KR20110005158A - Fuel cell having support of mesh structure - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A solid oxide fuel cell is provided to improve durability and reliability using a support with a light mesh structure and to maintain strength as a supporter even though the support is manufactured in thin thickness. CONSTITUTION: A solid oxide fuel cell includes a supporter(100) with a mesh structure, a fuel electrode layer(120) formed at the outside of the supporter, an electrolyte layer(130) formed at the outside of the fuel electrode layer, and an air electrode layer(140) formed at the outside of the electrolyte layer.

Description

메시구조의 지지체를 갖는 연료전지{Fuel cell having support of mesh structure}Fuel cell having support of mesh structure

본 발명은 메시구조의 지지체를 갖는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell having a mesh support.

연료전지란 연료(수소, LNG, LPG 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of fuel (hydrogen, LNG, LPG, etc.) and air into electricity and heat by an electrochemical reaction. Unlike the existing power generation technology that takes fuel combustion, steam generation, turbine driving, and generator driving process, it is a new concept of power generation technology that is not only highly efficient and does not cause environmental problems because there is no combustion process or driving device.

도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면이다.1 is a view showing the operating principle of the fuel cell.

도 1을 참조하면, 연료극(1)은 수소(H2)를 공급받아 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해된다. 수소 이온은 전해질(2)을 거쳐 공기극(3)으로 이동한다. 전자는 외부 회로(4)를 거쳐 전류를 발생시킨다. 그리고 공기극(3)에서 수소 이온과 전자, 그리고 공기 중의 산소가 결합하여 물이 된다. 상술한 연료전지(10)에서의 화학 반 응식은 아래의 반응식 1과 같다.Referring to FIG. 1, the anode 1 receives hydrogen (H 2 ) and decomposes into hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ). Hydrogen ions move to the cathode 3 via the electrolyte 2. The electrons generate current via the external circuit 4. In the cathode 3, hydrogen ions, electrons, and oxygen in the air combine to form water. The chemical reaction in the fuel cell 10 described above is shown in Scheme 1 below.

연료극(1): H2 → 2H++ 2e- A fuel electrode (1): H 2 → 2H + + 2e -

공기극(3): 1/2 O2 + 2H++ 2e- → H20An air electrode (3): 1/2 O 2 + 2H + + 2e - → H 2 0

전반응 : H2 + 1/2 O2 → H20Prereaction: H 2 + 1/2 O 2 → H 2 0

즉, 연료극(1)에서 분리된 전자가 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시킴으로써 전지의 기능을 수행하게 된다. 이러한 연료전지(10)는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.That is, electrons separated from the fuel electrode 1 generate a current through an external circuit to perform a function of a battery. The fuel cell 10 is a pollution-free power generation with little emissions of air pollutants such as SOx and NOx, and less carbon dioxide, and has the advantages of low noise and vibration.

한편, 연료전지는 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)등 다양한 종류가 있는데, 이 중 고체산화물 연료전지(SOFC)는 고효율 발전이 가능하고, 석탄가스-연료전지-가스터빈 등 복합 발전이 가능하며, 발전용량의 다양성을 갖고 있어서 소형, 대형 발전소 또는 분산형 전원으로 적합하다. 따라서, 고체산화물 연료전지는 향후 수소 경제 사회로의 진입을 위해 필수적인 발전기술이 다.On the other hand, there are various types of fuel cells such as phosphate fuel cell (PAFC), alkaline fuel cell (AFC), polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), and solid oxide fuel cell (SOFC). Among these, solid oxide fuel cell (SOFC) is capable of high efficiency power generation, complex power generation such as coal gas, fuel cell, gas turbine, etc. . Therefore, solid oxide fuel cells are an essential power generation technology for entering the hydrogen economy society in the future.

하지만, 고체산화물 연료전지(SOFC)을 실용화하기 위해서는 몇 가지 문제점을 해결해야 한다.However, some practical problems have to be solved in order to make a SOFC practical.

첫째, 취약한 내구성과 신뢰성이다. 고체산화물 연료전지는 고온에서 작동하므로 열 싸이클에 의한 성능저하가 발생한다. 특히, 세라믹 소재로 지지되는 단위전지의 특성상 그 크기가 증가하면 부품의 내구성과 신뢰성이 급격히 감소하는 경향을 보이는 문제점이 있다.First is weak durability and reliability. Since solid oxide fuel cells operate at high temperatures, performance degradation due to thermal cycles occurs. In particular, when the size of the unit cell supported by the ceramic material increases in size, there is a problem that the durability and reliability of the component tends to decrease rapidly.

둘째, 집전의 어려움이다. 종래기술은 단위전지 내부는 메탈 폼(metal foam)을 외부는 금속선을 채용하여 집전을 수행했다. 하지만, 이런 구조에서는 셀이 대형화 될수록 고가의 금속선 양이 증가하여 제조비용이 상승하고, 구조적으로 복잡해져 대량생산하기 힘든 문제점이 있다.Second is the difficulty of collecting current. In the prior art, current collection was performed using a metal foam inside the unit cell and a metal wire outside. However, in such a structure, as the size of the cell becomes larger, the amount of expensive metal wires increases, so that the manufacturing cost increases and structural complexity makes it difficult to mass-produce.

셋째, 매니폴드(manifold)와 단위전지간의 결합의 어려움이다. 단위전지에 수소등의 연료를 공급하는 매니폴드는 대게 금속으로 이루어진 반면, 단위전지는 세라믹으로 이루어져 있다. 따라서, 이종재질인 금속과 세라믹을 결합하기 위해서 브레이징(brazing) 공정을 이용한다. 하지만, 브레이징 공정은 용접과정에서 유도코일에 전압을 높이는 속도와 전압의 유지시간, 브레이징 후의 냉각조건에 따라 단위전지 내부가 막히는 경우가 발생하거나 용접불량이 발생하기도 한다.Third is the difficulty of coupling between the manifold and the unit cell. Manifolds that supply fuel such as hydrogen to unit cells are usually made of metal, while unit cells are made of ceramic. Therefore, a brazing process is used to bond the dissimilar metal and the ceramic. However, in the brazing process, the inside of the unit cell may be clogged or a welding defect may occur depending on the speed of increasing the voltage on the induction coil, the holding time of the voltage, and the cooling conditions after the brazing.

넷째, 연료전지 성형의 어려움이다. 종래기술은 통상 압출공정을 통해 일정한 직경을 갖는 세라믹 성형체를 제조했다. 하지만 압출공정에 상용되는 혼합반축은 15~20%의 물을 포함하고 있어 건조공정이 매우 주의 깊게 이루어져야 하고, 시 간이 많이 소모된다. 건조공정을 빠르게 진행하면 내부 응력이 발생하여 세라믹 성형체에 균열이 발생한다. 또한, 제조되는 세라믹 성형체의 형상을 변경하기 어려운 문제점이 있다.Fourth, the difficulty of forming fuel cells. The prior art has generally produced a ceramic molded body having a constant diameter through an extrusion process. However, the mixing shafts commonly used in the extrusion process contain 15 to 20% of water, so the drying process must be done very carefully and the time is consumed a lot. If the drying process proceeds rapidly, internal stresses occur and cracks occur in the ceramic formed body. In addition, there is a problem that it is difficult to change the shape of the ceramic formed body to be produced.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 집전이 용이하면서도 가벼운 메시구조의 지지체를 갖는 연료전지를 제공하기 위한 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell having a support of the lightweight mesh structure easy to current collector.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 메시구조로 형성된 지지체, 상기 지지체 외부에 형성되는 연료극층, 상기 연료극층 외부에 형성되는 전해질층, 및 상기 전해질층 외부에 형성되는 공기극층을 포함하여 구성된다.A solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes a support having a mesh structure, an anode layer formed outside the support, an electrolyte layer formed outside the anode layer, and an cathode layer formed outside the electrolyte layer. It is configured to include.

여기서, 고체산화물 연료전지는 상기 지지체와 상기 연료극층 사이에 형성되는 금속파우더 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The solid oxide fuel cell may further include a metal powder coating layer formed between the support and the anode layer.

또한, 상기 지지체는 메시구조의 격자가 사각형 또는 원형인 것을 특징으로 한다.In addition, the support is characterized in that the lattice of the mesh structure is rectangular or circular.

또한, 상기 지지체는 메시구조가 1 내지 10번 적층되어 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the support is characterized in that the mesh structure is formed by laminating 1 to 10 times.

또한, 상기 지지체는 메시구조의 단면이 원통형 또는 평관형 또는 델타형 또는 사다리꼴형인 것을 특징으로 한다.In addition, the support is characterized in that the cross section of the mesh structure is cylindrical or flat or delta or trapezoidal.

또한, 상기 지지체는 도전성 금속으로 이루어진 메시구조로 형성된 것을 특 징으로 한다.In addition, the support is characterized in that formed of a mesh structure made of a conductive metal.

또한, 상기 도전성 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 한다.In addition, the conductive metal is characterized in that the material selected from the group consisting of iron, copper, aluminum, nickel, chromium, alloys thereof and combinations thereof.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 메시구조로 형성된 지지체, 상기 지지체 외부에 형성되는 공기극층, 상기 공기극층 외부에 형성되는 전해질층, 및 상기 전해질층 외부에 형성되는 연료극층을 포함하여 구성된다.A solid oxide fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention includes a support having a mesh structure, an anode layer formed outside the support, an electrolyte layer formed outside the cathode layer, and an anode layer formed outside the electrolyte layer. It is configured to include.

여기서, 고체산화물 연료전지는 상기 지지체와 상기 공기극층 사이에 형성되는 금속파우더 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the solid oxide fuel cell is characterized in that it further comprises a metal powder coating layer formed between the support and the cathode layer.

또한, 상기 지지체는 메시구조의 격자가 사각형 또는 원형인 것을 특징으로 한다.In addition, the support is characterized in that the lattice of the mesh structure is rectangular or circular.

또한, 상기 지지체는 메시구조가 1 내지 10번 적층되어 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the support is characterized in that the mesh structure is formed by laminating 1 to 10 times.

또한, 상기 지지체는 메시구조의 단면이 원통형 또는 평관형 또는 델타형 또는 사다리꼴형인 것을 특징으로 한다.In addition, the support is characterized in that the cross section of the mesh structure is cylindrical or flat or delta or trapezoidal.

또한, 상기 지지체는 도전성 금속으로 이루어진 메시구조로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the support is characterized in that formed of a mesh structure made of a conductive metal.

또한, 상기 도전성 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 한다.In addition, the conductive metal is characterized in that the material selected from the group consisting of iron, copper, aluminum, nickel, chromium, alloys thereof and combinations thereof.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to that, terms and words used in the present specification and claims should not be construed in a conventional and dictionary sense, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best explain its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본 발명에 따르면, 고체산화물 연료전지에 메시구조로 형성된 지지체를 채용함으로써 종래의 세라믹 지지체보다 내구성과 신뢰성이 향상되게 된다. 또한, 종래의 세라믹 지지체보다 얇은 두께로 제작하더라도 지지체로서의 강도를 유지할 수 있어 연료전지의 스택 두께 및 무게를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, by adopting the support formed in the mesh structure in the solid oxide fuel cell, durability and reliability are improved than the conventional ceramic support. In addition, even when manufactured to a thickness thinner than the conventional ceramic support can maintain the strength as a support has the advantage of reducing the stack thickness and weight of the fuel cell.

본 발명에 따르면, 지지체가 도전성 금속으로 이루어져 메탈 폼(metal foam)등을 이용한 집전방식보다 집전효율이 높고, 별도의 집전체를 설치하는 공정이 없어서 공정 단순화 및 제조단가 인하에 기여한다.According to the present invention, since the support is made of a conductive metal, the current collecting efficiency is higher than that of a current collecting method using a metal foam, and there is no process for installing a separate current collector, thereby contributing to the process simplification and manufacturing cost reduction.

본 발명에 따르면, 지지체가 금속으로 이루어져 매니폴드(manifold)와 접합할 때 용접을 통해 완전히 밀봉할 수 있다는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage that the support is made of metal and can be completely sealed by welding when joined with the manifold.

또한, 본 발명에 따르면, 메시구조로 형성된 지지체를 다양한 형태로 제작하여 연료전지의 성형이 용이하다. 따라서, 연료전지의 사용분야, 효율, 제조단가등 을 고려하여 다양한 형상으로 제조할 수 있고 스케일-업(scale-up)을 통해 대용량의 고체산화물 연료전지의 제작이 가능하다.In addition, according to the present invention, by forming a support having a mesh structure in a variety of forms it is easy to form a fuel cell. Therefore, the fuel cell may be manufactured in various shapes in consideration of the fuel cell's use field, efficiency, manufacturing cost, and the like. Thus, a large capacity solid oxide fuel cell may be manufactured through scale-up.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components as much as possible, even if displayed on the other drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

고체산화물 연료전지에 사용되는 종래의 지지방식으로는 전해질 자립막식, 연료극 지지체식, 공기극 지지체식등이 있는데, 본 발명은 별도의 지지체를 연료전지 내부에 채용하고, 그 지지체는 메시구조로 형성된다는 점에서 종래의 지지방식과 구성요소에 있어서 확연한 차이가 있다.Conventional support methods used in solid oxide fuel cells include electrolyte self-supporting membrane type, anode support type, cathode support type, etc. The present invention employs a separate support inside the fuel cell, and the support is formed in a mesh structure. In this respect, there is a marked difference in the conventional support method and components.

도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 메시구조의 지지체를 갖는 연 료전지의 단면도이다. 이하, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지에 대해 설명하기로 한다.2 is a cross-sectional view of a fuel cell having a support having a mesh structure according to a first embodiment of the present invention. Hereinafter, a fuel cell according to the present embodiment will be described with reference to this.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지는 메시구조(110)로 형성된 지지체(100), 지지체(100) 외부에 형성되는 연료극층(120), 연료극층(120) 외부에 형성되는 전해질층(130) 및 전해질층(130) 외부에 형성되는 공기극층(140)으로 이루어져 있다. 또한, 메시구조(110)로 형성된 지지체(100)를 보완하기 위해서 지지체(100)와 연료극층(120) 사이에 금속파우더 코팅층(150)이 더 포함될 수 있다.As shown in FIG. 2, the fuel cell according to the present embodiment is formed on the support 100 formed of the mesh structure 110, the anode layer 120 formed outside the support 100, and the outside of the anode layer 120. The electrolyte layer 130 and the cathode layer 140 formed on the outside of the electrolyte layer 130 are formed. In addition, the metal powder coating layer 150 may be further included between the support 100 and the anode layer 120 to complement the support 100 formed of the mesh structure 110.

연료전지에서 전류를 생산하기 위해서는 연료극층(120)에 연료가 공급되고 공기극층(140)에는 공기가 공급되어야한다. 본 실시예에 따른 연료전지는 연료극층(120)이 내부에 형성되고 공기극층(140)은 최외각에 형성된다. 따라서, 연료극층(120)은 지지체(100)를 통해서 연료를 공급받고, 공기극층(140)은 외부로부터 공기를 공급받아야한다. 이때, 연료극층(120)이 연료를 공급받기 위해서 지지체(100)는 기체 투과성을 갖추어야 한다.In order to produce current in the fuel cell, fuel is supplied to the anode layer 120 and air is supplied to the cathode layer 140. In the fuel cell according to the present embodiment, the anode layer 120 is formed therein and the cathode layer 140 is formed at the outermost portion. Accordingly, the anode layer 120 receives fuel through the support 100, and the cathode layer 140 must receive air from the outside. At this time, in order for the anode layer 120 to receive fuel, the support 100 must have gas permeability.

본 발명은 메시구조(110)로 형성된 지지체(100)를 채용함으로써 연료극층(120), 전해질층(130), 및 공기극층(140)을 지지하는 동시에, 지지체(100) 내부에 공급된 수소등의 연료를 지지체(100)를 둘러싼 연료극층(120)으로 전달할 수 있 다. The present invention supports the anode layer 120, the electrolyte layer 130, and the cathode layer 140 by employing the support 100 formed of the mesh structure 110, and at the same time, hydrogen supplied into the support 100. Fuel may be delivered to the anode layer 120 surrounding the support 100.

또한, 지지체(100)가 집전기능을 수행할 수 있도록 메시구조(110)는 도전성 금속으로 제작함이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 메시구조(110)는 도전성과 내구성이 뛰어난 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제작한다. 지지체(100)가 도전성 금속으로 제작됨으로 연료전지의 내부에 별도의 집전체를 설치할 필요가 없어 공정 단순화와 제조단가 인하에 기여한다. 또한, 지지체(100)가 금속이므로 매니폴드(manifold)와 접합공정이 용이하고 가스누설을 방지할 수 있다.In addition, the mesh structure 110 is preferably made of a conductive metal so that the support 100 can perform a current collecting function. More preferably, the mesh structure 110 is made of a material selected from the group consisting of iron, copper, aluminum, nickel, chromium, alloys thereof, and combinations thereof having excellent conductivity and durability. Since the support 100 is made of a conductive metal, there is no need to install a separate current collector inside the fuel cell, thereby contributing to process simplification and manufacturing cost reduction. In addition, since the support 100 is made of metal, it is easy to join the manifold and prevent gas leakage.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 지지체(100)를 형성하는 메시구조(110)의 격자(115)는 사각형 또는 원형으로 형성될 수 있다. 일반적으로, 메시구조(110)가 미세한 금속선등으로 편물제작된 경우 격자(115)는 사각형으로 형성된다. 반면, 메시구조(110)가 관형구조에 UV레이저, YAG 레이저 또는 스파크 방전을 이용하는 방전가공등에 의한 미세홀 가공공정으로 제작된 경우 격자(115)는 원형으로 형성된다. 다만, 전술한 제작방법은 예시적인 것이고 이외의 방법으로 메시구조(110)를 제작하여도 최종적인 격자(115) 형상이 사각형 또는 원형인 경우 본 발명의 보호범위에 해당함은 물론이다.On the other hand, as shown in Figure 3, the grid 115 of the mesh structure 110 forming the support 100 may be formed in a square or circular. In general, when the mesh structure 110 is knitted with a fine metal wire or the like, the grid 115 is formed in a square. On the other hand, when the mesh structure 110 is manufactured by a micro hole processing process by a UV laser, a YAG laser, or a discharge machining using a spark discharge in a tubular structure, the grating 115 is formed in a circular shape. However, the above-described manufacturing method is an exemplary one, and even if the mesh structure 110 is manufactured by other methods, the final lattice 115 may have a rectangular or circular shape, and, of course, the protection scope of the present invention.

여기서, 메시구조(110) 격자(115)의 직경은 메시구조(110) 외부를 둘러싼 연료극층(120)의 성분이나 연료의 투과성을 고려할 때 1㎛ 내지 10㎛인 것이 바람직 하다. 하지만 반드시 전술한 수치에 한정되는 것은 아니고, 수십㎛ 내지 수백㎛로 메시구조(110)를 제작한 후 후술할 금속파우더 코팅층(150)의 형성이나 메시구조(110)의 적층을 통해서 지지력을 유지하면서 기체를 투과시킬 수 있다.Herein, the diameter of the mesh structure 110 and the grid 115 is preferably 1 μm to 10 μm in consideration of components of the anode layer 120 surrounding the outside of the mesh structure 110 and fuel permeability. However, the present invention is not necessarily limited to the above-described numerical values, and after the mesh structure 110 is manufactured to several tens of micrometers to several hundreds of micrometers, the supporting force is maintained by forming the metal powder coating layer 150 or laminating the mesh structure 110 to be described later. It can permeate gas.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 메시구조(110)를 적층하여 지지체를 형성할 수 있다. 메시구조(110)의 적층수는 설계되는 연료전지의 효율, 필요한 지지력, 및 연료의 투과성에 따라 조절가능한데, 본 발명에서는 1 내지 10번 적층하는 것이 바람직하다. In addition, as shown in FIG. 4, the support structure may be formed by stacking the mesh structures 110. The number of stacked layers of the mesh structure 110 can be adjusted according to the efficiency of the designed fuel cell, the necessary supporting force, and the permeability of the fuel. In the present invention, it is preferable to stack one to ten times.

도 5에 도시된 바와 같이, 지지체(100)는 원통형(도 5a) 또는 평관형(도 5b) 또는 델타형(도 5c) 또는 사다리꼴형(도 5d)의 단면을 갖는 메시구조(110)로 형성될 수 있다. 지지체(100)가 메시구조(110)로 형성되었기 때문에 세라믹 지지체(100)와 달리 성형이 자유롭다. 따라서, 용도에 맞는 다양한 형상의 연료전지를 제작할 수 있고, 필요시 연료전지를 대형화할 수 있다.As shown in FIG. 5, the support 100 is formed of a mesh structure 110 having a cross section of cylindrical (FIG. 5A) or flat (FIG. 5B) or delta (FIG. 5C) or trapezoidal (FIG. 5D). Can be. Since the support 100 is formed of the mesh structure 110, molding is free, unlike the ceramic support 100. Therefore, it is possible to manufacture fuel cells of various shapes to suit the purpose, and to enlarge the fuel cells if necessary.

한편, 금속파우더 코팅층(150)은 연료극층(120)을 좀 더 안정적으로 지지하는 역할을 하며, 지지체(100)와 연료극층(120) 사이에 형성된다. 금속파우더 코팅층(150)은 스프레이법, 침지법등을 이용하여 금속파우더를 지지체(100)에 코팅하여 형성한다. 또한, 금속파우더 코팅층(150)도 기체를 투과시키는 다공성 성질을 갖으면서 메시구조(110)의 격자(115) 사이에 코팅이 가능한 크기를 가져야한다. 이점을 고려할 때 금속파우더의 직경은 수백㎚ 내지 수㎛ 인 것이 바람직하다. 더욱이, 금속파우더 코팅층(150)도 메시구조(110)와 마찬가지로 도전성 금속으로 형성하여 연료전지의 집전효율을 더욱 높일 수 있다.Meanwhile, the metal powder coating layer 150 serves to more stably support the anode layer 120, and is formed between the support 100 and the anode layer 120. The metal powder coating layer 150 is formed by coating the metal powder on the support 100 using a spray method, an immersion method, or the like. In addition, the metal powder coating layer 150 should also have a size capable of coating between the gratings 115 of the mesh structure 110 while having a porous property for transmitting gas. In consideration of this, it is preferable that the diameter of the metal powder is several hundred nm to several micrometers. In addition, like the mesh structure 110, the metal powder coating layer 150 may be made of a conductive metal to further increase current collection efficiency of the fuel cell.

또한, 필요에 따라서는 메시구조(110)를 여러번 적층한 후에도 금속파우더 코팅층(150)을 형성하여 원하는 지지력과 기체 투과성을 얻을 수 있다.In addition, if necessary, even after laminating the mesh structure 110 several times, the metal powder coating layer 150 may be formed to obtain desired support force and gas permeability.

연료극층(120)은 지지체(100) 외부에 형성된다. 다만, 금속파우더 코팅층(150)이 형성된 경우 금속파우더 코팅층(150) 외부에 형성된다. 연료극층(120)은 지지체(100)를 투과한 연료를 공급받아 전류를 발생시킨다. 그 후, 발생된 전류는 도전성 금속으로 형성된 지지체(100)에 의해 집전되어 외부회로에 전기에너지를 공급한다. 연료극층(120)은 지지체(100) 또는 금속파우더 코팅층(150) 외부에 NiO-YSZ(Yttria stabilized Zirconia)를 슬립코팅이나 플라즈마 스프레이 코팅법등을 이용하여 코팅한 후 1200˚C 내지 1300˚C로 가열하여 형성할 수 있다.The anode layer 120 is formed outside the support 100. However, when the metal powder coating layer 150 is formed, it is formed outside the metal powder coating layer 150. The anode layer 120 is supplied with fuel passing through the support 100 to generate a current. Thereafter, the generated current is collected by the support 100 formed of a conductive metal to supply electrical energy to an external circuit. The anode layer 120 is coated with NiO-YSZ (Yttria stabilized Zirconia) on the outside of the support 100 or the metal powder coating layer 150 using a slip coating method or a plasma spray coating method, and then heated to 1200 ° C to 1300 ° C. Can be formed.

또한, 전해질층(130)은 연료극층(120) 외부에 형성된다. 전해질층(130)은 전류를 통과시키지 않고, 수소를 연료로 사용한 경우 수소 이온만 공기극층(140)으로 통과시킨다. 전해질층(130)은 연료극층(120) 외부에 YSZ(Yttria stabilized Zirconia) 또는 ScSZ(Scandium stabilized Zirconia), GDC, LDC등을 슬립코팅이나 플라즈마 스프레이 코팅법등을 이용하여 코팅한 후 1300˚C 내지 1500˚C에서 소결하여 형성할 수 있다.In addition, the electrolyte layer 130 is formed outside the anode layer 120. The electrolyte layer 130 does not pass a current, and when hydrogen is used as a fuel, only the hydrogen ions pass through the cathode layer 140. The electrolyte layer 130 is coated with Yttria stabilized Zirconia (YSZ), Scandium stabilized Zirconia (SCSZ), GDC, LDC, etc. by using a slip coating method or a plasma spray coating method on the outside of the anode layer 120, and then 1300˚C to 1500 It can be formed by sintering at ° C.

그리고, 공기극층(140)은 전해질층(130) 외부에 형성된다. 공기극층(140)은 전해질층(130)으로부터 전달받은 수소 이온과 외부회로를 거쳐 전달된 전자, 및 공기 중의 산소가 결합하여 물이 생성된다. 공기극층(140)은 LSM(Strontium doped Lanthanum manganite), LSCF((La,Sr)(Co,Fe)O3)등의 조성을 슬립코팅이나 플라즈마 스프레이 코팅법등을 이용하여 코팅한 후 1200˚C 내지 1300˚C에서 소결하여 형성할 수 있다.The cathode layer 140 is formed outside the electrolyte layer 130. The cathode layer 140 combines hydrogen ions received from the electrolyte layer 130, electrons delivered through an external circuit, and oxygen in air to generate water. The cathode layer 140 is coated with compositions such as strontium doped lanthanum manganite (LSM) and LSCF ((La, Sr) (Co, Fe) O 3 ) using slip coating or plasma spray coating, etc., and then 1200 ° C to 1300. It can be formed by sintering at ° C.

도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 메시구조의 지지체를 갖는 연료전지의 단면도이다. 본 실시예와 제1 실시예의 가장 큰 차이점은 연료극층과 공기극층의 형성위치이다. 이하, 제1 실시예와의 중복된 서술은 생략하고 차이점을 중심으로 설명한다.6 is a cross-sectional view of a fuel cell having a support having a mesh structure according to a second preferred embodiment of the present invention. The biggest difference between the present embodiment and the first embodiment is the position where the anode layer and the cathode layer are formed. In the following description, overlapping descriptions with the first embodiment will be omitted and the description will be mainly focused on differences.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지는 메시구조(110)로 형성된 지지체(200), 지지체(200) 외부에 형성되는 공기극층(220), 공기극층(220) 외부에 형성되는 전해질층(230) 및 전해질층(230) 외부에 형성되는 연료극층(240)으로 이루어져 있다. 또한, 메시구조(110)로 형성된 지지체(200)를 보완하기 위해서 지지체(200)와 공기극층(220) 사이에 금속파우더 코팅층(250)이 더 포함될 수 있다. 본 실시예에 따른 연료전지를 제1 실시예에 따른 연료전지와 비교해 볼 때 공 기극층(140, 220)과 연료극층(120, 240)의 형성위치가 서로 바뀐 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, the fuel cell according to the present embodiment is formed on the support 200 formed of the mesh structure 110, the cathode layer 220 formed outside the support 200, and the cathode layer 220. The electrolyte layer 230 and the anode layer 240 formed outside the electrolyte layer 230 are formed. In addition, the metal powder coating layer 250 may be further included between the support 200 and the cathode layer 220 to complement the support 200 formed of the mesh structure 110. Comparing the fuel cell according to the present embodiment with the fuel cell according to the first embodiment, it can be seen that the formation positions of the air electrode layers 140 and 220 and the electrode layers 120 and 240 are changed.

본 실시예에 따른 연료전지는 공기극층(220)이 내부에 형성되고 연료극층(240)은 최외각에 형성된다. 따라서, 공기극층(220)은 지지체(200)를 통해서 공기를 공급받고, 연료극층(240)은 외부로부터 연료를 공급받아야한다. 이때, 공기극층(220)이 공기를 공급받기 위해 지지체(200)는 기체 투과성을 갖추어야 함이 전술한 바와 같다.In the fuel cell according to the present embodiment, the cathode layer 220 is formed inside and the anode layer 240 is formed at the outermost part. Accordingly, the cathode layer 220 is supplied with air through the support 200, and the anode layer 240 is supplied with fuel from the outside. In this case, in order for the cathode layer 220 to receive air, the support 200 must have gas permeability as described above.

지지체(200)가 기체투과성을 갖기 위해서 제1 실시예에서와 같이 메시구조(110)로 형성한다. 지지체(200)는 공급받은 공기를 메시구조(110)를 통해서 공기극층(220)으로 전달할 수 있다. 이때, 메시구조(110) 격자(115)의 직경은 메시구조(110) 외부를 둘러싼 공기극층(220)의 성분이나 기체의 투과성을 고려하여 결정한다. 또한, 금속파우더 코팅층(250)은 공기극층(220)을 좀 더 안정적으로 지지하기 위해서 지지체(200)와 공기극층(220) 사이에 형성될 수 있다.The support 200 is formed of a mesh structure 110 as in the first embodiment in order to have gas permeability. The support 200 may transfer the supplied air to the cathode layer 220 through the mesh structure 110. In this case, the diameter of the grid 115 of the mesh structure 110 is determined in consideration of the components of the cathode layer 220 and the permeability of the gas surrounding the outside of the mesh structure 110. In addition, the metal powder coating layer 250 may be formed between the support 200 and the cathode layer 220 to more stably support the cathode layer 220.

또한, 메시구조(110)의 격자(115)는 사각형 또는 원형으로 형성될 수 있고, 메시구조(110)의 단면은 원통형 또는 평관형 또는 델타형 또는 사다리꼴형으로 형성될 수 있다. 그리고, 메시구조(110)를 1 내지 10번 적층하여 지지체(200)를 형성할 수 있다.In addition, the grid 115 of the mesh structure 110 may be formed in a square or a circle, the cross section of the mesh structure 110 may be formed in a cylindrical or flat or delta or trapezoidal shape. In addition, the support 200 may be formed by stacking the mesh structure 110 1 to 10 times.

공기극층(220)은 지지체(200) 또는 금속파우더 코팅층(250) 외부에 형성되고, 공기극층(220) 외부에는 전해질층(230)이 형성되며. 전해질층(230) 외부에는 연료극층(240)이 형성된다. 공기극층(220), 전해질층(230), 및 연료극층(240)은 각각 제1 실시예에서와 같은 제조방법으로 형성된다.The cathode layer 220 is formed outside the support 200 or the metal powder coating layer 250, and the electrolyte layer 230 is formed outside the cathode layer 220. The anode layer 240 is formed outside the electrolyte layer 230. The cathode layer 220, the electrolyte layer 230, and the anode layer 240 are each formed by the same manufacturing method as in the first embodiment.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 메시구조의 지지체를 갖는 연료전지는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다. Although the present invention has been described in detail through specific examples, this is for explaining the present invention in detail, and a fuel cell having a support having a mesh structure according to the present invention is not limited thereto, and the present invention is applicable within the technical spirit of the present invention. It will be apparent that modifications and improvements are possible by those skilled in the art.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다. All simple modifications and variations of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be apparent from the appended claims.

도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면;1 is a view showing the operating principle of the fuel cell;

도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도;2 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to a first preferred embodiment of the present invention;

도 3a 및 도 3b는 다양한 형태의 격자구조를 갖는 메시구조의 사시도;3A and 3B are perspective views of a mesh structure having various types of lattice structures;

도 4는 적층된 메시구조의 사시도;4 is a perspective view of a laminated mesh structure;

도 5a 내지 도 5d는 다양한 형태의 단면을 갖는 메시구조의 사시도; 및5A to 5D are perspective views of a mesh structure having cross sections of various shapes; And

도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to a second preferred embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 설명><Description of main parts of drawing>

100, 200: 지지체 110: 메시구조100, 200: support 110: mesh structure

115: 격자 120, 240: 연료극층115: grid 120, 240: anode layer

130, 230: 전해질층 140, 220: 공기극층130, 230: electrolyte layer 140, 220: cathode layer

150, 250: 금속파우더 코팅층150, 250: metal powder coating layer

Claims (14)

메시구조로 형성된 지지체;A support formed of a mesh structure; 상기 지지체 외부에 형성되는 연료극층;A fuel electrode layer formed outside the support; 상기 연료극층 외부에 형성되는 전해질층; 및An electrolyte layer formed outside the anode layer; And 상기 전해질층 외부에 형성되는 공기극층;An air electrode layer formed outside the electrolyte layer; 을 포함하는 고체산화물 연료전지.Solid oxide fuel cell comprising a. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 지지체와 상기 연료극층 사이에 형성되는 금속파우더 코팅층을 더 포함하는 고체산화물 연료전지.Solid oxide fuel cell further comprises a metal powder coating layer formed between the support and the anode layer. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 지지체는 메시구조의 격자가 사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The support is a solid oxide fuel cell, characterized in that the lattice of the mesh structure is rectangular or circular. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 지지체는 메시구조가 1 내지 10번 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The support is a solid oxide fuel cell, characterized in that the mesh structure is formed by laminating 1 to 10 times. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 지지체는 메시구조의 단면이 원통형 또는 평관형 또는 델타형 또는 사다리꼴형인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The support is a solid oxide fuel cell, characterized in that the cross section of the mesh structure is cylindrical or flat or delta or trapezoidal. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 지지체는 도전성 금속으로 이루어진 메시구조로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The support is a solid oxide fuel cell, characterized in that formed of a mesh structure made of a conductive metal. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 도전성 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The conductive metal is a solid oxide fuel cell, characterized in that the material selected from the group consisting of iron, copper, aluminum, nickel, chromium, alloys thereof and combinations thereof. 메시구조로 형성된 지지체;A support formed of a mesh structure; 상기 지지체 외부에 형성되는 공기극층;An air cathode layer formed outside the support; 상기 공기극층 외부에 형성되는 전해질층; 및An electrolyte layer formed outside the cathode layer; And 상기 전해질층 외부에 형성되는 연료극층;A fuel electrode layer formed outside the electrolyte layer; 을 포함하는 고체산화물 연료전지.Solid oxide fuel cell comprising a. 청구항 8에 있어서,The method according to claim 8, 상기 지지체와 상기 공기극층 사이에 형성되는 금속파우더 코팅층을 더 포함하는 고체산화물 연료전지.Solid oxide fuel cell further comprises a metal powder coating layer formed between the support and the cathode layer. 청구항 8에 있어서,The method according to claim 8, 상기 지지체는 메시구조의 격자가 사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The support is a solid oxide fuel cell, characterized in that the lattice of the mesh structure is rectangular or circular. 청구항 8에 있어서,The method according to claim 8, 상기 지지체는 메시구조가 1 내지 10번 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The support is a solid oxide fuel cell, characterized in that the mesh structure is formed by laminating 1 to 10 times. 청구항 8에 있어서,The method according to claim 8, 상기 지지체는 메시구조의 단면이 원통형 또는 평관형 또는 델타형 또는 사다리꼴형인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The support is a solid oxide fuel cell, characterized in that the cross section of the mesh structure is cylindrical or flat or delta or trapezoidal. 청구항 8에 있어서,The method according to claim 8, 상기 지지체는 도전성 금속으로 이루어진 메시구조로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The support is a solid oxide fuel cell, characterized in that formed of a mesh structure made of a conductive metal. 청구항 13에 있어서,14. The method of claim 13, 상기 도전성 금속은 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The conductive metal is a solid oxide fuel cell, characterized in that the material selected from the group consisting of iron, copper, aluminum, nickel, chromium, alloys thereof and combinations thereof.
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