KR20190027756A - 고체 산화물 연료전지 및 전지 모듈 - Google Patents

고체 산화물 연료전지 및 전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지 및 전지 모듈에 관한 것이다.

Description

고체 산화물 연료전지 및 전지 모듈{SOLID OXIDE FUEL CELL AND BATTERY MODULE}
본 출원은 2017년 9월 7일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2017-0114410호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지 및 전지 모듈에 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.
한편, 연료전지의 공기극의 원리를 응용하여 금속 이차 전지의 캐소드를 공기극으로 제조하는 금속 공기 이차 전지에 대한 연구도 필요하다.
대한민국 특허공개 제 2016-0059419호 (2016.05.26 공개)
본 명세서는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지 및 전지 모듈을 제공하고자 한다.
본 명세서는 공기극, 연료극 및 상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 전지셀; 상기 전해질층이 구비된 공기극의 면의 반대면 상에 위치하고, 공기가 공급되고 홈부 패턴과 돌출 패턴을 갖는 유로 패턴이 구비된 제1 분리막; 상기 전해질층이 구비된 연료극의 면의 반대면 상에 위치하고, 연료가 공급되고 홈부 패턴과 돌출 패턴을 갖는 유로 패턴이 구비된 제2 분리막; 상기 공기극과 제1 분리막 사이에 구비된 공기극 집전체; 및 상기 공기극 집전체 중 상기 제1 분리막과 대향하는 면 상에, 상기 제1 분리막의 홈부 패턴을 따라 구비된 전기 전도성 패턴을 포함하며, 상기 전기 전도성 패턴은 상기 제1 분리막의 홈부 패턴에 삽입되며, 상기 전기 전도성 패턴의 기공율은 20% 이상 30% 미만인 것인 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
또한, 본 명세서는 전술한 고체 산화물 연료전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
본 명세서의 연료전지는 전지 셀과 분리판의 전류저항이 적은 장점이 있다.
본 명세서의 연료전지는 전지 성능이 좋은 장점이 있다.
본 명세서의 연료전지는 공기가 전지셀로 확산되기 쉬운 장점이 있다.
도 1은 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 연료전지를 포함하는 전지 모듈의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 명세서에 따른 연료전지의 정면도이다.
도 4은 본 명세서에 따른 연료전지의 정면도에서 공기의 흐름을 나타낸 것이다.
도 5는 본 명세서에 따른 연료전지의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따라 전기 전도성 패턴이 제1 분리막의 홈부 패턴에 삽입되는 것을 나타낸 결합단면도이다.
도 7은 실시예 1의 전기 전도성 패턴의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지이다.
도 8은 실시예 2의 전기 전도성 패턴의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지이다.
도 9는 비교예 1의 전기 전도성 패턴의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지이다.
도 10은 비교예 2의 전기 전도성 패턴의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지이다.
도 11은 비교예 3의 전기 전도성 패턴의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지이다.
도 12는 실시예 및 비교예의 오믹저항 측정결과이다.
도 13은 실시예 및 비교예의 전지성능 측정결과이다.
도 14는 실시예 및 비교예의 면적비저항 측정결과이다.
도 15는 실시예 1 및 2에서 제조된 전기 전도성 패턴이 제1 분리막의 홈부 패턴에 삽입되는 것을 나타낸 결합단면도이다.
도 16은 본 명세서에 따른 전기 전도성 패턴의 여러 형상의 종단면을 나타낸 것이다.
도 17은 본 명세서에 따른 전기 전도성 패턴의 여러 형상의 횡단면을 나타낸 것이다.
도 18은 본 명세서에 따른 침투율 별 공기극 집전체에 구비된 전기 전도성 패턴의 높이에 따른 전기 전도성 패턴의 높이에 따른 산소(O2) 농도 비율을 나타낸 것이다.
도 19는 본 명세서에 따른 제1 분리막의 홈부 패턴의 단면을 도시한 것이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서는 공기극, 연료극 및 상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 전지셀;
상기 전해질층이 구비된 공기극의 면의 반대면 상에 위치하고, 공기가 공급되고 홈부 패턴과 돌출 패턴을 갖는 유로 패턴이 구비된 제1 분리막;
상기 전해질층이 구비된 연료극의 면의 반대면 상에 위치하고, 연료가 공급되고 홈부 패턴과 돌출 패턴을 갖는 유로 패턴이 구비된 제2 분리막;
상기 공기극과 제1 분리막 사이에 구비된 공기극 집전체; 및
상기 공기극 집전체 중 상기 제1 분리막과 대향하는 면 상에, 상기 제1 분리막의 홈부 패턴을 따라 구비된 전기 전도성 패턴을 포함하며,
상기 전기 전도성 패턴은 상기 제1 분리막의 홈부 패턴에 삽입되며, 상기 전기 전도성 패턴의 기공율은 20% 이상 30% 미만인 것인 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
도 3에 따르면, 본 명세서는 공기극, 연료극 및 상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 전지셀(100); 상기 전해질층이 구비된 공기극의 면의 반대면 상에 위치하고, 공기가 공급되고 홈부 패턴(210)과 돌출 패턴(230)을 갖는 유로 패턴(250)이 구비된 제1 분리막(200); 상기 전해질층이 구비된 연료극의 면의 반대면 상에 위치하고, 연료가 공급되고 홈부 패턴과 돌출 패턴을 갖는 유로 패턴이 구비된 제2 분리막; 상기 공기극과 제1 분리막 사이에 구비된 공기극 집전체(500); 및 상기 공기극 집전체 중 상기 제1 분리막과 대향하는 면 상에, 상기 제1 분리막의 홈부 패턴을 따라 구비된 전기 전도성 패턴(300)을 포함하며, 상기 전기 전도성 패턴은 상기 제1 분리막의 홈부 패턴에 삽입되는 것인 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 분리막의 홈부 패턴의 평균 선폭은 상기 전기 전도성 패턴의 평균 선폭과 동일하거나 좁을 수 있다. 여기서, 상기 제1 분리막(200)의 홈부 패턴(210)의 폭과 상기 전기 전도성 패턴(300)의 폭은 도 6에 도시된 바와 같다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극 집전체 중 상기 제1 분리막과 대향하는 면 상에, 상기 제1 분리막의 홈부 패턴을 따라 구비된 전기 전도성 패턴은 반복적인 다수 개의 형상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴의 평균 선폭은 1 mm 내지 2 mm 일 수 있다. 바람직하게 상기 평균 선폭은 1.2 mm 내지 1.8 mm 수 있다. 더욱 바람직하게 상기 평균 선폭은 1.5 mm일 수 있다.
상기 전기 전도성 패턴의 평균 선폭이 상기 범위를 만족함에 따라 가스의 확산, 집전 성능 등을 적절하게 유지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 “선폭”은 “폭”을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 “선폭” 또는 “폭”이란, 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 하나의 형상의 종단면에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상이 나열된 방향과 평행한 방향으로 상기 형상의 양 끝점을 잇는 선분 중 가장 긴 선분을 의미한다.
상기 “종단면”이란 상기 전기 전도성 패턴이 상기 제1 분리막의 홈부 패턴에 삽입되는 방향과 평행한 방향으로 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상을 자른 단면을 의미하며, 구체적으로 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상의 폭이 최대인 선분을 자른 단면을 의미한다.
상기 전기 전도성 패턴의 기공율은 20% 이상 30% 미만일 수 있다. 구체적으로 상기 전기 전도성 패턴의 기공율은 20% 이상 26% 이하일 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 전기 전도성 패턴의 기공율은 22% 이상 26% 이하일 수 있다.
상기 전기 전도성 패턴의 기공율이 상기 범위를 만족함으로써, 전지 성능을 높일 수 있고, 공기가 전지셀로 확산되기 쉬운 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴의 평균 높이는 상기 제1 분리막의 홈부 패턴의 평균 깊이의 절반 이상일 수 있다. 여기서, 상기 제1 분리막(200)의 홈부 패턴(210)의 깊이와 상기 전기 전도성 패턴(300)의 높이는 도 6에 도시된 바와 같다.
상기 “절반 이상”이란, 상기 제1 분리막의 홈부 패턴의 전체 깊이를 기준으로, 50% 이상 100% 미만, 구체적으로 60% 이상 90% 이하, 더욱 구체적으로 60% 이상, 80% 이하의 길이를 의미할 수 있다.
상기 제1 분리막의 홈부 패턴의 “전체 깊이”란, 상기 제1 분리막의 홈부 패턴의 단면에 있어서, 폭과 수직인 방향으로의 길이를 의미한다. 상기 제1 분리막의 홈부 패턴의 단면, 폭, 깊이는 도 19에 도시된 바와 같다.
상기 전기 전도성 패턴의 평균 높이가 상기 범위를 만족함으로써, 상기 전해질층과 상기 유로 패턴 간 높이 방향으로 산소 농도 차이가 감소할 수 있다. 구체적으로, 상기 범위를 만족함으로써 공기극 집전체의 가스 진행방향으로의 차압이 증가할 수 있다. 차압이 증가함으로써, 공기의 유속 및 유량이 증가할 수 있다. 공기의 유속 및 유량이 증가함에 따라, 상기 전해질층과 상기 유로 패턴 간 높이 방향으로 산소 농도 차이가 감소하면서, 반응 면에서의 산소 농도가 높게 유지 될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴의 평균 높이는 0.1 mm 내지 1 mm 일 수 있다. 바람직하게 상기 평균 높이는 0.7 mm 내지 0.9 mm일 수 있다. 더욱 바람직하게 0.1 mm 내지 0.5 mm일 수 있다.
상기 전기 전도성 패턴의 평균 높이가 상기 범위를 만족함에 따라, 가스의 확산, 집전 성능 등을 적절하게 유지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 “높이”란, 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 하나의 형상의 종단면에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상이 나열된 방향과 수직인 방향으로 상기 형상의 양 끝점을 잇는 선분 중 가장 긴 선분을 의미한다.
상기 “횡단면”이란 상기 전기 전도성 패턴이 상기 제1 분리막의 홈부 패턴에 삽입되는 방향과 수직인 방향으로 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상을 자른 단면을 의미하며, 구체적으로 상기 전기 전도성 패턴의 높이가 0mm인 지점을 기준으로 자른 단면을 의미한다.
상기 “평균”이란, 본 명세서의 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상의 선폭, 높이, 길이 또는 상기 홈부 패턴의 깊이를 측정함에 있어, 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 다수 개의 형상의 선폭, 높이, 길이 또는 상기 홈부 패턴의 깊이를 측정하여, 그 평균 값을 계산한 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 후술하는 전기 전도도를 가질 수 있다면 제한 없이 적용될 수 있다.
구체적으로, 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상은 종단면을 기준으로 평균 폭이 1 mm 내지 2 mm, 평균 높이가 0.5 mm 내지 1 mm 일 수 있다.
상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상의 평균 폭 및 평균 높이가 상기 범위를 만족하는 경우, 전지 성능을 높일 수 있고, 공기가 전지셀로 확산되기 쉬운 장점이 있다.
도 16은 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상의 종단면의 예시를 (a) 내지 (g)로 나타낸 것이며, 각 형상에서의 전기 전도성 패턴의 평균 높이 및 평균 선폭을 나타낸 것이다. 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상은 (a) 내지 (g)에 한정되는 것은 아니며, 본 명세서의 전기 전도성 패턴으로 적용될 수 있는 것이라면 제한 없이 채용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상은 종단면을 기준으로 곡선, 직선 또는 이들의 조합으로 둘러싸인 형태를 포함할 수 있다.
상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상은 종단면을 기준으로 사각형, 한 쪽 모서리가 둥근 사각형, 2 이상의 양 쪽 모서리가 둥근 사각형, 한 쪽 변이 곡선을 포함하는 사각형, 홈이 파여진 사각형, 사다리꼴, 마름모형, 평행사변형, 사변형 또는 다각형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다각형이란 오각형 또는 육각형일 수 있다. 상기 홈이란, 상기 종단면을 기준으로 반원, 삼각형 또는 사다리꼴의 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 17은 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상의 횡단면의 예시를 (h) 내지 (k)로 나타낸 것이다. 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상은 (h) 내지 (k)에 한정되는 것은 아니며, 본 명세서의 전기 전도성 패턴으로 적용될 수 있는 것이라면 제한 없이 채용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상은 횡단면을 기준으로 곡선, 직선 또는 이들의 조합으로 둘러싸인 형태를 포함할 수 있다.
상기 전기 전도성 패턴에 포함되는 형상은 횡단면을 기준으로 사각형, 한 쪽 모서리가 둥근 사각형, 2 이상의 양 쪽 모서리가 둥근 사각형, 한 쪽 변이 곡선을 포함하는 사각형, 홈이 파여진 사각형, 사다리꼴, 마름모형, 평행사변형, 사변형 또는 다각형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다각형이란 오각형 또는 육각형일 수 있다. 상기 홈이란, 상기 횡단면을 기준으로 반원, 삼각형 또는 사다리꼴의 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴이 상기 제1 분리막의 홈부 패턴에 삽입되는 정도인 침투율은 60% 이상이다.
상기 침투율은 60% 이상 100% 미만, 구체적으로, 60% 이상 90% 이하, 더욱 구체적으로 60% 이상 80%이하일 수 있다.
상기 침투율이 상기 범위를 만족함으로써, 상기 전해질층과 상기 유로 패턴 간 높이 방향으로 산소 농도 차이가 감소할 수 있다. 구체적으로, 상기 범위를 만족함으로써 공기극 집전체의 가스 진행방향으로의 차압이 증가할 수 있다. 차압이 증가함으로써, 공기의 유속 및 유량이 증가할 수 있다. 공기의 유속 및 유량이 증가함에 따라, 상기 전해질층과 상기 유로 패턴 간 높이 방향으로 산소 농도 차이가 감소하면서, 반응 면에서의 산소 농도가 높게 유지 될 수 있다.
상기 침투율은 버니어 캘리퍼스로 상기 전기 전도성 패턴의 선폭 및 상기 전기 전도성 패턴의 높이를 측정하고, 상기 홈부 패턴의 선폭 및 상기 홈부 패턴의 깊이를 측정하여 계산할 수 있다.
상기 침투율은 상기 전기 전도성 패턴이 상기 홈부 패턴에 삽입되는 정도를 의미할 수 있다. 즉, 상기 침투율이 높아질수록 상기 전기 전도성 패턴이 상기 홈부 패턴에 삽입되는 정도가 큼을 의미한다.
상기 유로 패턴 간 높이 방향으로 산소 농도의 측정은, 600℃에서 전류밀도 500mA/cm2를 기준으로 공기극으로 연료전지 셀 당 약 250 sccm의 Air를 흘리고 연료극으로 수소를 약 50 sccm을 흘려 전해질층으로부터 유로 패턴 간 높이에 따른 산소(O2) 농도 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 연료전지 1kW 스택(Stack)으로 3 X 3 cm2의 단일 Cell을 제조하여 측정할 수 있고, 전류(Current)는 4.96 A, 유효면적(Effective Area)는 9.9225 cm2, 연료이용률(Utilization Factor, UF)은 70% 일 수 있다.
상기 유로 패턴 간 높이 방향으로 산소 농도의 측정은 Viscous model(Laminar flow)을 이용하여 하기 조건에서 측정할 수 있다.
Density: incompressible ideal gas,
Specific heat: mixing-law,
Thermal conductivity: mass weighted mixing law,
Viscosity: mass weighted mixing law,
Mass diffusivity: kinetic-theory (fluent 내장 모델),
작동 가스: 애노드(H2, H2O), 캐소드(N2, O2)
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴의 기공율이 20% 이상 30% 미만, 바람직하게 25%인 경우, 상기 침투율이 60% 이상 100% 미만일 수 있다.
상기 전기 전도성 패턴의 전기 전도도는 접촉하는 연료극보다 높은 전기 전도도를 갖는 것이 바람직하며, 구체적으로 상기 전기 전도성 패턴의 전기 전도도는 400S/cm 이상일 수 있다. 상기 전기 전도성 패턴의 전기 전도도는 높으면 높을수록 좋으므로 전기 전도성 패턴의 전기 전도도의 상한치는 한정하지 않는다.
상기 전기 전도성 패턴의 재질은 전기 전도도를 갖는다면, 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 은(Ag) 및 금(Au) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 공기극 집전체는 폼(foam) 형상, 메쉬(mesh) 형상, 펠트(felt) 형상 및 직조물 형상으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 형태일 수 있으며, 상기 공기극 집전체의 재질은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 은(Ag) 및 금(Au) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전지셀은 공기극, 연료극 및 상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층을 포함할 수 있다.
상기 전해질층은 산소이온 전도성 무기물을 포함할 수 있으며, 산소이온 전도성을 가진다면 특별히 한정하지 않는다. 구체적으로, 상기 전해질층의 산소이온 전도성 무기물은 산화 지르코늄계, 산화 세륨계, 산화 란탄계, 산화 티타늄계 및 산화 비스무스계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 복합 금속 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전해질층의 산소이온 전도성 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 및 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 공기극은 산소이온 전도성 무기물을 포함할 수 있다. 상기 무기물 입자는 산소이온 전도성을 가진다면 특별히 한정하지 않으나, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 채용할 수 있다.
예를 들면, 상기 공기극의 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 란탄 스트론튬 망간 산화물(Lanthanum strontium manganese oxide: LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(Lanthanum calcium nickel ferrite: LCNF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(Lanthanum strontium cobalt oxide: LSC) 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(Gadolinium strontium cobalt oxide: GSC), 란탄 스트론튬 페라이트 (Lanthanum strontium ferrite: LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물 (Samarium strontium cobalt oxide: SSC) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite : BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 연료극은 산소이온 전도성 무기물을 포함할 수 있다. 상기 연료극의 무기물은 산소이온 전도성을 가진다면 특별히 한정하지 않으나, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 채용할 수 있다.
예를 들면, 상기 연료극의 무기물은 전술한 전해질에 포함되는 산소이온 전도성 무기물과 동일한 무기물과 함께 니켈 옥사이드가 혼합된 서메트(cermet)가 사용될 수 있다.
상기 전지셀의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.
상기 전지셀은 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.
본 명세서는 상기 전지셀을 단위 전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
도 2는 연료전지를 포함하는 전지 모듈의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지는 전지 모듈(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.
전지 모듈(60)은 상술한 연료전지를 단위전지로 하나 또는 둘 이상 포함하며, 단위전지가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 단위전지들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 단위전지로 전달하는 역할을 한다.
산화제 공급부(70)는 산화제를 전지 모듈(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 산화제 공급부(70)로 주입하여 사용할 수 있다.
연료 공급부(80)는 연료를 전지 모듈(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 전지 모듈(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 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]
측정에 사용된 고체산화물 연료전지는 연료극 지지체(ASL, Anode Support Layer), 연료극 기능층(AFL, Anode Functional Layer), 전해질층(EL, Electrolyte Layer) 및 공기극(CL, Cathode Layer)으로 제조했다.
ASL 슬러리(slurry)는 무기물로 GDC, NiO 및 Carbon Black을 사용하고, 이때 GDC와 NiO의 비율은 5:5 vol%이고, 슬러리 전체 중량을 기준으로, carbon black이 10wt%로 구성되게 된다.
또한, 상기 ASL 슬러리는 분산제, 가소제, 바인더 수지를 용매와 함께, 슬러리 전체 중량을 기준으로, 용매 20 wt%, 분산제 9 wt%, 가소제 1 wt% 및 바인더 10 wt%으로 첨가했다. 상기 ASL 슬러리를 테이프 케스팅(Tape Casting) 및 라미네이션 방식으로 두께가 700 ㎛인 ASL 그린시트(Green Sheet)를 얻었다.
AFL 슬러리는 ASL 슬러리와 유기물은 동일하나, GDC와 NiO의 구성 비가 6:4 vol%이고 carbon black이 포함되지 않은 것이며, 이를 사용하여 ASL보다 얇은 두께인 30 ㎛의 AFL 그린시트를 캐스팅했다.
EL 슬러리는 ASL 슬러리와 무기물을 제외한 유기물은 동일하나, NiO 및 carbon black없이 GDC만으로 무기물을 구성한 것이며, 이를 사용하여 두께가 30 ㎛의 EL 그린시트를 캐스팅했다.
ASL 그린시트, AFL 그린시트 및 EL 그린시트를 순차적으로 라미네이션(Lamination)한 후 1450 ℃에서 소결하여 하프셀(Half Cell)을 제조했다. 이때, 소결 후 ASL, AFL 및 EL의 두께는 각각 500 ㎛, 20 ㎛ 및 20 ㎛이었다.
전체 조성물 총 중량을 기준으로, 무기물 70 wt%(LSCF: GDC= 5: 5 vol%), 바인더 조성물로서 에틸셀룰로오스-부틸카비톨 용액을 30wt% 포함한 공기극 조성물을 3 롤 밀(Roll Mill)을 이용하여 패이스트(Paste) 형태로 공기극 조성물을 제조하였다.
앞서 제조된 하프셀의 전해질층 위에, 공기극 조성물을 스크린 프린팅(screen printing)법으로 도포하고 건조한 후, 1050℃로 열처리하여 공기극을 형성했다.
제조된 연료전지 Cell에 부착될 연료극 집전체로서 니켈 메쉬(Nickel mesh)을 사용했다.
제조된 연료전지 Cell의 공기극 측에 공기극 집전체인 은 메쉬패턴을 형성하면서, 도 15와 같이 상기 공기극 집전체 상에 공기극측에 접촉되는 분리막의 홈부 패턴과 대칭되는 폭 1.5mm, 높이 0.8mm 수준의 전기 전도성 패턴도 함께 형성했다.
이때, 상기 공기극 집전체 및 이에 구비된 전기 전도성 패턴의 기공율은 22%이었다.
제조된 전기 전도성 패턴의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지를 도 7에 도시했다.
[실시예 2]
공기극 집전체 및 이에 구비된 전기 전도성 패턴의 기공율을 26%로 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조했다. 제조된 전기 전도성 패턴의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지를 도 8에 도시했다.
[실시예 3]
공기극 집전체 및 이에 구비된 전기 전도성 패턴의 기공율을 25%로 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조했다.
[비교예 1]
공기극 집전체 및 이에 구비된 전기 전도성 패턴의 기공율을 11%로 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조했다. 제조된 전기 전도성 패턴의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지를 도 9에 도시했다.
[비교예 2]
공기극 집전체 및 이에 구비된 전기 전도성 패턴의 기공율을 33%로 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조했다. 제조된 전기 전도성 패턴의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지를 도 10에 도시했다.
[비교예 3]
공기극 집전체 및 이에 구비된 전기 전도성 패턴의 기공율을 66%로 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조했다. 제조된 전기 전도성 패턴의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지를 도 11에 도시했다.
[실험예 1]
저항 측정은 연료전지 셀 각각의 전극에 백금 와이어를 연결하여 전기로 장비 외부에 위치한 저항 측정장비에 접합시킨 후, 4프로브2와이어(4prove 2wire)방법을 이용하여 저항을 측정하였다. 이때 사용된 측정장비는 solartron 1287과 1260을 사용하였다.
측정 결과로 오믹저항(Ω) 및 면적비저항(Ω*cm-2)을 도 12 및 14에 각각 나타냈다.
이를 통해, 도 12의 오믹저항 그래프를 통해, 기공율이 증가할수록 오믹저항이 높아지는 것을 알 수 있고, 도 14의 면적비저항 그래프를 통해, 상기 전기 전도성 패턴의 기공율이 20% 이상 30% 미만인 실시예 1 및 2가 비교예 1 내지 3보다 계면저항이 낮은 것을 확인할 수 있다.
[실험예 2]
실시예 및 비교예의 전지성능을 600℃에서 공기극으로 연료전지 셀 당 2000cc의 Air를 흘리고 연료극으로 수소를 500cc를 흘려 Potentiostat으로 Current Sweep을 통하여 성능을 측정했다. 그 결과를 도 13에 나타냈다.
이를 통해, 상기 전기 전도성 패턴의 기공율이 20% 이상 30% 미만인 실시예 1 및 2가 비교예 1 내지 3보다 좋은 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 3]
실시예 3에서 제조한 연료전지 Cell을 600℃에서 전류밀도 500mA/cm2를 기준으로 공기극으로 연료전지 셀 당 약 250 sccm의 Air를 흘리고 연료극으로 수소를 약 50 sccm을 흘려 전해질층으로부터 유로 패턴 간 높이에 따른 산소(O2) 농도를 확인하여 하기 도 18에 나타내었다.
구체적으로, 상기 연료전지 Cell은 1kW 스택(Stack)으로 3 X 3 cm2의 단일 Cell이었고, 전류(Current)는 4.96 A, 유효면적(Effective Area)는 9.9225 cm2, 연료이용률(Utilization Factor, UF)은 70%이었다.
도 18의 0 내지 100%는 침투율을 나타내는 것이며, 가로축은 공기극 집전체에 구비된 전기 전도성 패턴의 높이, 세로축은 전기 전도성 패턴의 높이에 따른 산소(O2) 농도 비율을 나타낸 것이다.
상기 산소(O2) 농도 비율은 Viscous model(Laminar flow)을 이용하여 후술하는 조건에서 측정하였다.
Density: incompressible ideal gas,
Specific heat: mixing-law,
Thermal conductivity: mass weighted mixing law,
Viscosity: mass weighted mixing law,
Mass diffusivity: kinetic-theory (fluent 내장 모델),
작동 가스: 애노드(H2, H2O), 캐소드(N2, O2)
상기 침투율은 버니어 캘리퍼스로 상기 전기 전도성 패턴의 선폭 및 상기 전기 전도성 패턴의 높이를 측정하고, 상기 홈부 패턴의 선폭 및 상기 홈부 패턴의 깊이를 측정하여 계산하였다.
이를 통해, 침투율 0 내지 40% 인 경우보다, 60% 이상인 경우에 연료전지의 전해질층과 유로 패턴 간 높이 방향으로 산소 농도 차이가 감소하여, 반응 면에서의 산소 농도가 높게 유지될 수 있음을 확인하였다.
60: 전지 모듈
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프
100: 전지셀
200: 제1 분리막
210: 제1 분리막의 홈부 패턴
230: 제1 분리막의 돌출 패턴
250: 제1 분리막의 유로 패턴
300: 전기 전도성 패턴
500: 공기극 집전체

Claims (7)

  1. 공기극, 연료극 및 상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 전지셀;
    상기 전해질층이 구비된 공기극의 면의 반대면 상에 위치하고, 공기가 공급되고 홈부 패턴과 돌출 패턴을 갖는 유로 패턴이 구비된 제1 분리막;
    상기 전해질층이 구비된 연료극의 면의 반대면 상에 위치하고, 연료가 공급되고 홈부 패턴과 돌출 패턴을 갖는 유로 패턴이 구비된 제2 분리막;
    상기 공기극과 제1 분리막 사이에 구비된 공기극 집전체; 및
    상기 공기극 집전체 중 상기 제1 분리막과 대향하는 면 상에, 상기 제1 분리막의 홈부 패턴을 따라 구비된 전기 전도성 패턴을 포함하며,
    상기 전기 전도성 패턴은 상기 제1 분리막의 홈부 패턴에 삽입되며, 상기 전기 전도성 패턴의 기공율은 20% 이상 30% 미만인 것인 고체 산화물 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 분리막의 홈부 패턴의 평균 선폭은 상기 상기 전기 전도성 패턴의 평균 선폭과 동일하거나 좁은 것인 고체 산화물 연료전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴의 평균 높이는 상기 제1 분리막의 홈부 패턴의 평균 깊이의 절반 이상인 것인 고체 산화물 연료전지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴이 상기 제1 분리막의 홈부 패턴이 삽입되는 정도인 침투율이 60% 이상인 것인 고체 산화물 연료전지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴의 전기 전도도는 400S/cm 이상인 것인 고체 산화물 연료전지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 전기 전도성 패턴은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 은(Ag) 및 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 고체 산화물 연료전지.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 고체 산화물 연료전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈.
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