KR20140020065A - Solid oxide fuel cell anode metal support and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고체산화물 연료전지용 연료극 금속지지체에 관한 것이다.The present invention relates to an anode metal support for a solid oxide fuel cell.
고체산화물 연료전지는 연료극/전해질/공기극을 기본 단위 셀로 구성되며, 단위 면적당 셀 하나에서 얻어지는 발전용량은 약 1V 정도이다. 따라서, 실제 발전 설비에 필요한 출력을 내기 위해서는 여러 개의 단위 셀을 직렬 및 병렬로 연결하고 셀과 셀 사이는 분리판 및 집전체를 삽입하여 스택(stack)을 구성한다. 그러나, 단위 셀의 면적을 크게 할수록 효율이 떨어지는 점과, 밀봉(sealing), 열충격 및 물리적 충격에 대한 파괴인성이 낮다는 점에서 연료전지의 상용화에 어려움을 겪고 있다. 특히, 세라믹지지체형 고체산화물의 경우 근본적으로 파괴인성이 낮기 때문에 충격에 매우 취약하며, 이를 해결하기 위하여 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 개발하고 있다.
A solid oxide fuel cell includes a fuel cell / electrolyte / air electrode as a basic unit cell, and a power generation capacity obtained from one cell per unit area is about 1V. Therefore, in order to produce the output required for the actual power generation facility, a plurality of unit cells are connected in series and in parallel, and a stack is formed by inserting a separator and a current collector between the cells and the cells. However, as the area of the unit cell increases, the efficiency of the unit cell decreases, and the fracture toughness against sealing, thermal shock, and physical shock is low, making it difficult to commercialize fuel cells. In particular, in the case of the ceramic support type solid oxide, it is very vulnerable to impact because of its fundamentally low fracture toughness, and to solve this problem, a metal support type solid oxide fuel cell has been developed.
상기 고체산화물 연료전지에 사용되는 연료극 금속지지체는 전기전도도가 높으며, 양극으로의 연료 주입 경로를 확보하고, 충격 특성이 우수하며, 고체전해질 소재와 열팽창계수가 유사할 것이 요구된다. 현재 연구가 추진되는 금속지지체 제조방법으로는 레이져 드릴링 가공 방법이나 금속 분말을 소결하는 방법 등이 있는데, 레이져 드릴링 가공 방법은 금속지지체 각각에 대해 기공을 형성해야 하므로 대량 생산이 어려우며, 금속 분말을 소결하는 경우 기공의 분포를 균일하게 하기 힘들고 분말 입계에서 미세균열이 발생하여 취성파괴를 유발할 우려가 있다.The anode metal support used in the solid oxide fuel cell is required to have high electrical conductivity, to secure a fuel injection path to the anode, to have excellent impact characteristics, and to have a similar thermal expansion coefficient to that of the solid electrolyte material. Metal support manufacturing methods currently being researched include laser drilling and sintering of metal powders, which are difficult to mass-produce due to the formation of pores for each of the metal supports. In this case, it is difficult to uniformize the distribution of pores, and there is a fear of causing microcracks at the grain boundaries and causing brittle fracture.
본 발명의 한 측면은 금속지지체의 기공 크기 및 분포 조절이 용이하고, 비용 절감 및 대량 생산이 가능한 고체산화물 연료전지용 연료극 금속지지체 제조방법 및 강도 및 충격 특성이 우수한 고체산화물 연료전지용 연료극 금속지지체를 제공하고자 한다.One aspect of the present invention provides a method for manufacturing a cathode metal support for a solid oxide fuel cell, which is easy to control the pore size and distribution of the metal support, and is capable of cost reduction and mass production, and provides an anode metal support for a solid oxide fuel cell having excellent strength and impact characteristics. I would like to.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 금속이온을 포함하는 전해액에, 음극으로 제공되며 가요성이고 전도성인 모판을 일 방향으로 수평 공급하는 단계; 상기 모판의 일면 또는 양면에 이격되어 설치된 양극과 상기 모판의 작용에 의해 상기 전해액의 금속 이온이 상기 모판의 일면 또는 양면에 전해 석출되어 상기 모판 상에 전착층이 형성되는 전착단계 및 상기 전착층을 상기 모판으로부터 박리하여 금속박을 얻는 박리단계를 포함하며, 상기 금속박은 다공성 구조인 연료전지용 연료극 금속지지체 제조방법이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a horizontal supply of a flexible and conductive mother plate which is provided as a negative electrode and is provided as a negative electrode to an electrolyte solution including metal ions in one direction; The electrodeposition step and the electrodeposition layer in which an electrode layer is spaced on one side or both sides of the mother plate and the metal ions of the electrolyte are electrolytically deposited on one side or both sides of the mother plate to form an electrodeposition layer on the mother plate. And a peeling step of peeling from the mother plate to obtain a metal foil, wherein the metal foil is provided with a method of manufacturing a fuel cell metal support for a fuel cell having a porous structure.
상기 모판은 스테인리스 또는 타이타늄 재질이며, 일면 또는 양면에 산화 피막이 형성된 것일 수 있다.The mother plate may be made of stainless steel or titanium, and an oxide film may be formed on one surface or both surfaces.
상기 모판은 표면에 홀 패턴이 형성된 것일 수 있다.The mother plate may be a hole pattern formed on the surface.
상기 홀 패턴은 모판의 표면을 관통하여 형성된 것일 수 있다.The hole pattern may be formed through the surface of the mother plate.
상기 홀 패턴은 레이져 드릴링으로 형성된 것일 수 있다.The hole pattern may be formed by laser drilling.
상기 홀 패턴은 모판의 표면에 음각을 형성하고, 상기 음각에 비전도성 물질이 충진된 것일 수 있다.The hole pattern may form an intaglio on the surface of the mother plate, and the intaglio may be filled with a non-conductive material.
상기 음각은 식각공정에 의해 형성된 것일 수 있다.The intaglio may be formed by an etching process.
상기 비전도성 물질은 에폭시 수지, 알루미나, 실리카 및 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다.The nonconductive material may be any one of an epoxy resin, alumina, silica, and mixtures thereof.
상기 전해액은 물 1L당 Ni 전구체 40~50g 또는 Ni 전구체 40~50g 및 Fe 전구체 6~12g을 포함하는 것일 수 있다.The electrolyte may be one containing 40-50g of Ni precursor or 40-50g of Ni precursor and 6-12g of Fe precursor per liter of water.
상기 Ni 전구체는 황산니켈, 염화니켈, 질산니켈, 설파민산니켈 및 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다.The Ni precursor may be any one of nickel sulfate, nickel chloride, nickel nitrate, nickel sulfamate, and mixtures thereof.
상기 Fe 전구체는 황산철, 염화철, 질산철, 설파민산철 및 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다.The Fe precursor may be any one of iron sulfate, iron chloride, iron nitrate, iron sulfamate, and mixtures thereof.
상기 전해액은 붕산, 암모니아 및 이들의 혼합물 중 어느 하나인 pH 완충제 및 도데실황산나트륨, 소듐라우릴설페이트, 사카린 및 이들의 혼합물 중 어느 하나인 응력완화제 중 최소 어느 하나를 더 포함하는 것일 수 있다.The electrolyte may further include at least one of boric acid, ammonia, and any one of a pH buffer and sodium dodecyl sulfate, sodium lauryl sulfate, saccharin, and a mixture of these.
상기 pH 완충제는 전해액 1L당 15~35g으로 포함되는 것일 수 있다.The pH buffer may be included in 15 ~ 35g per 1L electrolyte.
응력완화제는 전해액 1L당 0.05~4g으로 포함되는 것일 수 있다.
Stress relieving agent may be included in 0.05 ~ 4g per 1L of electrolyte.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기의 방법으로 제조된 연료전지용 연료극 금속지지체로서, 두께가 30~200㎛인 연료전지용 연료극 금속지지체가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, a fuel cell anode metal support for a fuel cell manufactured by the above method is provided with a fuel cell anode metal support having a thickness of 30 ~ 200㎛.
상기 연료전지용 연료극 금속지지체는 열팽창계수가 5~15 X 10-6/K일 수 있다.The fuel cell metal support for the fuel cell may have a thermal expansion coefficient of 5 to 15 X 10 -6 / K.
상기 연료전지용 연료극 금속지지체는 평균직경이 5~50㎛인 기공을 가질 수 있다.The anode metal support for the fuel cell may have pores having an average diameter of 5 ~ 50㎛.
상기 연료전지용 연료극 금속지지체는 개구율이 10~90%일 수 있다.The anode metal support for the fuel cell may have an opening ratio of 10 to 90%.
본 발명의 고체산화물 연료전지용 연료극 금속지지체 제조방법을 사용함으로써, 금속지지체의 제조 비용을 절감시키면서 대량 생산을 용이하게 할 수 있다. 또한, 금속지지체의 기공의 크기 및 분포를 용이하게 조절할 수 있으며, 금속지지체 표면의 균열을 감소시킬 수 있어 강도 및 충격특성이 우수한 고체산화물 연료전지용 연료극 금속지지체를 얻을 수 있다.By using the method of manufacturing the anode metal support for the solid oxide fuel cell of the present invention, mass production can be facilitated while reducing the manufacturing cost of the metal support. In addition, it is possible to easily control the size and distribution of the pores of the metal support, it is possible to reduce the cracks on the surface of the metal support to obtain the anode metal support for a solid oxide fuel cell excellent in strength and impact characteristics.
도 1은 본 발명의 고체산화물 연료전지용 연료극 금속지지체를 제조하는 수평형 전기주조장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 고체산화물 연료전지 금속지지체 표면을 찍은 SEM사진(80배율)을 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 고체산화물 연료전지 금속지지체 표면을 찍은 SEM사진(1,500배율)을 도시한 것이다.Figure 1 schematically shows a horizontal type electric casting apparatus for producing a cathode metal support for a solid oxide fuel cell of the present invention.
2 is a SEM photograph (80 magnification) of the surface of the metal oxide support of the solid oxide fuel cell of the present invention.
Figure 3 shows a SEM photograph (1500 magnification) of the surface of the metal oxide support of the solid oxide fuel cell of the present invention.
본 발명은 고체산화물 연료전지용 연료극 금속지지체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 연료극 금속지지체 제조방법을 사용하는 경우, 기공의 크기 및 분포를 용이하게 조절할 수 있으며, 금속지지체의 강도 및 충격특성을 향상시킬 수 있어 소재의 파괴로 인한 불량을 저감시키면서, 대량 생산에 보다 용이하게 할 수 있다.
The present invention relates to an anode metal support for a solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same. When using the method of manufacturing a fuel cell metal support for a fuel cell of the present invention, it is possible to easily adjust the size and distribution of the pores, and to improve the strength and impact characteristics of the metal support, while reducing the defects caused by the destruction of the material, It can be easier to produce.
도 1은 본 발명의 고체산화물 연료전지 금속지지체를 제조하는 수평형 전기주조장치를 개략적으로 도시한 것으로서, 이를 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.FIG. 1 schematically illustrates a horizontal type electroforming apparatus for manufacturing a metal support of a solid oxide fuel cell of the present invention, and will be described in detail with reference to the drawing.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 금속이온을 포함하는 전해액에, 음극으로 제공되며 가요성이고 전도성인 모판을 일 방향으로 수평 공급하는 단계; 상기 모판(1)의 일면 또는 양면에 이격되어 설치된 양극(53)과 상기 모판(1)의 작용에 의해 상기 전해액의 금속 이온이 상기 모판(1)의 일면 또는 양면에 전해 석출되어 상기 모판(1) 상에 전착층이 형성되는 전착단계 및 상기 전착층을 상기 모판(1)으로부터 박리하여 금속박(74)을 얻는 박리단계를 포함하며, 상기 금속박은 다공성 구조인 연료전지용 연료극 금속지지체 제조방법이 제공된다.
According to an embodiment of the present invention, a horizontal supply of a flexible and conductive mother plate which is provided as a negative electrode and is provided as a negative electrode to an electrolyte solution including metal ions in one direction; The metal ions of the electrolyte are electrolytically deposited on one side or both sides of the
도 1의 수평형 전기주조장치에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다. 모판(1)이 수평형 전기주조장치에 투입되면, 상기 모판이 접합장치(2)에 의해 접합되어 연속적으로 공급될 수 있다. 접합장치에 의해 접합된 모판(1)은 가공장치(3)에 표면에 홀 패턴이 형성되며, 그 후 전 세척장치(4)에 의해 모판 표면에 잔존하는 가공재, 가공액 또는 가공찌꺼기 등이 제거된다. 세척된 상기 모판(1)은 수평 셀 내로 이송시키는 컨덕트 롤(52)을 통해 전류 공급장치(51)로부터 전류를 공급받아 음극으로 기능한다. 전해액 가열기(58)에 의해 가열된 전해액 저장조(57) 내의 전해액은 전해액 여과기(56) 및 전해액 펌프(55)를 거쳐, 전해액 공급 노즐(54)을 통해 상기 모판(1)에 공급되고, 전해액에 침지된, 음극인 모판(1) 및 양극(53)의 작용으로 모판 표면에 전착층이 형성된다. 상기 전착층이 형성된 모판은 후 세척장치(5)를 통과하여 전착층 상의 불순물이 제거될 수 있다. 상기 전착층이 형성된 모판은 금속박 분리 장치(71)에 의해 모판(1)과 금속박(74)으로 분리되며, 상기 금속박(74)은 금속박 절단 장치(72)에 의해 절단되어 권취된다. 상기 분리된 모판(1)은 모판 절단 장치(73)에 의해 절단된 후 권취장치(6)에 의해 권취된다.
Brief description of the horizontal type electric casting device of Figure 1 as follows. When the
전주(electroforming)법이란 박리피막을 부여한 모형상에 금속을 전착시킨 후 그 전착금속을 분리하여 모형 표면과 반대의 요철의 제품을 얻거나, 또는 그 전착 금속표면에 다시 분리피막처리를 하여 금속을 전착시켜서 분리함으로써 최초의 모형과 같은 요철을 갖는 제품을 얻는 방법이다. 전주에 의해 금속박을 형성함에 있어서, 상기 금속박 형성을 위해 사용할 수 있는 모판(1)으로는 가요성이고 전도성을 갖는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 스테인리스, 타이타늄 등을 적용할 수 있다. 이와 같은 모판(1)은 그 표면에 산화 피막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명은 금속박을 얻고자 하는 것으로서, 모판(1) 상에 전착에 의해 형성되는 금속박(74)이 모판(1)과 견고한 결합을 갖는 경우, 그 금속박을 모판(1)으로부터 분리하는 것이 용이하지 않으므로, 모판(1) 상에는 산화 피막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 모판(1) 상의 산화 피막에 의해, 모판(1) 상에 금속박이 전착되더라도 모판(1) 표면에 대한 부착력이 약하기 때문에 모판(1)으로부터 금속박을 용이하게 박리시킬 수 있다.
Electroforming method is to deposit a metal on a model to which a peeling film has been applied, and then remove the electrodeposited metal to obtain a product having an uneven surface opposite to the model surface, or to separate the electrodeposited metal surface by separating and coating the metal. It is a method of obtaining a product having the same irregularities as the first model by electrodeposition and separation. In forming the metal foil by electroforming, the
상기 모판(1)의 표면은 표면에 홀 패턴이 형성된 것일 수 있으며, 상기 홀 패턴을 부여하기 위해 모판(1)의 표면을 가공하는 단계를 거칠 수 있다. 모판(1)의 표면에 홀 패턴을 부여하는 경우, 전착에 의해 얻어지는 금속박(74)은 모판(1)에 형성된 홀 패턴이 그대로 전사되어, 얻어지는 금속박(74)에 일정한 기공을 부여할 수 있다. 상기 모판(1)의 가공은 모판(1)의 양면 모두에 대하여 전주가 가능하므로, 모판(1)의 양면에 대하여 가공을 통해 홀 패턴을 부여할 수 있다.
The surface of the
상기 모판(1)에 형성되는 홀 패턴은 모판의 표면을 관통하여 형성되는 것일 수 있으며, 가공 수단에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 본 기술분야에서 알려져 있는 적절한 가공수단을 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 홀 패턴은 레이져 드릴링으로 형성될 수 있다.
The hole pattern formed on the
또한, 상기 모판(1)에 형성되는 홀 패턴은 모판의 표면에 음각을 형성하고, 상기 음각에 비전도성 물질이 충전된 것일 수 있다. 상기 음각을 형성하는 수단에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 본 기술분야에서 알려져 있는 적절한 가공수단을 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 음각은 식각공정에 의해 형성될 수 있다.
In addition, the hole pattern formed on the
상기 비전도성 물질은 특별히 한정하지 않으며, 본 기술분야에서 알려져 있는 전기전도도가 낮은 물질을 사용할 수 있는데, 예를 들어 에폭시계 고분자 수지, 알루미나 또는 실리카와 같은 산화물 및 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 통상의 기술자가 용이하게 사용할 수 있는 기타 절연성 고분자 물질이라면 본 발명에 사용될 수 있다.
The non-conductive material is not particularly limited, and materials having low electrical conductivity known in the art may be used. For example, the non-conductive material may be any one of an epoxy-based polymer resin, an oxide such as alumina or silica, and a mixture thereof. . In addition, any other insulating polymer material that can be easily used by those skilled in the art can be used in the present invention.
상기와 같은 방법으로 가공되어 홀 패턴이 형성된 모판에 전해액을 공급하여 전기주조하는 경우, 형성된 홀 패턴에는 전착층이 형성되지 않아, 홀 패턴이 전사되어 기공을 형성함으로써 다공성 구조의 금속박(74)을 얻을 수 있다. 본 발명의 제조방법으로 금속지지체를 제조하는 경우, 생성된 연료극 금속지지체에 별도로 기공을 형성하는 공정을 수행할 필요가 없어 대량 생산이 용이하며, 제조 비용을 절감시킬 수 있다.
In the case of electroforming by supplying an electrolyte solution to the mother plate formed by the above-described method to form a hole pattern, the electrode pattern is not formed in the formed hole pattern, the hole pattern is transferred to form pores to form the
이와 같이 모판 표면을 가공하는 경우에는 표면이 균일한 금속박을 얻기 위해 경우에 따라 모판 표면에 잔존하는 가공재, 가공액 또는 가공찌꺼기 등을 모판 표면으로부터 제거할 필요가 있는바, 모판 표면을 세척하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 모판 표면의 세척은 특별히 한정하지 않는 것으로서, 산성용액 및 물을 이용하여 제거할 수 있다. 그 후에, 고압 공기, 고온가스를 분사하거나 또는 모판을 가열함으로써 모판을 건조할 수 있다.
In the case where the surface of the mother plate is processed as described above, in order to obtain a uniform metal foil, it is sometimes necessary to remove the processing material, processing liquid or processing residues remaining on the surface of the mother plate from the surface of the mother plate. It may include. The washing of the surface of the mother plate is not particularly limited and can be removed using an acidic solution and water. Thereafter, the mother board can be dried by blowing high pressure air, hot gas, or heating the mother board.
상기와 같은 모판은 전주 셀 내로 연속적으로 공급하며, 일정한 방향으로 공급한다. 여기서 상기 '전주 셀'이라 함은 전해액 내로 모판이 공급되어 금속 이온이 전해 석출반응에 의해 모판 표면에 전착되어 전착층을 형성하는 반응이 일어나는 단위 전지라 정의할 수 있다. 그리고 '일정한 방향'이란 모판이 전주 셀 내로 공급된 후, 적어도 상기 수평 셀을 빠져나올 때까지 모판의 진행방향이 변화됨이 없이 일 방향성으로 진행하는 것을 의미하는 것이다. 이와 같은 모판의 진행 방향을 본 명세서에서는 경우에 따라서는 '수평방향' 또는 단순히 '수평'이라고 표현되기도 하며, 나아가, 모판이 전주 셀을 수평방향으로 진행하여 전해액 내의 금속 이온이 모판에 전해 석출되는 것을 나타내기 위해 상기 전주 셀을 '수평 셀'이라고도 표현된다.
The base plate is continuously supplied into the pole cell, and is supplied in a constant direction. Here, the "electrode cell" may be defined as a unit cell in which a mother plate is supplied into an electrolyte solution and metal ions are electrodeposited onto the mother plate surface by an electrolytic precipitation reaction to form an electrodeposition layer. In addition, the term “constant direction” means that the mother plate proceeds in one direction without changing the advancing direction of the mother plate until the mother cell is supplied into the pole cell and at least exits the horizontal cell. In this specification, the advancing direction of the mother plate may be referred to as 'horizontal direction' or simply 'horizontal' in some cases. Furthermore, the mother plate may advance the pole cell in the horizontal direction so that metal ions in the electrolyte are electrolytically deposited on the mother plate. In order to indicate that the pole cell is also referred to as a 'horizontal cell'.
모판(1)의 연속적 공급을 위해 상기 모판은 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 코일 형태로 권취되어 있는 모판(1)을 수평 셀 내로 공급할 수 있으며, 나아가, 이러한 모판(1)이 공급되는 경우에는 다른 코일 형태로 권취되어 있는 모판(1)을 앞서 공급된 모판에 이어서 연속적으로 공급할 수 있다. 이때, 필요에 따라서는 앞선 모판(1)의 후단과 뒤따르는 모판의 선단을 용접 등과 같은 소정의 접합장치(2)에 의해 접합하여 연속적으로 공급할 수 있다. 나아가, 용이하게 접합하기 위해 접합되는 각각의 말단을 적당한 형상으로 가공할 수도 있다.
For the continuous supply of the
상기 모판은 모판의 폭 방향 엣지부와 접촉하여 모판을 수평 셀 내로 이송시키는 한 쌍의 컨덕트 롤(52)에 의해 수평 셀 내로 수평방향으로 공급된다. 이때, 상기 수평 셀 내로 공급된 모판의 어느 한 면에 양극을 설치하여 일면 전주를 행할 수 있음은 물론, 양면 모두에 양극을 설치함으로써 모판의 양면에 대해 금속을 전해 석출시킴으로써 금속박의 생산속도를 증대시킬 수 있다.
The base plate is supplied horizontally into the horizontal cell by a pair of conductor rolls 52 which contact the widthwise edge portion of the base plate to transfer the base plate into the horizontal cell. At this time, it is possible to perform one side electric pole by installing an anode on one side of the mother plate supplied into the horizontal cell, and by installing the anode on both sides to increase the production rate of the metal foil by electrolytic deposition of metal on both sides of the mother plate. You can.
상기와 같이 수평 셀 내로 모판(1)이 공급되면, 모판(1)의 일면 또는 양면에 전해액 공급 노즐(54)을 통해 전해액을 공급하고, 모판(1)과 양극(53)은 상기 전해액에 침지된다. 모판(1)과 양극(53)에 의해 형성된 수평 유로를 통해 전해액이 이동하면서 음극의 역할을 하는 모판(1)과 양극(53)에 의한 전해 석출에 의해 금속 이온이 모판의 표면에 석출되어 전착층을 형성한다.
When the
상기 전해액은 물 1L당 Ni 전구체 40~50g 또는 Ni 전구체 40~50g 및 Fe 전구체 6~12g을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 전해액은 Ni 전구체와 Fe 전구체를 함께 포함하는 것이 보다 바람직하다. Ni은 전기전도도가 우수하며, Fe는 우수한 강도 또는 경도를 확보하고 있음과 동시에 유연하기 때문에, 물리적 충격에 의한 균열 혹은 파단이 잘 발생하지 않아, 방열성 및 내구성 확보 측면에서 유리하다. 또한 제조 비용이 저렴하고, 대량생산이 가능하며, 보관 및 기판의 크기 제어가 용이하다는 장점이 있다.
The electrolyte solution may include 40-50 g of Ni precursor or 40-50 g of Ni precursor and 6-12 g of Fe precursor per 1 L of water, and the electrolyte may more preferably include both Ni precursor and Fe precursor. Since Ni is excellent in electrical conductivity and Fe has excellent strength or hardness and is flexible at the same time, cracking or breaking due to physical impact does not occur well, which is advantageous in terms of securing heat dissipation and durability. In addition, manufacturing costs are low, mass production is possible, and storage and substrate size control are easy.
상기 전해액에 포함되는 Ni 또는 Fe 전구체는 특별히 한정하지 않으며, 본 기술분야에서 알려져 있는 적절한 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 Ni 전구체는 황산니켈, 염화니켈, 질산니켈, 설파민산니켈 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, 상기 Fe 전구체는 황산철, 염화철, 질산철, 설파민산철 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
The Ni or Fe precursor contained in the electrolyte is not particularly limited, and suitable ones known in the art may be used. For example, the Ni precursor may use any one of nickel sulfate, nickel chloride, nickel nitrate, nickel sulfamate, and mixtures thereof. In addition, the Fe precursor may be any one of iron sulfate, iron chloride, iron nitrate, iron sulfamate and mixtures thereof.
상기 전해액은 붕산, 암모니아 및 이들의 혼합물 중 어느 하나인 pH 완충제를 더 포함할 수 있다. 그러나, 상기 pH 완충제는 이에 제한되지 않으며, 본 기술분야에서 알려져 있는 것을 적절하게 사용할 수 있다. 상기 pH 완충제는 전해액의 pH를 1.5~3.5로 조절함으로써 전기주조시 Fe 이온과 Ni 이온이 음극에 효과적으로 전착될 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해 상기 pH 완충제는 전해액 1L당 15~35g 포함되는 것이 바람직하다.
The electrolyte solution may further include a pH buffer which is any one of boric acid, ammonia, and mixtures thereof. However, the pH buffer is not limited thereto, and those known in the art may be appropriately used. The pH buffer may be effectively electrodeposited Fe and Ni ions to the cathode during electroforming by adjusting the pH of the electrolyte to 1.5 ~ 3.5. In order to obtain such an effect, the pH buffer is preferably contained in 15 ~ 35g per 1L of electrolyte.
상기 전해액은 또한, 도데실황산나트륨 및 소듐라우릴설페이트와 같은 계면활성제, 사카린 및 이들의 혼합물 중 어느 하나인 응력완화제를 더 포함할 수 있다. 상기 응력완화제는 이에 제한되지 않으며, 본 기술분야에서 알려져 있는 것을 적절하게 사용할 수 있다. 상기 응력완화제는 금속박의 응력을 저감시키므로써 모판으로부터 금속박이 용이하게 탈착되도록 한다. 이와 같은 효과를 얻기 위해 상기 응력완화제는 전해액 1L당 0.05~4g 포함되는 것이 바람직하다.
The electrolyte may further include a stress relieving agent which is any one of a surfactant such as sodium dodecyl sulfate and sodium lauryl sulfate, saccharin and mixtures thereof. The stress relaxation agent is not limited thereto, and those known in the art may be appropriately used. The stress relieving agent reduces the stress of the metal foil so that the metal foil can be easily detached from the mother plate. In order to obtain such an effect, the stress relaxation agent is preferably contained in an amount of 0.05 to 4 g per 1 L of the electrolyte.
상기 전해액은 상기 pH 완충제 및 응력완충제 중 최소 어느 하나를 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 전해액의 온도는 50~60℃로 관리하는 것이 바람직하다.
Preferably, the electrolyte solution further includes at least one of the pH buffer and the stress buffer. Moreover, it is preferable to manage the temperature of electrolyte solution at 50-60 degreeC.
상기 연료전지용 연료극 금속지지체 제조방법은 상기 전착층을 모판(1)으로부터 박리하여 금속박(74)을 얻는 단계를 포함한다. 모판(1)으로부터 전착층을 분리하는 데에는 모판(1)과 전착층과의 전단응력의 차이를 이용하여 분리할 수 있다. 모판(1) 상에 전착되어 형성된 전착층은 산화 피막을 가지는 모판에 대하여 표면 장력으로 결합되어 있기 때문에, 이에 의해 용이하게 분리할 수 있다. 이와 같은 전단응력 차이에 의한 전착층의 분리는 복수의 롤러를 통과시킴으로써 수행할 수 있다. 나아가, 금속박(74)의 이동 속도와 모판(1)의 이동속도 차이를 발생시켜 전단력을 생성하여 분리할 수 있다. 한편 모판(1)의 양면에 대하여 전착을 행한 경우에는 상부와 하부의 금속박(74)을 동시에 분리할 수도 있으며, 또는 시간차를 주어 분리할 수도 있다.
The method of manufacturing a fuel cell metal support for a fuel cell includes a step of peeling the electrodeposition layer from the
이와 같이 하여 얻어진 금속박(74)은 권취하여 얻을 수 있는데, 권취량에 따라 적절히 절단할 수 있다. 나아가, 상기 전착층이 분리된 모판(1) 또한 권취하여, 모판(1)으로서 재사용될 수 있다. 다만, 분리된 모판(1)에는 전착과정에서의 전해액이나 기타 불순물이 존재할 수 있는바, 세척 후 건조하여 모판(1)의 표면이 청정한 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 나아가, 모판(1)의 연속적 공급을 위해 모판(1)을 접합한 경우에는 모판(1)의 권취량에 따라 적절한 길이로 절단할 수 있으며, 이때, 접합부위를 기준으로 절단하는 것이 바람직하다.
Although the
본 발명의 또 다른 구현예로서, 상기의 방법으로 제조된 연료전지용 연료극 금속지지체로서, 두께가 30~200㎛인 연료전지용 연료극 금속지지체가 제공된다.
As another embodiment of the present invention, a fuel cell anode metal support for a fuel cell manufactured by the above method is provided with a fuel cell anode metal support having a thickness of 30 ~ 200㎛.
상기 연료극 금속지지체는 두께가 30~200㎛인 것이 바람직한데, 30㎛미만인 경우 금속지지체가 충분한 구조적 안정성을 확보할 수 없고, 공정상 핸들링이 어려울 수 있으며, 스택 구성에 있어서 공차의 발생을 흡수하기 어려운 점이 있다. 200㎛를 초과하는 경우에는 압연 후 가공하여 금속지지체를 제조하는 기술에 대비하였을 때 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
Preferably, the anode metal support has a thickness of 30 to 200 μm. When the anode metal support is less than 30 μm, the metal support may not secure sufficient structural stability, may be difficult to handle in the process, and absorb the occurrence of tolerances in the stack configuration. There is a difficulty. If it exceeds 200㎛ has a disadvantage in that the productivity is lowered when compared to the technology for manufacturing the metal support by rolling after processing.
상기 연료극 금속지지체는 Ni 또는 Fe-Ni합금 조성으로서, 상기 Fe-Ni합금 조성인 경우에는 Ni 함량이 40~90중량%인 것이 바람직하다. 상기 Ni함량의 제어를 통해 열팽창계수를 최적화시킬 수 있으며, 특별히 한정하지 않으나 열팽창계수는 5~15X10-6/K인 것이 바람직하다. 금속지지체는 셀 구성요소들의 열팽창계수와 유사한 수준으로 제어되어야 하는데, 이는 온도의 상승 혹은 저하에 따라, 금속지지체 혹은 그 위에 적층되는 물질들에 가해지는 응력의 차이에 따라, 상기 금속지지체나 다른 물질들의 균열 혹은 파단이 발생할 수 있기 때문이다. Ni 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우, 열팽창계수의 차이가 커지게 되어, 열응력 발생으로 인한 셀 전극의 특성 저하가 발생할 수 있다.
The anode metal support is Ni or Fe-Ni alloy composition, when the Fe-Ni alloy composition, the Ni content is preferably 40 to 90% by weight. The thermal expansion coefficient may be optimized by controlling the Ni content, and the thermal expansion coefficient is not particularly limited, but the thermal expansion coefficient is preferably 5 to 15 × 10 −6 / K. The metal support should be controlled to a level similar to the coefficient of thermal expansion of the cell components, which is dependent on the difference in stress applied to the metal support or the materials deposited thereon as the temperature rises or falls. This may be due to cracks or fractures. When the Ni content is out of the above range, the difference in thermal expansion coefficient becomes large, which may cause deterioration of characteristics of the cell electrode due to thermal stress.
상기 금속지지체는 평균직경이 5~50㎛인 기공을 가질 수 있는데, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 양극 및 전해질을 금속지지체 상에 올리는 과정에서 무너져내려 셀을 제조하는데 어려움이 있다. 집전체와 접촉되는 하층부는 50㎛ 이상도 가능하다. 또한, 기공의 크기 및 분포는 균일하게 제어되어야 하는데, 그렇지 못할 경우 발전효율이 떨어지며 안정적인 전력 확보가 어렵다.
The metal support may have pores having an average diameter of 5 to 50 μm. When the metal support is out of the above range, it is difficult to manufacture a cell by collapsing in the process of raising the positive electrode and the electrolyte on the metal support. The lower layer portion in contact with the current collector may be 50 µm or more. In addition, the pore size and distribution should be uniformly controlled, otherwise the power generation efficiency is lowered and it is difficult to secure stable power.
상기 금속지지체는 개구율이 10~90%가 되도록 형성함이 바람직하다. 개구율이 10% 미만인 경우, 연료전지에 요구되는 발전 효율을 얻을 수 없으며, 90%를 초과하는 경우 금속지지체의 강도가 떨어지는 문제가 있다.
The metal support is preferably formed so that the opening ratio is 10 to 90%. If the opening ratio is less than 10%, power generation efficiency required for the fuel cell may not be obtained, and if the opening ratio is higher than 90%, the strength of the metal support may be inferior.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of specific examples. The following examples are provided to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
[실시예]
[Example]
물 1L당 염화니켈 50g, 염화철 12g, 붕산 20g 및 사카린 0.4g을 첨가하여 본 발명의 전해액을 제조하였다. 상기 전해액을 pH 2.0, 온도 55℃에서 전기주조를 실시하였다.
50 g of nickel chloride, 12 g of iron chloride, 20 g of boric acid and 0.4 g of saccharine were added per liter of water to prepare an electrolytic solution of the present invention. The electrolytic solution was electroformed at pH 2.0 and 55 ° C.
모판으로는 스테인리스 미러강판을 사용하였으며, 두께방향으로 레이져드릴링을 통해 홀가공을 하고, 에폭시 수지를 음각충진하여 홀패턴을 형성하였다. 상기 형성된 홀 패턴은 기공의 평균직경이 30㎛였으며, 기공의 분포밀도는 1%였다.
A stainless steel mirror steel sheet was used as the mother plate, and the hole was processed by laser drilling in the thickness direction, and the hole pattern was formed by engraved epoxy resin. The formed hole pattern had an average diameter of pores of 30 μm and a pore distribution density of 1%.
도 1의 수평형 전기주조장치에 상기 모판을 투입하고 전류밀도 5 A/d㎡로 전기주조하여 상기 모판의 양면에 Fe-Ni 전착층을 형성하였다. 상기 형성된 Fe-Ni 전착층을 분리하여 두께 50㎛의 Fe-Ni 금속박을 얻었다.
The mother plate was placed in the horizontal electroforming apparatus of FIG. 1 and electroformed at a current density of 5 A /
상기 제조된 금속박 표면을 80배율, 1500배율로 SEM 사진을 촬영하여 각각 도 2 및 도 3에 나타내었다.
SEM photographs were taken of the prepared metal foil surface at 80 times and 1500 times, respectively, and are shown in FIGS. 2 and 3, respectively.
기공의 균일한 크기 및 분포의 조절과 관련하여 상기 도 2 및 도 3으로부터, 본 발명을 사용하여 제조한 금속지지체는 균일하고 고른 기공을 가짐을 육안으로 확인할 수 있다.
With reference to the control of the uniform size and distribution of pores from the above Figures 2 and 3, it can be seen visually that the metal support produced using the present invention has uniform and even pores.
이로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 고체산화물 연료전지 금속지지체 제조방법을 사용하여, 균일한 크기 및 분포의 기공을 가지며, 강도 및 충격특성이 우수한 금속지지체를 제조할 수 있다.As can be seen from this, using the solid oxide fuel cell metal support manufacturing method of the present invention, it is possible to produce a metal support having a uniform size and distribution of pores, and excellent strength and impact characteristics.
1: 모판
2: 접합장치
3: 가공장치
4: 전 세척장치
5: 후 세척장치
6: 권취장치
51: 전류공급장치(정류기)
52: 컨덕트 롤
53: 양극
54: 전해액 공급 노즐
55: 전해액 펌프
56: 전해액 여과기
57: 전해액 저장조
58: 전해액 가열기
71: 금속박 분리 장치
72: 금속박 절단 장치
73: 모판 절단 장치
74: 금속박1: bed
2: splicer
3: processing equipment
4: pre-washing device
5: after washing device
6: winding device
51: current supply device (rectifier)
52: conductor roll
53: anode
54: electrolyte supply nozzle
55: electrolyte pump
56: electrolyte filter
57: electrolyte reservoir
58: electrolyte burner
71: metal foil separator
72: metal foil cutting device
73: bed cutting device
74: Metal foil
Claims (18)
상기 모판의 일면 또는 양면에 이격되어 설치된 양극과 상기 모판의 작용에 의해 상기 전해액의 금속 이온이 상기 모판의 일면 또는 양면에 전해 석출되어 상기 모판 상에 전착층이 형성되는 전착단계 및
상기 전착층을 상기 모판으로부터 박리하여 금속박을 얻는 박리단계를 포함하며, 상기 금속박은 다공성 구조인 연료전지용 연료극 금속지지체 제조방법.Horizontally supplying a flexible and conductive mother plate in one direction to the electrolyte solution including the metal ions as a cathode;
An electrodeposition step in which metal ions of the electrolyte are electrolytically deposited on one or both surfaces of the mother plate by the action of the anode and the mother plate spaced apart from one or both sides of the mother plate to form an electrodeposition layer on the mother plate;
And a peeling step of peeling the electrodeposited layer from the mother plate to obtain a metal foil, wherein the metal foil has a porous structure.
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---|---|---|---|
KR1020120086471A KR20140020065A (en) | 2012-08-07 | 2012-08-07 | Solid oxide fuel cell anode metal support and method for manufacturing the same |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102018216101A1 (en) * | 2018-09-21 | 2020-03-26 | Robert Bosch Gmbh | Method for producing a metal-based fuel cell and / or electrolyzer unit |
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2012
- 2012-08-07 KR KR1020120086471A patent/KR20140020065A/en not_active Application Discontinuation
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