, 연료극 지지체와 연료극 기능층을 포함할 수 있다. 이 때, 연료극 지지체는 연료극 기능층과 동일한 무기물을 포함하되 연료극 기능층보다 기공율이 높고 상대적으로 두께가 두꺼워 다른 층을 지지하는 층이며, 상기 연료극 기능층은 상기 연료극 지지체와 전해질층 사이에 구비되어 실제 연료극으로서의 주된 역할을 주행하는 층일 수 있다.
상기 연료극이 다공성 세라믹 지지체 또는 다공성 금속 지지체 상에 구비되는 경우, 제조된 연료극용 그린시트를 소성된 다공성 세라믹 지지체 또는 다공성 금속 지지체 상에 라미네이트한 후 이를 소성하여 연료극을 제조할 수 있다.
상기 연료극이 연료극 지지체와 연료극 기능층을 포함하는 경우, 제조된 연료극 기능층용 그린시트를 소성된 연료극 지지체 상에 라미네이트한 후 이를 소성하여 연료극을 제조할 수 있다.
상기 연료극이 연료극 지지체와 연료극 기능층을 포함하는 경우, 상기 연료극 지지체의 두께는 350㎛ 내지 1,000㎛ 일 수 있으며, 연료극 기능층의 두께는 5㎛ 내지 50㎛ 일 수 있다.
상기 전해질층은 산소 이온 전도성 무기물을 포함할 수 있으며, 산소 이온 전도성을 가진다면 특별히 한정하지 않는다. 구체적으로, 상기 전해질층의 산소 이온 전도성 무기물은 산화 지르코늄계, 산화 세륨계, 산화 란탄계, 산화 티타늄계 및 산화 비스무스계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 복합 금속 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전해질층의 산소 이온 전도성 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 및 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전해질층의 두께는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층의 두께는 20㎛ 내지 50㎛일 수 있다.
상기 전해질층의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 전해질층용 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 전해질층용 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 전해질층용 그린시트를 제조하고, 전해질층용 그린시트 단독 또는 이웃한 층의 그린시트와 함께 소성되어 전해질층을 제조할 수 있다.
상기 전해질층용 그린시트의 두께는 10㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다.
상기 전해질층용 슬러리는 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 전해질층용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 전해질층용 슬러리의 총중량을 기준으로, 상기 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량은 40 중량% 내지 70 중량%일 수 있다.
상기 전해질층용 슬러리의 총중량을 기준으로, 용매의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%이고, 분산제의 함량이 5 중량% 내지 10 중량%이고, 가소제의 함량이 0.5 중량% 내지 3 중량%이고, 바인더의 함량이 10 중량% 내지 30 중량% 일 수 있다.
본 명세서에서, 상기 그린시트는 완전한 최종 제품이 아닌 다음 단계에서 가공을 할 수 있는 상태의 필름 형태의 막을 의미한다. 다시 말하면, 상기 그린시트는 무기물 입자 및 용매를 포함하는 코팅 조성물로 도포하여 시트형으로 건조시킨 것이며, 상기 그린시트는 약간의 용매를 포함하면서 시트형태를 유지할 수 있는 반건조 상태의 시트를 말한다.
상기 연료전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 연료극, 전해질층 및 공기극의 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 금속 메쉬(mesh)를 부착하여 집전층을 형성하는 단계; 및 상기 집전층 중 기체 배출부(Gas outlet)에 접한 일부 영역을 제거하는 단계를 포함한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 적층체를 형성하는 단계는 전술한 방법으로 제조된 연료극 및 전해질층을 라미네이션하고 상기 전해질층에 상기 공기극용 슬러리를 도포 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 상기 집전층을 형성하는 단계 이전에 상기 금속 메쉬를 집전층 총 면적의 10% 내지 80%, 바람직하게는 30% 내지 50%의 면적으로 재단 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 재단은 상기 금속 메쉬를 여러겹으로 쌓아놓고, 직사각형 틀을 가지는 절삭기기를 사용하여 도 4와 같이 잘라냄으로써 수행될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 부착은 강력 접착제, 구체적으로는 시아노아크릴레이트계 접착제를 사용하여 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 재단을 통해 일부 영역이 제거된 금속 메쉬는 먼저 연결재(interconnect)의 일부인 립(rib)에 부착된 다음 공기극 상에 부착될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 전술한 고체 산화물 연료전지의 각 구성에 대한 설명을 인용할 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.
<실시예 : SOFC의 제조>
비교예.
측정에 사용된 고체산화물 연료전지는 연료극 지지체(ASL, Anode Support Layer), 연료극 기능층(AFL, Anode Functional Layer), 전해질층(EL, Electrolyte Layer) 및 공기극(CL, Cathode Layer)으로 제조했다.
ASL 슬러리(slurry)는 무기물로 YSZ, NiO 및 Carbon Black을 사용하고, 이때 YSZ와 NiO의 비율은 50:50vol%이고, 슬러리 전체 중량을 기준으로, carbon black이 10wt%로 구성된다.
또한, 상기 ASL 슬러리는 분산제, 가소제, 바인더 수지를 용매와 함께, 슬러리 전체 중량을 기준으로, 용매 23wt%, 분산제 6wt%, 가소제 0.8wt% 및 바인더 19wt%으로 첨가했다. 상기 ASL 슬러리를 테이프 케스팅(Tape Casting)방식으로 두께가 100㎛ 내지 200㎛인 ASL 그린시트(Green Sheet)를 얻었다.
AFL 슬러리는 ASL 슬러리와 유기물은 동일하나, YSZ와 NiO의 구성 비가 60:40vol%이고 carbon black이 포함되지 않은 것이며, 이를 사용하여 ASL보다 얇은 두께인 20㎛의 AFL 그린시트를 캐스팅했다.
EL 슬러리는 ASL 슬러리와 유기물은 동일하나, NiO 및 carbon black 없이 YSZ 및 GDC만으로 무기물을 구성한 것이며, 이를 사용하여 두께가 20㎛의 EL 그린시트를 캐스팅했다.
ASL 그린시트, AFL 그린시트 및 EL 그린시트를 순차적으로 라미네이션(Lamination)한 후 1,220℃ 내지 1,260℃에서 1차 소결, 1,330℃ 내지 1,370℃에서 2차 소결하여 Half Cell을 제조했다. 이때, 소결 후 ASL, AFL 및 EL의 두께는 각각 630㎛, 15㎛~25㎛ 및 5㎛~15㎛이었다.
전체 조성물 총 중량을 기준으로, LG64(LSCF6428(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ):GDC(Ce0.9Gd0.1O2-δ)=60wt%:40wt%)를 60wt%, 바인더조성물인 ESL441를 40wt% 포함한 LG64 공기극 조성물을 3 롤 밀(Roll Mill)을 이용하여 패이스트(Paste) 형태로 LG64공기극 조성물을 제조하였다.
앞서 제조된 Half Cell의 전해질층 위에, LG64 공기극 조성물을 스크린 프린팅(screen printing)법으로 도포하고 건조한 후, LSC64(La0.6Sr0.4CoO3-δ) 두 층을 도포하고 건조한 뒤, 1,100℃로 열처리하여 공기극을 형성했다. 이 때, 형성된 공기극의 면적은 9cm×9cm이었다.
제조된 연료전지 Cell에 연료극 측에 연료극 집전층인 니켈 폼을 셀에 접착제를 이용하여 고정시켰다.
제조된 연료전지 Cell의 공기극 측에 공기극 집전층인 9cm×9cm 크기의 은 메쉬(나노테크 社)를 상기 공기극 상에 접착제(헨켈 社, 록타이트 401)를 도포하여 고정하는 방법으로 부착하였다.
실시예.
상기 비교예에서 은 메쉬를 직사각형 틀의 절삭 기기를 사용하여 도 6과 같이 재단함으로써, 기체 유입부와 접하는 부분을 포함하여 70%만 남도록 한 다음 부착한 것을 제외하고는 상기 비교예와 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
<실험예 : SOFC의 성능 평가>
상기 비교예 및 실시예에서 제조된 SOFC를 각각 500mA/cm2의 전류밀도 하에서 3,000시간 동안 운전한 다음, 공기극과 전해질 계면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하였고 이를 각각 도 2(비교예) 및 도 3(실시예)으로 첨부하였다. 도 2의 경우, 공기극과 전해질의 계면 부근에 은이 석출된 것을 확인할 수 있는데, 이는 기체 배출부 부근에서 은 이온이 환원된 것이다. 도 3의 경우, 기체 배출부 부근의 집전층을 제거하였기 때문에 은의 석출 현상이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 은 메쉬의 사용량을 줄이면서도 내구성을 향상시키는 효과가 있음이 입증되었다.

Claims (9)

  1. 공기극;
    연료극;
    상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층; 및
    상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 형성된 금속 메쉬(mesh) 소재의 집전층을 포함하며,
    상기 금속 메쉬 소재의 집전층은 Ag mesh로 이루어지고,
    상기 집전층은 상기 공기극의 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 형성되는 집전층 형성영역과, 상기 공기극의 기체 배출부(Gas outlet) 부근에는 Ag mesh가 형성되지 않는 집전층 미형성 영역을 포함하고,
    상기 공기극의 전체 면적 중 기체 배출부를 비롯하여 외부와 접하는 영역에는 상기 집전층이 모두 형성되며,
    상기 일부 영역은 상기 공기극 총 면적의 10% 내지 80%인 것인 고체 산화물 연료전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 연료극, 전해질층 및 공기극의 적층체를 형성하는 단계; 및
    상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 형성되는 집전층 형성영역과, 상기 공기극의 기체 배출부(Gas outlet) 부근에는 Ag mesh가 형성되지 않는 집전층 미형성 영역, 상기 공기극의 전체 면적 중 기체 배출부를 비롯하여 외부와 접하는 영역에는 집전층이 모두 형성되도록 상기 Ag mesh를 부착하여 집전층을 형성하는 단계; 및
    상기 집전층을 형성하는 단계 이전에 상기 Ag mesh를 집전층 총 면적의 10% 내지 80%의 면적으로 재단하는 단계를 더 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 부착은 시아노아크릴레이트계 접착제를 사용하여 수행되는 것인 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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