KR20200111403A - 고체산화물 연료전지용 프레임, 상기 프레임의 제조방법, 상기 프레임을 포함하는 연료전지 스택 및 상기 스택의 제조방법 - Google Patents
고체산화물 연료전지용 프레임, 상기 프레임의 제조방법, 상기 프레임을 포함하는 연료전지 스택 및 상기 스택의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 출원은 일면이 절연물질로 코팅된 고체산화물 연료전지용 프레임, 상기 프레임을 이용한 고체산화물 연료전지 스택 및 각각의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 출원은 고체산화물 연료전지용 프레임 및 상기 프레임을 이용한 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 고체산화물 연료전지는 단위전지와 인터커넥터로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조인 스택(stack)으로 이루어진다.
고체산화물 연료전지는 고온에서 작동하기 때문에 에너지 변환 효율이 높고, 다양한 연료의 사용이 용이하다. 다만, 인터커넥터로 널리 사용되는 페라이트계 스테인리스강의 경우 고온에서 크롬 성분이 휘발될 수 있다. 휘발된 크롬 성분은 공기극의 성능을 저하시킬 수 있다.
또한, 고체산화물 연료전지 스택의 형태를 지지하기 위해 인터커넥터와 단위전지 사이에 프레임이 배치된다. 프레임은 그 자체로 전도성이 있으나, 단위 전지와 글라스(glass) 실링 소재로 접합되어 있다. 이로 인하여, 프레임은 단위 전지와 직접적으로 닿지 않아 전기적 절연 상태이다. 그러나, 연료전지 스택을 제조하는 과정에서 프레임이 단위 전지에 직접적으로 닿는 경우가 발생할 수 있으며, 이 경우 연료전지의 성능이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 고체산화물 연료 전지 스택의 성능을 유지하기 위하여 크롬 휘발 방지 및 프레임이 단위전지에 직접적으로 닿아도 전기적으로 절연 상태가 유지될 수 있는 방법이 요구된다.
본 출원은 고체산화물 연료전지 스택의 성능의 신뢰성을 확보할 수 있는 고체산화물 연료전지용 프레임 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 일면의 적어도 일부에 절연층을 포함하고, 상기 절연층의 저항값은 0.6㏁ 이상이고, 상기 절연층의 두께는 30㎛ 이상 100㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료전지용 프레임(frame)을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 있어서, 2 이상의 고체산화물 연료전지 단위; 및 상기 고체산화물 연료전지 단위들 사이에 구비된 인터커넥터를 포함하고, 상기 적어도 하나의 고체산화물 연료전지 단위와 인터커넥터 사이에 상술한 고체산화물 연료전지용 프레임이 구비된 고체산화물 연료전지 스택(stack)을 제공한다.
또 하나의 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 일면에 절연물질을 코팅하여 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지용 프레임의 제조방법으로서, 상기 절연층의 저항값은 0.6㏁ 이상이고, 상기 절연층의 두께는 30㎛ 이상 100㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료전지용 프레임의 제조방법을 제공한다.
또 다른 하나의 본 발명의 일 실시상태에 있어서, 적어도 하나의 고체산화물 연료전지 단위와 인터커넥터 사이에 상술한 고체산화물 연료전지용 프레임을 적층하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법을 제공한다.
본 출원의 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지용 프레임을 사용하면, 고체산화물 연료전지 스택의 성능의 신뢰성이 좋다.
본 출원의 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지용 프레임을 사용하면, 인터커넥터의 크롬 휘발을 방지할 수 있다.
도 1은 기존의 고체산화물 연료전지의 인터커넥터 및 프레임을 나타낸 사진이다.
도 2는 기존의 고체산화물 연료전지의 프레임이 인터커넥터와 닿는 부분을 확대한 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 인터커넥터 및 프레임을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 프레임이 인터커넥터와 닿는 부분을 확대한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 프레임의 요철 구조를 확대한 부분을 대략적으로 나타낸 도이다.
도 6은 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 7은 고체산화물 연료전지의 스택에서 인터커넥터가 고체산화물 연료전지 단위 사이에 구비된 모습을 대략적으로 나타낸 도이다.
도 8 및 9는 제조예 1 및 2에 따른 고체산화물 연료전지의 프레임의 코팅의 두께에 따른 단면 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10 및 11은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고체산화물 연료전지 스택의 OCV 성능을 나타낸 것이다.
도 2는 기존의 고체산화물 연료전지의 프레임이 인터커넥터와 닿는 부분을 확대한 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 인터커넥터 및 프레임을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 프레임이 인터커넥터와 닿는 부분을 확대한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 프레임의 요철 구조를 확대한 부분을 대략적으로 나타낸 도이다.
도 6은 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 7은 고체산화물 연료전지의 스택에서 인터커넥터가 고체산화물 연료전지 단위 사이에 구비된 모습을 대략적으로 나타낸 도이다.
도 8 및 9는 제조예 1 및 2에 따른 고체산화물 연료전지의 프레임의 코팅의 두께에 따른 단면 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10 및 11은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고체산화물 연료전지 스택의 OCV 성능을 나타낸 것이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, "층"이란 해당 층이 존재하는 면적을 70% 이상 덮고 있는 것을 의미한다. 바람직하게는 75% 이상, 더 바람직하게는 80% 이상 덮고 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 층의 "두께"란 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 층의 하면으로부터 상면까지의 최단거리를 의미한다.
본 명세서에 있어서, "고체산화물 연료전지 단위"는 전해질층과, 전해질층의 일면에 위치하는 양극(공기극)과, 전해질층의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함하는 고체산화물 연료전지를 의미한다. 또한, 본 명세서에서 "연료전지 단위" 라고 하면 특별히 반대되는 기재가 없는 한 고체산화물 연료전지 단위"를 의미한다. 또한, 단순히 셀(cell)이라고 표현할 수 있다. 상기 고체산화물 연료전지 단위는 당 기술 분야에 알려진 재료 및 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 상기 연료전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.
본 명세서에 있어서, "고체산화물 연료전지 스택(stack)"이란, 고체산화물 연료전지 단위와 인터커넥터로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조를 의미하고, 단순히 "스택(stack)"이라고 표현할 수 있다.
본 명세서에 있어서, "고체산화물 연료전지용 프레임(frame)"이란, 스택의 제조시 인터커넥터 사이에 존재하는 고체산화물 연료전지 단위의 지지를 위한 금속지지체를 의미하며, 단순히 "프레임"이라고 표현할 수 있다. 상기 프레임은 연료전지 단위의 크기만큼 중앙에 빈 공간이 있는 금속 지지체로 프레임과 연료전지 단위는 유리실런트 실링소재를 통해 결합하고 있다.
본 명세서에 있어서, "인터커넥터"는 산화제 및 연료를 분리시키고, 양극(공기극)과 음극(연료극)을 전기적으로 이어주는 역할을 한다. 구체적으로, 연료전지 단위의 양극과 음극은 각각 서로 다른 인터커넥터와 전기적으로 연결되어 있다.
이 때. 양극 또는 음극은 다른 전극과 연결되어 있는 인터커넥터와는 전기적으로 연결되지 않아야 성능 저하나 오작동이 발생하지 않는다. 다만, 프레임에 양극 또는 음극이 닿게 될 경우, 다른 전극과 연결되어 있는 인터커넥터와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 음극이 프레임에 직접적으로 닿는 상황이 발생할 경우, 양극과 전기적으로 연결되어 있는 인터커넥터와 프레임이 접촉하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 이 경우, 스택의 성능저하나 오작동이 발생할 수 있다. 이 때, 인터커넥터와 닿아있는 프레임이 절연층을 가지고 있다면 이러한 성능저하나 오작동을 배제할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 일면의 적어도 일부에 절연층을 포함하고, 상기 절연층의 저항값은 0.6㏁ 이상이고, 상기 절연층의 두께는 30㎛ 이상 100㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료전지용 프레임(frame)을 제공한다.
본 명세서에서, 상기 저항값은 절연 저항을 의미한다. 상기 저항값은 오차 1% 이내의 일반적인 디지털 멀티미터를 통해 저항값을 측정한다. 이 때 MΩ단위로 저항을 측정하며, 두 개의 프로브 중 한 쪽을 절연층 표면에 접촉시키고 다른 한쪽을 절연층이 없는 프레임에 접촉시켜 저항값을 측정한다.
상기 프레임의 일면의 적어도 일부에 절연층을 포함할 경우, 인터커넥터와 프레임 간의 전기적 연결을 막음으로써 연료전지 단위와 프레임이 직접적으로 닿아도 연료전지 단위가 인터커넥터와 전기적으로 연결되지 않기 때문에 절연상태를 유지할 수 있다. 그로 인해 다수의 고체산화물 연료전지 단위를 이용하여 고체산화물 연료전지 스택을 제조하여도 각각의 고체산화물 연료전지 단위의 성능 유지에 용이하다. 또한, 고온에서 작동시 발생하는 인터커넥터(interconnector) 내부의 크롬(Cr) 휘발을 방지하여 고체산화물 연료전지 스택의 성능이 유지에 용이하다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 절연층을 포함하는 일면은 인터커넥터의 수용면일 수 있다. 상기 "인터커넥터의 수용면"이란 상기 인터커넥터와 프레임이 직접 닿는 면을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 프레임은 윈도우(window) 프레임을 의미한다. 윈도우 프레임이란 가운데가 뚫린 틀의 형태의 프레임을 의미한다. 상기 뚫린 부분을 통해 고체산화물 연료 전지 단위의 전극(양극 또는 음극)과 인터커넥터가 전기적으로 접촉할 수 있다. 상기 프레임의 구체적인 형태나 크기는 고체산화물 연료 전지 단위의 크기나 규격에 의해 달라질 수 있다.
도 1은 기존 구조의 인터커넥터(1) 및 프레임(3)을 보여주는 사진으로, 인터커넥터(1)는 고체산화물 연료전지 단위(2)와 프레임(3)에 접할 수 있다. 도 2는 인터커넥터(1)가 프레임(3)에 접하는 부분을 확대한 사진이다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 절연층은 알루미나, 지르코니아 또는 알루미나와 지르코니아 복합 산화물로 이루어진 것일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 물질로 이루어진 절연층을 사용할 경우, 절연 효과뿐 아니라, 크롬 휘발 방지층의 기능도 효과적일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 절연층은 알루미나로 이루어진 것일 수 있다. 알루미나로 이루어진 절연층은 고온에서 사용하기에 더욱 용이할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일시상태에 따른 알루미나로 코팅된 프레임(3)을 보여주는 사진이다. 도 4는 알루미나로 코팅된 프레임(3)이 상기 인터커넥터(1)에 접하는 부분을 확대한 사진이다. 즉, 도 3 및 4를 통해 알 수 있듯이 본 발명의 일 실시상태에 따른 프레임은 절연물질로 코팅된 것을 제외하고 기존 구조와 동일한 구조를 가질 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 절연층의 저항값은 0.6㏁ 이상이고, 바람직하게는 0.7㏁ 이상, 더욱 바람직하게는 0.8㏁ 이상이다. 상기 절연층의 저항값이 상기 범위를 만족할 때, 절연층으로 기능하여, 고체산화물 연료전지 스택의 성능을 저하시키지 않을 수 있다. 상기 절연층의 저항값은 클수록 좋기 때문에 이론상으로는 상한이 존재하지 않는다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 절연층의 두께는 30㎛ 이상 100㎛ 이하, 바람직하게는 40㎛ 이상 80㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 50㎛ 이상 70㎛ 이하일 수 있다. 상기 두께 범위에서 절연 효과 및 크롬 휘발 방지층으로서의 효과가 우수하며, 전체 고체산화물 연료전지 스택 구조에 영향을 많이 주지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 프레임은 요철 구조를 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 2 및 4에 요철 구조(4)를 표시하여 나타내었다. 상기 요철 구조는 인터커넥터의 유로에 대응되는 위치에 형성되어 있다. 상기 요철 구조의 두께는 350㎛ 이상 650㎛ 이하, 바람직하게는 400㎛ 이상 600㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 450㎛ 이상 550㎛ 이하일 수 있다. 상기 요철 구조의 두께는 상기 프레임의 평평한 부분을 기준으로 한 볼록한 부분의 두께를 의미한다. 상기 범위 내에서는 프레임이 전체 고체산화물 연료전지 스택 구조에 영향을 적게 줄 수 있다. 상기 프레임이 요철 구조를 포함하는 경우, 상기 절연층의 두께는 프레임의 표면으로부터, 수직 거리를 의미할 수 있다. 구체적으로, 도 5에 나타난 바와 같이 a, b 및 c 모두 절연층의 두께에 해당할 수 있으며, 각각의 두께가 차이가 있을 경우 가장 큰 두께를 절연층의 두께로 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 프레임의 최대 두께는 800㎛ 이상 1200㎛ 이하, 바람직하게는 900㎛ 이상 1100㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 950㎛ 이상 1050㎛ 이하일 수 있다. 상기 최대 두께는 요철 구조의 존재 여부와 관계 없이 프레임이 가질 수 있는 최대의 두께를 의미한다. 상기 범위 내에서는 프레임이 전체 고체산화물 연료전지 스택 구조에 영향을 적게 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 프레임은 전도성 기판일 수 있다. 상기 전도성 기판은 철(Fe)과 크롬(Cr) 합금으로 이루어진 것일 수 있다. 또한, 상기 프레임은 컴퓨터 수치 제어(Compueter Numerical Control, CNC)를 이용한 기계가공 방법, 화학적 에칭(etching)을 이용한 방법, 분말 야금 방법 또는 스탬프 방법을 이용하여 제작할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 고체산화물 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 양극(공기극)에서 공기가 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질층을 통해 음극(연료극)으로 전달된다. 음극(연료극)에서는 수소, 메탄올, 부탄 등과 같은 연료가 주입되고 연료가 산소이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고 물을 생성한다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 2 이상의 고체산화물 연료전지 단위; 및 상기 고체산화물 연료전지 단위들 사이에 구비된 인터커넥터(interconnector)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 고체산화물 연료전지 단위와 인터커넥터 사이에 상술한 고체산화물 연료전지용 프레임이 구비된 고체산화물 연료전지 스택(stack)을 제공한다. 상기 고체산화물 연료전지 스택은 상술한 프레임을 포함하고 있어서, 스택 활성화를 위해 고온에서 후술하는 컨디셔닝(conditioning)단계를 거친 이후 각각의 단위전지의 성능이 균일한 장점이 있다. 도 7은 고체산화물 연료전지의 스택에서 인터커넥터(1)가 고체산화물 연료전지 단위(2) 사이에 구비된 모습을 대략적으로 나타낸 것으로, 인터커넥터(1)는 집전체(6)와 직접적으로 닿아 있으며, 인터커넥터(1)와 프레임(3) 및 프레임(3)과 고체산화물 연료전지 단위(2)는 각각 일부분이 실링 소재(7)에 의하여 결합되어 있다. 이 때, 프레임(3)과 직접 닿을 수 있는 위치는 절연층(5)이 형성되어 있다. 상기 절연층(5)으로 인하여 인터커넥터(1)가 프레임(3)과 직접 닿음으로 인하여 발생할 수 있는 스택의 성능저하나 오작동의 발생을 막을 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 인터커넥터로 페라이트계 스테인리스강을 사용할 수 있다. 페라이트계 스테인리스강은 전자전도성이 상대적으로 높으면서 보호성이 뛰어난 크롬 산화물을 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 프레임의 일면에 절연물질을 코팅하여 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지용 프레임의 제조방법으로서, 상기 절연층의 저항값은 0.6㏁ 이상이고, 상기 절연층의 두께는 30㎛ 이상 100㎛ 이하인 고체산화물 연료전지용 프레임의 제조방법을 제공한다. 상기 절연물질은 상술한 절연층을 이루는 물질이 사용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 코팅은 대기 플라즈마 용사 (APS, Atmosphere Plasma Spray)방법에 의할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 대기 플라즈마 용사 (APS, Atmosphere Plasma Spray)방법은 절연물질을 직경 직경은 10㎛ 내지 30㎛인 응집된 분말 형태로 만들어 프레임으로 사용할 수 있는 전도성 기판(STS441)에 대기 플라즈마 용사방법을 이용하여 코팅할 수 있다. 이 때 요철이 있는 경우, 고른 코팅을 하기 위하여 각도를 달리아여 2번 이상 대기 플라즈마 용사방법을 이용하여 코팅할 수 있다. 이 때, 플라즈마 용사 건의 노즐과 전도성 기판(STS441)의 표면 거리는 150㎜ 내지 250㎜이고, 용사 건(gun)의 이동 속도는 100㎜/sec 내지 300㎜/sec 이다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 절연층을 형성할 수 있는 통상의 코팅 방법이 사용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 적어도 하나의 고체산화물 연료전지 단위와 인터커넥터 사이에 상술한 고체산화물 연료전지용 프레임을 적층하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법은 컨디셔닝(conditioning)단계를 더 포함할 수 있다. 상기 컨디셔닝하는 단계는 상기 고체산화물 연료전지 스택을 형성하기 위한 2 이상의 고체산화물 연료전지 단위; 및 상기 고체산화물 연료전지 단위들 사이에 적층된 인터커넥터(interconnector)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 고체산화물 연료전지 단위와 인터커넥터 사이에 상술한 고체산화물 연료전지용 프레임이 적층된 적층체를 실링하기 위하여 고체산화물 연료전지 스택을 760℃에서 9시간 유지한 후, 같은 온도에서 음극에 수소를 넣어주며 환원하는 과정을 24시간 동안 진행하는 것을 의미할 수 있다. 이 과정을 통해, 고체산화물 연료전지 스택을 활성화시킬 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법은 상술한 프레임을 사용하는 것을 제외하고 해당 분야에서 통상적으로 사용되는 제조방법과 동일할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
<절연층이 구비된 프레임의 제조>
<제조예 1>
최대 두께가 1000㎛이고, 500㎛ 두께의 요철 구조가 있는 윈도우 프레임 형태의 전도성 기판(STS441)에 알루미나를 직경 20㎛의 응집된 분말 형태로 만들어 대기 플라즈마 용사방법을 이용하여 코팅하여, 50㎛ 두께, 0.9㏁의 저항값을 가지는 알루미나로 이루어진 절연층을 가지는 고체산화물 전지 프레임을 제조하였다. 해당 부위의 고른 코팅을 위하여, 플라즈마 용사 각도를 달리하여 3번 코팅하였다. 플라즈마 용사 방법을 이용한 코팅을 위해서, 플라즈마 건(SimplexPro-90, Oerlikon Metco社)를 사용하였으며, 이 때, 플라즈마 용사 건의 노즐과 연결재의 표면 거리는 200㎜ 였고, 상기 용사 건(gun)의 이동 속도는 200 ㎜/sec였다. 도 8은 제조예 1에서 제조된 프레임의 단면 분석을 나타낸 것이다.
<제조예 2>
상기 절연층의 두께가 10㎛인 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 고체산화물 전지 프레임을 제조하였다. 도 9는 제조예 2에서 제조된 프레임의 단면 분석을 나타낸 것이다.
<고체산화물 연료전지 스택의 제조>
<실시예 1>
40개의 고체산화물 연료전지 단위; 및 상기 고체산화물 연료전지 단위들 사이에 구비된 인터커넥터(interconnector)를 포함하고, 상기 고체산화물 연료전지 단위와 인터커넥터 사이에 제조예 1의 고체산화물 연료전지용 프레임이 구비된 적층제를 제조하였다. 각각의 인터커넥터와 프레임 사이 가장 자리에 유리실런트 페이스트가 넓이 3mm, 높이 1mm로 도포되어 있으며 760℃에서 9시간 유지하여 유리 실런트가 유리화되며 실링이 되게 하였다. 상기 적층체를 실링하기 위하여 760℃에서 9시간 유지한 후, 같은 온도에서 음극에 수소를 넣어주며 환원하는 과정을 24시간 동안 진행하여 고체산화물 연료전지 스택을 제조하였다.
<비교예 1>
절연층을 형성하지 않은 고체산화물 연료전지용 프레임을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 고체산화물 연료전지 스택을 제조하였다.
<비교예 2>
제조예 2의 고체산화물 연료전지용 프레임을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 고체산화물 연료전지 스택을 제조하였다.
<고체산화물 연료전지 스택의 성능 평가>
<실험예>
실시예 1, 비교예 1 및 2의 고체산화물 연료전지 스택을 스택성능장치에 설치하여, 양극에 공기, 음극에 수소를 넣어주며 양극과 음극의 전위차(OCV: open circuit voltage)를 측정하였다. 상기 전위차의 측정은 각 층의 인터커넥트에 와이어를 연결하여 측정장치 밖으로 빼내 멀티미터를 이용하여 측정하였다. 그 결과를 도 10 및 도 11에 나타내었다.
실험 결과, 실시예 1의 경우 모든 셀의 전위차가 1.1 V 이상이면서, 셀 간의 편차가 0.001 V 이하로 측정되었으며, 이는 일부 셀이 전위차가 1.1 V미만인 비교예 1과 모든 셀의 전위차가 1.1V 이상이지만 편차가 0.005V 이상인 것도 존재하는 비교예 2와 비교하여, 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
또한, 스택의 성능 평가시 외부에서 연료가스가 유입되는 1번셀 부분에서 연료가스가 빠져나가는 40번셀까지 일반적으로 10~50℃ 온도가 상승하기 때문에, 1번셀에서 40번셀까지의 결과를 그래프로 나타내면 온도에 따라 성능이 소폭 상승하는 경향을 보여야 전기적 손실이 없는 것을 의미한다.
실시예 1의 경우 도 10에 나타난 바와 같이 셀의 번호가 증가함에 따라 성능이 소폭 상승하는 경향을 보이나, 비교예 1 및 2는 도 11에 나타난 바와 같이 이러한 경향을 보이지 않는다. 즉, 실시예와 다르게 비교예 1 및 2는 전기적 손실이 발생하고 있음을 의미한다.
즉, 실험예를 통해서 실시예 1과 같이 프레임의 표면에 절연층을 형성함으로써, 전기적 손실을 최소화하여 셀간 편차를 줄이며 안정적인 스택 성능을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
1: 인터커넥터
2: 고체산화물 연료전지 단위
3: 프레임
4: 요철 구조
5: 절연층
6: 집전체
7: 실링 소재
2: 고체산화물 연료전지 단위
3: 프레임
4: 요철 구조
5: 절연층
6: 집전체
7: 실링 소재
Claims (11)
- 일면의 적어도 일부에 절연층을 포함하고,
상기 절연층의 저항값은 0.6㏁ 이상이고,
상기 절연층의 두께는 30㎛ 이상 100㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료전지용 프레임(frame). - 제1항에 있어서,
상기 절연층을 포함하는 일면은 인터커넥터의 수용면인 것인 고체산화물 연료전지용 프레임. - 제1항에 있어서,
상기 절연층은 알루미나로 이루어진 것인 고체산화물 연료전지용 프레임. - 제1항에 있어서,
상기 절연층은 요철 구조를 포함하는 것인 고체산화물 연료전지용 프레임. - 제1항에 있어서,
상기 프레임의 최대 두께는 800㎛ 이상 1200㎛ 이하인 고체산화물 연료전지용 프레임. - 2 이상의 고체산화물 연료전지 단위; 및
상기 고체산화물 연료전지 단위들 사이에 구비된 인터커넥터(interconnector)를 포함하고,
상기 적어도 하나의 고체산화물 연료전지 단위와 인터커넥터 사이에 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 고체산화물 연료전지용 프레임이 구비된 고체산화물 연료전지 스택(stack). - 제6항에 있어서,
상기 인터커넥터는 페라이트계 스테인리스강으로 이루어진 것인 고체산화물 연료전지 스택. - 프레임의 일면에 절연물질을 코팅하여 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지용 프레임의 제조방법으로서,
상기 절연층의 저항값은 0.6㏁ 이상이고,
상기 절연층의 두께는 30㎛ 이상 100㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료전지용 프레임의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 코팅은 대기 플라즈마 용사 (APS, Atmosphere Plasma Spray)방법에 의한 것인 고체산화물 연료전지용 프레임의 제조방법. - 적어도 하나의 고체산화물 연료전지 단위와 인터커넥터 사이에 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 고체산화물 연료전지용 프레임을 적층하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
컨디셔닝(conditioning)단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020190031033A KR20200111403A (ko) | 2019-03-19 | 2019-03-19 | 고체산화물 연료전지용 프레임, 상기 프레임의 제조방법, 상기 프레임을 포함하는 연료전지 스택 및 상기 스택의 제조방법 |
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| KR1020190031033A KR20200111403A (ko) | 2019-03-19 | 2019-03-19 | 고체산화물 연료전지용 프레임, 상기 프레임의 제조방법, 상기 프레임을 포함하는 연료전지 스택 및 상기 스택의 제조방법 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100108956A1 (en) | 2007-03-22 | 2010-05-06 | Haruhiko Miyazawa | Electromagnetic wave shielding material and sheet |
-
2019
- 2019-03-19 KR KR1020190031033A patent/KR20200111403A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100108956A1 (en) | 2007-03-22 | 2010-05-06 | Haruhiko Miyazawa | Electromagnetic wave shielding material and sheet |
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