KR20200010848A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a solid oxide fuel cell which comprises: a first cathode in which a cathode current collector in a unit cell is made of a material having relatively high electrical conductivity; and a second cathode made of a material having relatively high ion conductivity. More specifically, the present invention relates to a solid oxide fuel cell which can improve the performance of a fuel cell since current collection and electrochemical reactions can be applied more efficiently.

Description

고체산화물 연료전지 {SOLID OXIDE FUEL CELL}Solid Oxide Fuel Cell {SOLID OXIDE FUEL CELL}

본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것으로써, 단위 셀 내 캐소드 집전체가 전기전도도가 상대적으로 높은 소재로 구성된 제1 캐소드 및 이온전도도가 상대적으로 높은 소재로 구성된 제2 캐소드를 포함함으로써, 집전과 전기화학반응을 보다 효율적으로 활용할 수 있어 연료 전지의 성능이 향상될 수 있는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell, wherein a cathode current collector in a unit cell includes a first cathode composed of a material having relatively high electrical conductivity and a second cathode composed of a material having a relatively high ion conductivity. The present invention relates to a solid oxide fuel cell capable of more efficiently utilizing an electrochemical reaction, thereby improving performance of a fuel cell.

최근, 석유와 같은 기존 에너지 자원이 고갈되면서 이들을 대체할 수 있는 대체에너지에 대한 관심이 높아지고 있는데 이러한 대체에너지의 하나로 연료전지가 주목을 받고 있다.Recently, as the existing energy resources such as petroleum are exhausted, there is a growing interest in alternative energy that can replace them, and one of such alternative energy has attracted attention as a fuel cell.

연료전지의 경우, 고효율이고, 다양한 사이즈로 제작이 가능해 응용범위가 넓으며, 화석연료 및 석유연료에 대한 의존성이 낮아 연료에서 공해물질이 배출되지 않는다는 장점으로 활발하게 연구가 진행되고 있다.In the case of fuel cells, research is being actively conducted due to the high efficiency and the wide range of applications that can be manufactured in various sizes, and the low dependence on fossil fuels and petroleum fuels to prevent the emission of pollutants from fuels.

일반적으로 연료전지의 단위 셀은 전해질 양면에 각각 공기극 및 연료극을 형성하여 연료극은 애노드(anode), 그리고 공기극(cathode)은 캐소드로 구성되고 연료극에 연료를 공급해주면 연료가 산화되어 전자가 외부회로를 통해 방출되며, 공기극에 산소를 공급해주면 외부회로로부터 전자를 받아서 산소 이온으로 환원된다. 이처럼 환원된 산소 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 산화된 연료와 반응하여 물을 생성한다.In general, the unit cell of the fuel cell forms an anode and a cathode on both sides of the electrolyte, respectively, the anode consists of an anode, and the cathode consists of a cathode. When the fuel is supplied to the anode, the fuel is oxidized to form an electron. When the oxygen is supplied to the cathode, the electrons are received from the external circuit and reduced to oxygen ions. The reduced oxygen ions move to the anode through the electrolyte and react with the oxidized fuel to produce water.

이러한, 단위 셀 중 고체산화물 단위 셀의 단전지들을 연결하여 고용량화 시킨 것을 스택(stack)이라고 하며, 이를 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)로 이용하고 있다.The unit cells of the solid oxide unit cells of the unit cells have a high capacity by being connected to a stack, which is used as a solid oxide fuel cell.

여기서, 고체산화물 연료전지 스택의 인터커넥터는 가스 유로가 형성되어 있는데, 공기극인 캐소드는 인터커넥터의 일측과 맞닿아 가스유로로 유입된 공기와 표면에서 반응하고, 인터커넥터와 닿은 부분에서는 집전의 기능을 하고 있다.Here, the interconnection of the solid oxide fuel cell stack has a gas flow path, and the cathode, which is the cathode, reacts with the air flowing into the gas flow path by contacting one side of the interconnector, and functions as a current collector at the contact area with the interconnector. Doing

이때, 고체산화물 연료전지에 배치되는 캐소드 층의 전기전도도 및 이온전도도에 따라 연료전지의 목표 전력 출력에 영향을 주면서 전체적인 전지의 성능에도 영향을 미칠 수 있다.In this case, depending on the electrical and ion conductivity of the cathode layer disposed in the solid oxide fuel cell may affect the target power output of the fuel cell, it may also affect the performance of the overall cell.

이에 종래의 고체산화물 연료전지의 경우, 단위 셀 및 인터커넥터 사이에 전기전도도가 높은 소재로 구성된 캐소드 층을 배치함으로써 고체산화물 연료전지의 안정적인 전력 출력이 가능하도록 하였다.In the conventional solid oxide fuel cell, a cathode layer made of a material having high electrical conductivity is disposed between the unit cell and the interconnector to enable stable power output of the solid oxide fuel cell.

그러나, 이러한 종래의 고체산화물 연료전지의 경우, 캐소드 층의 이온전도도가 낮아지면서 캐소드 층과 가스유로로 공급된 공기와의 표면 반응이 저하된다는 문제점을 가지고 있었고, 이로 인해 고체산화물 연료 전지의 성능이 저하된다는 문제점을 가지고 있었다.However, such a conventional solid oxide fuel cell has a problem in that the surface reaction between the cathode layer and the air supplied to the gas flow is lowered as the ion conductivity of the cathode layer is lowered, which causes the performance of the solid oxide fuel cell to decrease. It had a problem of deterioration.

한국공개특허 10-2015-0001402호Korean Patent Publication No. 10-2015-0001402

본 발명의 목적은, 단위 셀 내 캐소드 집전체가 전기전도도가 상대적으로 높은 소재로 구성된 제1 캐소드 및 이온전도도가 상대적으로 높은 소재로 구성된 제2 캐소드를 포함하도록 구성됨으로써 집전 반응과 전기화학반응을 보다 효율적으로 활용할 수 있고, 이로 인해 연료전지의 성능이 향상될 수 있는 고체산화물 연료전지를 제공하고자 하는 것이다. An object of the present invention is that the cathode current collector in the unit cell is configured to include a first cathode composed of a material having a relatively high electrical conductivity and a second cathode composed of a material having a relatively high ion conductivity, thereby performing current collection and electrochemical reactions. It is to provide a solid oxide fuel cell that can be utilized more efficiently, thereby improving the performance of the fuel cell.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는, 전해질; 상기 전해질의 일측에 배치되고, 캐소드 집전체를 포함하는 캐소드(cathode); 및 상기 전해질의 타측에 배치되는 애노드(anode); 를 포함하는 단위 셀; 및 상기 단위 셀의 양측에 각각 배치되고, 돌출부 및 유로부로 구성되는 인터커넥터(interconnect); 를 포함하고, 상기 캐소드 집전체는, 상기 인터커넥터의 돌출부와 접하는 복수의 제1 캐소드; 및 상기 인터커넥터의 유로부와 반응하는 복수의 제2 캐소드;를 포함하는 것을 특징으로 한다. Solid oxide fuel cell according to the present invention, the electrolyte; A cathode disposed on one side of the electrolyte and including a cathode current collector; An anode disposed on the other side of the electrolyte; A unit cell comprising a; And interconnectors disposed at both sides of the unit cell and configured to include protrusions and flow path portions. The cathode current collector includes: a plurality of first cathodes in contact with the protrusions of the interconnector; And a plurality of second cathodes reacting with the flow path portion of the interconnector.

바람직하게는, 상기 캐소드는 상기 기능층 캐소드를 더 포함하고, 상기 기능층 캐소드의 열팽창계수(CTE：Coefficient of Thermal Expansion)는 상기 전해질과 비교했을 때, -10% 내지 +10% 범위일 수 있다. Preferably, the cathode further includes the functional layer cathode, and the coefficient of thermal expansion (CTE) of the functional layer cathode may be in the range of -10% to + 10% when compared to the electrolyte. .

바람직하게는, 상기 제1 캐소드는, 상기 제2 캐소드보다 전기전도도가 높은 소재로 구성될 수 있다.Preferably, the first cathode may be made of a material having a higher electrical conductivity than the second cathode.

바람직하게는, 상기 제1 캐소드는, LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) 및 LSC(Lanthanum Strontium Cobaltite)로 구성될 수 있다.Preferably, the first cathode may be composed of Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF) and Lanthanum Strontium Cobaltite (LSC).

바람직하게는, 상기 제2 캐소드는, 상기 제1 캐소드보다 이온전도도가 높은 소재로 구성될 수 있다. Preferably, the second cathode may be made of a material having a higher ion conductivity than the first cathode.

바람직하게는, 상기 제2 캐소드는, BSCF(Barium Strontium Cobalt Ferrite)로 구성될 수 있다. Preferably, the second cathode may be composed of Barium Strontium Cobalt Ferrite (BSCF).

바람직하게는, 상기 복수의 제1 캐소드는, 각각 이격되게 배치되고, 상기 제2 캐소드는, 상기 복수의 제1 캐소드 사이에 배치될 수 있다. Preferably, the plurality of first cathodes may be disposed to be spaced apart from each other, and the second cathode may be disposed between the plurality of first cathodes.

바람직하게는, 상기 캐소드 집전체의 형태는, 상기 인터커넥터의 돌출부 및 유로부의 형태에 따라 달라질 수 있다. Preferably, the shape of the cathode current collector may vary depending on the shape of the protrusion and the flow path of the interconnector.

본 발명의 일 측면에 따르면, 단위 셀 내 캐소드 집전체가 전기전도도가 상대적으로 높은 소재로 구성된 제1 캐소드 및 이온전도도가 상대적으로 높은 소재로 구성된 제2 캐소드를 포함하도록 구성됨으로써 집전 반응과 전기화학반응을 보다 효율적으로 활용할 수 있게 된다. According to an aspect of the present invention, the current collector reaction and electrochemistry by the cathode current collector in the unit cell is configured to include a first cathode composed of a relatively high electrical conductivity material and a second cathode composed of a relatively high ion conductivity material The reaction can be used more efficiently.

또한 본 발명에 따르면, 전해질과 열팽창계수(CTE：Coefficient of Thermal Expansion)가 동일하거나 유사한 추가적인 캐소드층이 추가됨으로써 계면 박리가 방지될 수 있게 된다. In addition, according to the present invention, an additional cathode layer having the same or similar coefficient of thermal expansion (CTE) as the electrolyte may be added to prevent interfacial peeling.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지(1000)의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 집전체(21)의 구조를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 1 is a view schematically showing the structure of a solid oxide fuel cell 1000 according to an embodiment of the present invention.
2 is a plan view schematically showing the structure of the cathode current collector 21 according to an embodiment of the present invention.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, repeated descriptions and detailed descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted. Embodiments of the present invention are provided to fully explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기제가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함 할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components, unless there is a specially opposing mechanism.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid in understanding the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the examples.

<고체산화물 연료전지><Solid Oxide Fuel Cell>

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지(1000)의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 집전체(21)를 위에서 본 형태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.1 is a view schematically showing a structure of a solid oxide fuel cell 1000 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view of a cathode current collector 21 according to an embodiment of the present invention seen from above. It is a top view shown by.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지(1000)는 단위 셀(100) 및 돌출부(210) 및 유로부(220)로 구성된 인터커넥터(200)를 포함할 수 있고, 이때 단위 셀(100)은 전해질(10), 전해질(10)의 일측에 배치되는 캐소드(20) 및 전해질(10)의 타측에 배치되는 애노드(30)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the solid oxide fuel cell 1000 according to an exemplary embodiment of the present invention may include an interconnector 200 including a unit cell 100, a protrusion 210, and a flow path part 220. In this case, the unit cell 100 may include an electrolyte 10, a cathode 20 disposed on one side of the electrolyte 10, and an anode 30 disposed on the other side of the electrolyte 10.

이때, 캐소드(20)는 캐소드 집전체(21) 및 추가적인 기능층 캐소드(22)를 포함할 수 있고, 캐소드 집전체(21)는 제1 캐소드(21a) 및 제2 캐소드(21b)를 포함할 수 있다.In this case, the cathode 20 may include a cathode current collector 21 and an additional functional layer cathode 22, and the cathode current collector 21 may include a first cathode 21a and a second cathode 21b. Can be.

먼저, 단위 셀(100)은 전해질(10)을 포함할 수 있는데, 단위 셀(100)의 전해질(10)은 내부에 공급되는 연료와 가스가 혼합되지 않도록 구조가 치밀해야 하며, 산소 이온의 전도도가 높고 전자전도도가 낮아야 한다.First, the unit cell 100 may include an electrolyte 10. The electrolyte 10 of the unit cell 100 must have a dense structure such that fuel and gas supplied therein are not mixed, and conductivity of oxygen ions. Should be high and the electron conductivity low.

이때, 단위 셀(100)의 전해질(10)은 산소 이온 전도성 고체산화물로 구성될 수 있는데 예를 들면, 높은 전도성과 우수한 안정성을 갖는 물질로써 구성하는 지르코니아계, 세리아계 및 란타늄 갈레이트계 고체 전해질 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.At this time, the electrolyte 10 of the unit cell 100 may be composed of an oxygen ion conductive solid oxide, for example, a zirconia-based, ceria-based and lanthanum gallate-based solid electrolyte composed of a material having high conductivity and excellent stability. It may be configured to include at least one.

다음으로, 캐소드(20)는 캐소드 집전체(21) 및 추가적인 기능층 캐소드(22)를 포함할 수 있다. 이때 기능층 캐소드(22)는 다공성 막으로 제공될 수 있고, 캐소드 집전체(21)는 기능층 캐소드(22)와 같은 두께이거나 더 두꺼운 두께로 제공될 수 있다.Next, the cathode 20 may include a cathode current collector 21 and an additional functional layer cathode 22. In this case, the functional layer cathode 22 may be provided as a porous membrane, and the cathode current collector 21 may be provided in the same thickness or thicker than the functional layer cathode 22.

캐소드 집전체(21)는 후술되는 인터커넥터(200)의 돌출부(210)와 접하는 복수의 제1 캐소드(21a) 및 인터커넥터(200)의 유로부(220)와 반응하는 복수의 제2 캐소드(21b)를 포함할 수 있다.The cathode current collector 21 may include a plurality of first cathodes 21a contacting the protrusion 210 of the interconnector 200 and a plurality of second cathodes reacting with the flow path part 220 of the interconnector 200. 21b).

도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 캐소드(21a)는 인터커넥터(200)의 돌출부(210)와 맞닿아 제1 캐소드(21a)의 표면에서 집전이 일어날 수 있고, 제2 캐소드(21b)는 인터커넥터(200)의 유로부(220)로 공급되는 공기와 표면 반응을 함으로써 고체산화물 연료전지(1000)의 목표 전력 출력량을 향상시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 1 and 2, the first cathode 21a may contact the protrusion 210 of the interconnector 200 to collect current on the surface of the first cathode 21a, and the second cathode 21b may be used. The surface reaction may be configured to improve the target power output of the solid oxide fuel cell 1000 by performing a surface reaction with air supplied to the flow path part 220 of the interconnector 200.

여기서, 캐소드 집전체(21)의 형태는 캐소드 집전체(21)와 인접하는 인터커넥터(200)의 돌출부(210) 및 유로부(220)의 형태 및 길이에 따라 달라질 수 있는데, 제1 캐소드(21a) 및 제2 캐소드(21b)의 폭의 크기는 인터커넥터(200)의 돌출부(210) 및 유로부(220)의 폭의 크기와 동일하게 제공될 수 있다.The shape of the cathode current collector 21 may vary depending on the shape and length of the protrusion 210 and the flow path part 220 of the interconnector 200 adjacent to the cathode current collector 21. The width of the second cathode 21b and the second cathode 21b may be the same as the width of the protrusion 210 and the flow path 220 of the interconnector 200.

예를 들어, 인터커넥터(200)의 돌출부(210)의 폭이 3μm이고, 인터커넥터(200)의 유로부(220)의 폭이 7μm이면, 제1 캐소드(21a)의 폭의 크기는 돌출부(210)의 폭과 동일하게 3μm로 제공될 수 있고, 제2 캐소드(21b)의 폭의 크기는 유로부(220)의 폭과 동일하게 7μm로 제공될 수 있다.gFor example, when the width of the protrusion 210 of the interconnector 200 is 3 μm and the width of the flow path portion 220 of the interconnector 200 is 7 μm, the size of the width of the first cathode 21 a is the protrusion ( The width of the second cathode 21b may be provided in the same width as that of 210, and the size of the width of the second cathode 21b may be provided in the same width of 7 μm.

제1 캐소드(21a)는 복수 개로 구성되어 각각 이격되게 배치될 수 있고, 제2 캐소드(21b)는 복수의 제1 캐소드(21a) 사이에 각각 배치됨으로써 캐소드(30)의 형태는 제1 캐소드(21a) 및 제2 캐소드(21b)가 순차적으로 반복되는 형태가 될 수 있다.A plurality of first cathodes 21a may be arranged to be spaced apart from each other, and the second cathodes 21b may be disposed between the plurality of first cathodes 21a to form a first cathode ( 21a) and the second cathode 21b may be repeated in sequence.

한편 이러한 캐소드 집전체(21)는 물질이 더 추가되어 제1 캐소드(21a) 및 제2 캐소드(21b)와 소재 구성이 상이한 제3 캐소드(도시되지 않음) 및 제4 캐소드(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있음을 유의한다. 이때, 제3 캐소드 및 제4 캐소드는 제1 캐소드(21a) 및 제2 캐소드(21b)와 인접하게 위치될 수 있다.Meanwhile, the cathode current collector 21 may further include a material so that the third cathode (not shown) and the fourth cathode (not shown) having different material configurations from the first cathode 21 a and the second cathode 21 b may be formed. Note that it may further include. In this case, the third cathode and the fourth cathode may be positioned adjacent to the first cathode 21a and the second cathode 21b.

제1 캐소드(21a)는 제2 캐소드(21b)보다 상대적으로 전기전도도가 높은 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 좀 더 상세하게, 제1 캐소드(21a)는 LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) 및 LSC(Lanthanum Strontium Cobaltite)로 구성되어 전기전도도가 향상될 수 있다.The first cathode 21a is preferably made of a material having a relatively higher electrical conductivity than the second cathode 21b. More specifically, the first cathode 21a may be composed of Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF) and Lanthanum Strontium Cobaltite (LSC), thereby improving electrical conductivity.

제2 캐소드(21b)는 제1 캐소드(21a)보다 상대적으로 이온 전도도가 높은 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 좀 더 상세하게, 제2 캐소드(21b)는 BSCF(Barium Strontium Cobalt Ferrite)로 구성되어 이온전도도가 향상될 수 있다.The second cathode 21b is preferably made of a material having a higher ion conductivity than the first cathode 21a. In more detail, the second cathode 21b may be made of barium strontium cobalt ferrite (BSCF), thereby improving ion conductivity.

이처럼, 캐소드 집전체(21)는 전기전도도를 향상시킨 제1 캐소드(21a) 및 이온전도도를 향상시킨 제2 캐소드(21b)로 구성되어 인터커넥터(200)와 인접하게 배치됨으로써, 캐소드 집전체(21)의 전기전도도 및 이온전도도가 동시에 향상되어 집전 반응과 전기 화학적 반응이 보다 효율적으로 활용될 수 있고, 이로 인해 고체산화물 연료전지(1000)의 성능이 향상될 수 있게 된다.As such, the cathode current collector 21 is composed of a first cathode 21a having improved electrical conductivity and a second cathode 21b having improved ion conductivity, and are disposed adjacent to the interconnector 200, thereby providing a cathode current collector ( The electrical conductivity and the ion conductivity of 21 may be improved at the same time, so that the current collection reaction and the electrochemical reaction may be more efficiently utilized, and thus the performance of the solid oxide fuel cell 1000 may be improved.

이러한 캐소드 집전체(21)는 스크린 프린팅(screen process printing) 및 그린 시트 캐스팅(green sheet casting) 공정으로 제작될 수 있음을 유의한다.Note that the cathode current collector 21 can be manufactured by screen process printing and green sheet casting processes.

기능층 캐소드(22)는 캐소드 집전체(21)의 하단에 추가적으로 배치될 수 있고, 단위 셀(100)의 전해질(10)과 열팽창계수(CTE：Coefficient of Thermal Expansion)가 동일하거나 유사하게 제공될 수 있으며, 이로 인해 단위 셀(100) 내 계면 박리가 방지될 수 있게 된다. 여기서 기능층 캐소드의 열팽창계수는 상기 전해질과 비교했을 때, -10% 내지 +10% 범위인 것이 바람직하다. The functional layer cathode 22 may be additionally disposed at the bottom of the cathode current collector 21, and the electrolyte 10 and the coefficient of thermal expansion (CTE) of the unit cell 100 may be provided in the same or similar manner. In this case, the interface peeling in the unit cell 100 may be prevented. Herein, the thermal expansion coefficient of the functional layer cathode is preferably in the range of -10% to + 10% as compared with the electrolyte.

이러한 기능층 캐소드(22)는 다공성의 형태로 제공될 수 있고, 기능층 캐소드(22)의 밀도는 캐소드 집전체(21)의 밀도보다 작게 제공됨으로써 고체산화물 연료전지(1000)에 공급되는 가스의 유동을 용이하게 유도시킬 수 있고, 이로 인해 캐소드 집전체(21)에서의 집전 반응이 더 활발하게 일어나면서 고체산화물 연료전지(1000)의 출력 전력이 향상될 수 있게 된다. The functional layer cathode 22 may be provided in a porous form, and the density of the functional layer cathode 22 is provided to be smaller than that of the cathode current collector 21, thereby reducing the concentration of the gas supplied to the solid oxide fuel cell 1000. The flow can be easily induced, and as a result, the current collecting reaction in the cathode current collector 21 is more active, and thus the output power of the solid oxide fuel cell 1000 can be improved.

다음으로, 애노드(30)는 연료극으로써 전해질(10)의 한 측면에 위치하여 고체산화물 연료전지(1000)에 공급되는 연료의 전기화학적 산화와 전하 전달 역할을 하며, ASL(Anode Support Layer) 및 AFL(Anode Functional Layer)를 포함할 수 있다.Next, the anode 30 is located on one side of the electrolyte 10 as a fuel electrode, and serves as electrochemical oxidation and charge transfer of fuel supplied to the solid oxide fuel cell 1000, and an anode support layer (ASL) and an AFL. (Anode Functional Layer) may be included.

여기서, AFL은 다공성 막의 형태로 제공되고, ASL은 AFL과 같은 두께이거나 더 두꺼운 두께로 제공됨으로써 애노드(30)의 지지층 역할을 할 수 있으며, 전기 전도도가 우수하게 형성될 수 있다.Here, the AFL may be provided in the form of a porous membrane, and the ASL may serve as a support layer of the anode 30 by being provided with a thickness thicker or the same as AFL, and may be formed with excellent electrical conductivity.

애노드(30)는 단위 셀(100)의 전해질(10)을 형성하는 재료인 지르코니아계, 세리아계 및 란타늄 갈레이트계와 니켈 옥사이드 등이 혼합된 서머트(cermet)를 포함할 수 있고, Ni/YSZ 서머트 혹은 Ru/YSZ 서머트 중 하나 이상의 서머트를 포함할 수 있다.The anode 30 may include cermet mixed with zirconia-based, ceria-based and lanthanum gallate-based and nickel oxide, which are materials for forming the electrolyte 10 of the unit cell 100, and Ni / It may include one or more of the YSZ Somer or Ru / YSZ Somer.

또한, 애노드(30)는 Ni, Co, Ru 및 Pt 등의 순수 금속 등을 포함한 소재로 구성될 수 있으며, 필요에 따라 활성탄소를 추가로 포함할 수 있고, 연료 가스가 효과적으로 확산되고 산소 이온이 잘 이동될 수 있는 경로를 제공할 수 있다.In addition, the anode 30 may be made of a material including pure metals such as Ni, Co, Ru, and Pt, and may further include activated carbon as needed, and fuel gas is effectively diffused and oxygen ions are It can provide a route that can be moved well.

이러한 애노드(30)는 애노드 집전체(도시되지 않음)를 포함할 수 있는데, 애노드 집전체는 후술되는 인터커넥터(200)의 일측과 인접하게 위치되어 애노드(30)에 전기가 모이도록 하는 역할을 할 수 있다.The anode 30 may include an anode current collector (not shown), and the anode current collector may be positioned adjacent to one side of the interconnector 200 to be described later to collect electricity at the anode 30. can do.

다음으로, 인터커넥터(200)는 돌출부(210) 및 유로부(220)로 구성되어 전해질(10), 캐소드(20) 및 애노드(30)를 포함한 단위 셀(100)의 양측에 배치될 수 있고, 하나 이상의 단위 셀(100)이 구동될 때 서로 전기적으로 연통시켜줄 수 있다.Next, the interconnector 200 is composed of a protrusion 210 and a flow path portion 220 may be disposed on both sides of the unit cell 100 including the electrolyte 10, the cathode 20, and the anode 30. When one or more unit cells 100 are driven, they may be in electrical communication with each other.

이때, 인터커넥터(200)는 고체의 형태로써 크롬(Chromium), 철(Fe), 탄소(C), 구리(Cu), 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 리튬(Li), 텅스텐(W), 루비듐(Rb) 및 나이오븀(Nb) 중 하나 이상의 원소를 포함하여 금속, 세라믹 및 유리 등의 소재로 구성될 수 있다.At this time, the interconnector 200 is a solid form of chromium (Chromium), iron (Fe), carbon (C), copper (Cu), nickel (Ni), manganese (Mn), cobalt (Co), titanium (Ti) ), Lithium (Li), tungsten (W), rubidium (Rb) and niobium (Nb) may be composed of a material such as metal, ceramic, glass, and the like.

인터커넥터(200)는 요철인 돌출부(210)와 홈인 유로부(220)가 반복되는 형태로 구성될 수 있고, 돌출부(210) 및 유로부(220)가 반복되는 형태로 제공될 수 있다.The interconnector 200 may be configured in a form in which protrusions and protrusions 210, which are irregularities and grooves 220, which are grooves, are repeated, and the protrusions 210 and the passages 220 may be repeated.

인터커넥터(200)는 전해질(10), 캐소드(20) 및 애노드(30)를 포함한 단위 셀(100)의 크기보다 크게 형성될 수 있고, 단위 셀(100)의 형태와 동일하게 제공될 수 있다.The interconnector 200 may be formed larger than the size of the unit cell 100 including the electrolyte 10, the cathode 20, and the anode 30, and may be provided in the same form as the unit cell 100. .

예를 들어, 인터커넥터(200)는 10% 이상의 크롬을 함유하는 페라이트 스테인리스 강의 금속 재료로 구성되어 사각형의 형태로 제공될 수 있고, 단위 셀(100)은 인터커넥터(200)와 유사한 사각형의 형태로 제공될 수 있으며, 그 크기는 인터커넥터(200)의 크기보다 작을 수 있다.For example, the interconnector 200 may be made of a ferrite stainless steel metal material containing 10% or more of chromium, and may be provided in a quadrangular shape. The unit cell 100 may have a quadrangular shape similar to that of the interconnector 200. It may be provided as, the size may be smaller than the size of the interconnector (200).

다음으로, 고체산화물 연료전지(1000)는 단위 셀(100) 및 인터커넥터(200)를 원래 위치에 고정시켜 줄 수 있는 실링재(도시되지 않음)를 더 포함하여 구성될 수 있다.Next, the solid oxide fuel cell 1000 may further include a sealing material (not shown) capable of fixing the unit cell 100 and the interconnector 200 to their original positions.

실링재는 고무, 실리콘, 고분자물질, 금속, 세라믹 및 유리 중 하나 이상의 소재를 사용하여 구성될 수 있고, 이때 실링재는 인터커넥터(200)의 가장자리 한 측면에 배치될 수 있음을 유의한다. It is noted that the sealing material may be constructed using one or more materials of rubber, silicone, polymeric material, metal, ceramic, and glass, where the sealing material may be disposed on one side of the edge of the interconnector 200.

상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.

1000: 고체산화물 연료전지
100: 단위 셀
10: 전해질
20: 캐소드(cathode)
21: 캐소드 집전체
21a: 제1 캐소드
21b: 제2 캐소드
22: 기능층 캐소드
30: 애노드(anode)
200: 인터커넥터(interconnect)
210: 돌출부
220: 유로부1000: solid oxide fuel cell
100: unit cell
10: electrolyte
20: cathode
21: cathode collector
21a: first cathode
21b: second cathode
22: functional layer cathode
30: anode
200: interconnect
210: protrusion
220: euro part

Claims (8)

전해질; 상기 전해질의 일측에 배치되고, 캐소드 집전체를 포함하는 캐소드(cathode); 및 상기 전해질의 타측에 배치되는 애노드(anode); 를 포함하는 단위 셀; 및
상기 단위 셀의 양측에 각각 배치되고, 돌출부 및 유로부로 구성되는 인터커넥터(interconnect); 를 포함하고,
상기 캐소드 집전체는,
상기 인터커넥터의 돌출부와 접하는 복수의 제1 캐소드; 및 상기 인터커넥터의 유로부와 반응하는 복수의 제2 캐소드;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
고체산화물 연료전지.
Electrolyte; A cathode disposed on one side of the electrolyte and including a cathode current collector; An anode disposed on the other side of the electrolyte; A unit cell comprising a; And
An interconnector disposed on both sides of the unit cell and configured of a protrusion part and a flow path part; Including,
The cathode current collector,
A plurality of first cathodes in contact with the protrusions of the interconnector; And a plurality of second cathodes reacting with the flow path portion of the interconnector.
Solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 캐소드는 상기 기능층 캐소드를 더 포함하고,
상기 기능층 캐소드의 열팽창계수(CTE：Coefficient of Thermal Expansion)는 상기 전해질과 비교했을 때, -10% 내지 +10% 범위인 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The cathode further comprises the functional layer cathode,
A coefficient of thermal expansion (CTE) of the functional layer cathode is in the range of -10% to + 10% as compared with the electrolyte, the solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 제1 캐소드는,
상기 제2 캐소드보다 전기전도도가 높은 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The first cathode,
Solid oxide fuel cell, characterized in that consisting of a material having a higher electrical conductivity than the second cathode.
제1항에 있어서,
상기 제1 캐소드는,
LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) 및 LSC(Lanthanum Strontium Cobaltite)로 구성되는 것을 특징으로 하는,
고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The first cathode,
Characterized in that consisting of Lanthanum Strontium Cobaltite (LSCF) and Lanthanum Strontium Cobaltite (LSC),
Solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 제2 캐소드는,
상기 제1 캐소드보다 이온전도도가 높은 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The second cathode,
Solid oxide fuel cell, characterized in that consisting of a material having a higher ion conductivity than the first cathode.
제1항에 있어서,
상기 제2 캐소드는,
BSCF(Barium Strontium Cobalt Ferrite)로 구성되는 것을 특징으로 하는,
고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The second cathode,
Characterized in that composed of BSCF (Barium Strontium Cobalt Ferrite),
Solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 캐소드는, 각각 이격되게 배치되고,
상기 제2 캐소드는, 상기 복수의 제1 캐소드 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는,
고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The plurality of first cathodes are disposed spaced apart from each other,
The second cathode, characterized in that disposed between the plurality of first cathodes,
Solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 캐소드 집전체의 형태는,
상기 인터커넥터의 돌출부 및 유로부의 형태에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는,
고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The form of the cathode current collector,
Characterized in that it depends on the shape of the protrusion and the flow path of the interconnector,
Solid oxide fuel cell.
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130074899A (en) * 2011-12-27 2013-07-05 주식회사 포스코 Cathode current collector for solid oxide fuel cell, method for manufacturing the same and solid oxide fuel cell comprising the same
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