KR20180010355A - 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이의 제조방법 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20180010355A
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송락현
이승복
임탁형
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박범경
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Abstract

본 발명은 다공성 전이금속 구조체상에 페로브스카이트 세라믹층이 코팅된 공기극 집전체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공성 전이금속 구조체상에 전기도금 및 열처리 공정을 이용한 페로브스카이트 세라믹을 코팅시킨 공기극 집전체는 기존의 세라믹 소재로 코팅시킨 집전체에 비해 제조 공정이 단순하고, 제조된 코팅층의 치밀도가 높아 공기극 집전체의 산화 반응을 억제하는 효과가 우수하고, 높은 전기전도도의 우수한 특성을 유지한다.

Description

고체산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이의 제조방법{Current Collector For Solid Oxide Fuel Cell, And Method Of Manufacturing The Same}
본 발명은 공기극 집전체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기도금 및 열처리 방법을 이용하여 다공성 전이금속 구조체상에 페로브스카이트 세라믹층이 코팅된 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)는 다양한 연료들의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치이다. 전해질로 고체산화물을 사용하며, 공기극에서 산소가 환원되면서 형성된 산소이온(O2 -)이 전해질을 통해 연료극으로 이동하고, 연료극에서 수소와 반응하여 물이 생성되면서 전기를 발생시킨다. 집전체는 전지로부터 발생된 전기를 수집하는 SOFC의 핵심 부품이다. 특히 공기극에 사용되는 집전체는 높은 전자전도성, 고온 산화 분위기에서의 화학적 안정성, 다른 소재와의 낮은 반응성 및 유사한 열팽창 계수 등의 요구 조건을 만족시켜야 한다.
일반적으로 공기극 집전체로는 메쉬(mesh), 펠트(felt), 폼(foam) 등 다공성 구조를 가지는 백금(Pt), 은(Ag) 등의 귀금속 소재가 선호되지만 가격이 높은 단점이 있다. 고가의 귀금속 소재를 대체하기 위해, 니켈(Ni)-크롬(Cr) 또는 철(Fe)-크롬(Cr) 합금 등 저가의 전이금속이 사용되어야 하나, 고온에서의 산화 반응으로 인하여 집전체의 전기적 성능 및 집전 효율이 저하되는 단점이 있다.
상기 문제점들을 극복하기 위한 실용적인 방안은 다공성 전이금속 소재에 전도성 세라믹을 코팅하는 것이다. 기존의 세라믹 소재가 코팅된 집전체는 슬러리 코팅법으로 제조되나, 제조공정이 복잡하고, 제조된 코팅층의 치밀도가 낮아 산화 반응을 억제하는 효과가 작고, 제조된 집전체의 전기전도도가 낮은 단점이 있다.
대한민국 등록특허 10-1462143
본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 고려하여, 다공성 전이금속 구조체상에 전기도금 및 열처리 공정을 이용하여 페로브스카이트 세라믹층을 코팅함으로써 종래의 기술과 달리 복잡한 형상을 가지는 대면적의 집전체에 균일한 코팅층을 치밀하게 제조할 수 있으며, 제조된 코팅층으로 인하여 금속 집전체의 산화 반응을 억제하고 높은 전기전도도의 우수한 특성을 유지하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
다공성 전이금속 구조체; 및
페로브스카이트(perovskite) 세라믹층;을 포함하고,
상기 페로브스카이트 세라믹층은 다공성 전이금속 구조체 상에 코팅된 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체를 제공한다.
또한, 본 발명은
다공성 전이금속 구조체 상에 페로브스카이트 세라믹을 전기도금에 의해 코팅시키는 제 1단계; 및
열처리하는 제 2단계;를 포함하는,
고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법을 제공한다.
아울러, 본 발명은
공기극, 연료극, 전해질 및 공기극 집전체를 포함하고,
상기 공기극 집전체는
다공성 전이금속 구조체; 및
페로브스카이트(perovskite) 세라믹층;을 포함하고,
상기 페로브스카이트 세라믹층은 다공성 전이금속 구조체 상에 코팅된 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지를 제공한다.
기존의 세라믹 코팅층 제조 방법들과 달리, 전기도금에 의한 제조 방법은 상온에서 간단한 실험 기구들로 제조할 수 있으며, 별도의 분말 제조 없이 한번의 공정으로 다공성 금속 집전체에 세라믹 코팅층을 제조할 수 있는 장점이 있다. 더불어 종래의 기술과 달리, 복잡한 형상을 가지는 대면적의 다공성 금속 집전체에 균일한 코팅층을 치밀하게 제조할 수 있다.
본 발명의 고체산화물 연료전지 집전체용 란탄 망간 산화물의 경우, 스테인리스강 집전체 상에서 높은 전기전도도를 보유하며, 외부로부터의 산소 유입을 억제하여 금속 집전체의 산화를 방지한다. 또한, 계면 결착력이 우수하여 장시간 및 열순환 성능 시험에서도 집전체 코팅층으로서 우수한 특성을 유지한다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5에서 제조된 집전체 코팅층의 결정구조를 파악하기 위한 X-선 회절 실험 결과를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 4, 6, 7 및 비교예 2에서 제조된 집전체의 표면 형상을 파악하기 위한 주사전자현미경 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 4, 비교예 1 및 2에서 제조된 집전체를 이용하여 측정된 SOFC 단전지의 장기 성능 측정 결과를 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 4, 비교예 1 및 2에서 제조된 집전체를 이용하여 측정된 SOFC 단전지의 10번의 열순환 후 셀의 성능 측정 결과를 나타낸 그림이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
본 발명은 다공성 전이금속 구조체상에 전기도금 및 열처리 공정을 이용하여 페로브스카이트 세라믹층을 코팅함으로써 금속 집전체의 산화 반응을 억제하고 높은 전기전도도의 우수한 특성을 유지하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 본 발명은
다공성 전이금속 구조체; 및
페로브스카이트(perovskite) 세라믹층;을 포함하고,
상기 페로브스카이트 세라믹층은 다공성 전이금속 구조체 상에 코팅된 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체를 제공한다.
상기 다공성 전이금속 구조체는 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 이들의 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
상기 다공성 전이금속 구조체는 메쉬(mesh), 펠트(felt) 및 폼(foam)으로 구성된 군으로부터 선택된 형상을 가지는 것이 바람직하다.
상기 페로브스카이트 세라믹층은 희토류 및 전이금속 원소를 포함하는 혼합 수산화물층인 것이 바람직하다.
상기 희토류 원소는 란탄(La), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 전이금속 원소는 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 페로브스카이트 세라믹층은 다공성 전이금속 구조체 상에 전기도금에 의해 코팅되는 되는 것이 바람직하다.
상기 전기도금으로 코팅할 경우, 상온에서 간단한 실험 기구들로 제조할 수 있으며 별도의 분말의 제조가 필요 없이 한번의 공정으로 코팅층을 제조할 수 있고, 대면적의 다공성 금속 집전체에 균일하고 치밀한 코팅층을 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은
다공성 전이금속 구조체 상에 페로브스카이트 세라믹을 전기도금에 의해 코팅시키는 제 1단계; 및
열처리하는 제 2단계;를 포함하는,
고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법을 제공한다.
상기 전기도금은
다공성 전이금속 구조체를 페로브스카이트 세라믹 용액에 담지하는 제 1단계; 및
작동 전극에 캐소딕 전류 밀도를 인가하는 제 2단계;로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 페로브스카이트 세라믹은 희토류 및 전이금속 원소를 포함하는 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 용액의 희토류 원소가 포함된 물질의 농도는 0.01 M 내지 0.5 M, 전이금속이 포함된 물질의 농도는 0.05 M 내지 0.5 M인 것이 바람직하며, 희토류 원소가 포함된 물질의 농도는 0.15 M 내지 0.25 M, 전이금속이 포함된 물질의 농도는 0.12 M 내지 0.14 M인 것이 더욱 바람직하다.
상기 희토류 원소의 농도가 상기 범위의 하한을 미달하는 경우 코팅층 내에 Mn3O4의 불순물이 함유될 문제가 있고, 상기 범위의 상한을 초과하는 경우 코팅층 내에 La2CrO6 및 La2O3 등의 불순물들이 함유될 문제가 발생하여 바람직하지 못하다.
상기 전이금속이 포함된 물질의 농도가 상기 범위의 하한을 미달하는 경우 코팅층 내에 La2CrO6 및 La2O3 등의 불순물들이 함유될 문제가 있고, 상기 범위의 상한을 초과하는 경우 코팅층 내에 Mn3O4의 불순물이 함유될 문제가 있어서 바람직하지 못하다.
상기 희토류 원소는 란탄(La), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 전이금속 원소는 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 전기도금은 캐소딕 전류 밀도 0.1 mA cm-2 내지 1.0 mA cm-2, 시간 30 분 내지 150 분의 조건에서 이루어진 것이 바람직하며, 캐소딕 전류 밀도 0.3 mA cm-2 내지 0.7 mA cm-2, 시간 50 분 내지 120 분의 조건에서 이루어진 것이 더욱 바람직하다.
상기 캐소딕 전류 밀도가 상기 범위의 하한을 미달하는 경우 코팅층이 치밀하지 못하여 집전체의 산화를 방지하지 못하는 문제가 있고, 상기 범위의 상한을 초과하는 경우 코팅층이 박리되어 집전체의 일부가 공기 중에 노출되고, 결국 집전체의 산화를 방지하지 못하는 문제가 발생하여 바람직하지 못하다.
상기 시간이 상기 범위의 하한을 미달하는 경우 코팅층이 치밀하지 못하여 집전체의 산화를 방지하지 못하는 문제가 있고, 상기 범위의 상한을 초과하는 경우 코팅층이 박리되어 집전체의 일부가 공기 중에 노출되고, 결국 집전체의 산화를 방지하지 못하는 문제가 발생하여 바람직하지 못하다.
상기 열처리 전에 상온에서 건조시키는 것이 바람직하다.
상기 열처리는 온도 650 ℃ 내지 900 ℃, 시간 30 분 내지 300 분의 조건에서 건조 공기와 접촉시켜 이루어진 것이 바람직하며, 온도 750 ℃ 내지 850 ℃, 시간 90 분 내지 150 분의 조건에서 건조 공기와 접촉시켜 이루어진 것이 더욱 바람직하다.
상기 열처리 온도가 상기 범위의 하한을 미달하는 경우 코팅층이 란탄과 망간으로 구성된 페로브스카이트 구조의 산화물을 형성할 수 없는 문제가 있고, 상기 범위의 상한을 초과하는 경우 과도한 화학 반응으로 인해 코팅층 내의 불순물이 함유되는 문제가 발생하여 바람직하지 못하다.
상기 열처리 시간이 상기 범위의 하한을 미달하는 경우 코팅층이 란탄과 망간으로 구성된 페로브스카이트 구조의 산화물을 형성할 수 없는 문제가 있고, 상기 범위의 상한을 초과하는 경우 과도한 화학 반응으로 인해 코팅층 내의 불순물이 함유될 문제가 발생하여 바람직하지 못하다.
아울러, 본 발명은
공기극, 연료극, 전해질 및 공기극 집전체를 포함하고,
상기 공기극 집전체는
다공성 전이금속 구조체; 및
페로브스카이트(perovskite) 세라믹층;을 포함하고,
상기 페로브스카이트 세라믹층은 다공성 전이금속 구조체 상에 코팅된 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지를 제공한다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예 및 실험예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
< 실시예 1>
1. 집전체 시편 준비
다공성 전이금속 구조체로 펠트(felt) 형상의 스테인리스강(철-크롬 합금)을 준비하였으며, 1.0 cm x 3.2 cm 크기의 직사각형 모양으로 가공하였다. 상기 펠트 시편을 에탄올 및 증류수로 세척한 후, 상온에서 건조시켰다.
2. 혼합 수산화물 전기도금 공정
출발 물질로서 란탄 질산염 및 망간 질산염을 선정하였다. 상기 출발 물질들을 증류수에 용해시켜 도금 용액을 제조하였으며, 란탄 질산염과 망간 질산염의 농도는 각각 0.02 M 및 0.02 M이다. 상기 혼합 용액에 0.1 M 염산 용액을 첨가하여 pH를 4.8로 조절하였다.
두 개의 용기를 준비하고, 그 사이에 음이온 교환막이 삽입된 도금 셀을 제작하였다.
한 쪽 용기에 상기 제조된 도금 용액을 넣었다. 그리고, 상기 제조된 용액과 같은 농도의 칼륨 질산염을 증류수에 용해시킨 후, 도금 셀의 다른 용기에 넣었다.
도금 용액이 담긴 용기에 펠트 형상의 집전체 시편(작동 전극), 칼륨 질산염 용액이 담긴 용기에 백금 메쉬(상대 전극)를 담지하였다.
작동 전극에 0.5 mA cm-2의 캐소딕 전류 밀도를 인가하여 90 분 동안 전기 도금하였다.
상기 시편을 상온에서 건조하였다.
3. 열처리 공정
상기 시편을 800 ℃ 에서 2 시간 동안 건조 공기와 접촉시켜 열처리한 후, 노(furnace) 내에서 냉각시켜 페로브스카이트 구조의 란탄 망간 산화물이 코팅된 집전체를 제조하였다.
< 실시예 2>
혼합 수산화물 도금 용액 제조 시, 망간 질산염의 농도가 0.06 M인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.
< 실시예 3>
혼합 수산화물 도금 용액 제조 시, 망간 질산염의 농도가 0.1 M인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.
< 실시예 4>
혼합 수산화물 도금 용액 제조 시, 망간 질산염의 농도가 0.13 M인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.
< 실시예 5>
혼합 수산화물 도금 용액 제조 시, 망간 질산염의 농도가 0.15 M인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.
< 실시예 6>
혼합 수산화물 도금 시, 작동 전극에 인가된 캐소딕 전류 밀도가 1 mA cm-2인 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.
< 실시예 7>
혼합 수산화물 도금 시, 작동 전극에 인가된 캐소딕 전류 밀도가 2 mA cm-2인 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 집전체를 제조하였다.
< 비교예 1>
다공성 금속 집전체로 펠트(felt) 형상의 스테인리스강(철-크롬 합금)을 준비하였으며, 1.0 cm x 3.2 cm 크기의 직사각형 모양으로 가공하였다. 상기 펠트 시편을 에탄올 및 증류수로 세척한 후, 상온에서 건조시켰다.
< 비교예 2>
다공성 금속 집전체로 펠트(felt) 형상의 스테인리스강(철-크롬 합금)을 준비하였으며, 1.0 cm x 3.2 cm 크기의 직사각형 모양으로 가공하였다. 종래의 LaMnO3 슬러리를 이용하여 집전체 상에 브러시 코팅(brush coating) 한 후, 상온에서 건조시켰다. 상기 시편을 800 ℃ 에서 2 시간 동안 건조 공기와 접촉시켜 열처리한 후, 노(furnace) 내에서 냉각시켜 페로브스카이트 구조의 란탄 망간 산화물이 코팅된 집전체를 제조하였다.
< 평가예 1> X-선 회절 실험
상기 실시예 1 내지 5에서 제조된 집전체 코팅층의 결정구조를 파악하기 위하여 X-선 회절 실험을 수행하였다. 실험 결과를 도 1에 나타내었다. 실시예 1에서 제조된 코팅층은 주로 란탄 산화물(La2O3) 및 란탄 크롬 산화물(La2CrO3)을 포함하고 있음을 확인할 수 있다. 상기 불순물들은 도금 용액 내의 높은 란탄 질산염의 농도 때문인 것으로 사료된다. 실시예 1 내지 4의 결과에서 보여지는 바와 같이, 도금 용액에 포함된 망간 질산염의 농도가 높아질수록 코팅층에서의 불순물 함량이 감소하는 반면, 페로브스카이트 구조의 란탄 망간 산화물(LaMnO3) 함량이 증가함을 확인하였다. 실시예 4에서 제조된 코팅층은 페로브스카이트 구조를 가지는 단일상의 란탄 망간 산화물로 이루어져 있음을 확인하였다.
반면, 실시예 5에서 제조된 코팅층은 란탄 망간 산화물 및 망간 산화물을 포함하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 도금 용액 내의 과한 망간 질산염 농도 때문인 것으로 사료된다.
< 평가예 2> 주사전자현미경 실험
실시예 4에서 제조된 집전체의 표면 형상을 파악하기 위하여 주사전자현미경 실험을 수행하였다. 실험 결과를 도 2에 나타내었다. 펠트 형상의 스테인리스강 집전체 상에 란탄 망간 산화물이 균일하게 코팅되었음을 확인할 수 있다.
실시예 6에서 제조된 집전체는 작은 균열들이 코팅층 내에 분포되어 있으며, 실시예 7에서 제조된 집전체는 큰 균열들을 포함하며 불균일한 표면을 나타냈다. 이는 캐소딕 전류 밀도가 클수록 형성되는 코팅층이 두꺼워지고, 두꺼운 코팅층은 그 무게로 인하여 균열을 포함하거나 박리되는 것으로 사료된다.
비교예 2에서 제조된 집전체는 실시예 4 및 6 내지 7과 비교하여 두꺼울 뿐만 아니라 다공성의 코팅층 모습을 보이고 있다.
< 평가예 3> 집전체의 전기적 성능 평가 실험
실시예 4에서 제조된 집전체의 전기적 성능을 평가하기 위하여 면저항 측정 실험을 수행하였다. 실험 결과를 표 1에 제시하였다. 실시예 4에서 제조된 집전체는 500 시간의 산화 후에도 낮은 면저항을 유지하였다. 비교에 1에서 제조된 집전체는 낮은 면저항을 보였으나 500 시간의 산화 후 성능이 급격하게 면저항이 증가하였다. 비교예 2에서 제조된 집전체는 비교예 1 및 실시예 4에서 준비된 집전체에 비해 높은 면저항을 보였으나, 500 시간의 산화에서의 면저항 증가 속도는 비교예 1에서 준비된 집전체에 비해 다소 낮았다. 비교예 1 및 비교예 2에서 준비된 집전체의 경우, 고온에서의 장시간 산화로 인하여 집전체의 전기적 성능이 저하된 것으로 사료된다. 그러나, 실시예 4에서 제조된 집전체의 경우, 란탄 망간 산화물 코팅층이 스테인리스강 집전체의 산화를 방지하여 집전체의 전기적 성능을 유지시키는 것으로 사료된다.
집전체 종류 초기 면저항(mΩcm2) 500시간 후 면저항(mΩcm2)
비교예 1 9.5 55.6
비교예 2 22.9 35.8
실시예 4 11.1 11.5
< 평가예 4> 고체산화물 연료전지 성능 측정 실험
실시예 4에서 제조된 공기극 집전체를 이용하여 SOFC 단전지의 성능을 측정하였다. 상기 SOFC 단전지는 원통형 연료극 지지체를 이용하여 제조되었으며, Ni-ScSZ 연료극 지지체; Ni-ScSZ 연료극 기능층; ScSZ 전해질; GDC 버퍼층; LSCF 공기극으로 이루어져 있다.
실시예 4에서 제조된 집전체를 1.0 cm x 3.2 cm 크기의 직사각형 모양으로 가공한 후, 상기 SOFC 단전지의 공기극에 페이스트(La0.8Sr0.2CoO3)를 이용하여 부착하였다. 또한 연료극 집전체로는 펠트 형상의 니켈 금속을 이용하였으며, SOFC 단전지의 연료극에 페이스트(Ni)를 이용하여 부착하였다.
집전체가 부착된 SOFC 단전지를 노에 설치 후, 연료극 측에는 3 % H2O가 포함된 수소(H2) 가스를 주입하고 공기극에는 공기를 주입하면서 노의 온도를 800 ℃로 승온하였다. 인가되는 전류 밀도 값을 증가시키면서, SOFC 단전지의 전압을 측정하여, 전류 밀도-전압 곡선을 측정하였다.
도 3은 실시예 4, 비교예 1 및 비교예 2에서 준비된 집전체를 이용하여 측정된 SOFC 단전지의 장기 성능 측정 결과이다. 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 집전체를 이용한 SOFC 단전지는 성능 감소를 보이나, 실시예 4에서 제조된 집전체를 이용한 SOFC 단전지는 장기간 안정성을 보였다. 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 집전체의 경우, 고온에서의 집전체 산화로 인해 단전지의 성능이 감소되는 것으로 사료된다. 하지만, 실시예 4에서 제조된 집전체의 경우, 란탄 망간 산화물 코팅층이 스테인리스강 집전체의 산화를 방지하여 집전체의 전기적 성능을 유지시키는 것으로 사료된다.
도 4는 실시예 4, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 집전체를 이용하여 측정된 SOFC 단전지의 10번의 열순환(400 ~ 800 ℃) 후, 셀의 성능 측정 결과이다. 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 집전체를 이용한 SOFC 단전지는 10번의 열순환 후 성능 감소를 보이나, 실시예 4에서 제조된 집전체를 이용한 SOFC 단전지는 우수한 안정성을 보였다. 이는 실시예 4에서 형성된 란탄 망간 산화물 코팅층과 스테인리스강 집전체와의 우수한 결착력 때문인 것으로 사료된다.

Claims (17)

  1. 다공성 전이금속 구조체; 및
    페로브스카이트(perovskite) 세라믹층;을 포함하고,
    상기 페로브스카이트 세라믹층은 다공성 전이금속 구조체 상에 코팅된 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 전이금속 구조체는 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 이들의 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 전이금속 구조체는 메쉬(mesh), 펠트(felt) 및 폼(foam)으로 구성된 군으로부터 선택된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 세라믹층은 희토류 및 전이금속 원소를 포함하는 혼합 수산화물층인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 희토류 원소는 란탄(La), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 전이금속 원소는 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 세라믹층은 다공성 전이금속 구조체 상에 전기도금에 의해 코팅되는 되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체.
  8. 다공성 전이금속 구조체 상에 페로브스카이트 세라믹을 전기도금에 의해 코팅시키는 제 1단계; 및
    열처리하는 제 2단계;를 포함하는,
    고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 전기도금은
    다공성 전이금속 구조체를 페로브스카이트 세라믹 용액에 담지하는 제 1단계; 및
    작동 전극에 캐소딕 전류 밀도를 인가하는 제 2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 세라믹은 희토류 및 전이금속 원소를 포함하는 혼합물인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 용액의 희토류 원소가 포함된 물질의 농도는 0.01 M 내지 0.5 M, 전이금속이 포함된 물질의 농도는 0.05 M 내지 0.5 M인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 희토류 원소는 란탄(La), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 전이금속 원소는 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 전기도금은 캐소딕 전류 밀도 0.1 mA cm-2 내지 1.0 mA cm-2, 시간 30 분 내지 150 분의 조건에서 이루어진 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  15. 제 8항에 있어서,
    상기 열처리 전에 상온에서 건조시키는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  16. 제 8항에 있어서,
    상기 열처리는 온도 650 ℃ 내지 900 ℃, 시간 30 분 내지 300 분의 조건에서 건조 공기와 접촉시켜 이루어진 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조방법.
  17. 공기극, 연료극, 전해질 및 공기극 집전체를 포함하고,
    상기 공기극 집전체는
    다공성 전이금속 구조체; 및
    페로브스카이트(perovskite) 세라믹층;을 포함하고,
    상기 페로브스카이트 세라믹층은 다공성 전이금속 구조체 상에 코팅된 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지.
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