KR20120060081A - 연료 전지용 전극 재료, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 전극 재료, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 전극 재료는 전극 모재; 및 열처리에 의하여 상기 전극 모재에 기공을 형성하는 구형의 폴리스티렌 입자;를 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 전극 재료는 구형의 폴리스티렌 입자의 평균 입경 및 함량을 조절하여 전극 모재의 소결체에 균일한 크기의 기공을 형성할 수 있고, 기공율의 제어가 용이하다.

Description

연료 전지용 전극 재료, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법 {Electrode material for fuel cell, fuel cell comprising the same and a method for manufacturing the same}
본 발명은 연료 전지용 전극 재료, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연료 전지의 효율을 높일 수 있는 연료 전지용 전극 재료, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소)의 화학 에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의된다. 연료전지는 산화물 전해질을 통해 산화제(예를 들어, 산소)와 기상 연료(예를 들어, 수소)를 전기 화학적으로 반응시킴으로써 전기를 생산하는 에너지 전환 장치로써, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다.
연료전지의 종류는 사용되는 전해질 또는 사용되는 연료의 종류에 따라 구분될 수 있다. 또한, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동 온도 및 구성 부품의 재질이 달라질 수 있다.
연료 전지의 종류는 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 비교적 낮은 온도에서 작동하는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells, DEMFC) 등이 있다.
고체 산화물 연료 전지의 특징으로는 고상 구조를 가지며, 다중 연료의 적응성 및 고온 작동성을 들 수 있다. 이와 같은 고체산화물 연료전지의 특징으로 인하여, 고체산화물 연료전지는 고성능의 깨끗하고 효율적인 전원이 될 수 있는 잠재력을 가지며, 다양한 전력 발생 용도로서 개발되고 있다.
고체 산화물 연료 전지는 일반적으로 연료 전극(애노드; anode) 및 공기 전극(캐소드; cathode)에 의하여 샌드위치된 전해질막을 단위전지로 하고, 상기 단위전지가 적층된 스택구조를 갖는다.
고체 산화물 연료 전지의 효율을 높이기 위해서는 전해질층의 양면에 위치하는 연료 전극 및 공기 전극의 기공률 및 가스 투과율을 높이는 것이 중요하다.
본 발명은 연료 전지의 효율을 높일 수 있는 연료 전지용 전극 재료, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 전극 모재; 및 처리에 의하여 상기 전극 모재에 기공을 형성하는 구형의 폴리스티렌 입자;를 포함하는 연료 전지용 전극 재료를 제공한다.
상기 폴리스티렌 입자의 평균 입경은 2 내지 20㎛일 수 있다.
상기 폴리스티렌 입자의 함량은 상기 전극 모재 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부일 수 있다.
상기 전극 모재는 고체 산화물 연료 전지의 전극 재료일 수 있다.
상기 전극 모재는 금속-세라믹 이온 전도체의 복합체일 수 있다.
상기 전극 모재는 스트론튬 도핑된 란탄 망가나이트(Lanthanum Strontium Manganite, LSM), 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)가 혼합된 Ni-YSZ 서메트(cermet), Cu-YSZ 서메트, LSM-YSZ 서메트(cermet), 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, NiO)와 스칸디아 안정화된 지르코니아(scandia stabilized zirconia, ScSZ)가 혼합된 Ni-ScSZ 서메트, Cu-ScSZ, 니켈 옥사이드와 가돌리늄 도핑된 세리아(Gd doped ceria(CeO2), GDC)가 혼합된 Ni-GDC 서메트, Cu-GDC 서메트, 및 란탄 스트론튬 코발트 철 복합산화물(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite, LSCF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 전극 모재는 분말 형태일 수 있다.
상기 전극 재료는 바인더 수지를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 전해질막; 상기 전해질막의 일면 및 타면에 각각 형성되는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하며, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나의 전극은 구형의 폴리스티렌 입자의 연소에 의하여 형성된 다수의 기공을 갖는 전극 모재의 소결체일 수 있다.
상기 기공의 평균 입경은 2 내지 20㎛일 수 있다.
상기 소결체의 기공율은 15 내지 50%일 수 있다.
상기 전극 모재는 고체 산화물 연료 전지의 전극 재료일 수 있다.
상기 전극 모재는 금속-세라믹 이온 전도체의 복합체일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 전극 모재 및 구형의 폴리스티렌 입자를 포함하는 전극 재료로 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리로 전극 시트를 제조하는 단계; 상기 전극 시트를 소성하여 상기 구형의 폴리스티렌 입자의 연소에 의하여 형성된 기공을 갖는 전극 모재의 소결체를 형성하는 단계; 및 상기 전극 모재의 소결체를 전해질막의 일면 및 타면 중 적어도 일면에 형성하여 애노드 전극 또는 캐소드 전극으로 배치하는 단계;를 포함하는 연료 전지의 제조방법을 제공한다.
상기 폴리스티렌 입자의 평균 입경은 2 내지 20㎛일 수 있다.
상기 폴리스티렌 입자의 함량은 상기 전극 모재 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부일 수 있다.
상기 전극 모재는 고체 산화물 연료 전지의 전극 재료일 수 있다.
상기 전극 모재는 금속-세라믹 이온 전도체의 복합체일 수 있다.
상기 전극 모재는 분말 형태일 수 있다.
상기 전극 재료는 바인더 수지를 추가로 포함할 수 있다.
상기 전극 시트의 소성은 1000℃ 이상에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 전극 재료는 전극 모재 및 구형의 폴리스티렌 입자를 포함한다. 상기 구형의 폴리스티렌 입자는 전극 모재의 소성 과정에서 제거된다. 즉, 전극 모재와 함께 열처리되는 과정에서 상기 구형의 폴리스티렌 입자는 전극 모재의 소결체에 기공을 남기고 연소된다.
폴리스티렌 수지는 다양한 크기의 입자로 제조될 수 있고, 평균 입경의 제어가 용이하므로, 이를 기공재로 이용한 전극 재료는 전극의 기공율 및 기공의 크기를 용이하게 제어할 수 있다. 즉, 구형의 폴리스티렌 입자의 평균 입경 및 함량을 조절하여 전극 모재의 소결체에 균일한 크기의 기공을 형성할 수 있고, 기공율의 제어가 용이하다.
이를 이용한 연료 전지는 산소와 수소가 투과하는 전극의 기공율이 높아지고, 기공의 균일도가 우수하여 연료 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 재료의 소결 온도에 따른 기공형성 비율을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 재료로 형성된 전극의 가스 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 4의 (a)는 실시예에 따른 전극의 전자주사현미경(SEM, Scanning Electron Microscope) 사진이고, 도 4의 (b)는 비교예에 따른 전극의 전자주사현미경 사진(SEM, Scanning Electron Microscope)이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
본 실시예에 따른 연료 전지는 전해질막(110), 상기 전해질막의 일면 및 타면에 각각 형성된 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 종류는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells, DEMFC) 등이 있으며, 이하에서는 고체 산화물 연료전지를 예로 들어 설명한다.
상기 연료 전지는 하나의 전해질막(110) 및 상기 전해질막의 양면에 각각 형성된 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130)을 단위 전지로 하고, 상기 단위 전지가 복수개 적층된 스택구조일 수 있다.
상기 전해질막(110)은 연료 전지의 종류에 따라 선택될 수 있으며, 고체 산화물 연료전지에서는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)일 수 있다.
상기 전해질막(110)의 두께는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 1 내지 5㎛일 수 있다.
전해질막은 두께가 박막화가 될수록 전해질 내부에서 산소 이온의 이동 거리가 감소함에 따라 옴 저항과 분극 저항이 감소되고, 전해질막과 애노극 전극의 접촉성과 반응성을 향상시킴으로써 단위 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 애노드 전극(120) 및/또는 캐소드 전극(130)은 다공성 구조체일 수 있다. 보다 구체적으로, 전극 모재의 소결에 의한 소결체이며, 상기 전극 모재의 소결체에는 폴리스티렌 입자의 연소에 의하여 형성된 다수의 기공이 존재할 수 있다. 상기 폴리스티렌 입자는 구형의 형태를 가진 것으로, 열처리에 의하여 제거되면서 전극 모재의 소결체에 구형의 기공을 남긴 것이다.
상기 애노드 전극(120) 및/또는 상기 캐소드 전극(130)은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 전극 재료에 의하여 형성될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 사항은 후술하도록 한다.
상기 캐소드 전극(또는 ‘공기극’이라고 함, 130)에서 산소가 투과하여 전해질막(110)에 이르고, 산소의 환원 반응에 의하여 생성된 산소 이온이 전해질막을 통해 애노드 전극(또는 ‘연료극’이라고 함, 120)으로 이동한다. 산소 이온은 애노드 전극에 공급된 수소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 이때 애노드 전극에서는 전자가 생성되고, 캐소드 전극에서는 전자가 소모되어 전기가 흐르게 된다.
연료 전지의 효율을 높이기 위해서는 산소와 수소가 투과하는 다공성의 공기극과 연료극의 기공률을 향상시키고, 가스 투과율을 높이는 것이 중요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130)은 다공성의 구조체로써, 기공의 평균 입경은 2 내지 20㎛일 수 있다. 또한, 상기 소결체의 기공율은 15 내지 50%일 수 있다.
상기 기공의 평균 입경이 2㎛ 미만이면 이온 전도율이 저하될 우려가 있고, 상기 기공의 평균 입경이 20㎛를 초과하면 전극 구조체의 강도가 저하될 우려가 있다.
상기 애노드 전극(120) 및 상기 캐소드 전극(130)은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 전극 재료에 의하여 형성될 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 전극 재료에 대하여 설명한다.
본 발명의 연료 전지용 전극 재료는 전극 모재 및 열처리에 의하여 상기 전극 모재의 소결체에 기공을 형성하는 구형의 폴리스티렌입자를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 전극 재료는 고체 산화물 연료 전지의 전극을 제조하는데 사용될 수 있다.
이에 제한되지 않고 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells, DEMFC) 등의 전극을 제조하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 전극 모재는 연료 전지의 전극 재료로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
보다 구체적으로, 상기 전극 모재는 고체 산화물 연료 전지의 애노드 전극 또는 캐소드 전극으로 사용되는 물질을 사용할 수 있으며, 금속-세라믹 이온 전도체의 복합체를 사용할 수 있다.
상기 전극 모재는 이에 제한되는 것은 아니나, 스트론튬 도핑된 란탄 망가나이트(Lanthanum Strontium Manganite, LSM), 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)가 혼합된 Ni-YSZ 서메트(cermet), Cu-YSZ 서메트, LSM-YSZ 서메트(cermet), 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, NiO)와 스칸디아 안정화된 지르코니아(scandia stabilized zirconia, ScSZ)가 혼합된 Ni-ScSZ 서메트, Cu-ScSZ, 니켈 옥사이드와 가돌리늄 도핑된 세리아(Gd doped ceria(CeO2), GDC)가 혼합된 Ni-GDC 서메트, Cu-GDC 서메트, 란탄 스트론튬 코발트 철 복합산화물(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite, LSCF) 등 일 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나, LSM은 La0.8Sr0.2MnO3의 화학식을 가질 수 있고, LSCF은 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3의 화학식을 가질 수 있다.
LSM은 우수한 기계적 신뢰성과 산화/환원 싸이클에서 매우 안정적인 특성을 가지고 있다.
LSCF는 높은 혼합 이온/전기 전도도를 가지고 있어 중.저온에서 운전이 가능하다. 예를 들어 상기 LSCF는 800℃에서 0.01의 이온 전도도와 200S/cm2 이상의 전기 전도도를 갖는다. 상기 LSCF는 높은 열적, 화학적 안정성을 가지고 있고, 산소 환원을 위한 높은 촉매 반응성을 갖는다.
상기 LSCF는 졸-겔법 또는 연소 분무 열 분해법(combustion spray pyrolysis)을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 전극 모재는 분말 형태일 수 있으며, 분말의 평균 입경은 5 내지 20nm일 수 있다. 상기 전극 모재의 비표면적은 100 내지 200m2/g일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 전극 재료는 구형의 폴리스티렌 입자를 포함한다. 상기 폴리스티렌 입자는 상기 전극 모재의 소성 과정에서 제거된다. 즉, 전극 모재와 함께 열처리되는 과정에서 상기 구형의 폴리스티렌 입자는 전극 모재의 소결체에 기공을 남기고 연소된다.
연료 전지의 효율을 높이기 위해서는 산소와 수소가 투과하는 전극의 기공율을 높이고, 기공의 균일도를 제어하는 것이 중요하다.
종래에는 카본계를 기공재로 사용하였으나, 카본계의 기공재는 열처리 조건에 따라 연소 특성이 달라져 기공의 크기 및 기공률을 제어하기 어려운 문제가 있었다. 카본 블랙은 함량이 증가함에 따라 수축율이 증가하여 기공율을 제어하기 어려운 문제가 있다. 또한, 카본계는 환경적으로 유해한 단점이 있었다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 전극 재료는 구형의 폴리스티렌을 기공재로 사용한 것이다. 폴리스티렌 수지는 다양한 크기의 입자로 제조될 수 있고, 평균 입경의 제어가 용이하므로, 이를 이용하는 경우 전극의 기공율 및 기공 크기를 용이하게 제어할 수 있다.
구형의 폴리스티렌 입자의 평균 입경 및 함량을 조절하여 전극 모재의 소결체에 균일한 크기의 기공을 형성할 수 있고, 기공율의 제어가 용이할 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나 상기 구형의 폴리스티렌 입자의 평균 입경은 2 내지 20㎛일 수 있다. 상기 구형의 폴리스티렌 입자의 평균 입경이 2㎛ 미만이면 전극 모재의 소결체에 기공의 형성이 어려울 수 있고, 상기 구형의 폴리스티렌 입자의 평균입경이 20㎛를 초과하면 기공이 지나치게 커져 소결체의 강도가 저하될 우려가 있다.
또한 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 구형의 폴리스티렌 입자의 함량은 전극 모재 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부일 수 있다.
상기 함량의 범위 내에서 폴리 스티렌 입자의 기공률은 선형적으로 증가하는 특성을 보인다. 이를 이용하여 설계된 목적에 맞게 전극 내의 기공율을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 전극 재료는 바인더 수지를 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지는 전극 모재를 결합시켜 소결체 형성을 도울수 있다.
상기 바인더 수지의 함량은 상기 전극 모재 100 중량부에 대하여 5 내지 30중량부일 수 있다.
상기 바인더 수지는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용할 수 있다. 예를 들면 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 사용할 수 있다.
예를 들어, 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르 케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자를 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 전극 재료를 이용한 연료 전지의 제조방법을 설명한다.
우선, 전극 모재 및 구형의 폴리스티렌 입자를 포함하는 연료 전지용 전극 재료를 마련한다. 상기 연료 전지용 전극 재료는 본 발명의 일 실시형태에 따른 것이다.
상기 전극 모재는 이에 제한되는 것은 아니나, 금속-세라믹 이온 전도체를 사용할 수 있다.
상기 전극 모재는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 스트론튬 도핑된 란탄 망가나이트(Lanthanum Strontium Manganite, LSM), 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)가 혼합된 Ni-YSZ 서메트(cermet), Cu-YSZ 서메트, LSM-YSZ 서메트(cermet), 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, NiO)와 스칸디아 안정화된 지르코니아(scandia stabilized zirconia, ScSZ)가 혼합된 Ni-ScSZ 서메트, Cu-ScSZ, 니켈 옥사이드와 가돌리늄 도핑된 세리아(Gd doped ceria(CeO2), GDC)가 혼합된 Ni-GDC 서메트, Cu-GDC 서메트, 란탄 스트론튬 코발트 철 복합산화물(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite, LSCF) 등 일 수 있다.
상기 전극 모재와 구형의 폴리스티렌 입자를 혼합하여 슬러리를 형성할 수 있다. 상기 구형의 폴리스티렌 입자는 기공재로써 사용되는 것이며, 상기 전극 모재 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부로 포함될 수 있다.
상기 슬러리에는 용매 및 바인더 수지가 첨가될 수 있다. 상기 슬러리는 볼밀하여 혼합될 수 있다.
또한, 상기 슬리리의 형성시, 전극 모재 입자의 응집을 방지하기 위하여 초음파를 인가할 수 있다.
상기 슬러리는 테이프 캐스팅의 방법에 의하여 전극 시트로 형성될 수 있다. 이때 전극 시트의 두께는 35 내지 45 ㎛일 수 있다.
상기 전극 시트를 전해질 시트의 일면 및 양면에 적층하여 적층체를 형성할 수 있다. 상기 전극 시트는 연료 전지의 애노드 전극 또는 캐소드 전극이 될 수 있다.
상기 전해질 시트는 YSZ 입자를 포함하는 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 테이프 캐스팅하여 1 내지 5㎛의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 전해질 시트의 제조방법은 이에 제한되지 않고, 당업계에 공지된 다양한 방법으로 제조될 수 있다.
이후, 적층체를 소성하여 소결체를 형성할 수 있다. 소성 단계는 슬러리에 포함된 각 성분의 특성에 맞춰 단계별로 진행될 수 있다. 예를 들면, 저온에서 용매및 바인더 수지를 제거하고, 고온에서 전극 모재의 소결을 수행하고 상기 폴리스티렌 입자를 제거할 수 있다.
상기 소성 단계에서 전극 모재는 소결체를 형성하고, 상기 폴리스티렌 입자는 상기 소결체에 기공을 남기고 연소된다.
상기 소성 단계는 이에 제한되는 것은 아니나, 1000℃ 이상에서 수행될 수 있다. 보다 바람직하게는 1300 내지 1600℃에서 수행될 수 있다.
상기 소성 온도가 1000℃ 미만이면 소결이 완전히 진행되지 않아 소결체에 파손이 발생하기 쉽고, 상기 소성 온도가 1600℃보다 높은 경우에는 소성 단계에서 상기 적층체의 휘어짐이 발생할 우려가 있다.
상기 소성 단계에서 적층체에 휨이나 크랙과 같은 결함이 발생하는 것을 방지하기 위해서 상기 적층체에 소정의 하중을 가하여 가압 상태로 소결이 수행될 수 있다.
예를 들면, 상기 적층체의 상하부에 일정한 크기와 중량을 가진 가압체를 배치하여 가압할 수 있다. 상기 가압체는 상기 소성 단계에서 상기 적층체와 화학적으로 반응하지 않도록 안정하고, 상기 가압체가 물리적 또는 화학적으로 변형이 발생하지 않는 재질로 형성될 수 있다. 또한 상기 가압체는 상기 적층체를 균일하게 가압할 수 있도록 상기 적층체와 대응되는 평판 또는 블록 형태를 가질 수 있다.
상기 소성 단계에 의하여 전해질막 및 상기 전해질막의 일면 및 타면에 형성된 애노드 전극 및 캐소드 전극을 갖는 연료 전지가 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 전해질 시트와 전극시트를 적층하고 동시에 소성하여 단위 전지를 제조할 수 있다.
또는 전해질 시트와 전극 시트를 각각 소성한 뒤에 결합하여 단위전지를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 재료의 소성 온도에 따른 기공형성 비율을 나타내는 그래프이다.
보다 구체적으로, 전극 모재로 Ni-YSZ 서메트를 사용하고, 구형의 폴리스티렌 입자의 함량을 변화시켜 소결 온도가 각각 1400℃, 1450℃, 1500℃인 경우의 전극 소결체의 기공형성 비율을 측정하였다.
도 2를 참조하면, 구형의 폴리스티렌 입자는 함량이 증가함에 따라 기공률이 직선적으로 증가하여 전극 소결체의 기공율 제어가 용이함을 알 수 있었다.
이에 반하여, 카본 블랙의 경우 그 함량이 증가하더라도 고온의 소결 공정에서 그 수축율이 증가하여 기공률이 떨어지는 경향이 있어 기공율의 제어가 어렵다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 재료로 형성된 전극의 가스 투과도를 나타내는 그래프이다.
보다 구체적으로, 실시예로써, 전극 모재로 Ni-YSZ서메트를 사용하고, 상기 전극 모재 100 중량부에 대하여 7.5 중량부의 구형의 폴리스티렌 입자를 포함하는 전극 재료로 전극을 형성하고, 이의 가스 투과도를 측정하였다. 비교예는 전극 모재로 Ni-YSZ 서메트를 사용하고, 상기 전극 모재 100 중량부에 대하여 7.5 중량부의 카본 블랙을 포함하는 전극 재료로 전극을 형성하여 투과도를 측정하였다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 전극은 비교예에 따른 전극에 비하여 300 psia이하에서는 동일한 압력내에서 가스 투과도가 3 내지 4배 정도 향상된 것을 알 수 있다.
도 4의 (a)는 실시예에 따른 전극의 전자주사현미경(SEM, Scanning Electron Microscope) 사진이고, 도 4의 (b)는 비교예에 따른 전극의 전자주사현미경 사진(SEM, Scanning Electron Microscope)이다.
도 4의 (a) 및 도 4의 (b)를 참조하면 실시예는 비교예에 비하여 기공의 크기 및 분포가 균일함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 전극 재료는 폴리스티렌 입자를 기공재로 사용하여 전극의 기공률의 제어가 용이하고, 기공의 분포 및 크기가 균일하게 형성될 수 있다. 이에 따라 전극의 가스 투과성 및 이온 전도율이 향상된다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
110: 전해질막 120: 애노드 전극
130: 캐소드 전극

Claims (21)

  1. 전극 모재; 및
    열처리에 의하여 상기 전극 모재에 기공을 형성하는 구형의 폴리스티렌 입자;
    를 포함하는 연료 전지용 전극 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리스티렌 입자의 평균 입경은 2 내지 20㎛인 연료 전지용 전극 재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리스티렌 입자의 함량은 상기 전극 모재 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부인 연료 전지용 전극 재료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극 모재는 고체 산화물 연료 전지의 전극 재료인 연료 전지용 전극 재료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 모재는 금속-세라믹 이온 전도체의 복합체인 연료 전지용 전극 재료.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 모재는 스트론튬 도핑된 란탄 망가나이트(Lanthanum Strontium Manganite, LSM), 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)가 혼합된 Ni-YSZ 서메트(cermet), Cu-YSZ 서메트, LSM-YSZ 서메트(cermet), 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, NiO)와 스칸디아 안정화된 지르코니아(scandia stabilized zirconia, ScSZ)가 혼합된 Ni-ScSZ 서메트, Cu-ScSZ, 니켈 옥사이드와 가돌리늄 도핑된 세리아(Gd doped ceria(CeO2), GDC)가 혼합된 Ni-GDC 서메트, Cu-GDC 서메트, 및 란탄 스트론튬 코발트 철 복합산화물(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite, LSCF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 연료 전지용 전극 재료.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 모재는 분말 형태인 연료 전지용 전극 재료.
  8. 제1항에 있어서,
    바인더 수지를 추가로 포함하는 연료 전지용 전극 재료.
  9. 전해질막;
    상기 전해질막의 일면 및 타면에 각각 형성되는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하며,
    상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나의 전극은 구형의 폴리스티렌 입자의 연소에 의하여 형성된 다수의 기공을 갖는 전극 모재의 소결체인 연료전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기공의 평균 입경은 2 내지 20㎛인 연료전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 소결체의 기공율은 15 내지 50%인 연료전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 전극 모재는 고체 산화물 연료 전지의 전극 재료인 연료 전지.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 전극 모재는 금속-세라믹 이온 전도체의 복합체인 인 연료 전지.
  14. 전극 모재 및 구형의 폴리스티렌 입자를 포함하는 전극 재료로 슬러리를 제조하는 단계;
    상기 슬러리로 전극 시트를 제조하는 단계;
    상기 전극 시트를 소성하여 상기 구형의 폴리스티렌 입자의 연소에 의하여 형성된 기공을 갖는 전극 모재의 소결체를 형성하는 단계; 및
    상기 전극 모재의 소결체를 전해질막의 일면 및 타면 중 적어도 일면에 형성하여 애노드 전극 또는 캐소드 전극으로 배치하는 단계;
    를 포함하는 연료 전지의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 폴리스티렌 입자의 평균 입경은 2 내지 20㎛인 연료 전지의 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 폴리스티렌 입자의 함량은 상기 전극 모재 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부인 연료 전지의 제조방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 전극 모재는 고체 산화물 연료 전지의 전극 재료인 연료 전지의 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 전극 모재는 금속-세라믹 이온 전도체의 복합체인 연료 전지의 제조방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 전극 모재는 분말 형태인 연료 전지의 제조방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 전극 재료는 바인더 수지를 추가로 포함하는 연료 전지의 제조방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 전극 시트의 소성은 1000℃ 이상에서 수행되는 연료 전지의 제조방법.
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