KR20130074541A - 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20130074541A
KR20130074541A KR1020110142645A KR20110142645A KR20130074541A KR 20130074541 A KR20130074541 A KR 20130074541A KR 1020110142645 A KR1020110142645 A KR 1020110142645A KR 20110142645 A KR20110142645 A KR 20110142645A KR 20130074541 A KR20130074541 A KR 20130074541A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode support
fuel cell
cell
solid oxide
unit cells
Prior art date
Application number
KR1020110142645A
Other languages
English (en)
Inventor
이성욱
최재봉
정민재
김용범
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020110142645A priority Critical patent/KR20130074541A/ko
Publication of KR20130074541A publication Critical patent/KR20130074541A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 비전극 지지체의 표면에 분할되어 형성되는 복수 개의 단위셀들이 연결재로 직렬 또는 직렬과 병렬로 연결됨에 따라 일부 셀이 손상되더라도 나머지 셀을 이용하여 전기를 발생할 수 있고, 상기 비전측 지지체의 표면에 형성되는 기준부가 상기 단위셀을 이루는 전해질막에 의해 감싸지도록 하여 기준부가 쉽게 손상되지 않도록 할 수 있다. 또, 비전극 지지체의 표면에 연료극과 전해질 그리고 공기극이 붙은 릴테이프를 감으면서 그 연료극과 전해질 그리고 공기극이 상기 비전극 지지체의 표면에 옮겨져 부착되도록 하거나 또는 감광 공법을 이용하여 단위셀을 형성함으로써, 셀의 두께를 균일하게 하여 셀의 설계자유도를 높이고 실링부의 두께를 균일하게 형성하며 일부 단위셀이 손상되더라도 해당 단위셀 모듈에서 전기를 안정적으로 생산할 수 있다.

Description

고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법{OLID OZXIDE FUEL CELL AND METHOD FOR MENUFACTURING THEREOF}
본 발명은 다수 개의 단위셀이 분할되어 배열되는 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
차세대 에너지 변환 장치로 각광받고 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)는 주로 이트리아 안정화 지르코니아계(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)를 전해질로 사용하고 있다. SOFC는 전해질의 양측면에 음극(anode)인 연료극과 양극(cathode)인 공기극이 부착된 모양으로 연료가스의 개질 없이 수소 외의 탄화수소계 가스를 연료로 사용하며, 다른 종류의 연료전지에 비해 발전 효율이 가장 높고 친환경적인 에너지 변환장치이다.
이러한 SOFC는 통상 제조형상, 셀의 배치에 따라 구분할 수 있다. 제조형태에 따라 평판형, 원통형, 평관형으로 구분할 수 있다. 평판형은 전류 경로가 짧기 때문에 다른 형태에 비해 효율이 높으며, 원통형에 비해 전력 밀도가 높은 장점이 있다. 하지만 재료 대부분이 세라믹 복합체로 이루어져 있어 취성파괴의 문제점과 대면적 구현이 어려우며 셀의 구조적 특성상 가스 밀봉이 어려운 단점이 있다. 반면, 원통형의 경우에는 구조적 특성상 열충격에 대한 저항성이 높고 셀의 밀봉이 쉬우며 대면적 셀 제조가 용이하기 때문에 상용화에 근접해 있으나 단위면적당 전력밀도가 낮고 제조비용이 높은 단점이 있다. 평관형은 평판형 구조와 원통형 구조를 혼합한 것으로 평판형의 밀봉문제를 해결하는 동시에 원통형의 저전력 밀도의 문제점을 해결할 수 있는 형태이다.
한편, 최근에는 한 개의 비전극 지지체 위에 복수 개의 단위셀을 분할하여 형성하고, 상기 복수 개의 단위셀을 서로 직렬로 연결하는 세그먼티드(segmented)형 SOFC가 알려져 있다. 이러한 세그먼티드형은 스택 효율을 증가시키며 셀 간의 간격이 짧아 전력의 저항손실이 작고 기계적 강도가 우수한 장점이 있으나, 음극과 양극을 통하는 긴 전류 흐름은 내부 저항 손실을 가져오는 단점이 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 고체산화물 연료전지에서는, 상기 지지체에 기준부를 형성하여 단위셀의 인쇄 위치를 확인하도록 하고 있으나 상기 기준부가 제조 공정중에 쉽게 손상되어 제조 공정상의 오류를 발생시키는 문제점이 있었다.
또, 종래의 고체산화물 연료전지에서는, 주로 스크린 인쇄법을 이용하여 단위셀을 형성하고 있으나, 이 스크린 인쇄법은 코팅 기판의 크기와 형태에 제한을 받아 원통형이나 평관형에는 적용하기가 어렵고 인쇄 정밀도가 낮아 셀 간 두께편차가 발생하면서 셀의 설계자유도가 저하되며 재료비용이 상승하는 문제점이 있었다.
또, 종래의 고체산화물 연료전지에서는, 상기 지지체의 테두리부(edge portion)에 부시(bush)로 테두리 유리(edge glass)용 페이스트(paste)를 칠해 실링부를 형성하는 것이나, 이는 코팅 두께가 일정하지 않고 전체 면적에 균일하게 코팅되지 않으며 평관형의 경우 전면,후면,측면을 3번에 걸쳐 코팅해야 하기 때문에 공정수가 많아질 뿐만 아니라 테두리 유리용 페이스트의 점도가 낮을 경우 코팅 후에도 흘러내리는 단점이 있으며 반대로 점도가 높으면 붓질이 잘 되지 않아 코팅막의 두께가 균일하게 이루어지지 못해 두께 편차가 가중되는 문제점이 있었다.
또, 종래의 고체산화물 연료전지에서는, 다수 개로 분할된 단위셀이 직렬로 연결됨에 따라 일부 단위셀이 손상되면 그 단위셀 모듈 전체가 전기를 생산할 수 없는 상태가 되어 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 단위셀의 형성을 용이하게 하기 위한 기준부가 손상되지 않도록 하여 제조 공정상의 오류를 미연에 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조 방법을 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적은, 단위셀의 일부 영역 또는 전체 영역의 패턴을 형성할 때 정밀도를 높여 셀의 설계자유도를 높임으로써 셀의 유효면적이 확대되도록 하는 동시에 패턴의 두께 편자를 줄여 재료비용을 절감할 수 있는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조 방법을 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 비전극 지지체의 테두리부(edge portion)에 형성되는 실링부를 용이하게 형성하면서도 두께를 균일하게 형성할 수 있는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조 방법을 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 다수 개로 분할된 단위셀의 연결구조를 개선하여 일부 단위셀이 손상되더라도 해당 단위셀이 포함되는 단위셀 모듈에서 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조 방법을 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 연료가 내부를 통과하도록 길이방향으로 가스유로를 가지는 다공성의 비전극 지지체; 상기 비전극 지지체의 표면에 분할되어 각각 독립적으로 셀(cell)을 형성하는 복수 개의 단위셀(segmented cell); 및 상기 복수 개 의 단위셀들을 서로 연결하는 연결재;를 포함하고, 상기 복수 개의 단위셀들은 평면상에서 적어도 2방향 이상으로 분할되어 배열되며, 상기 복수 개의 단위셀들은 직렬로 연결되는 고체산화물 연료전지가 제공된다.
여기서, 상기 복수 개의 단위셀들은 직렬과 병렬로 혼합하여 연결될 수 있다.
그리고, 상기 비전극 지지체의 표면에는 상기 단위셀들 보다 바깥쪽에 기준부가 형성되고, 상기 기준부는 상기 단위셀을 이루는 전해질에 의해 감싸질 수 있다.
또, 비전극 지지체의 표면에 연료극과 전해질 그리고 공기극을 차례대로 형성시켜 단위셀을 형성하는 고체산화물 연료전지의 제조 방법에 있어서, 상기 연료극과 전해질 그리고 공기극이 붙은 릴테이프를 감으면서 그 연료극과 전해질 그리고 공기극이 상기 비전극 지지체의 표면에 옮겨져 부착되도록 하는 고체산화물 연료전지의 제조 방법이 제공된다.
또, 비전극 지지체의 표면에 연료극과 전해질 그리고 공기극을 차례대로 형성시켜 단위셀을 형성하는 고체산화물 연료전지의 제조 방법에 있어서, 상기 비전극 지지체의 표면에 감광 공법을 이용하여 단위셀을 형성하는 고체산화물 연료전지의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 의한 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법은, 비전극 지지체의 표면에 분할되어 형성되는 복수 개의 단위셀들이 연결재로 직렬 또는 직렬과 병렬로 연결됨에 따라 일부 셀이 손상되더라도 나머지 셀에서 전기를 생산할 수 있고, 상기 비전측 지지체의 표면에 형성되는 기준부가 상기 단위셀을 이루는 전해질막에 의해 감싸지도록 하여 기준부가 쉽게 손상되지 않도록 할 수 있다.
또, 비전극 지지체의 표면에 연료극과 전해질 그리고 공기극이 붙은 릴테이프를 감으면서 그 연료극과 전해질 그리고 공기극이 상기 비전극 지지체의 표면에 옮겨져 부착되도록 하거나 또는 감광 공법을 이용하여 단위셀을 형성함으로써, 셀의 두께를 균일하게 하여 셀의 설계자유도를 높이고 실링부의 두께를 균일하게 형성하며 일부 단위셀이 손상되더라도 해당 단위셀 모듈에서 전기를 안정적으로 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 평관형 연료전지의 일례를 보인 사시도,
도 2는 도 1의 "I-I"선단면도,
도 3 및 도 4는 도 1에 따른 평관형 연료전지에서 단위셀의 배열과 연결구조에 대한 실시예들을 보인 평면도,
도 5는 도 1에 따른 평관형 연료전지에서 시트 라미네이션 공법을 이용한 단위셀 형성 장치를 보인 개략도,
도 6은 도 1에 따른 평관형 연료전지에서 감광공법을 이용한 단우셀 형성과정을 보인 개략도,
도 7 및 도 8은 도 1에 따른 평관형 연료전지에서 단위셀 형성면을 표시하는 기준부를 보인 평면도 및 도 7의 "II-II"선단면도,
도 9는 도 1에 따른 평관형 연료전지에서 테두리부를 실링하는 장치를 이용한 실링 과정을 보인 측면도,
도 10 및 도 11은 도 1에 따른 평관형 연료전지에서 단위셀의 형상에 대한 다른 실시예를 보인 평면도 및 도 10의 "III-III"선단면도.
이하, 본 발명에 의한 고체산화물 연료전지 및 이의 제조 방법을 첨부도면에도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 평관형 연료전지의 일례를 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 "I-I"선단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 고체산화물 연료전지는, 직사각형으로 형성되는 평관형 비전극 지지체(non-electrode support, 이하 지지체로 약칭함)(11)의 상면과 하면에 각각 다수 개의 단위셀(C)이 분할되도록 형성되어 이루어진다.
상기 지지체(11)는 세라믹 재질의 다공성 절연체로 이루어진다. 예를 들어, 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 타이타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 상기 재료들에 도판트가 포함되어 있는 물질들로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 지지체(11)의 내부에는 연료가스가 공급될 수 있도록 가스유로(11)가 형성된다. 상기 가스유로는 지지체(11)의 폭 방향을 따라 상호 근접하여 복수 개의 열로 형성되고, 각각의 가스유로(11)는 길이 방향을 따라 관통되도록 형성된다.
상기 지지체(11)의 상면과 하면에는 각각 다공성의 연료극 장벽층(12), 연료극 집전층(13), 연료극층(14), 전해질막층(15), 공기극층(16), 공기극 집전층(17)이 차례대로 형성되고, 상기 연료극 집전층과 공기극 집전층의 사이에는 양쪽 집전층을 전기적으로 연결하기 위한 내부 연결재가 형성된다. 여기서, 상기 연료전지가 다수 개의 단위셀(C)이 한 개의 지지체(11)에 배열되는 경우에는 상기 한 개의 지지체(11)의 상면에 연료극 장벽층(12)이 고르게 형성되고, 상기 연료극 장벽층(12)의 상면에 각각의 단위셀(C)을 이루도록 연료극 집전층(13), 연료극층(14), 전해질막층(15), 공기극층(16), 공기극 집전층(17)이 차례대로 형성되는 한편 상기 내부 연결재(18)가 형성된다.
상기 연료극 장벽층(12)은 전류가 흐르지 않고 지지체와 반응하지 않는 물질, 예를 들어 이트리아 안정화 지르코니아계(YSZ)로 형성된다. 그리고 상기 연료극 장벽층은 상기 지지체의 외측면에 형성되어 그 지지체의 가스유로를 통과하는 연료가 연료극 이외에서의 반응성을 막을 수 있도록 상기 지지체보다 기밀한 구조를 가지도록 형성된다.
상기 연료극 집전체(13)는 니켈(Ni)에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag) 등과 같은 귀금속을 혼합한 재질을 이용하거나 또는 세라믹계를 이용하여 상기 연료극 장벽층의 상면에 형성될 수 있다.
상기 연료극층(14)은 산화니켈(NiO2)과 이트리아 안정화 지르코니아계(YSZ) 물질을 혼합하여 상기 연료극 집전층의 상면에 형성될 수 있다.
상기 전해질막층(15)은 통상 이트리아 안정화 지르코니아계(YSZ) 물질을 이용하여 상기 연료극층 상면에 형성될 수 있다.
상기 공기극층(16)은 통상 전자 전도성 세라믹 물질인 La1-XSrXMnO3 (x:0.05∼0.85, 이하 LSM)과 이트리아 안정화 지르코니아계(YSZ)를 혼합하여 상기 전해질막층의 상면에 형성될 수 있다.
상기 공기극 집전층(17)은 상기 연료극 집전층과 같이 니켈(Ni)에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag) 등과 같은 귀금속을 혼합한 재질을 이용하거나 또는 세라믹계를 이용하여 상기 공기극층 상면에 형성될 수 있다.
상기 내부 연결재(18)는 LaCrO3계 또는 LaMnO3계 또는 LaCoO3계 또는 LaFeO3계 중에서 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 단위셀(C)들은 도 3에서와 같이 상기 지지체(11)의 길이 방향과 폭방향을 따라 반복하여 형성되거나 또는 도 4에서와 같이 사선으로 반복하여 형성될 수 있다. 이로써, 다수 개의 단위셀(C)로 이루어진 멀티 셀 구조를 갖는 평관형의 단위셀 모듈이 완성되고, 상기 복수 개의 단위셀 모듈을 층층이 적층하고 전기적으로 연결하여 목적한 발전 용량을 갖는 스택을 구성하게 된다.
그리고 상기 단위셀(C)들은 내부 연결재(18)에 의해 서로 인접한 단위셀들끼리 지그재그 모양으로 상호 직렬로 연결될 수도 있지만, 상기 내부 연결재(18)가 직렬측 연결재(18a)와 병렬측 연결재(18b)를 이용하여 직렬과 병렬로 혼합하여 연결할 수도 있다. 이에 따라, 직렬로만 연결되는 경우에는 각각의 단위셀(C)을 연결하기가 용이할 수 있고, 직렬과 병렬을 혼합하여 연결하는 경우에는 일부 셀이 손상되더라도 나머지 셀에서는 전기를 생산할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 의한 고체산화물 연료전지는, 상기 연료극층(14)에 연료가스(수소함유가스)가 공급되고 상기 공기극층(16)에 공기(산소함유)가 공급되면 600℃ 이상의 온도에서 산소이온이 상기 전해질막층(15)을 통과하여 연료극층(14)으로 이동하여 수소이온과 결합함으로써 물을 생성하며, 이때 생성된 전자의 이동에 의해 전류가 발생하게 된다.
여기서, 상기 단위셀은 전술한 바와 같이 페이스트를 이용한 프린트 인쇄법에 의해 형성할 수도 있지만, 이 경우 앞서 언급한 여러 문제점들이 발생할 수 있으므로 본 실시예에서는 시트에 단위셀의 각 층을 붙여 지지체에 옮겨 적층하는 소위 시트 라미네이션(sheet lamination) 공법이 적용될 수 있다. 이 공법은 상기 지지체의 양측에 배치되는 복수 개의 릴조립체에 의해 진행될 수 있다.
즉, 도 5에서와 같이, 상기 지지체(11)의 일측에는 필름(P)이 감겨진 제1 릴조립체(21)가 설치되고, 반대쪽에는 상기 제1 릴조립체(21)의 필름이 옮겨 감기기 위한 제2 릴조립체(22)가 설치된다. 상기 필름(P)에는 연료극 집전층, 연료극층과, 전해질막층과, 공기극층, 공기극 집전층, 내부 연결재가 모두 순서대로 코팅된 코팅층(23)이 구비되거나, 또는 연료극 집전층, 연료극층, 전해질막층, 공기극층, 공기극 집전층, 내부 연결재가 각각 독립적으로 구비될 수 있다.
그리고 상기 제1 릴조립체(21)와 제2 릴조립체(22)의 사이에는 상기 필름(P)에 구비된 단위셀 전체나 또는 단위셀의 각 층을 이루는 코팅층(연료극 집전층, 연료극층, 전해질막층, 공기극층, 공기극 집전층, 내부 연결재)(23)이 상기 지지체 또는 그 지지체에 눌려 압착된 다른 층의 상면에 열압착될 수 있도록 히팅 기능이 구비된 히팅롤러(24)가 설치될 수 있다. 상기 히팅롤러(24)의 양측에는 필름(P)을 안내하기 위한 안내롤러(25)가 각각 설치될 수 있다.
상기와 같은 시트 라미네이션 공법은 지지체(11)가 올려진 이송플레이트(미도시)가 설정된 방향과 간격만큼씩 이동하는 동시에 상기 제1 릴조립체(21)와 제2 릴조립체(22)가 도면의 시계방향으로 회전을 하면서 제1 릴조립체(21)의 필름(P)이 제2 릴조립체(22)로 옮겨져 감기도록 한다.
이때, 상기 제1 릴조립체(21)와 제2 릴조립체(22)의 사이에 위치한 히팅롤러(24)가 필름을 지지체(11)의 상면에 밀착시키는 동시에 그 필름(P)에 부착된 단위셀이나 각 코팅층(23)을 가열하면서 가압하게 된다. 그러면, 상기 필름(P)에 부착되어 있던 단위셀이나 각 코팅층(23)이 상기 지지체(11)의 상면으로 옮겨져 열압착된다.
여기서, 상기 이송플레이트는 필요에 따라 지지체별로 한 번만 이동할 수도 있고 여러 번 왕복하여 이동하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 필름(P)의 폭이 지지체에 단위셀이나 해당 코팅층(23)을 한 번에 옮겨 열압착시킬 수 있을 정도로 넓은 경우에는 상기 지지체(11)가 길이방향 또는 폭방향(도면에서는 폭방향)으로 1회 이동을 하는 중에 상기 필름(P)에 부착되어 있던 단위셀이나 해당 코팅층을 옮겨 열압착시킬 수 있지만, 상기 필름(P)의 폭이 상대적으로 좁을 경우에는 상기 이송플레이트가 여러 번 왕복하면서 일정 정도씩 이동하여 필름(P)에 부착된 단위셀이나 해당 코팅층이 지지체(11)의 표면에 옮겨져 열압착 되도록 하는 것이다. 물론, 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 지지체(11)는 고정플레이트(미도시)에 올려지고 반대로 릴조립체 등이 설정된 방향과 간격만큼씩 이동할 수도 있다.
이렇게 하여, 상기 지지체에 단위셀을 정확하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 각 층의 막두께를 균일하게 형성하여 재료 비용을 줄이면서도 발전효율을 높일 수 있다. 또, 상기 필름에 단위셀 또는 단위셀을 이루는 각 코팅층을 복수 개씩 구비하여 라미네이션을 진행할 경우에는 공정 시간을 단축하여 연료전지의 생산 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 의한 고체산화물 연료전지의 제조 방법에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 시트 라미네이션 공법을 이용하여 지지체에 단위셀을 형성하는 것이었으나, 본 실시예는 감광, 에칭, 무전해 도금, 물리적/화학적 기상증착법 등을 포함하는 패터닝 공법을 이용하여 단위셀을 형성하는 것이다.
예를 들어, 도 6에서와 같이 상기 감광공법은 지지체(11)의 상면에 감광물질을 도포하며, 그 감광물질의 상면에 소정의 형상대로 패턴이 형성된 마스크(M)를 얹고 빛을 조사하여 감광물질이 경화되면서 패턴이 형성되도록 한다.
다음, 상기 감광물질 중에서 패턴이 형성되지 않은 부위를 선택적으로 현상하여 제거한다.
다음, 상기 마스크를 제거한 뒤 열처리하여 패턴이 형성되도록 한다.
이렇게 하여, 상기 단위셀의 설계시 오차를 줄여 단위셀의 유효면적을 증가시킬 수가 있고, 상기 단위셀을 이루는 각 코팅층의 두께 편차를 최소화하여 귀금속이나 패터닝 재료의 사용을 줄일 수 있다.
한편, 상기와 같이 본 발명에 의한 고체산화물 연료전지는, 도 7 및 도 8에서와 같이 상기 지지체(11)에 단위셀 형성위치를 표시하는 기준부(11b)가 더 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 기준부(11b)는 반복적인 단위셀(C)의 형성작업을 실시하는 중에 손상되어 단위셀(C)의 형성작업시 그 위치가 정확하게 정렬되지 못하면서 단위셀들 사이에 쇼트가 발생되는 등의 오류가 발생될 수 있다.
이를 감안하여, 상기 전해질막층(15)을 형성하는 과정에서 그 전해질막층(15)의 일부가 연장되어 상기 기준부(11b)를 감싸 일종의 보호막을 형성하도록 할 수 있다. 상기 전해질막층(15)의 경우, 치밀막 구조로 형성됨에 따라 고온에서의 반복적인 물리적/화학적 작업을 진행하더라도 기준부가 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
또 한편, 상기 지지체는 전술한 바와 같이 세라믹 재질의 다공성 재질로 형성되는 경우, 그 내부의 가스유로를 통해 흐르는 연료가스의 일부가 치밀막 구조가 없는 지지체의 테두리부를 통해 외부로 누설될 수 있다.
이를 감안하여, 종래와 같이 상기 지지체의 테두리부에 브러시를 사용하여 유리(edge glass) 재질로 된 실링재(paste)를 도포할 수도 있지만, 이와 같은 브러시 공법은 실링재의 코팅두께가 일정하지 않고 전체 면적에 균일하게 코팅되지 않는 단점이 있을 뿐만 아니라 상기 지지체의 테두리부 주변, 즉 측면과 상 하면을 3번에 걸쳐 코팅하여야 하므로 공정수가 증가할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 도 9에서와 같이, 상기 지지체(11)의 테두리부 주변에 연료가스가 누설되지 않을 정도의 치밀한 구조를 갖는 그린 시트(green sheet) 또는 그린 테이프(green tape)와 같은 접착부재(31)를 열압착 시킬 수 있는 라미네이션 장치를 설치하여 상기 지지체의 테두리부를 자동으로 실링할 수 있다.
상기 라미네이션 장치는 한 개의 1단계 롤러(35)와, 좌우 양측방향으로 움직일 수 있는 두 개의 2단계 롤러(36a)(36b)로 이루어질 수 있다.
상기 1단계 롤러(35)는 도 9의 (a)와 같이 지지체(11)의 측면을 길이방향으로 접착부재(31)를 열압착시킬 수 있도록 배치되는 반면, 상기 2단계 롤러(36a)(36b)는 도 9의 (b)와 같이 지지체(11)의 상하 양측면을 폭방향으로 밀어 열압착시킬 수 있도록 배치될 수 있다.
이렇게 하여, 상기 지지체의 양 측면을 액상 또는 겔(gel) 상태의 실링재(paste)로 실링하지 않고 경화된 그린 시트를 이용하여 실링을 함에 따라 실링두께를 균일하게 형성할 수 있고 이를 통해 실링공정을 간소화할 수 있다.
또 한편, 도 10 및 도 11에서와 같이 상기 지지체(11)는 세라믹 재질의 다공성 재질로 형성하지 않고 치밀한 재질로 형성할 수도 있다. 이 경우에도 상기 지지체(11)의 내부에 가스유로(11a)가 형성될 수 있다. 다만, 상기 가스유로(11a)를 통과하는 연료가 단위셀(C)의 연료극층으로 이동할 수 있도록 하기 위해 상기 지지체(11)의 특정위치, 즉 단위셀(C) 범위에 미세한 가스통공(11c)을 레이져 마이크로 드릴링을 통해 다수 개 형성할 수 있다.
이렇게 하면, 상기 지지체의 테두리부 방향으로 연료가 누설되는 것을 미연에 방지할 수 있어 별도의 테두리 실링부를 형성할 필요가 없어 상대적으로 제조공정을 간소화할 수 있다.
또 한편, 상기 단위셀은 평면투영시 사각형 모양으로 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 도 10에 도시된 바와 같이 원형의 버튼모양으로 형성될 수도 있다. 이 경우 상기 단위셀(C)이 원형으로 형성됨에 따라 종래와 같이 사각형이나 라인형상으로 형성되는 것에 비해 품질 관리가 용이할 뿐만 아니라, 상기 단위셀(C)을 형성할 때 인쇄공법 등을 배제하고 노즐을 통한 디스펜서 또는 잉크젯 공정등으로 형성할 수 있어 그만큼 단위셀의 제조 공정을 간소화할 수 있다.
11 : 지지체 11a : 가스유로
11b : 기준부 11c : 가스통공
12 : 연료극 장벽층 13 : 연료극 집전층
14 : 연료극층 15 : 전해질막층
16 : 공기극층 17 : 공기극 집전층
18 : 내부 연결재 21 : 제1 릴조립체
22 : 제2 릴조립체 23 : 코팅층
24 : 히팅롤러 25 : 안내롤러
31 : 접착부재 35,36a,36b : 롤러
C : 단위셀 P : 필름
M : 마스크

Claims (11)

  1. 연료가 내부를 통과하도록 길이방향으로 가스유로를 가지는 다공성의 비전극 지지체;
    상기 비전극 지지체의 표면에 분할되어 각각 독립적으로 셀(cell)을 형성하는 복수 개의 단위셀(segmented cell); 및
    상기 복수 개 의 단위셀들을 서로 연결하는 연결재;를 포함하고,
    상기 복수 개의 단위셀들은 평면상에서 적어도 2방향 이상으로 분할되어 배열되며,
    상기 복수 개의 단위셀들은 직렬로 연결되는 고체산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위셀들은 직렬과 병렬로 혼합하여 연결되는 고체산화물 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비전극 지지체의 표면에는 상기 단위셀들 보다 바깥쪽에 셀의 적층위치를 알려주는 기준부가 형성되고, 상기 기준부는 상기 단위셀을 이루는 전해질에 의해 감싸지는 고체산화물 연료전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비전극 지지체는 다공성 재질로 형성되고, 그 테두리에는 그 비전극 지지체보다 치밀한 재질로 형성된 실링용 시트가 부착되는 고체산화물 연료전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비전극 지지체는 가스유로에서 외표면을 향해 관통되는 다수 개의 미세통공이 형성되고,
    상기 미세통공은 단위셀이 접하는 범위내에 형성되는 고체산화물 연료전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위셀들은 상기 비전극 지지체의 길이방향과 폭방향으로 각각 분할되어 배열되는 고체산화물 연료전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위셀들은 상기 비전극 지지체의 길이방향에 대해 사선방향으로 분할되어 배열되는 고체산화물 연료전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위셀들은 평면투영시 원형으로 형성되는 고체산화물 연료전지.
  9. 비전극 지지체의 표면에 연료극과 전해질 그리고 공기극을 차례대로 형성시켜 단위셀을 형성하는 고체산화물 연료전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 연료극과 전해질 그리고 공기극이 붙은 릴테이프를 감으면서 그 연료극과 전해질 그리고 공기극이 상기 비전극 지지체의 표면에 옮겨져 부착되도록 하는 고체산화물 연료전지의 제조 방법.
  10. 비전극 지지체의 표면에 연료극과 전해질 그리고 공기극을 차례대로 형성시켜 단위셀을 형성하는 고체산화물 연료전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 비전극 지지체의 표면에 감광 공법을 이용하여 단위셀을 형성하는 고체산화물 연료전지의 제조 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 비전극 지지체의 테두리부위에는 실링용 시트를 롤러로 눌러 가열하면서 열압착시키는 고체산화물 연료전지의 제조 방법.
KR1020110142645A 2011-12-26 2011-12-26 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법 KR20130074541A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110142645A KR20130074541A (ko) 2011-12-26 2011-12-26 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110142645A KR20130074541A (ko) 2011-12-26 2011-12-26 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20130074541A true KR20130074541A (ko) 2013-07-04

Family

ID=48988617

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110142645A KR20130074541A (ko) 2011-12-26 2011-12-26 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20130074541A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115458765A (zh) * 2022-11-09 2022-12-09 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115458765A (zh) * 2022-11-09 2022-12-09 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块
CN115458765B (zh) * 2022-11-09 2023-01-31 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 一种金属空心支撑型固体氧化物燃料电池电堆及发电模块

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7858261B2 (en) Systems and methods for stacking fuel cells
US8968956B2 (en) Fuel cell repeat unit and fuel cell stack
TW527746B (en) Direct methanol fuel cell including integrated flow field and method of fabrication
JP4980906B2 (ja) 抵抗変化電極構造
US8304136B2 (en) Solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell bundle
JP3102809B2 (ja) 中空薄板式固体電解質燃料電池
CN1591949B (zh) 集电器支承的燃料电池
KR20040105711A (ko) 마이크로구조 구성요소를 갖는 고전압밀도 연료전지 층상장치
US20140178795A1 (en) Solid oxide fuel cell and method of manufacturing interconnector for solid oxide fuel cell
JP4963195B2 (ja) セパレータおよび平板型固体酸化物形燃料電池
CN107611464B (zh) 一种可插拔式固体氧化物燃料电池堆结构
US20140287348A1 (en) Method for manufacturing a unit cell of a solid oxide fuel cell
KR101072137B1 (ko) 고체산화물 연료전지의 연료극 지지체형 전해질 및 그 제조방법
KR100815207B1 (ko) 고체산화물 연료전지
US20210320317A1 (en) Fuel cell system for portable applications
KR20130074541A (ko) 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법
JP5178056B2 (ja) 燃料電池用構造体、燃料電池および電極層前駆グリーンシート
US7727650B2 (en) Interconnected, 3-dimensional fuel cell design
JP2009245654A (ja) 固体酸化物形燃料電池の製造方法、及び固体酸化物形燃料電池
KR20130080717A (ko) 고체산화물 연료전지 및 그의 제조 방법
JP5217567B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
JP5315656B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池のスタック構造
KR101071228B1 (ko) 고체산화물 연료전지
JP7222000B2 (ja) 電気化学反応セルスタックおよび電気化学反応セルスタックの製造方法
JP7288928B2 (ja) 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Withdrawal due to no request for examination