KR20100137719A - 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기극 지지체, 상기 공기극 지지체의 일면에 형성되는 공기극, 상기 공기극의 일면에 형성되는 전해질 및 상기 전해질의 일면에 형성되는 연료극을 포함하고, 상기 공기극 지지체는 금속인 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법을 제공한다.

고체산화물, 연료전지, 집전체, SOFC, 금속 지지체

Description

고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법{Solid Oxide Fuel Cell and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 연료극(anode), 전해질, 공기극(cathode) 등을 포함하는 단위전지가 적층된 것이다.

전해질은 산소 이온이 이동하는 통로 역할을 하고, 전해질의 양면에 음극과 양극이 구비된다. 전해질과 양극 사이에서 반응이 일어나는 것을 방지하기 위해 버퍼(buffer)층을 삽입할 수도 있다.

한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극을 전기적으로 연결하는 데에 분리판(separator)이 사용된다. 공기극과 분리판 사이에는 집전체(current collector)가 구비되어 공기극과 분리판이 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있게 한다. 집전체로는 세라믹 재질의 재료나 은 또는 백금이 사용될 수 있다.

본 발명은 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 공기극 지지체, 상기 공기극 지지체의 일면에 형성되는 공기극, 상기 공기극의 일면에 형성되는 전해질 및 상기 전해질의 일면에 형성되는 연료극을 포함하고, 상기 공기극 지지체는 금속일 수 있다.

상기 공기극 지지체는 다공질로서 메쉬(mesh) 형상 또는 폼(foam) 형상일 수 있다. 상기 공기극 지지체는 스테인리스 스틸일 수 있고 철(Fe)계 합금 또는 니켈(Ni)계 합금일 수도 있다.

한편, 상기 공기극과 상기 전해질 사이에 확산 방지층이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 제조 방법은, 공기극 지지체, 공기극, 전해질 및 연료극을 순차적으로 적층하여 적층체를 형성하는 단계 및 상기 적층체를 소결하는 단계를 포함하고, 상기 공기극 지지체는 금속일 수 있다.

상기 적층체를 형성하는 단계 전에 상기 공기극 지지체를 제조하는 단계를 더 포함하고, 테이프 캐스팅법 또는 압출법으로 상기 공기극 지지체를 제조할 수 있다.

상기 공기극 지지체를 제조하는 단계에서, 상기 공기극 지지체에 Zr, Ce, Ti, Mg, Al, Si, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Y, Nb, Sn, La, Ta, V 및 Nd 산화물 을 20중량% 이하로 첨가할 수 있다.

상기 적층체를 형성하는 단계 전에, 상기 공기극, 상기 전해질 및 상기 연료극을 제조하는 단계를 더 포함하고, 테이프 캐스팅법, 스크린 인쇄법 및 습식 스프레이법 중 하나 이상의 방법으로 상기 공기극, 상기 전해질 및 상기 연료극을 각각 제조할 수 있다.

상기 적층체를 소결하는 단계에서, 상기 적층체를 동시 소결할 수 있다. 또한, 상기 적층체를 소결하는 단계는 질소 분위기 또는 환원 분위기에서 이루어질 수 있다.

본 발명은 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법을 제공한다.

아래에서는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며, 명세서 전체에서 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

일반적으로 고체산화물 연료전지는 단위 전지가 적층된 것을 지칭한다. 그러나 이하의 실시예에서는 설명을 쉽게 하기 위해서 '고체산화물 연료전지'가 단위전지를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지를 나타내는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 공기극 지지체(101), 공기극(103), 확산 방지층(105), 전해질(107) 및 연료극(109)을 포함한다.

공기극 지지체(101)는 다공질 금속으로 이루어진다. 공기극 지지체(101)는 메쉬(mesh) 형상 또는 폼(foam) 형상일 수 있고 스테인리스 스틸, 철(Fe)계 합금 또는 니켈(Ni)계 합금일 수 있다.

이와 같이 공기극 지지체(101)가 다공질 금속으로 이루어지므로 공기극 지지체(101)의 전기전도도가 높다. 또한, 공기극 지지체(101)와 공기극(103)이 접하고 있으므로 별도의 집전체를 구비하지 않아도 된다. 즉, 공기극 지지체(101)가 기존의 집전체를 대체한다.

일반적인 연료극 지지형 고체산화물 연료전지의 경우 공기극 집전체가 공기극에 기계적으로 접촉하여 집전한다. 공기극 위에 집전 페이스트를 바르고, 이 집전 페이스트 위에 금속 메쉬(mesh)와 분리판을 순차적으로 형성하기 때문이다. 이 경우 공기극과 분리판 사이에 금속 메쉬가 배치되므로 이 금속 메쉬가 공기극과 분리판 간 접촉을 보조한다.

반면, 본 실시예에서는 전기 전도도가 높은 공기극 지지체(101)에 공기극(103)을 형성한다. 공기극 지지체(101)는 집전체 역할을 할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 공기극 지지체(101)와 공기극(103)이 직접 접촉하고 동시 소결되므 로, 금속 메쉬 등을 통해 기계적으로 접촉하는 것보다 접촉 면적이 넓다. 결국 공기극 지지체(101)의 집전 효율이 높아진다.

기존의 집전체로는 고가의 재료인 은이나 백금을 사용했지만, 본 발명의 실시예에서는 스테인리스 스틸, 철 계 합금 또는 니켈 계 합금으로 이루어진 공기극 지지체(101)로 집전체를 대체할 수 있으므로 제조 단가를 낮출 수 있다.

또한, 집전체로 세라믹 재질의 재료를 사용하면 탄성과 기계적 강도가 낮은 문제가 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 금속을 사용하므로 이 문제가 해결된다. 즉, 금속은 탄성이 있으므로 실링(sealing)하기가 쉽고 기계적 강도도 높다. 나아가 금속은 세라믹에 비해 가격도 저렴하다.

공기극(103)은 공기극 지지체(101) 위에 형성된다. 공기극(103)은 페로브스카이트 구조인 LSM(La_xSr_{1 - x}MnO_{3 -})이나 LSCF(La_xSr_{1 - x}Co_yFe_{1 - y}O_{3 -})로 이루어질 수 있다.

확산 방지층(105)은 공기극(103) 위에 형성된다. 확산 방지층(105)은 Ce을 주성분으로 하는 산소이온 전도체를 포함할 수 있다. 확산 방지층(105)은 공기극(103)과 전해질(107) 간 반응을 방지한다.

전해질(107)은 확산 방지층(105) 위에 형성된다. 전해질(107)은 Zr을 주성분으로 하는 산소이온 전도체를 포함할 수 있다.

연료극(109)은 전해질(105) 위에 형성된다. 연료극(109)은 Ni-YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)일 수 있다. 연료극(109)은 Fe, Cu, Co 등 전이금속을 더 포함할 수도 있다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지를 제조하는 방법을나타내는 공정도이다.

도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 제조 방법은, 공기극 지지체, 공기극, 전해질 및 연료극을 제조하는 단계(S200), 적층체를 형성하는 단계(S210) 및 적층체를 소결하는 단계(S220)를 포함한다.

공기극 지지체, 공기극, 전해질 및 연료극을 제조하는 단계(S200)에서는, 테이프 캐스팅법 또는 압출법으로 공기극 지지체를 제조하고, 테이프 캐스팅법, 스크린 인쇄법 및 습식 스프레이법 중 하나 이상의 방법으로 공기극, 전해질 및 연료극을 각각 제조한다.

한편, 공기극 지지체를 제조하는 단계에서, 공기극 지지체에 Zr, Ce, Ti, Mg, Al, Si, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Y, Nb, Sn, La, Ta, V 및 Nd 산화물을 20중량% 이하로 첨가할 수 있다. 이 산화물 함량이 20중량%를 초과하면 공기극 지지체의 탄성이 감소한다. 이 경우 연료전지가 충격을 받았을 때 부러질 수 있다.

적층체를 형성하는 단계(S210)에서는 공기극 지지체, 공기극, 전해질 및 연료극을 순차적으로 적층한다.

적층체를 소결하는 단계(S220)에서는 적층체를 동시 소결한다. 한편, 적층체를 소결하는 단계(S220)는 질소 분위기 또는 환원 분위기에서 수행할 수도 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범 위에 속하는 것은 당연하다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지를 나타내는 개략도이다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지를 제조하는 방법을 나타내는 공정도 이다.

Claims (13)

1. 공기극 지지체,

   상기 공기극 지지체의 일면에 형성되는 공기극,

   상기 공기극의 일면에 형성되는 전해질 및

   상기 전해질의 일면에 형성되는 연료극을 포함하고,

   상기 공기극 지지체는 금속인 고체산화물 연료전지.
2. 제1항에서,

   상기 공기극 지지체는 다공질인 고체산화물 연료전지.
3. 제2항에서,

   상기 공기극 지지체는 메쉬(mesh) 형상 또는 폼(foam) 형상인 고체산화물 연료전지.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 공기극 지지체는 스테인리스 스틸인 고체산화물 연료전지.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 공기극 지지체는 철(Fe)계 합금인 고체산화물 연료전지.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 공기극 지지체는 니켈(Ni)계 합금인 고체산화물 연료전지.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 공기극과 상기 전해질 사이에 확산 방지층이 형성되는 고체산화물 연료전지.
8. 공기극 지지체, 공기극, 전해질 및 연료극을 순차적으로 적층하여 적층체를 형성하는 단계 및

   상기 적층체를 소결하는 단계를 포함하고,

   상기 공기극 지지체는 금속인 고체산화물 연료전지 제조 방법.
9. 제8항에서,

   상기 적층체를 형성하는 단계 전에 상기 공기극 지지체를 제조하는 단계를 더 포함하고,

   테이프 캐스팅법 또는 압출법으로 상기 공기극 지지체를 제조하는 고체산화물 연료전지 제조 방법.
10. 제9항에서,

    상기 공기극 지지체를 제조하는 단계에서,

    상기 공기극 지지체에 Zr, Ce, Ti, Mg, Al, Si, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Y, Nb, Sn, La, Ta, V 및 Nd 산화물을 20중량% 이하로 첨가하는 고체산화물 연료전지 제조 방법.
11. 제10항에서,

    상기 적층체를 형성하는 단계 전에,

    상기 공기극, 상기 전해질 및 상기 연료극을 제조하는 단계를 더 포함하고,

    테이프 캐스팅법, 스크린 인쇄법 및 습식 스프레이법 중 하나 이상의 방법으로 상기 공기극, 상기 전해질 및 상기 연료극을 각각 제조하는 고체산화물 연료전지 제조 방법.
12. 제11항에서,

    상기 적층체를 소결하는 단계에서,

    상기 적층체를 동시 소결하는 고체산화물 연료전지 제조 방법.
13. 제11항에서,

    상기 적층체를 소결하는 단계는 질소 분위기 또는 환원 분위기에서 이루어지는 고체산화물 연료전지 제조 방법.

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