KR20110138538A - 금속 페이스트를 이용한 연료전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 페이스트를 이용한 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연료전지의 금속판과 연료극을 포함하는 단전지를 금속 페이스트를 코팅한 후, 이를 소결시킴으로써 접합하는 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 특히, 금속 페이스트를 금속판에 형성된 유로를 피하여 코팅함으로써, 최종적으로 금속판의 유로와 단전지의 사이에 다른 물질이 존재하지 않게 되는 효과를 제공하는 금속 페이스트 지지형 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

금속 페이스트를 이용한 연료전지 및 그 제조방법{A FUEL CELL WITH METAL-PASTE AND THE METHOD FOR MANUFACTURING A FUEL CELL WITH METAL-PASTE}
본 발명은 금속 페이스트를 이용한 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연료전지의 금속판과 연료극을 포함하는 단전지를 금속 페이스트를 코팅한 후, 이를 소결시킴으로써 접합하는 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 특히, 금속 페이스트를 금속판에 형성된 유로를 피하여 코팅함으로써, 최종적으로 금속판의 유로와 단전지의 사이에 다른 물질이 존재하지 않게 되는 효과를 제공하는 금속 페이스트를 이용한 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 발전장치이다. 도 1에는 이러한 연료전지의 일반적인 개념도를 설명하고 있다. 일반적으로 연료전지는 연료극(Anode)(103)과 공기극(Cathod)(105) 및 상기 연료극(103)과 공기극(105) 사이에 위치하는 전해질(electrolyte)(104) 매트릭스 또는 멤브레인으로 구성된다.
이러한 연료전지는 연료극(103)으로 연료가스(110)(통상 수소)가 주입되어 산화되고, 공기극(105)으로 공기가 공급되어 연료극(103)과 공기극(105) 사이에 위치하는 전해질(104) 매트릭스 혹은 멤브레인을 통하여 이온이 이동되어 외부회로(106)를 경유하는 방식으로 작동된다.
즉, 제1 금속판(101)에 형성된 채널(channel)을 따라 수소(110)가 흘러가면서 연료극(103)과 반응하게 된다. 수소는 연료극(103)에서 이온화하여 전자와 수소이온으로 분해되고, 여기서 발생한 전자는 전해질(104)을 통과하지 못하고 외부 회로(106)를 따라 이동하면서 외부에서 일을 수행한다.
반면 수소 이온은 전해질을 통해 이동하게 된다. 공기극(105)에서는 외부 회로를 돌아온 전자와 전해질을 통과한 수소 이온 그리고 산소가 만나 물이 생성되게 된다.
이러한 연료전지가 발전 시스템으로 활용하기 위해서는 on-off의 열사이클에 의한 밀봉효율이 유지되어야 하며 열적 변화에 의한 열 충격에 강해야 한다. 이를 위해 금속 지지체식 SOFC의 개발이 본격적으로 추진되고 있는데 기존의 세라믹 지지체식 SOFC에 비해 높은 기계적 강도와 높은 밀봉 효율을 보유할 수 있다.
금속지지체형 고체산화물 연료전지란 연료전지의 연료극을 대신하여 금속을 지지체로 사용함으로써 세라믹 요소의 두께를 줄이고 기계적 강도 및 밀봉효율을 높일 수 있는 신개념 고체산화물 연료전지로, 세라믹지지체형 연료전지의 분리판 역할을 금속지지체가 담당함으로써 연료극과 분리판 사이의 밀봉문제를 해결할 수 있다. 또한 금속의 가공공정이 세라믹 가공공정보다 쉽게 접근될 수 있으므로 유로 가공 등을 통해 연료전지 성능을 향상시킬 수 있어 제작비용이 현저히 줄어들 수 있다.
미국의 Lawrence Berkeley National Laboratory(LBNL)는 공기극 면의 금속지지체의 산화 문제를 코팅 기술을 통해 해결하는 방법으로 다공성 금속지지체 위에 세라믹 요소를 적층하는 공법을 이용하였다. 최근에는 분말야금공법(powder metallurgy)을 이용하여 금속지지체를 반소결시키고 그 위에 세라믹 요소를 적층시켜 동시에 소결시키는 공정을 사용하고 있다. 금속지지체로서 100㎛ 크기의 Fe/Cr 합금을 이용하며 Al을 첨가해서 소결수축율(sintering shrinkage)을 맞추고 있다. 전해질은 약 10㎛의 YSZ를 이용하고, 연료극은 약 10㎛의 Ni/YSZ를 이용하고 있다.
영국의 Ceres Power Ltd.는 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 Imperial college와 공동으로 개발하여 570℃에서 0.4W/cm2의 최대출력밀도를 확보하고 있으며, 100W급의 스택기술도 확보하고 있다. Ceres Power는 후막형의 ferritic stainless steel을 레이저 초미세 가공을 통해 가스유로를 만들고 그 위에 세라믹 요소들을 코팅하는 방법을 이용하고 있다. 전해질로서 약 20㎛의 CGO를, 연료극으로서 약 20~30㎛의 Ni/CGO를, 공기극으로서 약 10~30㎛의 LSCF/CGO 혼합공기극을 사용하고 있다. 금속지지체는 Ti-Nb 안정화 Cr합금으로서 그 두께는 약 100㎛이다.
1980년대 혁신적인 평판형 단일체 고체산화물 연료전지(monolithic SOFC)를 개발 발표하여 주목을 끌었던 미국의 Argonne National Laboratory(ANL)은 금속분리판과 공기극 유로, 연료극 유로, 그리고 세라믹 요소를 모두 하나로 만들어 일체형으로 소결하는 공법을 이용하였다. 세라믹 요소는 분말야금공법을 이용해 만들어져 적층되었다. 연료극의 미세구조로서 Ni의 함량, Ni의 분산, 그리고 YSZ 입자의 입경을 제어함으로써 성능을 향상시켰다. 단전지 성능으로서 750℃에서 0.25W/cm2의 최대출력밀도를 확보한 바 있다. 전해질로서 10㎛의 YSZ를, 연료극으로서 200㎛의 Ni/YSZ를, 공기극으로서는 20㎛의 LSF를 각각 사용하였다.
종래에는 금속판(금속분리판)과 단전지(셀)을 접합하는 과정에서 접합재를 사용하는 경우가 대부분이었다. 이러한 접합재로서 슬러리를 이용하였는데, 이를 고온 소결방법을 통하여 소결시킴으로써 접착을 하는 방법이었다. 다만, 이러한 슬러리의 존재는 금속판으로부터 연료극으로의 연료 공급에 방해를 가하게 되어 연료 공급 효율이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 이러한 연료전지에서 집전체와 같이 집전 효율을 높이고, 단전지(셀)를 지지하기 위해서, 금속 지지체를 사용하는 경우가 일반적이었다. 최근에는 금속 지지체에 기공이 형성되도록 하여 금속판으로부터 연료극으로의 연료의 공급이 원활하도록 하는 기술들이 사용되고 있다.
하지만, 연료극과 금속판 사이에 금속 지지체를 사용하는 경우, 금속판에 형성된 관로와 연료극 사이에 금속 지지체가 존재하기 때문에 연료의 공급효율이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
따라서 본 발명은 종래의 슬러리와 같은 접합재를 사용하지 않고서, 단전지(셀)가 금속판에 지지될 수 있도록 하여 연료 공급 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지를 제공하고자 한다.
또한, 단전지(셀)와 금속판 사이에 연료 공급을 방해할 수 있는 요소를 제거함으로써 연료 공급 효율을 향상시키고, 연료 전지의 제작 공정을 단순화하여 제작 비용을 절감하는 연료전지를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 해결 수단을 제공하고 있다.
본 발명에 의한 금속 페이스트를 이용한 연료전지를 제조하는 방법은 연료가 흐르는 관로(11)가 형성되는 금속판(10)과, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키는 금속 페이스트층(20)을 포함하는 금속 페이스트를 이용한 연료전지 제조방법이고, 상기 금속판(10)의 표면에 상기 관로(11)를 피하여 금속 페이스트층(20)을 코팅하는 단계와, 상기 금속 페이스트층(20)의 상측에 상기 단전지(30)를 위치시키는 단계와, 상기 금속 페이스트층(20)을 고온 소결 방법에 의해 소결시켜 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키고, 상기 관로(11)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부(21)를 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 다른 실시예로서, 연료가 흐르는 관로(11)가 형성되는 금속판(10)과, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키는 금속 페이스트층(20)을 포함하는 금속 페이스트를 이용한 연료전지 제조방법이고, 상기 금속판(10)의 표면에 상기 관로(11)를 피하여 금속 페이스트층(20)을 코팅하는 단계와, 상기 금속 페이스트층(20)의 상측에 상기 단전지(30)를 위치시키는 단계와, 상기 금속 페이스트층(20)에 다수의 기공이 형성되도록 소결시키면서 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키고, 상기 관로(11)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부(21)를 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 금속 페이스트층(20)은 Ag 페이스트 또는 Ni 페이스트인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 금속 페이스트를 이용한 연료전지의 일실시예로서, 연료가 흐르는 관로(11)가 형성되는 금속판(10)과, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키는 기능을 수행하는 금속 페이스트층(20)을 포함하고, 상기 금속 페이스트층(20)은 다수의 기공이 형성되어 있고, 상기 관로(11)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부(21)가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 페이스트층(20)은 Ag 페이스트 또는 Ni 페이스트로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 종래의 슬러리와 같은 접합재를 사용하지 않고서, 단전지(셀)가 금속판에 지지될 수 있도록 하여 연료 공급 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지를 제공하는 효과가 있다.
또한, 단전지(셀)와 금속판 사이에 연료 공급을 방해할 수 있는 요소를 제거함으로써 연료 공급 효율을 향상시키고, 연료 전지의 제작 공정을 단순화하여 제작 비용을 절감하는 연료전지를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 고체산화물 연료전지의 구조를 보여주는 개념도.
도 2는 본 발명의 일실시예인 금속 페이스트 지지형 연료전지의 평면도.
도 3은 본 발명의 일실시예인 금속 페이스트 지지형 연료전지의 금속판에 금속 페이스트를 코팅한 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예인 금속 페이스트 지지형 연료전지의 단면도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 금속 페이스트를 이용한 연료전지에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 금속 페이스트 지지형 연료전지의 평면도이다. 본 발명은 연료전지의 구성요소인 금속판(10)과 단전지(30) 사이에 금속 페이스트층(20)을 제공하고 있다. 단전지(30)는 도 4에서 보이는 바와 같이, 연료극(31), 전해질층(32), 및 공기극(33)을 포함한다. 이중 연료극(31)이 금속판(10)과 접촉되는 것이 일반적이다.
특히, 종래의 고체산화물 연료전지의 경우에, 단전지(30)를 지지시키기 위하여 금속 지지체를 제작하고, 이러한 금속 지지체에 단전지(30)를 접합시키고, 금속 지지체가 금속판(10)에 접합되는 것이 일반적이었다.
또한, 단전지(30)와 금속 지지체를 접합하는 경우에는 슬러리와 같은 접합재를 사용하였다.
본 발명의 핵심은 슬러리와 같은 접합재를 금속 페이스트로 대체함과 동시에, 금속 지지체의 기능까지 함께 수행하게 함으로써 제작 공정을 절감하는 효과까지 제공하는 것이다. 특히, 금속 페이스트층을 고온 소결의 방법으로 형성하는 과정에서, 금속 페이스트층에 미세 기공을 형성케 하여 금속판에서 연료극으로의 연료 공급 효율을 향상시키고 있다.
또한, 금속 페이스트층(20)을 형성하는 과정에서, 금속판(10)의 관로(11)를 피하여 금속 페이스트를 코팅함으로써, 관로(11)와 연료극(31) 사이를 빈 공간으로 형성케 하여 연료 공급 효율을 향상시키는 것을 주요한 기술적 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 금속 페이스트 지지형 연료전지의 금속판에 금속 페이스트를 코팅한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예인 금속 페이스트 지지형 연료전지의 단면도를 보여준다.
본 발명에 의한 금속 페이스트 지지형 연료전지는 연료가 흐르는 관로(11)가 형성되는 금속판(10)과, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 금속판(10)과 단전지(30)를 접합시키는 금속 페이스트층(20)을 포함한다.
이를 제조하는 방법은 금속판(10)의 표면에 관로(11)를 피하여 금속 페이스트층(20)을 코팅하는 제1 단계와, 금속 페이스트층(20)의 상측에 단전지(30)를 위치시키는 제2 단계와, 금속 페이스트층(20)을 고온 소결 방법에 의해 소결시켜 금속판(10)과 단전지(30)를 접합시키고, 관로(11)와 단전지(30) 사이에는 공간부(21)를 형성하는 제3 단계를 포함한다.
금속판(10)은 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 크롬, 주석, 몰리브덴, 아연 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 2종 이상의 금속의 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
제1 단계에서, 금속 페이스트를 금속판(10)의 표면에 코팅하는 과정은 시브(seive)를 이용하여 스크린 인쇄를 하는 것이 바람직하나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 이때 시브는 200 ± 50 메쉬인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
금속판(10)과 단전지(30)는 금속 페이스트에 의하여 고온소결에 의하여 형성되는 것이 바람직하다. 고온소결방법은 금속 페이스트를 소결시키는 것으로 공기분위기 또는 환원분위가가 가능한 소결로 내에서 수행된다. 공기분위기란 소결로 내에 공기가 공급된 상태를 가리키고, 환원분위기란 소결로 내에 수소, 질소, 아르곤 등의 환원가스가 공급된 상태를 가리킨다.
금속 페이스트층(20)은 Ag 페이스트 또는 Ni 페이스트인 것이 바람직하며, 이 경우, 소결 온도는 800℃ 내지 1000℃ 정도인 것이 바람직하다. 소결 온도가 1000℃를 초과하는 경우에는 분리판용 금속 기재가 산화되거나 변형될 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 800℃ 이하인 경우에는 페이스트층을 형성하기가 어렵다.
금속 페이스트를 소결하는 과정에 대해 설명한다. 금속 페이스트층을 약 3시간 동안 상온에서 대략 900℃까지 온도를 상승시킨다. 이후 대략 900℃에서 30분간 유지한 후, 다시 약 3시간 동안 상온으로 온도를 하강시킨다.
최고 온도는 반드시 900℃일 필요는 없고, 앞서 설명한 바와 같이 800℃ 내지 1000℃ 사이의 값인 것이 바람직하다.
소결 시간이 상기 언급한 것보다 작은 경우에는 페이스트층을 형성하기가 어렵고, 초과하는 경우에는 금속판의 금속 기재가 산화되거나 변형될 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 핵심은 소결 공정을 통해 금속 페이스트층(20)에 다수의 미세 기공(23)이 형성되도록 하는 것이다. 도 4에서는 미세 기공(23)이 직선의 관형으로 도시되어 있으나, 실질적으로는 다수의 포어(pore)가 연결된 형상으로 불규칙하게 미세 기공(23)이 형성된다. 이러한 미세 기공(23)을 통해 금속판(10)의 연료가 단전지(30)로의 이동되는 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서 금속 페이스트는 소결 공정에서 제거될 수 있는 첨가제를 함유하는 것이 바람직하며, 제거되는 첨가제의 공간이 이러한 미세 기공(23)을 증대시키는 데 영향을 준다.
또한, 본 발명은 금속판(10)의 관로(11)를 피하여 금속 페이스트층(20)을 형성하므로, 소결된 페이스트층(20)에는 관로(11)와 단전지(30) 사이에 빈 공간이 공간부(21)가 형성된다. 관로(11)를 흐르는 연료가 아무런 막힘없이 직접 단전지(30)로 공급되어 연료 공급 효율을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 금속판(10)의 관로와 단전지(30) 사이에 공간부(21)를 형성함과 동시에, 금속 페이스트층(20)을 통해 단전지(30)를 금속판(10)에 접합시키는 것을 주요 특징으로 한다.
본 발명에 의한 금속 페이스트 지지형 연료전지의 구조에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 금속 페이스트 지지형 연료전지는 연료가 흐르는 관로(11)가 형성되는 금속판(10)과, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 금속판(10)과 단전지(30)를 접합시키는 기능을 수행하는 금속 페이스트층(20)을 포함한다.
금속 페이스트층(20)은 다수의 미세 기공이 형성되어 있고, 특히, 관로(11)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부(21)가 형성되어 있어, 관로(11)와 단전지(30)를 막는 층이 없는 것이 특징이다.
본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.
10 : 금속판, 11, 관로, 20 : 금속 페이스트층, 21 : 공간부, 23 : 미세기공, 30 : 단전지, 31 : 연료극, 32 : 전해질층, 33 : 공기극

Claims (6)

  1. 연료가 흐르는 관로(11)가 형성되는 금속판(10)과, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키는 금속 페이스트층(20)을 포함하는 금속 페이스트를 이용한 연료전지 제조방법에 있어서,
    상기 금속판(10)의 표면에 상기 관로(11)를 피하여 금속 페이스트층(20)을 코팅하는 단계와,
    상기 금속 페이스트층(20)의 상측에 상기 단전지(30)를 위치시키는 단계와,
    상기 금속 페이스트층(20)을 고온 소결 방법에 의해 소결시켜 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키고, 상기 관로(11)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부(21)를 형성하는 단계를 포함하는,
    금속 페이스트를 이용한 연료전지 제조방법.
  2. 연료가 흐르는 관로(11)가 형성되는 금속판(10)과, 연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와, 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키는 금속 페이스트층(20)을 포함하는 금속 페이스트 지지형 연료전지 제조방법에 있어서,
    상기 금속판(10)의 표면에 상기 관로(11)를 피하여 금속 페이스트층(20)을 코팅하는 단계와,
    상기 금속 페이스트층(20)의 상측에 상기 단전지(30)를 위치시키는 단계와,
    상기 금속 페이스트층(20)에 다수의 기공이 형성되도록 소결시키면서 상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키고, 상기 관로(11)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부(21)를 형성하는 단계를 포함하는,
    금속 페이스트를 이용한 연료전지 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 페이스트층(20)은 Ag 페이스트 또는 Ni 페이스트인,
    금속 페이스트를 이용한 연료전지 제조방법.
  4. 연료가 흐르는 관로(11)가 형성되는 금속판(10)과,
    연료극(31)을 포함하는 단전지(30)와,
    상기 금속판(10)과 상기 단전지(30)를 접합시키는 기능을 수행하는 금속 페이스트층(20)을 포함하고,
    상기 금속 페이스트층(20)은 다수의 기공이 형성되어 있고, 상기 관로(11)와 상기 단전지(30) 사이에는 공간부(21)가 형성되어 있는,
    금속 페이스트를 이용한 연료전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 금속 페이스트층(20)은 Ag 페이스트 또는 Ni 페이스트로 형성되는,
    금속 페이스트를 이용한 연료전지.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2의 방법으로 제조된 금속 페이스트 지지형 연료전지이고,
    상기 금속 페이스트층(20)은 Ag 페이스트 또는 Ni 페이스트로 형성된,
    금속 페이스트를 이용한 연료전지.
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