KR20170004194A - 고체산화물 연료전지 및 이를 포함하는 연료전지모듈 - Google Patents

고체산화물 연료전지 및 이를 포함하는 연료전지모듈 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 고체산화물 연료전지 및 이를 포함하는 연료전지모듈에 관한 것이다.

Description

고체산화물 연료전지 및 이를 포함하는 연료전지모듈{SOLID OXIDE FUEL CELL AND FUEL CELL MODULE COMPRISING THE SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 명세서는 고체산화물 연료전지 및 이를 포함하는 연료전지모듈에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.
이들 중 고체산화물형 연료전지는 높은 에너지 변환 효율을 가지고 있어 상기 고체산화물형 연료전지에 대한 관심이 높다.
상기 고체산화물형 연료전지는 전해질막(Electrolyte)과 이 전해질막의 양면에 형성되는 연료극(Anode) 및 공기극(Cathode)로 구성된다. 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 공기극에서 공기가 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질막을 통해 연료극으로 전달된다. 연료극에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료가 주입되고 연료가 산소이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고 물을 생성한다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
대한민국 특허공개 제 2003-0045324 호 (2003.06.11 공개)
본 명세서는 고체산화물 연료전지 및 이를 포함하는 연료전지모듈을 제공하고자 한다.
본 명세서는 연료극, 공기극 및 상기 연료극과 공기극 사이에 구비된 전해질막을 포함하는 고체산화물 연료전지에 있어서, 상기 연료극으로 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 전해질막의 두께가 점차적으로 얇아지는 경사구조를 가지며, 상기 전해질막은 세리아(Ceria)계 전해질을 포함하는 것인 고체산화물 연료전지를 제공한다.
또한, 본 명세서는 상기 고체산화물 연료전지를 단위 전지로 포함하는 것인 연료전지모듈을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지는 열응력(thermal stress)이 높은 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지는 내구성이 좋은 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지는 에너지 변환 효율이 높은 장점이 있다.
도 1은 고체산화물 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 명세서의 제1 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
도 3은 본 명세서의 제2 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
도 4는 본 명세서의 제3 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
도 5는 본 명세서의 제4 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
도 6는 본 명세서의 제5 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
도 7는 본 명세서의 제6 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지의 단면도이다.
도 8은 실시예 1의 SEM 이미지 및 IV curve이다.
도 9는 실시예 2의 SEM 이미지 및 IV curve이다.
도 10은 실시예 3의 SEM 이미지 및 IV curve이다.
도 11은 실시예 1 내지 3의 일정 전류에서 GDC 전해질막의 두께에 따른 성능그래프이다.
도 12는 비교예 1 내지 3의 일정 전류에서 YSZ 전해질막의 두께에 따른 성능그래프이다.
도 13은 비교예 1의 SEM 이미지이다.
도 14는 비교예 2의 SEM 이미지이다.
도 15는 비교예 3의 SEM 이미지이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서는 연료극, 공기극 및 상기 연료극과 공기극 사이에 구비된 전해질막을 포함하는 고체산화물 연료전지에 있어서, 상기 연료극으로 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 전해질막의 두께가 점차적으로 얇아지는 경사구조를 가지며, 상기 전해질막은 세리아(Ceria)계 전해질을 포함하는 것인 고체산화물 연료전지를 제공한다.
연료극과 공기극 사이에 구비되는 본 명세서의 전해질막은 상기 연료극으로 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 공기극과 접하는 전해질막의 두께가 점차적으로 얇아지는 경사구조를 가질 수 있다. 전지셀 면적이 100cm2 이상 커지거나 전지셀이 적층되어 스택구조를 가지게 되면 내부의 온도차이가 0℃ 내지 150℃까지 차이가 있는 온도구배가 나타날 수 있다. 이러한 온도구배는 연료 입구측이 출구측에 비해 높다. 이에, 본 발명의 경사구조를 갖는 경우에 온도 변화에 따른 영향이 높은 성능을 얻을 수 있는 장점이 있다.
상기 전해질막은, 상기 연료극으로 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 전해질막의 두께가 일정한 기울기를 가지고 얇아지는 경사구조를 가질 수 있다.
예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(300)은 상기 연료극으로 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 전해질막(300)의 두께가 일정한 기울기를 가지고 얇아지는 경사구조를 가질 수 있다.
상기 전해질막은, 상기 연료극으로 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 전해질막의 두께가 계단식으로 또는 단계적으로 얇아지는 경사구조를 가질 수 있다.
예를 들면, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(300)은 상기 연료극으로 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 전해질막(300)의 두께가 계단식으로 또는 단계적으로 얇야지는 경사구조를 가질 수 있다.
상기 전해질막은, 상기 연료극으로 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 전해질막의 두께가 점차적으로 얇아질 때, 전해질막의 공기극과 접하는 면의 기울기가 점점 작아지는 경사구조를 가질 수 있다. 다시 말하면, 상기 공기극과 전해질막의 경계에서, 상기 경사구조는 전해질막의 내측을 향해 함몰된 만곡면을 가질 수 있다.
예를 들면, 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(300)은, 상기 연료극으로 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 전해질막의 두께가 점차적으로 얇아질 때, 전해질막의 공기극과 접하는 면의 기울기가 점점 작아지는 경사구조를 가질 수 있다. 상기 공기극과 전해질막의 경계에서, 전해질막의 기울기는 상기 공기극과 전해질막의 경계면 상의 한 점에서의 접선 기울기이며, 기울기가 점점 작아지는 것은 상기 공기극과 전해질막의 경계면 상의 한 점에서의 접선 기울기가 작아지는 것을 의미하며, 공기극과 전해질막의 경계면 상의 한 점의 접선과 지면과 이루는 각이 점점 작아지는 것을 의미한다.
상기 공기극과 전해질막의 경계에서, 상기 전해질막의 경사구조는 전해질막의 내측을 향해 함몰된 만곡면을 가지는 것이 바람직하다. 이 경우 온도 변화에 따른 최적의 두께 변화를 갖게 되어 성능의 최적점을 만족할 수 있는 장점이 있다.
상기 전해질막의 두께는 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점에서 연료극과 전해질막의 경계면까지의 거리를 의미한다. 구체적으로, 도 2 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 전해질막의 두께(d3)는 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점으로부터 연료극과 전해질막의 경계면까지 고체산화물 연료전지의 두께방향과 평행하게 또는 지면과 수직으로 내린 선의 길이를 의미한다.
상기 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점에서 상기 전해질막의 두께는 온도에 따라 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
두께(d)= 0.0004X2-0.38X+101
여기서, 두께(d)는 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점에서 연료극과 전해질막의 경계면까지의 거리이며, X는 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점에서의 온도이다.
상기 식 1의 X는 550℃ 이상 650℃ 이하일 수 있다.
상기 전해질막의 두께는 5㎛ 이상 45㎛ 이하의 범위에서 경사구조를 가질 수 있으며, 5㎛ 미만인 경우 연료 또는 공기가 누출되어 성능 구현이 어렵고, 45㎛ 초과인 경우 저항손실이 매우 크게 나타난다. 상기 전해질막의 두께는 10㎛ 이상 30㎛ 이하의 범위에서 경사구조를 가지는 것이 바람직하다.
상기 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점에서 고체산화물 연료전지 구동 시 온도가 650℃인 경우 전해질막의 두께는 23㎛일 수 있다.
상기 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점에서 고체산화물 연료전지 구동 시 온도가 600℃인 경우 전해질막의 두께는 17㎛일 수 있다.
상기 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점에서 고체산화물 연료전지 구동 시 온도가 550℃인 경우 전해질막의 두께는 13㎛일 수 있다.
상기 전해질막의 최대 두께와 최소 두께의 차이는 1㎛ 이상 40㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 전해질의 저항손실을 줄이며 성능을 높일 수 있는 장점이 있다.
상기 전해질막의 최대 두께는 연료가 유입되는 유입구와 가장 가까운 전해질막의 두께이며, 상기 전해질막의 최소 두께는 연료가 배출되는 배출구와 가장 가까운 전해질막의 두께이다.
상기 세리아계 전해질은 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴 중 적어도 하나로 도핑된 세리아계 전해질일 수 있다. 구체적으로, 상기 세리아계 전해질은 GDC(Gadolinium - Doped Ceria), LDC(Lanthanum - Doped Ceria), SDC(Samaria - Doped Ceria) 및 YDC(Yittria -Doped ceria) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 세리아계 전해질은 가돌리늄 도프 세리아(Gadolinium doped Ceria, GDC)계 전해질일 수 있다.
상기 가돌리늄 도프 세리아계 전해질은 (Gd2O3)x(CeO2)1-x로 표시되는 전해질이며, 여기서 x는 0.02 내지 0.4일 수 있다. 구체적으로, 상기 가돌리늄 도프 세리아계 전해질은 x가 0.05인 것이 바람직하다.
상기 연료극은 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료가 주입되고 연료가 전해질막으로부터 전달된 산소이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고 물을 생성한다.
상기 연료극의 두께는 일정할 수 있다. 이 경우, 상기 연료극의 두께는 100㎛ 이상 1.5mm 이하일 수 있으며, 구체적으로 300㎛ 이상 1.2mm 이하일 수 있다.
연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 연료극의 두께가 점차적으로 두꺼워지는 경사구조를 가질 수 있다.
상기 연료극은, 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 연료극의 두께가 일정한 기울기를 가지고 두꺼워지는 경사구조를 가질 수 있다.
예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 연료극의 두께가 일정한 기울기를 가지고 두꺼워지는 경사구조를 가질 수 있다.
상기 연료극은, 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 연료극의 두께가 계단식으로 또는 단계적으로 두꺼워지는 경사구조를 가질 수 있다.
상기 연료극은, 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 연료극의 두께가 점차적으로 두꺼워질 때, 연료극의 전해질막과 접하는 면의 기울기가 점점 커지는 경사구조를 가질 수 있다. 다시 말하면, 상기 연료극과 전해질막의 경계에서, 상기 경사구조는 연료극의 내측을 향해 함몰된 만곡면을 가질 수 있다.
상기 연료극과 전해질막의 경계에서 연료극의 기울기가 점점 커지는 것은 상기 연료극과 전해질막의 경계면 상의 한 점에서의 접선 기울기가 커지는 것을 의미하며, 연료극과 전해질막의 경계면 상의 한 점의 접선과 지면과 이루는 각이 점점 커지는 것을 의미한다.
상기 연료극의 최대 두께와 최소 두께의 차이는 1㎛ 이상 40㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 전해질이 경사구조를 가져도 셀 전체는 평평하여 적층이 유리한 장점이 있다. 구체적으로, 상기 연료극의 최대 두께와 최소 두께의 차이는 10㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있다.
상기 연료극의 최소 두께는 연료가 유입되는 유입구와 가장 가까운 연료극의 두께이며, 상기 연료극의 최대 두께는 연료가 배출되는 배출구와 가장 가까운 연료극의 두께이다.
상기 공기극에서 산소가 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질막을 통해 연료극으로 전달된다.
도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 공기극은 두께가 일정할 수 있다.
상기 공기극의 두께는 5㎛ 이상 300㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 공기극의 두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있으며, 더 구체적으로, 상기 공기극의 두께는 10㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지는 상기 공기극과 전해질막 사이; 및 상기 연료극과 전해질막 사이 중 적어도 하나에 1 이상의 기능층을 더 포함할 수 있다.
상기 공기극, 연료극 및 기능층의 재질은 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에서 사용되는 재료에서 선택하여 사용할 수 있다.
고분자 전해질막을 사용하는 고분자 전해질형 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell:PEMFC)는 일반적으로 80℃ 내지 90℃에서 구동되며, 고온 PEMFC인 경우에도 120℃ 내외에서 구동된다. 구동되는 온도가 낮으므로, 연료 전지 내에서 연료의 유입측과 출구측의 온도 구배가 발생하더라도 그 차이가 적기 때문에 온도 구배에 따른 전지의 성능이 영향을 적게 받는다.
한편, 고체산화물 연료전지는 일반적으로 500℃ 이상의 온도에서 구동되며, 전해질막의 재질에 따라, 600℃, 650℃, 800℃, 1000℃ 등의 온도에서 구동된다. 상대적으로 구동온도가 높으므로, 연료 전지 내에서 연료의 유입측과 출구측의 온도 구배가 발생하는 경우, 그 차이가 크기 때문에 온도 구배에 따라 전지의 성능이 영향을 더 많이 받는다.
연료의 유입측의 전해질막의 두께를 두껍게 하고 연료의 출구측의 전해질막의 두께를 상대적으로 얇게 제조하여, 고체산화물 연료전지 내에서 연료의 유입측과 출구측의 온도 구배에 따른 영향을 줄일 수 있다.
그러나, 전해질막의 두께가 두꺼워지면 저항이 높아져 두께로 인해 연료 전지의 성능이 나빠질 수 있다.
고분자 전해질형 연료 전지에 사용되는 고분자 전해질이나 고체산화물 연료전지의 지르코니아계 고체산화물 전해질은 이온전도도는 높지만 전기전도도가 낮기 때문에 두께가 두꺼워질수록 전기적 저항이 커지므로 일반적으로 연료의 크로스오버를 막을 수 있는 최소한의 두께를 갖도록 제조된다.
이에 따라, 고분자 전해질형 연료 전지에 사용되는 고분자 전해질이나 고체산화물 연료전지의 지르코니아계 고체산화물 전해질은 온도 구배에 따라 전해질막의 두께를 변화시켜 온도에 따른 영향을 극복하기에 어려움이 있다.
한편, 본 명세서의 일 실시상태와 같이, 이온전도도와 전기전도도가 높은 세리아계 전해질을 사용하는 경우, 각 온도구간에서 전해질 두께에 따른 성능의 최적점이 나타나게 되고, 각 온도 구간에 따라 최적두께의 전해질막을 형성한다면 더 높은 성능 구현할 수 있다. 다시 말하면, 세리아계 전해질은 두께 구배를 통해 온도 구배를 극복할 수 있다. 구체적으로, 세리아계 전해질의 두께가 두꺼워지더라도 전기전도도가 높아 두께 증가에 따른 저항 증가율이 낮아 전해질막의 두께를 변화시켜 온도 변화를 극복할 수 있다.
본 명세서는 상기 고체산화물 연료전지를 단위 전지로 포함하는 것인 연료전지모듈을 제공한다.
상기 연료전지모듈은 상기 고체산화물 연료전지를 포함하는 단위 전지와 상기 단위 전지 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함할 수 있다.
상기 연료전지모듈은 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1]
두께가 약 12㎛인 GDC 전해질막을 갖는 고체전해질막 연료전지 제조
총 중량을 기준으로, 니켈 옥사이드 28wt%, GDC 18wt%, 카본 5wt%, 바인더 25wt%, 가소제 0.01wt%, 분산제 6wt% 및 용매로서 톨루엔 18wt%를 포함하는 슬러리를 이용하여 제조된 ASL(Anode Support Layer) 그린시트를 제조했다.
총 중량을 기준으로, 니켈 옥사이드 25wt%, GDC 25wt%, 바인더 21wt%, 가소제 0.01wt%, 분산제 7.5wt% 및 용매로서 톨루엔 21wt%를 포함하는 슬러리를 이용하여 제조된 AFL(Anode Functional Layer) 그린시트를 제조했다.
총 중량을 기준으로, GDC 50wt%, 바인더 12wt%, 가소제 0.01wt%, 분산제 10wt% 및 용매로서 톨루엔 28wt%를 포함하는 슬러리를 이용하여 제조된 전해질막(Electrolyte Layer, EL) 그린시트를 제조했다.
총 중량을 기준으로, 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF) 60wt%, 바인더 12wt%, 분산제 10wt%, 가소제 1wt% 및 용매로서 톨루엔 17wt%를 포함하는 슬러리를 이용하여 제조된 캐소드(공기극) 그린시트를 제조했다.
ASL 그린시트, AFL 그린시트, 1장의 전해질막 그린시트 및 캐소드 그린시트를 순차적으로 적층한 후 동시소성하여, 고체전해질막 연료전지의 단위셀을 제조했다.
단위셀에서, 소성된 ASL, AFL, 전해질막 및 캐소드의 두께는 하기 표 1과 같으며, 총 2회에 걸쳐 2개의 단위셀을 제조했다. 제조된 2개의 단위셀 중 전해질막의 두께의 평균은 12.35㎛이었다.
Figure pat00001
제조된 2개의 단위셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지와 iv curve를 도 8에 도시했다.
[실시예 2]
두께가 약 23㎛인 GDC 전해질막을 갖는 고체전해질막 연료전지 제조
실시예 1의 전해질막 그린시트를 2장 적층한 것을 제외하고, 실시예 1과 같이 고체전해질막 연료전지의 단위셀을 제조했다.
단위셀에서, 소성된 ASL, AFL, 전해질막 및 캐소드의 두께는 하기 표 2와 같으며, 총 2회에 걸쳐 2개의 단위셀을 제조했다. 제조된 2개의 단위셀 중 전해질막의 두께의 평균은 23.05㎛이었다.
Figure pat00002
제조된 2개의 단위셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지와 iv curve를 도 9에 도시했다.
[실시예 3]
두께가 약 34㎛인 GDC 전해질막을 갖는 고체전해질막 연료전지 제조
실시예 1의 전해질막 그린시트를 3장 적층한 것을 제외하고, 실시예 1과 같이 고체전해질막 연료전지의 단위셀을 제조했다.
단위셀에서, 소성된 ASL, AFL, 전해질막 및 캐소드의 두께는 하기 표 3과 같으며, 총 2회에 걸쳐 2개의 단위셀을 제조했다. 제조된 2개의 단위셀 중 전해질막의 두께의 평균은 34.05㎛이었다.
Figure pat00003
제조된 2개의 단위셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지와 iv curve를 도 10에 도시했다.
[비교예 1]
두께가 약 3㎛인 YSZ 전해질막을 갖는 고체전해질막 연료전지 제조
총 중량을 기준으로, 니켈 옥사이드 32wt%, 이트리아 안정화 산화 지르코늄 (YSZ) 17wt%, 카본 5wt%, 바인더 23wt%, 가소제 0.01wt%, 분산제 6wt% 및 용매로서 톨루엔 16t%를 포함하는 슬러리를 이용하여 제조된 ASL 그린시트를 제조했다.
총 중량을 기준으로, 니켈 옥사이드 27wt%, YSZ 23wt%, 바인더 20wt%, 가소제 0.01 wt%, 분산제 7wt% 및 용매로서 톨루엔 21wt%를 포함하는 슬러리를 이용하여 제조된 AFL 그린시트를 제조했다.
총 중량을 기준으로, YSZ 50wt%, 바인더 13.3wt%, 가소제 0.01 wt%, 분산제 8wt% 및 용매로서 톨루엔 27wt%를 포함하는 슬러리를 이용하여 제조된 전해질막 그린시트를 제조했다.
총 중량을 기준으로, 란탄 스트론튬 망간 산화물(LSM) 60wt%와 바인더 솔루션 40wt%를 포함하는 슬러리를 이용하여 제조된 캐소드(공기극) 그린시트를 제조했다.
ASL 그린시트, AFL 그린시트, 1장의 전해질막 그린시트 및 캐소드 그린시트를 순차적으로 적층한 후 동시소성하여, 고체전해질막 연료전지의 단위셀을 제조했다.
단위셀에서, 소성된 AFL, 전해질막 및 캐소드의 두께는 하기 표 4과 같으며, 제조된 단위셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도 13에 도시했다.
Figure pat00004
[비교예 2]
두께가 약 5㎛인 YSZ 전해질막을 갖는 고체전해질막 연료전지 제조
비교예 1의 전해질막 그린시트를 2장 적층한 것을 제외하고, 비교예 1과 같이 고체전해질막 연료전지의 단위셀을 제조했다.
단위셀에서, 소성된 AFL, 전해질막 및 캐소드의 두께는 하기 표 5와 같으며, 제조된 단위셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도 14에 도시했다.
Figure pat00005
[비교예 3]
두께가 약 7㎛인 YSZ 전해질막을 갖는 고체전해질막 연료전지 제조
비교예 1의 전해질막 그린시트를 3장 적층한 것을 제외하고, 비교예 1과 같이 고체전해질막 연료전지의 단위셀을 제조했다.
단위셀에서, 소성된 AFL, 전해질막 및 캐소드의 두께는 하기 표 6과 같으며, 제조된 단위셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도 15에 도시했다.
Figure pat00006
[실험예 1]
일정 전류에서의 성능
실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3을 전해질막의 두께에 대한 0A, 0.5A, 2.0A에서 각각의 전지의 성능을 측정했다.
실시예 1 내지 3의 결과는 도 11에 도시했으며, 비교예 1 내지 3의 결과는 도 12에 도시했다.
상기 도 11을 통해, 세리아 전해질을 사용한 경우 OCV가 이론값보다 낮은 것을 알 수 있고 전류밀도가 2A/cm2에서 전해질 두께에 따른 최적점을 가질 수 있음을 알 수 있다.
상기 도 12를 통해, YSZ 전해질을 사용한 경우 OCV가 이론값과 비슷한 수치를 가짐을 알 수 있고 전류밀도가 2A/cm2인 경우에서 전해질 두께에 따라 성능이 감소함을 알 수 있다.
100: 연료극
200: 공기극
300: 전해질막

Claims (10)

  1. 연료극, 공기극 및 상기 연료극과 공기극 사이에 구비된 전해질막을 포함하는 고체산화물 연료전지에 있어서,
    상기 연료극으로 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 전해질막의 두께가 점차적으로 얇아지는 경사구조를 가지며,
    상기 전해질막은 세리아(Ceria)계 전해질을 포함하는 것인 고체산화물 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 세리아계 전해질은 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴 중 적어도 하나로 도핑된 세리아계 전해질인 것인 고체산화물 연료전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 세리아계 전해질은 가돌리늄 도프 세리아(Gadolinium doped Ceria, GDC)계 전해질인 것인 고체산화물 연료전지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 공기극과 전해질막의 경계에서, 상기 경사구조는 전해질막의 내측을 향해 함몰된 만곡면을 갖는 것인 고체산화물 연료전지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점에서 상기 전해질막의 두께는 온도에 따라 하기 식 1을 만족하는 것인 고체산화물 연료전지:
    [식 1]
    두께(d)= 0.0004X2-0.38X+101
    여기서, 두께(d)는 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점에서 연료극과 전해질막의 경계면까지의 거리이며,
    X는 공기극과 전해질막의 경계면의 한 점에서의 온도이다.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 식 1의 X는 550℃ 이상 650℃ 이하인 것인 고체산화물 연료전지.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 전해질막의 최대 두께와 최소 두께의 차이는 1㎛ 이상 40㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료전지.
  8. 청구항 1에 있어서, 연료가 유입되는 상기 연료극의 일측으로부터 연료가 배출되는 상기 연료극의 타측까지의 방향으로, 상기 연료극의 두께가 점차적으로 두꺼워지는 경사구조를 가지는 것인 고체산화물 연료전지.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 연료극의 최대 두께와 최소 두께의 차이는 1㎛ 이상 40㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료전지.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 따른 고체산화물 연료전지를 단위 전지로 포함하는 것인 연료전지모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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