KR20150075442A - 고체산화물 연료전지용 금속 집전체 및 그를 포함하는 고체산화물 연료전지 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 금속 집전체 및 그를 포함하는 고체산화물 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 집전체 및 그를 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 금속 메시; 및 상기 금속 메시의 양면에 형성된 금속 폼을 포함하는 고체산화물 연료전지용 금속 집전체를 제공한다.

Description

고체산화물 연료전지용 금속 집전체 및 그를 포함하는 고체산화물 연료전지 {METALLIC CURRENT COLLECTOR FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND SOLID OXIDE FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 집전체 및 그를 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의되며, 산화물 전해질을 통해 공기(예를 들어, 산소)와 기상 연료(예를 들어, 수소)를 전기화학적으로 반응시킴으로써, 직류 전기를 생산하는 에너지 전환 장치로써, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다.
연료전지의 종류로는 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), 고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells, DEMFC) 등이 있다.
그 중, 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; SOFC)은 연료극, 공기극 및 전해질로 이루어진 단위전지를 포함하며, 1개의 단위전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 활용하기 위해서는 단위전지를 여러 개 쌓아 놓은 형태인 스택 구조의 형성이 불가피하다. 스택 구조를 이루는 각각의 단위전지를 연결할 때, 연료극과 공기극을 전기적으로 연결하면서 연료 또는 공기가 흐르는 유로를 제공하기 위하여 각각의 단위전지 사이에 분리판을 설치하게 된다.
한편, 연료극, 공기극 및 전해질 모두 세라믹 물질로 이루어지고, 이들을 적층시킨 후 고온에서 소성시켜 한 장의 셀(cell)로 제조하게 되므로, 셀의 표면이 평탄하지 못하고 필연적으로 일정 수준의 표면조도를 갖게 되며, 분리판을 형성함에 있어서 연료극 또는 공기극이 평탄하지 못함에 따라 분리판 유로 간의 높이 공차가 필연적으로 발생한다. 따라서, 일반적으로 연료극과 분리판, 공기극과 분리판 사이에 집전체(current collector)를 더 구비하여, 각 전극과 분리판이 전기적으로 보다 균일하게 접촉할 수 있도록 돕는다.
이와 관련하여, 특허문헌 1에서는 집전체로서 금속 메시(mesh)를 이용하고 있으며, 도 1(a)에 금속 메시를 이용한 집전체와 이를 포함한 고체산화물 연료전지의 개략도를 나타내었다. 그러나, 집전체로서 금속 메시를 이용할 경우, 각 전극과 집전체 간의 접촉면적이 710% 이하로 매우 작아 연료전지의 성능 지표에 영향을 주는 접촉비저항(Area Specific Resistance, ASR)이 증가하며, 결과적으로 연료전지의 성능이 감소하게 되는 문제점이 있다.
한편, 집전체로서 다공성의 금속 물질로 이루어진 금속 폼(form)이 사용되기도 하며, 도 1(b)에 금속 폼을 이용한 집전체와 이를 포함한 고체산화물 연료전지의 개략도를 나타내었다. 그러나, 집전체로서 금속 폼을 이용할 경우, 고온의 SOFC 작동환경에서 금속 폼을 구성하는 다공성의 금속 물질이 급격히 산화되어 산화물로 변형되기 때문에 그 형태에 변형이 일어나 기계적 강도를 잃어버릴 뿐만 아니라, 분리판의 공차나 각 전극의 표면조도를 흡수할 수 없어 집전 성능이 떨어지게 된다는 문제점이 있다. 이와 관련하여, 특허문헌 2에서는 공기극 집전체로서 금속 산화물 폼(foam)을 이용하고 있으나, 이는 초기 장착상태부터 모두 산화물 형태로 이루어진 폼(foam) 이기 때문에 신축성이 없으며, 분리판의 공차나 셀(cell)의 표면조도를 흡수할 수 있는 능력이 거의 없으며, 그 조성도 페로브스카이트(perovskite) 구조로만 한정되는 한계가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2011-0062360호 한국 등록특허공보 제10-0797048호
본 발명의 일 측면은, 전극 및 분리판과의 접촉 면적이 넓어 집전기능이 우수하고 공차 흡수력을 가지면서, 내구성이 우수한 고체산화물 연료전지용 금속 집전체 및 그를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 금속 메시; 및 상기 금속 메시의 양면에 형성된 금속 폼을 포함하는 고체산화물 연료전지용 금속 집전체를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상기 고체산화물 연료전지용 금속 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
덧붙여, 상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점 및 효과는 하기의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 집전기능이 우수하고 공차 흡수력을 가지면서도 내구성이 우수한 고체산화물 연료전지용 집전체를 제공할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 집전체와 이를 포함한 고체산화물 연료전지의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 금속 집전체의 단면도이다.
본 발명자들은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자, 고온의 SOFC 작동환경에서도 변형이 일어나지 않아 집전체의 기계적 강도를 확보할 수 있도록 하는 금속 메시를 중앙부에 위치시키고, 상기 금속 메시의 양면에 집전기능이 우수하고 공차 흡수력을 가지는 금속 폼을 형성시킴으로써 집전 성능 및 내구성이 모두 우수한 집전체를 얻을 수 있다는 점을 인지하고 본 발명을 제안하게 되었다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 집전체에 대하여 구체적으로 설명한다.
그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체의 단면도이다. 이하, 도 2를 참조하여, 본 발명 고체산화물 연료전지용 분리판의 일 실시예에 대하여 설명한다. 다만, 도 2는 본 발명의 일례를 나타낸 것으로서, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면인 고체산화물 연료전지용 집전체는, 금속 메시; 및 상기 금속 메시의 양면에 형성된 금속 폼을 포함한다.
상기 금속 메시는 상기 고체산화물 연료전지용 집전체의 기계적 강도 확보를 위한 것으로, 상기 금속 메시에 접하고 있는 금속 폼이 고체산화물 연료전지의 작동 환경인 700℃ 이상의 고온 하에서 산화된다고 하더라도 연료전지의 내구성 및 연료전지 스택의 치수 안정성을 확보할 수 있다.
상기 금속 메시는 금속 와이어가 서로 교차하며 형성되며, 종선 및 횡선이 상하 1:1 수직으로 교차하여 정방형의 망목(opening)을 형성하는 평직(plain weave) 패턴으로 형성되거나, 종선 및 횡선이 매 2가닥씩 수직 교차하여 망목을 형성하는 능직(twilled weave) 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 금속 메시에 있어서, 상기 금속 와이어의 선경과 패턴은 고온에서 장기간의 내산화성 및 기계적 강도를 유지하기 위하여 선경(Ø)은 0.1~0.2mm인 것이 바람직하며, 간격을 나타내는 패턴은 #50 이하인 것이 바람직하다.
상기 금속 메시의 재질은 특별히 한정하지 않으나, Fe-Cr 합금, Ni 합금, Co 합금 메시를 사용할 수 있다. 다만, Cr을 5중량% 이상 함유하는 Fe-Cr 합금 메시를 사용할 경우, 고체산화물 작동 환경에서 휘발성의 Cr 화합물이 형성되어 셀의 성능을 저하시키기 때문에 보호코팅층을 형성시킨 후 사용하는 것이 바람직하다. 반면, Cr 성분이 5중량% 미만인 Fe-Cr 합금, Ni 합금, Co 합금 메시를 사용할 경우 별도의 보호코팅층을 형성함 없이 그대로 사용할 수 있다.
상기 금속 폼은 기계적 공차를 흡수하기 위한 것으로, 일반적으로 고체산화물 연료전지에 사용되는 전극과 분리판의 경우 필연적으로 일정한 정도의 공차가 존재하며, 금속 폼은 이러한 기계적 공차 흡수에 매우 유리하다.
한편, 700℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체산화물 연료전지의 작동환경에서 상기 금속 폼은 산화물 형태로 바뀌어 형태의 변형을 가져올 수 있으며, 또한 고체산화물 연료전지의 작동 과정에서 다양한 원인에 의해 응력이 발생하기 때문에 응력 불균형에 의해 전극과 분리판 사이의 접촉에 문제가 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명에 의한 집전체의 경우, 금속 폼과 금속 폼 사이에 금속 메시가 위치하기 때문에 금속 폼 형태의 변형 등이 발생하더라도 기계적 강도 및 전극과 분리판 사이의 간격 유지가 보장되게 된다.
상기 금속 폼의 재질은 특별히 한정하지 않으나, 고온 산화시, 전기전도성이 우수한 스피넬 구조의 화합물을 형성하는 재질의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, Fe-Cr-Mn 합금 폼, Ni 합금 폼, Co 합금 폼을 사용할 수 있다. 상기 합금 폼의 경우, 합금 첨가량을 적절히 조절하면, 고온 산화시 그 표면에 (Mn,Cr)3O4, (Ni,Cr)3O4, (Ni,Co)3O4, (Co,Cr)3O4 또는 (Co,Ni)3O4 형태의 스피넬 구조 산화물이 형성되게 된다. 따라서, 금속 메시에 접하고 있는 금속 폼이 고체산화물 연료전지의 작동 환경인 700℃ 이상의 고온 하에서 산화된다고 하더라도 우수한 전기전도성을 확보할 수 있다.
한편, 상기 금속 폼을 상기 금속 메시에 형성하는 방법은 특별히 한정하지 않으며, 단순히 물리적으로 접촉시켜 사용할 수도 있으나, 집전기능 향상을 위하여 브레이징 접합, 확산용접 등에 의해 접합하여 사용함이 바람직하다. 금속 폼과 금속 메시를 접합하여 사용할 경우, 접촉저항이 증가할 뿐만 아니라, 화학적으로 반응하여 계면에 견고한 층을 형성하기 때문이다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상기 고체산화물 연료전지용 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
2: 연료극
4: 전해질
6: 공기극
10: 분리판
20a: 금속 메시
20b: 금속 폼

Claims (6)

  1. 금속 메시; 및
    상기 금속 메시의 양면에 형성된 금속 폼을 포함하는 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 메시는 평직 또는 능직 패턴으로 형성된 금속 와이어이며, 상기 금속 와이어의 선경(Ø)은 0.1~0.2mm이며, 간격을 나타내는 패턴은 #50 이하인 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 메시의 재질은 Fe-Cr 합금, Ni 합금 및 Co 합금 중 어느 하나이며, 상기 금속 폼의 재질은 Fe-Cr-Mn 합금, Ni 합금 및 Co 합금 중 어느 하나인 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 폼은 고온 산화 후, 그 표면에 (Mn,Cr)3O4, (Ni,Cr)3O4, (Ni,Co)3O4, (Co,Cr)3O4 또는 (Co,Ni)3O4 형태의 스피넬 구조 산화물층이 형성되는 것인 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 메시와 금속 폼은 브레이징 접합 또는 확산용접에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
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WO2024044328A3 (en) * 2022-08-25 2024-04-18 ExxonMobil Technology and Engineering Company Cathode screen support for molten carbonate fuel cell

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