KR20180073394A - Metallic current collector for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell stack comprising the same - Google Patents

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전재호
문지웅
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Abstract

Disclosed are: a metallic current collector for a solid oxide fuel cell, which comprises metal felt comprising a plurality of metal strips and a plurality of metal powders impregnated into inner voids of the metal felt, and has the ratio of the total volume of the metal powders to the total inner cavity volume of the metal felt not less than 0.10; and a solid oxide fuel cell comprising the same. One of the objects of the present invention is to provide the current collector for the solid oxide fuel cell having excellent durability and current collection performance and providing tolerance absorbing power, and to provide the solid oxide fuel cell stack comprising the same.

Description

고체산화물 연료전지용 금속 집전체 및 그를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택 {METALLIC CURRENT COLLECTOR FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND SOLID OXIDE FUEL CELL STACK COMPRISING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a metal oxide fuel cell stack for a solid oxide fuel cell, and a solid oxide fuel cell stack including the metal oxide fuel cell stack.

본 발명은 고체산화물 연료전지용 집전체 및 그를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
The present invention relates to a current collector for a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell stack including the same.

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.
A fuel cell is defined as a cell in which the chemical energy of a fuel (hydrogen) is directly converted into electric energy to produce a direct current. The fuel cell is composed of an air electrode (for example, oxygen) Is an energy conversion device for producing direct current by electrochemically reacting hydrogen (for example, hydrogen) with a fuel cell, and is characterized in that electricity is continuously produced by supplying fuel and air from the outside unlike a conventional battery.

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.
Examples of fuel cells include a Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), and a Phosphoric Acid Fuel (PAFC), Alkaline Fuel Cell (AFC), Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), and Direct Methanol Fuel Cells (DEMFC).

그 중, 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; SOFC)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 연료극(2), 공기극(4) 및 전해질(3)로 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, 연료극(2)과 공기극(4)을 전기적으로 연결하면서 연료 또는 공기가 흐르는 유로(9, 10)를 제공하기 위하여 각각의 단위전지 사이에 분리판(5, 6)을 설치하게 된다.
Among them, a solid oxide fuel cell (SOFC) includes a unit cell composed of a fuel electrode 2, an air electrode 4 and an electrolyte 3 as shown in Fig. 1, Since the amount of electric energy produced by a battery is very limited, it is inevitable to form a stack structure in which a plurality of unit cells are stacked in order to utilize the fuel cell for power generation. In order to provide the flow paths 9 and 10 through which fuel or air flows while electrically connecting the fuel electrode 2 and the air electrode 4 when connecting the respective unit cells constituting the stack structure, 5 and 6 are installed.

한편, 연료극(2), 공기극(4) 및 전해질(3) 모두 세라믹 물질로 이루어지고, 이들을 적층시킨 후 고온에서 소성시켜 한 장의 셀(cell, 1)로 제조하게 되므로, 셀(1)의 표면이 평탄하지 못하고 필연적으로 일정 수준의 표면조도를 갖게 되며, 분리판(5, 6)을 형성함에 있어서 연료극(2) 또는 공기극(4)이 평탄하지 못함에 따라 분리판 유로 간의 높이 공차가 필연적으로 발생한다. 따라서, 일반적으로 연료극(2)과 분리판(5), 공기극(4)과 분리판(6) 사이에 집전체(current collector, 7, 8)를 구비하여, 각 전극(2, 4)과 분리판(5, 6)이 전기적으로 보다 균일하게 접촉할 수 있도록 돕는다.
On the other hand, since the fuel electrode 2, the air electrode 4 and the electrolyte 3 are all made of a ceramic material, they are laminated and then fired at a high temperature to form a single cell 1, And the air electrode 4 is not flat in forming the separator plates 5 and 6, the height difference between the separator plate channels necessarily becomes inevitable Occurs. Therefore, generally, a current collector 7, 8 is provided between the fuel electrode 2 and the separator plate 5, and between the air electrode 4 and the separator plate 6 to separate the electrodes 2, Thereby helping the plates 5 and 6 to make electrical contact more uniformly.

이러한 집전체의 집전 기능을 높이기 위해 다양한 형태를 갖는 집전체가 고안되어 왔으며, 현재 상용화된 집전체의 형태는 메시(mesh), 폼(foam), 펠트(felt), 판(sheet) 등이 있다. 그런데, 이중 메시(mesh) 형태의 집전체의 경우, 접촉 면적이 작기 때문에, 연료 전지의 성능지표에 영향을 주는 접촉 비저항인 ASR(Area Specific Resistance)가 증가하고, 이에 따라 연료전지의 성능이 열화되는 문제가 있다. 한편, 폼(foam) 형태의 집전체의 경우, 고온 산화에 의해 기계적 강도의 손실이 발생하는 문제가 있다. 일반적으로 금속 폼의 구조를 살펴보면 두께가 매우 얇은 금속 물질이 다공성의 형태로 만들어 지는데, 고체산화물 연료전지의 작동 환경에서 고온 산화를 겪게 되면 금속이 모두 산화물 형태로 변화되기 때문에 그 형태를 유지할 수 없고, 기계적 강도를 잃어버리게 되는 것이다. 물론, 백금, 금 등의 귀금속을 활용하여 집전체를 제조할 경우, 이러한 금속 산화에 따른 문제를 방지할 수는 있으나, 제조 비용이 지나치게 상승하기 때문에 사용에 제한이 있다.
In order to enhance the current collecting function of such a current collector, various types of current collectors have been devised. Currently, commercially available current collector forms include a mesh, a foam, a felt, and a sheet . However, in the case of a double-mesh type current collector, since the contact area is small, ASR (area specific resistance), which is a contact specific resistance affecting the performance index of the fuel cell, increases, There is a problem. On the other hand, in the case of a foam-type current collector, there is a problem that mechanical strength is lost due to high-temperature oxidation. In general, when a metal foam is formed, a very thin metal material is formed into a porous form. When a high-temperature oxidation occurs in the operating environment of a solid oxide fuel cell, the metal is changed into an oxide form, , The mechanical strength is lost. Of course, when a current collector is manufactured by using a noble metal such as platinum or gold, it is possible to prevent the problem caused by such metal oxidation, but the production cost is too high, and thus the use thereof is limited.

본 발명의 여러 목적 중 하나는, 집전 성능이 우수하고, 공차 흡수력을 제공할 수 있으면서도, 내구성이 우수한 고체산화물 연료전지용 집전체와 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
One of the objects of the present invention is to provide a current collector for a solid oxide fuel cell having excellent durability and a solid oxide fuel cell stack including the same, which is excellent in current collection performance and can provide a tolerance absorbing power.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 다수의 금속 스트립으로 이루어진 금속 펠트 및 상기 금속 펠트의 내부 공극에 함침된 다수의 금속 분말을 포함하고, 상기 금속 펠트의 내부 공극 전체 부피에 대한 상기 다수의 금속 분말 전체 부피의 비가 0.10 이상인 고체산화물 연료전지용 금속 집전체를 제공한다.
In order to achieve the above object, an aspect of the present invention is to provide a metal felt comprising a metal felt composed of a plurality of metal strips and a plurality of metal powders impregnated in the inner voids of the metal felt, Wherein the ratio of the total volume of the plurality of metal powders to the total volume of the metal powder for the solid oxide fuel cell is 0.10 or more.

본 발명의 다른 측면은, 상기 고체산화물 연료전지용 금속 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.
Another aspect of the present invention provides a solid oxide fuel cell stack including a metal current collector for the solid oxide fuel cell.

본 발명의 여러 효과 중 하나로서, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체는 전극 및 분리판과의 접척 면적이 넓어 집전 성능이 우수하고, 스택 내부에 존재하는 공차를 기계적으로 그리고 화학적으로 흡수할 수 있어 공차 흡수력을 가지는 장점이 있다.As one of various effects of the present invention, the current collector for a solid oxide fuel cell according to the present invention is excellent in current collection performance due to its large contact area with the electrode and the separator, and mechanically and chemically absorbs the tolerance existing in the stack And has an advantage of absorbing the tolerance.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체는, 고온 산화 분위기 하 장시간 사용하더라도 기계적 강도의 열화가 발생하지 않아 내구성이 우수한 장점이 있다.In addition, the current collector for a solid oxide fuel cell according to the present invention does not deteriorate in mechanical strength even when it is used for a long time under a high-temperature oxidizing atmosphere, and thus has excellent durability.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체를 이용한 고체산화물 연료전지 스택은 성능 열화율이 적고, 단위 전지의 고장이 적으며, 단위면적당 출력 성능이 우수한 장점이 있다.In addition, the solid oxide fuel cell stack using the current collector for a solid oxide fuel cell according to the present invention is advantageous in that the performance deterioration rate is small, the failure of the unit cell is small, and the output performance per unit area is excellent.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
The various and advantageous advantages and effects of the present invention are not limited to the above description, and can be more easily understood in the course of describing a specific embodiment of the present invention.

도 1은 종래기술에 따른 집전체와 이를 포함한 고체산화물 연료전지 스택의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 금속 집전체의 단면도이다.
도 3은 고온 산화 후 금속 집전체의 단면도이다.
도 4는 도 3의 A 영역을 확대하여 나타낸 확대도이다.1 is a schematic view of a conventional current collector and a solid oxide fuel cell stack including the same.
2 is a cross-sectional view of a metal current collector for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of the metal current collector after high temperature oxidation.
4 is an enlarged view showing the area A in Fig.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다. 본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments may be modified in other forms or various embodiments may be combined with each other, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, the embodiments are provided so that those skilled in the art can more fully understand the present invention. For example, the shape and size of the elements in the figures may be exaggerated for clarity.

한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
The term " one example " used in this specification does not mean the same embodiment, but is provided to emphasize and describe different unique features. However, the embodiments presented in the following description do not exclude that they are implemented in combination with the features of other embodiments. For example, although the matters described in the specific embodiments are not described in the other embodiments, they may be understood as descriptions related to other embodiments unless otherwise described or contradicted by those in other embodiments.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 측면인 고체산화물 연료전지용 집전체에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, a current collector for a solid oxide fuel cell, which is one aspect of the present invention, will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 금속 집전체(100)의 단면도이다.
2 is a cross-sectional view of a metal current collector 100 for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체(100)는 금속 펠트(110)와 다수의 금속 분말(130)을 포함한다.
Referring to FIG. 2, the current collector 100 for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a metal felt 110 and a plurality of metal powders 130.

금속 펠트(110)는 본 발명의 고체산화물 연료전지용 집전체(100)의 기본 골격을 이루는 것으로써, 다수의 금속 스트립(120)으로 이루어진다. 일반적으로 고체산화물 연료전지에 사용되는 전극과 분리판의 경우 필연적으로 일정 정도의 공차가 존재하는데, 금속 펠트는 이러한 기계적 공차 흡수에 매우 유리하다.
The metal felt 110 constitutes the basic framework of the current collector 100 for a solid oxide fuel cell according to the present invention and comprises a plurality of metal strips 120. In general, there is necessarily a certain degree of tolerance in the case of electrodes and separators used in solid oxide fuel cells, and metal felts are very advantageous in absorbing such mechanical tolerances.

일 예에 따르면, 금속 펠트(110)를 이루는 다수의 금속 스트립(120)의 단면은 직사각형, 정사각형 등 다각형의 형상을 가질 수 있다. 이와 달리, 금속 스트립(120)의 단면이 원형이나 타원형 등 둥근 형상을 가질 경우, 후술할 금속 분말(120)의 내부 함침이 용이하지 아니할 수 있다.
According to an example, the cross section of the plurality of metal strips 120 constituting the metal felt 110 may have a polygonal shape such as a rectangular shape or a square shape. Alternatively, if the metal strip 120 has a circular or elliptical cross section, it may not be easy to impregnate the metal powder 120, which will be described later.

이 경우, 금속 스트립(120)의 단면을 이루는 다각형의 단변의 길이는 0.1mm 이상일 수 있다. 이는 고온의 고체산화물 연료전지의 작동 환경에서 장기간의 내산화성 및 기계적 강도를 유지하기 위함으로, 만약, 단변의 길이가 0.1mm 미만일 경우, 후술할 바와 같이, 고온 산화시 금속 스트립의 표면 뿐만 아니라 금속 스트립의 내부까지 산화가 일어나 기계적 강도를 잃어버릴 수 있다.
In this case, the length of the short side of the polygon forming the cross section of the metal strip 120 may be 0.1 mm or more. In order to maintain long-term oxidation resistance and mechanical strength in an operating environment of a high-temperature solid oxide fuel cell, if the short side length is less than 0.1 mm, as described later, The inside of the strip may be oxidized and the mechanical strength may be lost.

일 예에 따르면, 다수의 금속 스트립은 Ni계 합금 스트립 및 Co계 합금 스트립 중 어느 하나일 수 있다. 이와 같이 금속 스트립의 재질이 Ni계 합금 혹은 Co계 합금으로 이뤄질 경우 그 합금 첨가량을 적절히 조절하면, 고온 산화시 그 표면에 (Ni,Co)3O4 등의 스피넬 구조의 산화물이 형성된다. 이 경우, 다수의 금속 스트립이 700℃ 이상의 고온의 고체산화물 연료전지의 작동 환경에서 산화된다고 하더라도 우수한 전기전도성을 확보할 수 있다.
According to one example, the plurality of metal strips may be any one of a Ni-based alloy strip and a Co-based alloy strip. When the material of the metal strip is made of a Ni-based alloy or a Co-based alloy, an oxide of a spinel structure such as (Ni, Co) 3 O 4 is formed on the surface of the metal strip when the amount of the alloy is appropriately adjusted. In this case, even if a plurality of metal strips are oxidized in an operating environment of a high-temperature solid oxide fuel cell having a temperature of 700 ° C or more, excellent electrical conductivity can be ensured.

일 예에 따르면, 다수의 금속 스트립은 스테인리스 스트립이고, 그 표면에 Ni 및 Co 중 1종 이상을 포함하는 코팅층이 형성되어 있을 수 있다. 스테인리스 스트립은 통상적으로 Cr을 5중량% 이상 함유하는데, 이와 같이 5중량% 이상의 Cr을 함유하는 스트립을 사용할 경우, 700℃ 이상의 고온의 고체산화물 연료전지의 작동 환경에서 휘발성의 Cr 화합물이 형성되어 셀의 성능이 저하되기 때문에 그 표면에 코팅층을 형성시킨 후 사용함이 바람직하다. 여기서, 코팅층의 성분으로 Ni 및 Co 중 1종 이상을 포함하도록 하는 이유는 전술한 바와 같다.
According to an example, the plurality of metal strips may be stainless steel strips, and a coating layer containing at least one of Ni and Co may be formed on the surface thereof. When a strip containing 5 wt% or more of Cr is used, a volatile Cr compound is formed in an operating environment of a high-temperature solid oxide fuel cell at 700 ° C or higher, It is preferable to form the coating layer on the surface thereof before use. Here, the reason for including at least one of Ni and Co as a component of the coating layer is as described above.

다수의 금속 분말(130)은 금속 펠트(110)의 내부 공극에 함침되어 금속 펠트(110)의 부족한 물성을 보완하는 역할을 하며, 보다 구체적으로, 고온 산화 후 셀과 분리판과의 접촉 손실을 최소화하고, 전기적 연결 기능을 강화하며, 화학반응에 의해 추가의 공차 흡수력을 제공하는 역할을 한다.
The plurality of metal powders 130 are impregnated into the inner voids of the metal felt 110 to compensate for insufficient physical properties of the metal felt 110. More specifically, the contact loss between the cell and the separator after high- Minimizing, enhancing the electrical connection function, and providing additional tolerance absorption by chemical reaction.

본 발명에서 이러한 효과를 얻기 위해서는 금속 펠트(110)의 내부 공극 전체 부피에 대한 다수의 금속 분말(130)의 전체 부피의 비가 0.10 이상일 필요가 있다. 한편, 부피의 비가 클수록 셀과 분리판과의 접촉 손실 최소화 등에 유리한 바, 본 발명에서는 그 상한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.
In order to obtain such an effect in the present invention, the ratio of the total volume of the plurality of metal powders 130 to the total inner void volume of the metal felt 110 needs to be 0.10 or more. On the other hand, the larger the volume ratio, the better the minimization of the contact loss between the cell and the separator, and the upper limit is not particularly limited in the present invention.

일 예에 따르면, 다수의 금속 분말의 평균 입경은 0.1mm 이상일 수 있다. 이는 고온의 고체산화물 연료전지의 작동 환경에서 장기간의 내산화성 및 기계적 강도를 유지하기 위함으로, 만약, 평균 입경이 0.1mm 미만일 경우, 후술할 바와 같이, 고온 산화시 금속 분말의 표면뿐만 아니라 금속 분말의 내부까지 산화가 일어나 목적하는 기술적 효과 확보가 곤란할 수 있다. 여기서, 입경이란 개개 분말의 직경을 의미한다. 한편, 평균 입경이 클수록 목적하는 기술적 효과 확보에 유리한 바, 본 발명에서는 그 상한에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 다만 금속 펠트를 이루는 다수의 금속 스트립 간의 간격에 비해 금속 분말의 평균 입경이 클 경우 금속 펠트의 내부 공극 내 금속 분말의 함침 자체가 불가능할 수 있는 바, 금속 분말의 평균 입경의 상한은 금속 펠트를 이루는 다수의 금속 스트립 간의 간격에 따라 적절히 설정될 수는 있다고 할 것이다.
According to one example, the average particle size of the plurality of metal powders may be 0.1 mm or more. This is because, in order to maintain long-term oxidation resistance and mechanical strength in an operating environment of a high temperature solid oxide fuel cell, if the average particle diameter is less than 0.1 mm, as described later, Oxidation may occur to the inside of the substrate, and it may be difficult to secure the desired technical effect. Here, the particle diameter means the diameter of each powder. On the other hand, the larger the average particle diameter, the better the technical effect desired. In the present invention, the upper limit is not particularly limited. However, when the average particle diameter of the metal powder is larger than the interval between the metal strips constituting the metal felt, The upper limit of the average particle diameter of the metal powder may be appropriately set according to the interval between the plurality of metal strips constituting the metal felt.

일 예에 따르면, 다수의 금속 분말(130)은 Ni계 합금 분말 및 Co계 합금 분말 중 어느 하나일 수 있다. 이와 달리, 다수의 금속 분말(130)은 스테인리스 분말이고, 그 표면에 Ni 및 Co 중 1종 이상을 포함하는 코팅층이 형성되어 있을 수 있다. 그 이유는 전술한 바와 같다.
According to an example, the plurality of metal powders 130 may be any one of a Ni-based alloy powder and a Co-based alloy powder. Alternatively, the plurality of metal powders 130 may be a stainless steel powder, and a coating layer containing at least one of Ni and Co may be formed on the surface thereof. The reason is as described above.

한편, 본 발명에서는 금속 펠트의 내부 공극에 다수의 금속 분말을 함침하는 구체적인 방법에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 제한되지 않는 일 예를 들면, 금속 펠트를 금속 분말 슬러리 또는 페이스트에 담지함으로써, 금속 펠트의 내부 공극에 다수의 금속 분말을 함침할 수 있다. 이 경우, 슬러리의 점도 및 금속 분말 함량 등을 적절히 조절함으로써, 금속 펠트에 함침된 금속 분말의 함량 등을 제어할 수 있다.
In the present invention, a specific method of impregnating a plurality of metallic powders into the internal void of the metal felt is not particularly limited. However, by way of example and not by way of limitation, the metallic felt is supported on the metallic powder slurry or paste, A plurality of metal powders can be impregnated into the inner void. In this case, the content of the metal powder impregnated in the metal felt can be controlled by suitably controlling the viscosity of the slurry, the metal powder content, and the like.

도 3은 도 2의 고온 산화 후 금속 집전체(100')의 단면도이며, 도 4는 도 3의 A 영역을 확대하여 나타낸 확대도이다.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the metal current collector 100 'after the high-temperature oxidation of FIG. 2, and FIG. 4 is an enlarged view of the region A of FIG. 3 in an enlarged scale.

금속 집전체가 고체산화물 연료전지 스택 내부에 장착이 되면, 초기에는 금속 펠트가 스택 내부에 존재하는 공차를 기계적으로 흡수하여, 일정한 두께로 줄어들게 된다. 일반적으로 고체산화물 연료전지에 사용되는 셀과 분리판의 경우 일정한 양의 공차가 각각 존재하며, 이러한 공차는 제조 공정 및 스택킹 공정에서 만들어진다. 그런데, 시간이 지날수록 금속 펠트 및 금속 분말은 고온의 공기 분위기 하 산화를 겪게 된다. 다만, 본 발명에서는 전도성이 우수한 산화물이 그 표면에 형성되도록 유도하였기 때문에, 집전 성능 및 기계적 강도가 저하되지는 않는다. 다공성의 금속 폼을 집전체로 사용할 경우 고온 산화에 의해 구조적인 특징을 잃어버릴 수 있는데 이와 구별된다. 즉, 금속 폼의 구조를 살펴보면 두께가 매우 얇은 금속 물질이 다공성 형태로 만들어지는데, 금속 폼이 고온 산화를 겪게 되면 금속이 모두 산화물의 형태로 바뀌기 때문에 그 형태를 유지할 수 없고, 기계적 강도를 잃어버리게 되는 것이다. 그러나, 본 발명에서는 금속 스트립의 표면에서만 고온 산화를 겪기 때문에 기계적 강도 및 스트립 간 간격 유지가 보장될 수 있다. 특히, 도 4를 참조할 때, 고온 산화 후 금속 스트립의 표면(120b)과 고온 산화 후 금속 분말의 표면(130b)에서는 화학 반응에 의해 그 계면에 전도성이 우수한 물질이 형성되며, 이에 따라, 전기 전도성도 우수한 성질을 가지게 된다. 다시 말해, 초기 상태의 금속 스트립(120)과 금속 분말(130)은 Co계 물질 등으로 이뤄져 있으나, 고온 산화 후에는 금속 스트립과 금속 분말의 표면(120b, 120b)에는 전도성이 우수한 스피넬 구조의 산화물이 형성되며, 특히, 이들은 화학 반응에 의해 융착되어 그 계면에 견고한 층을 형성하기 때문에, 금속 스트립과 금속 분말 간 밀착력이 더욱 공고해지게 된다. 이에 따라, 장시간 운전하여도 접촉 저항을 최소화할 수 있으며, 계속되는 화학 반응에 의해 추가의 공차 흡수력을 가질 수 있게 된다.
When the metal current collector is mounted inside the solid oxide fuel cell stack, initially, the metal felt absorbs the tolerance within the stack mechanically and is reduced to a certain thickness. Generally, for cells and separators used in solid oxide fuel cells, there is a certain amount of tolerance, which is produced in the manufacturing and stacking processes. However, as time passes, the metal felt and the metal powder undergo oxidation under a high temperature air atmosphere. However, in the present invention, since the oxide having excellent conductivity is induced to be formed on the surface, the current collection performance and the mechanical strength are not lowered. When porous metal foams are used as current collectors, structural characteristics may be lost due to high temperature oxidation. In other words, when looking at the structure of a metal foam, a metal material having a very thin thickness is made into a porous form. When a metal foam undergoes high-temperature oxidation, the metal is changed into an oxide form and the shape can not be maintained. . However, in the present invention, the mechanical strength and the inter-strip interval retention can be ensured due to the high temperature oxidation only on the surface of the metal strip. 4, a highly conductive material is formed on the surface 120b of the metal strip after high temperature oxidation and the surface 130b of the metal powder after high-temperature oxidation by chemical reaction, Conductivity also has excellent properties. In other words, the metal strips 120 and the metal powder 130 in the initial state are made of a Co-based material or the like. However, after the high-temperature oxidation, the surfaces 120b and 120b of the metal strip and the metal powder are coated with a spinel- In particular, since they are fused by a chemical reaction to form a solid layer at the interface, adhesion between the metal strip and the metal powder is further enhanced. Accordingly, contact resistance can be minimized even after a long operation, and further tolerance can be obtained by the subsequent chemical reaction.

이하, 본 발명의 다른 측면인 고체산화물 연료전지 스택에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the solid oxide fuel cell stack, which is another aspect of the present invention, will be described in detail.

본 발명의 다른 측면인 고체산화물 연료전지 스택은 공기극, 연료극, 전해질 및 분리판을 포함하며, 상기 공기극과 분리판 사이 및/또는 상기 연료극과 분리판 사이에는 상술한 금속 집전체가 구비된다.
Another aspect of the present invention is a solid oxide fuel cell stack including an air electrode, a fuel electrode, an electrolyte, and a separator, wherein the metal collector is provided between the air electrode and the separator plate and / or between the fuel electrode and the separator plate.

본 발명의 다른 측면인 고체산화물 연료전지 스택은 성능 열화율이 적고, 단위 전지의 고장이 적으며, 단위면적당 출력 성능이 우수한 장점이 있다.
The solid oxide fuel cell stack, which is another aspect of the present invention, has an advantage in that the performance deterioration rate is small, the failure of the unit cell is small, and the output performance per unit area is excellent.

본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
The present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited only by the appended claims. It will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. something to do.

1: 셀
2: 연료극
3: 전해질
4: 공기극
5, 6: 분리판
7: 연료극측 집전체
8: 공기극측 집전체
9: 연료극측 유로
10: 공기극측 유로
100: 집전체
100': 고온 산화 후 집전체
110: 금속 펠트
110': 고온 산화 후 금속 펠트
120: 금속 스트립
120': 고온 산화 후 금속 스트립
120a: 고온 산화 후 금속 스트립 내부
120b: 고온 산화 후 금속 스트립 표면
130: 금속 분말
130': 고온 산화 후 금속 분말
130a: 고온 산화 후 금속 분말 내부
130b: 고온 산화 후 금속 분말 표면1: cell
2: anode
3: electrolyte
4: cathode
5, 6: Separation plate
7: anode current collector
8: Current collector on the air electrode side
9:
10: Air electrode side flow path
100: House full
100 ': High temperature oxidation,
110: Metal felt
110 ': metal felt after high temperature oxidation
120: metal strip
120 ': metal strip after high temperature oxidation
120a: Inside metal strip after high temperature oxidation
120b: metal strip surface after high temperature oxidation
130: metal powder
130 ': metal powder after high temperature oxidation
130a: Inside metal powder after high temperature oxidation
130b: metal powder surface after high temperature oxidation

Claims (11)

다수의 금속 스트립으로 이루어진 금속 펠트 및 상기 금속 펠트의 내부 공극에 함침된 다수의 금속 분말을 포함하고, 상기 금속 펠트의 내부 공극 전체 부피에 대한 상기 다수의 금속 분말 전체 부피의 비가 0.10 이상인 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
And a plurality of metal powders impregnated in the inner pores of the metal felt, wherein the ratio of the total volume of the plurality of metal powders to the total inner pore volume of the metal felt is not less than 0.10, Metal collectors for batteries.
제1항에 있어서,
상기 다수의 금속 스트립의 단면은 다각형의 형상을 갖는 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of metal strips have a polygonal cross section.
제2항에 있어서,
상기 다각형의 단변의 길이는 0.1mm 이상인 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
3. The method of claim 2,
Wherein a length of a short side of the polygon is 0.1 mm or more.
제1항에 있어서,
상기 다수의 금속 스트립은 Ni계 합금 스트립 및 Co계 합금 스트립 중 어느 하나인 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of metal strips are any one of a Ni-based alloy strip and a Co-based alloy strip.
제1항에 있어서,
상기 다수의 금속 스트립은 스테인리스 스트립이고, 그 표면에 Ni 및 Co 중 1종 이상을 포함하는 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of metal strips are stainless steel strips, and a coating layer containing at least one of Ni and Co is formed on a surface of the metal strip.
제1항에 있어서,
상기 다수의 금속 분말의 평균 입경은 0.1mm 이상인 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
The method according to claim 1,
And the average particle size of the plurality of metal powders is 0.1 mm or more.
제1항에 있어서,
상기 다수의 금속 분말은 Ni계 합금 분말 및 Co계 합금 분말 중 어느 하나인 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of metal powders are any one of a Ni-based alloy powder and a Co-based alloy powder.
제1항에 있어서,
상기 다수의 금속 분말은 스테인리스 분말이고, 그 표면에 Ni 및 Co 중 1종 이상을 포함하는 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of metal powders are stainless steel powder and a coating layer containing at least one of Ni and Co is formed on the surface of the metal powder.
제1항에 있어서,
고온 산화 후, 상기 금속 분말의 적어도 일부는 상기 금속 스트립에 융착되는 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.
The method according to claim 1,
Wherein at least a portion of the metal powder is fused to the metal strip after high temperature oxidation.
제1항에 있어서,
고온 산화 후, 상기 금속 스트립 및 금속 분말의 표면에는 스피넬 구조의 산화물이 형성되는 고체산화물 연료전지용 금속 집전체.

The method according to claim 1,
A metal oxide for a solid oxide fuel cell, comprising: a metal strip;

제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 금속 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택.A solid oxide fuel cell stack comprising a metal current collector according to any one of claims 1 to 10.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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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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