KR20220089170A - 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 - Google Patents

고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20220089170A
KR20220089170A KR1020200179555A KR20200179555A KR20220089170A KR 20220089170 A KR20220089170 A KR 20220089170A KR 1020200179555 A KR1020200179555 A KR 1020200179555A KR 20200179555 A KR20200179555 A KR 20200179555A KR 20220089170 A KR20220089170 A KR 20220089170A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrolyte layer
fuel cell
solid oxide
layer
oxide fuel
Prior art date
Application number
KR1020200179555A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102548218B1 (ko
Inventor
김영진
김종욱
윤홍노
강민주
Original Assignee
한남대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한남대학교 산학협력단 filed Critical 한남대학교 산학협력단
Priority to KR1020200179555A priority Critical patent/KR102548218B1/ko
Publication of KR20220089170A publication Critical patent/KR20220089170A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102548218B1 publication Critical patent/KR102548218B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H01M8/0278—O-rings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0282—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 일면 및 타면을 갖는 전해질층과, 상기 전해질층 일면의 외곽 테두리 영역은 노출되도록 상기 전해질층의 일면에 형성되는 캐소드 전극과, 상기 전해질층 타면의 외곽 테두리 영역은 노출되도록 상기 전해질층의 타면에 형성되는 애노드 전극과, 상기 전해질층 일면의 노출된 영역에 접합되며, 상기 캐소드 전극과 소정간격 이격되어 캐소드 전극을 덮는 제1 분리층, 및 상기 전해질층 타면의 노출된 영역에 접합되며, 상기 애노드 전극과 소정간격 이격되어 애노드 전극을 덮는 제2 분리층을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.

Description

고체산화물 연료전지 및 그 제조방법{SOLID OXIDE FUEL CELLS AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 고체산화물 연료전지 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택한 후에도 교체가 가능한 고체산화물 연료전지 및 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소, 천연가스, 메탄올, 가솔린)와 산화제(공기, 산소)의 화학 에너지가 전기 에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 전지(cell)를 말한다. 연료전지는 수소, 또는 액체 연료(천연 가스, 나프타, 메탄올)를 직접 전기로 전환시키는 에너지 변환 장치로 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 그 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 직류 발전 장치로 기존 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산할 수 있다. 연료전지는 일반적으로 전해질의 종류에 따라 알칼리형(AFC, Alkaline Fuel Cell), 인산형(PAFC, Phosporic Acid Fuel Cell), 용융탄산염(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고체고분자형의 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 그리고 직접메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)으로 나뉜다. 고체산화물 연료전지는 이온전도성 세라믹을 전해질로 사용하는 연료전지이다.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)는 산소 또는 수소 이온전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 고체 세라믹을 전해질로 700℃ ~ 1000℃의 높은 온도에서 운전되는 연료 전지는 발전 효율이 높고, 전해질 손실이 생기거나 전해질을 보충해 주어야 하는 문제, 전지가 부식하는 문제가 없다. 또한 고온 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전도 할 수 있다. 고체 산화물 연료 전지는 산소 이온 전도성 전해질과 그 양면에 자리한 공기극과 연료극으로 이루어져 있다. 기하학적인 모양에 따라 원통형, 평판형, 일체형 들로 구분될 수 있다.
고체 산화물 연료전지는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질층, 상기 전해질층의 일면에 위치하는 캐소드(공기극)와 전해질층의 다른 일면에 위치하는 애노드(연료극)을 포함할 수 있다. 캐소드에 산소를 공급하고 애노드에 수소를 공급하면, 캐소드에서 산소의 환원반응으로 생성된 산소 이온이 전해질층을 지나 애노드로 이동한 후, 애노드에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이 때, 애노드에서 생성된 전자가 캐소드로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있다.
전해질, 캐소드, 및 애노드로 이루어진 연료전지를 단위전지(cell)라고 하며, 1개의 단위 전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 이용하기 위해서는 단위전지를 직렬로 연결해 놓은 형태인 적층 구조물(stack)을 제작하여 사용할 수 있다. 스택을 형성하기 위해 각각의 단위 전지의 캐소드와 애노드를 전기적으로 연결하면서 연료와 공기의 혼합을 막기 위해 분리판을 이용할 수 있다.
일반적으로 고체 산화물 연료전지 스택을 제작할 때 분리판을 세라믹 가스켓으로 밀봉하는 방식이 일반적이다. 이 방식으로 단위전지를 스택하면 운전중 발견되는 불량 셀에 대해 교체가 불가능하다. 따라서 하나의 단위셀에 문제 발생시 스택 전체를 폐기해야 하는 문제가 발생되어 시간적 금전적 피해가 크게 발생할 수 있다.
선행문헌 : 한국 등록특허 10-1289112
도 1은 선행문헌에 기재된 고체산화물 연료전지용 분리판의 구성도이다. 선행문헌에서는, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위셀이 위치하는 셀프레임 사이에 구비되는 연료전지용 분리판(100)에 있어서, 상기 분리판은 단위셀(200)을 포함하는 셀프레임(300)을 수용하는 실사용 영역 및 이 실사용 영역으로부터 외부로 확장되는 전류자를 수용하는 전류자 수용영역을 포함하고, 상기 전류자 수용영역에는 전류자를 부착하기 위한 전류자 부착수단(102)이 구비되어 있다. 선행문헌에서는 불량셀이 발생되었을 때 분리판(100) 사이에 전류자(101)를 구비함으로써 불량셀 다음의 단위셀에 직류전류가 지속적으로 전달될 수 있도록 하여 불량셀의 발생으로 전류가 차단되는 문제를 해결할 수 있으며, 기존의 모듈을 교체해야하는 등의 추가작업 없이 효율적으로 연료전지를 운전할 수 있다고 기재되어 있다.
선행문헌에서는 단위전지 불량시 불량셀의 교체에 대한 문제는 해결하지 못하고 있으며, 하나의 단위전지에 불량이 발생시 스택 전체의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 교체가능한 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일면 및 타면을 갖는 전해질층과, 상기 전해질층 일면의 외곽 테두리 영역은 노출되도록 상기 전해질층의 일면에 형성되는 캐소드 전극과, 상기 전해질층 타면의 외곽 테두리 영역은 노출되도록 상기 전해질층의 타면에 형성되는 애노드 전극과, 상기 전해질층 일면의 노출된 영역에 접합되며, 상기 캐소드 전극과 소정간격 이격되어 캐소드 전극을 덮는 제1 분리층, 및 상기 전해질층 타면의 노출된 영역에 접합되며, 상기 애노드 전극과 소정간격 이격되어 애노드 전극을 덮는 제2 분리층을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지는 상기 전해질층과 제 1분리층이 접합되는 영역, 및 상기 전해질층과 제2 분리층이 접합되는 영역에 형성되는 금속화(metalizing) 영역을 더 포함할 수 있으며, 상기 금속화 영역은, 상기 전해질층에 금속분말이 분산된 형태일 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지는, 상기 제1 분리층 및 제2 분리층의 표면에서 소정의 깊이로 폐루프를 형성하도록 구현된 제1 홈부 및 제2 홈부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 고체산화물 연료전지는, 상기 제1 홈부 및 제2 홈부 중 적어도 하나에 끼워지는 오링을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 전해질층의 양면에 각각 캐소드 전극 및 애노드 전극을 형성하는 제1 단계와, 상기 전해질층 양면의 노출된 영역에 금속화 영역을 형성하는 제2 단계, 및 상기 캐소드 전극 및 애노드 전극을 각각 덮도록 상기 금속화 영역에 제1 분리층 및 제2 분리층을 접합하는 제3 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지 제조방법에서, 상기 제1 단계 및 제2 단계는 동시에 진행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 교체가능한 고체산화물 연료전지를 얻을 수 있다. 따라서 고체산화물 연료전지 스택의 유지 및 보수가 용이할 수 있다.
도 1은, 선행문헌에 기재된 고체산화물 연료전지용 분리판의 구조도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 고체산화물 연료전지의 구조도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지의 구조도이다.
도 4는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 고체산화물 연료전지 단위셀을 적층하여 형성되는 고체산화물 연료전지의 구조도이다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지 제조방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 고체산화물 연료전지의 구조도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지(200)는 전해질층(210), 캐소드 전극(220), 애노드 전극(230), 제1 분리층(240), 및 제2 분리층(250)을 포함할 수 있다.
전해질층(210)은 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질로 이루어질 수 있다. 상기 전해질층(210)은 세라믹을 포함할 수 있다. 전해질의 특성상 전자는 통과하지 못하고 이온 전달은 가능하다.
캐소드 전극(220)은 전해질층(210)의 일면에 형성될 수 있다. 캐소드 전극(220)은 산소와 반응할 수 있는 촉매층이다. 캐소드 전극은 양극으로 공기극이라고도 한다. 본 실시형태에서 캐소드 전극(220)은 전해질층의 일면에 형성되며, 전해질층의 일면의 외곽 테두리 영역은 노출되도록 형성될 수 있다.
애노드 전극(230)은 전해질층(210)의 타면에 형성될 수 있다. 애노드 전극(230)은 수소와 반응할 수 있는 촉매층이다. 애노드 전극은 음극으로 연료극이라고도 한다. 본 실시형태에서 애노드 전극(230)은 전해질층의 타면에 형성되며, 전해질층의 타면의 외곽 테두리 영역은 노출되도록 형성될 수 있다.
제1 분리층(240)은 상기 전해질층(210)의 일면에 형성된 캐소드 전극을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 제1 분리층(240)은 스테인리스 등 금속재질로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1 분리층(240)은 상기 전해질층(210)의 일면 중 캐소드 전극이 형성되지 않은 외곽 테두리 영역에서 전해질층과 접합될 수 있다. 상기 제1 분리층(240)은 소정의 깊이를 갖도록 구성되어 전해질층 일면의 외곽 테두리 영역에서는 전해질층과 접하지만 상기 캐소드 전극(220)과는 이격되도록 형성될 수 있다. 이렇게 제1 분리층(240)과 캐소드 전극(220) 사이에 형성된 공간을 통해 상기 캐소드 전극(220)에 산소를 공급할 수 있다.
제2 분리층(250)은 상기 전해질층(210)의 타면에 형성된 애노드 전극을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 제2 분리층(250)은 스테인리스 등 금속재질로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제2 분리층(250)은 상기 전해질층(210)의 타면 중 애노드 전극이 형성되지 않은 외곽 테두리 영역에서 전해질층과 접합될 수 있다. 상기 제2 분리층(250)은 소정의 깊이를 갖도록 구성되어 전해질층 타면의 외곽 테두리 영역에서는 전해질층과 접하지만 상기 애노드 전극(230)과는 이격되도록 형성될 수 있다. 이렇게 제2 분리층(250)과 애노드 전극(230) 사이에 형성된 공간을 통해 상기 애노드 전극(230)에 산소를 공급할 수 있다.
본 실시형태에서는 제1 분리층 및 제2 분리층을 밀폐된 형태로 도시하였으나, 상기 제1 분리층 및 제2 분리층에는 상기 캐소드 및 애노드로 공기나 수소를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출할 수 있는 유로가 형성될 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 제1 분리층 및 제2 분리층만을 도시하였으나 상기 캐소드 전극이나 애노드 전극을 덮는 가스확산층 등이 더 포함될 수 있다.
본 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지(200)의 산소 이온 전도성을 갖는 전해질층(210)과 그 양면에 위치한 캐소드전극(220) 및 애노드 전극(230)으로 이루어져있는 단위전지의 각 전극에 공기와 연료를 공급하면, 공기극(220)에서는 산소의 환원 반응이 일어나 산소이온이 생성되며, 전해질층(210)을 통해 연료극(230)으로 이동한 산소 이온은 다시 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.
본 실시형태에 도시된 바와 같이, 전해질층(210), 공기극(220) 및 연료극(230)으로 이루어진 연료전지를 단위 전지(cell)라고 하며, 1개의 단위 전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 이용하기 위해서는 단위 전지를 직렬로 연결해 놓은 형태인 적층 구조물(stack)을 제작하게 된다. 스택을 형성하기 위해서 각각의 단위 전지의 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하면서 연료와 공기의 혼합을 막기 위해 분리층(240, 250)이 사용될 수 있다.
본 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지에서는, 상기 제1 분리층(240) 및 제2 분리층(250)의 표면에서 소정의 깊이로 폐루프를 형성하도록 구현된 제1 홈부(280) 및 제2 홈부(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 제1 홈부(280) 및 제2 홈부에는 오링(201)이 끼워질 수 있다.
본 실시형태에 도시된 고체산화물 연료전지(200)는 단위셀로서, 실제 고체산화물 연료전지를 이루기 위해서는 여러개의 단위셀을 적층하여 사용할 수 있다. 이러한 연료전지 스택시 개스킷을 분리판에 부착하여 연료전지 스택의 각 유닛셀을 분리하는 동시에 분리판의 수소, 냉각수, 공기 유로를 밀폐하는 기능을 할 수 있다. 기존의 금속 분리판의 경우 높은 온도에서도 견딜 수 있으므로 금형에 분리판을 넣고 그 모서리를 따라 개스킷을 사출하는 방법을 사용하는바, 이 경우 제작시간 단축 및 재료절감의 측면에서 장점은 있지만, 개스킷을 따로 사용하지 않고 분리판에 일체로 사출하는 공정이 추가됨에 따라 공수 증가 및 제작비용 증가를 초래하는 단점이 있다. 본 실시형태에서는 단위셀을 스택시 각 단위셀의 분리층 사이에 오링(201)을 끼움으로서 분리층에서의 수소, 냉각수, 공기 유로를 밀폐할 수 있다. 또한, 별도의 오링을 사용함으로써 제조공정이 단순화될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 고체산화물 연료전지의 구조도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지(300)는 전해질층(310), 캐소드 전극(320), 애노드 전극(330), 제1 분리층(340), 및 제2 분리층(350)을 포함할 수 있다.
전해질층(310)은 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질로 이루어질 수 있다. 상기 전해질층(310)은 세라믹을 포함할 수 있다. 전해질의 특성상 전자는 통과하지 못하고 이온 전달은 가능하다.
캐소드 전극(320)은 전해질층(310)의 일면에 형성될 수 있다. 캐소드 전극(320)은 산소와 반응할 수 있는 촉매층이다. 캐소드 전극은 양극으로 공기극이라고도 한다. 본 실시형태에서 캐소드 전극(320)은 전해질층의 일면에 형성되며, 전해질층의 일면의 외곽 테두리 영역은 노출되도록 형성될 수 있다.
애노드 전극(330)은 전해질층(310)의 타면에 형성될 수 있다. 애노드 전극(330)은 수소와 반응할 수 있는 촉매층이다. 애노드 전극은 음극으로 연료극이라고도 한다. 본 실시형태에서 애노드 전극(330)은 각각 전해질층의 타면에 형성되며, 전해질층의 타면의 외곽 테두리 영역은 노출되도록 형성될 수 있다.
제1 분리층(340)은 상기 전해질층(310)의 일면에 형성된 캐소드 전극을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 제1 분리층(340)은 스테인리스 등 금속재질로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1 분리층(340)은 상기 전해질층(310)의 일면 중 캐소드 전극이 형성되지 않은 외곽 테두리 영역에서 전해질층과 접합될 수 있다. 상기 제1 분리층(340)은 소정의 깊이를 갖도록 구성되어 전해질층 일면의 외곽 테두리 영역에서는 전해질층과 접하지만 상기 캐소드 전극(320)과는 이격되도록 형성될 수 있다. 이렇게 제1 분리층(340)과 캐소드 전극(320) 사이에 형성된 공간을 통해 상기 캐소드 전극(320)에 산소를 공급할 수 있다.
제2 분리층(350)은 상기 전해질층(310)의 타면에 형성된 애노드 전극을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 제2 분리층(350)은 스테인리스 등 금속재질로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제2 분리층(350)은 상기 전해질층(310)의 타면 중 애노드 전극이 형성되지 않은 외곽 테두리 영역에서 전해질층과 접합될 수 있다. 상기 제2 분리층(350)은 소정의 깊이를 갖도록 구성되어 전해질층 타면의 외곽 테두리 영역에서는 전해질층과 접하지만 상기 애노드 전극(330)과는 이격되도록 형성될 수 있다. 이렇게 제2 분리층(350)과 애노드 전극(330) 사이에 형성된 공간을 통해 상기 애노드 전극(330)에 산소를 공급할 수 있다.
본 실시형태에서는 제1 분리층 및 제2 분리층을 밀폐된 형태로 도시하였으나, 상기 제1 분리층 및 제2 분리층에는 상기 캐소드 및 애노드로 공기나 수소를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출할 수 있는 유로가 형성될 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 제1 분리층 및 제2 분리층만을 도시하였으나 상기 캐소드 전극이나 애노드 전극을 덮는 가스확산층 등이 더 포함될 수 있다.
본 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지(300)는, 상기 제1 분리층(340)과 전해질층(310)이 접합되는 영역 및 제2 분리층(350)과 전해질층(310)이 접합되는 영역에 금속화 영역(360, 370)이 형성될 수 있다. 상기 전해질층(310)은 세라믹 재료로 형성되고, 제1 분리층 및 제2 분리층은 스테인리스 등의 금속으로 형성될 수 있다. 이처럼 서로 다른 물성 및 결정구조를 갖는 재질을 접합시키기 위해서는 전해질층(310)의 접합되는 영역을 금속화(metalizing) 하는 것이 바람직하다. 일반적으로 세라믹과 비금속 재료 표면을 금속화하는 것을 메탈라이징(metalizing)이라고 한다. 본 실시형태에서는 금속화 영역(360, 370)에 금속 분말이 분산되도록 형성할 수 있다. 이처럼 세라믹 재질의 전해질층의 일부 영역에 금속 분말이 분산되도록 하는 공정은 세라믹 메탈 블레이징 기법에 의해 진행될 수 있다. 예를 들어, 세라믹의 표면에 티타늄 기반의 금속 페이스트를 도포하고, 고온 진공하에서 처리하여 티타늄이 세라믹에 확산 또는 세라믹과 반응하여 세라믹의 표면에 금속층을 형성시켜 메탈라이징 할 수 있다. 이렇게 메탈라이징 후에 도금 처리를 실시, 브레이징 에 의해 금속과 접합 시킬 수 있다.
본 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지(300)의 산소 이온 전도성을 갖는 전해질층(310)과 그 양면에 위치한 캐소드전극(320) 및 애노드 전극(330)으로 이루어져있는 단위전지의 각 전극에 공기와 연료를 공급하면, 공기극(320)에서는 산소의 환원 반응이 일어나 산소이온이 생성되며, 전해질층(310)을 통해 연료극(330)으로 이동한 산소 이온은 다시 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.
본 실시형태에 도시된 바와 같이, 전해질층(310), 공기극(320) 및 연료극(330)으로 이루어진 연료전지를 단위 전지(cell)라고 하며, 1개의 단위 전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 이용하기 위해서는 단위 전지를 직렬로 연결해 놓은 형태인 적층 구조물(stack)을 제작하게 된다. 스택을 형성하기 위해서 각각의 단위 전지의 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하면서 연료와 공기의 혼합을 막기 위해 분리층(340, 350)이 사용될 수 있다.
본 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지에서는, 상기 제1 분리층(340) 및 제2 분리층(350)의 표면에서 소정의 깊이로 폐루프를 형성하도록 구현된 제1 홈부(380) 및 제2 홈부(390)가 형성될 수 있다. 상기 제1 홈부(380) 및 제2 홈부(390)에는 오링이 끼워질 수 있다.
본 실시형태에 도시된 고체산화물 연료전지(300)는 단위셀로서, 실제 고체산화물 연료전지를 이루기 위해서는 여러개의 단위셀을 적층하여 사용할 수 있다. 이러한 연료전지 스택시 개스킷을 분리판에 부착하여 연료전지 스택의 각 유닛셀을 분리하는 동시에 분리판의 수소, 냉각수, 공기 유로를 밀폐하는 기능을 할 수 있다. 기존의 금속 분리판의 경우 높은 온도에서도 견딜 수 있으므로 금형에 분리판을 넣고 그 모서리를 따라 개스킷을 사출하는 방법을 사용하는바, 이 경우 제작시간 단축 및 재료절감의 측면에서 장점은 있지만, 개스킷을 따로 사용하지 않고 분리판에 일체로 사출하는 공정이 추가됨에 따라 공수 증가 및 제작비용 증가를 초래하는 단점이 있다. 본 실시형태에서는 단위셀을 스택시 각 단위셀의 분리층 사이에 오링을 끼움으로서 분리층에서의 수소, 냉각수, 공기 유로를 밀폐할 수 있다. 또한, 별도의 오링을 사용함으로써 제조공정이 단순화될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 고체산화물 연료전지 단위셀을 적층하여 형성되는 고체산화물 연료전지의 구조도이다.
본 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지(400)는, 전해질층, 공기극, 및 연료극을 포함하는 단위 전지(cell)(10, 20, 30, 40, 50, 60)를 복수개 적층하고, 단위 전지를 직렬로 연결해 놓은 형태인 적층 구조물(stack)로 제작될 수 있다. 스택을 형성하기 위해서 각각의 단위 전지의 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하면서 연료와 공기의 혼합을 막기 위해 분리층이 사용될 수 있다.
본 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지(400)에서 단위 전지((10, 20, 30, 40, 50, 60)는 각각 상부 및 하부에 형성된 분리층의 표면에 소정의 깊이로 폐루프를 형성하도록 홈부가 구현되고, 상기 홈부에 오링(11)이 끼워질 수 있다. 본 실시형태에서는 단위셀을 스택시 각 단위셀의 분리층 사이에 오링을 끼움으로서 분리층에서의 수소, 냉각수, 및 공기 유로를 밀폐할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 고체산화물 연료전지의 제조공정을 나타내는 순서도이다.
도 5의 (a)는 전해질층(510)의 양면에 각각 캐소드 전극(520) 및 애노드 전극(530)을 형성하여 단위전지를 생성하는 단계이다. 상기 전해질층(510)은 세라믹을 포함할 수 있으며, 전해질로서 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)가 사용될 수 있다. 캐소드 전극(520)인 공기극으로는 스트론튬이 도핑된 란탄 망가나이트(Lanthanum Strontium Manganite, LSM)(La0.8Sr0.2MnO3)가 사용될 수 있다. 애노드 전극(530)인 연료극으로는 니켈 옥사이드(Nickel Oxide,NiO)와 YSZ가 혼합된 서메트(cermet)(NiO/YSZ)가 사용될 수 있다. 여기서, YSZ 전해질은 약 1.0㎛ 이상의 입경을 갖고, 약 4~8㎠/g의 표면적을 갖는 상용화된 CeScSZ 파우더를 이용하여 제조되며, CVD(chemical vapor deposition)나 플라즈마 스프레이 등과 같은 고가의 제조장치를 이용하여 제조될 수 있다.
상기 단위전지를 생성하는 단계는, 애노드 전극(530)과 전해질층(510), 및 캐소드 전극(520)을 각각 소성하거나, 지지체가 되는 전해질층(510)을 미리 소성한 후 전해질층의 일면에는 음극재료를 코팅하고, 다른쪽 면에는 양극재료를 코팅하여 열처리 함으로써 제작할 수 있다.
도 5의 (b)는 생성된 단위전지에 분리층을 접합하기 위한 금속화 영역(560, 570)을 생성하는 단계이다. 본 실시형태에서는 전해질층(510)의 양면에서 캐소드 전극이나 애노드 전극이 형성되지 않고 전해질층이 노출된 외곽 테두리 영역에 금속화 영역이 형성될 수 있다. 금속화 영역을 형성하는 방법은, 전해질층인 세라믹의 표면에 금속 페이스트를 도포하고, 고온 진공하에서 처리하여 금속분말이 세라믹에 확산 또는 세라믹과 반응하여 세라믹의 표면에 금속분말이 분산된 층을 형성시킬 수 있다.
본 실시형태에 따른 금속화 영역을 형성하는 방법은 활성금속 브레이징 기법이 사용될 수 있다. 세라믹 부재인 전해질층(510)에 대해서 활성원소를 브레이징재 중에 첨가시켜 그 브레이징재를 진공 중에서 가열함으로써 세라믹부재 표면에 반응층을 형성시킬 수 있다. 이것에 의해 브레이징재의 젖음성과 밀착성의 향상을 도모할 수 있다. 예를 들면 세라믹스로서의 질화물을 이용하는 경우에는 반응층의 세라믹부재측 제 1층에 TiN가 생성되고, 탄화물을 이용하는 경우에는 TiC, 산화물로는 TiO가 형성될 수 있다. 활성금속 브레이징에 사용되고 있는 브레이징합금은 Ag-Cu-Ti계, Cu-Ti계, Co-Ti계, Al-Ti계, Cu-Zr계, Zr-Ni계가 사용될 수 있다. 또한, 고온용 브레이징 합금으로 연구되고 있는 Ni-Cr, Pt, Pd, Au 및 Cu계 합금 등이 사용될 수 있다.
본 실시형태에서는, 도 5의 (a)단계 이후에 도 5의 (b) 단계를 진행하는 것으로 도시하였으나, 상기 도 5의 (a) 단계 및 도 5의 (b) 단계는 같은 소성공정에 의해 진행될 수도 있다. 또한, 도 5의 (a) 단계 중에 도 5의 (b) 단계가 진행될 수 있다. 즉, 전해질층(510)에 캐소드 전극(520) 및 애노드 전극(530)을 도포하기 전에 미리 금속화 영역(560, 570)을 형성할 수도 있다.
도 5의 (c)는 분리층(540, 550)을 형성하는 단계이다. 상기 분리층(540, 550)은 상기 전해질층(510)의 양면에 각각 형성된 캐소드 전극 및 애노드 전극을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 분리층(540, 550)은 스테인리스 등 금속재질로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 분리층(540, 550)은 상기 전해질층(510)의 외곽 테두리 영역에 형성된 금속화 영역(560, 570)에 접합될 수 있다. 상기 분리층(540, 550)은 소정의 깊이를 갖도록 구성하여 캐소드 전극 및 애노드 전극과는 이격되도록 형성될 수 있다. 이렇게 분리층(540, 550)과 캐소드 전극 및 애노드 전극 사이에 형성된 공간을 통해 산소 및 수소를 공급할 수 있다. 본 실시형태에서는 분리층을 밀폐된 형태로 도시하였으나, 상기 분리층에는 상기 캐소드 및 애노드로 공기나 수소를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출할 수 있는 유로가 형성될 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 분리층만을 도시하였으나 상기 캐소드 전극이나 애노드 전극을 덮는 가스확산층 등이 더 포함될 수도 있다.
본 실시형태에서는, 전해질층(510)과 분리층(540, 550)이 서로 다른 결정구조에 의해 접합이 어려운 점을 개선하기 위해서 금속화 영역(560, 570)을 추가함으로서 분리층을 직접 전해질층에 접합할수 있도록 하였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시형태 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 전해질층이나 캐소드전극, 애노드 전극의 재질, 분리층의 원료, 제조공정등의 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
210 : 전해질층 220 : 캐소드 전극
230 : 애노드 전극 240 : 제1 분리층
250 : 제2 분리층

Claims (7)

  1. 일면 및 타면을 갖는 전해질층;
    상기 전해질층 일면의 외곽 테두리 영역은 노출되도록 상기 전해질층의 일면에 형성되는 캐소드 전극;
    상기 전해질층 타면의 외곽 테두리 영역은 노출되도록 상기 전해질층의 타면에 형성되는 애노드 전극;
    상기 전해질층 일면의 노출된 영역에 접합되며, 상기 캐소드 전극과 소정간격 이격되어 캐소드 전극을 덮는 제1 분리층;
    상기 전해질층 타면의 노출된 영역에 접합되며, 상기 애노드 전극과 소정간격 이격되어 애노드 전극을 덮는 제2 분리층
    을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질층과 제 1분리층이 접합되는 영역, 및 상기 전해질층과 제2 분리층이 접합되는 영역에 형성되는 금속화(metalizing) 영역
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속화 영역은,
    상기 전해질층에 금속분말이 분산된 형태인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리층 및 제2 분리층의 표면에서 소정의 깊이로 폐루프를 형성하도록 구현된 제1 홈부 및 제2 홈부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 홈부 및 제2 홈부 중 적어도 하나에 끼워지는 오링
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  6. 전해질층의 양면에 각각 캐소드 전극 및 애노드 전극을 형성하는 제1 단계;
    상기 전해질층 양면의 노출된 영역에 금속화 영역을 형성하는 제2 단계; 및
    상기 캐소드 전극 및 애노드 전극을 각각 덮도록 상기 금속화 영역에 제1 분리층 및 제2 분리층을 접합하는 제3 단계
    를 포함하는 고체산화물 연료전지 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 단계 및 제2 단계는 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 제조방법.
KR1020200179555A 2020-12-21 2020-12-21 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 KR102548218B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200179555A KR102548218B1 (ko) 2020-12-21 2020-12-21 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200179555A KR102548218B1 (ko) 2020-12-21 2020-12-21 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220089170A true KR20220089170A (ko) 2022-06-28
KR102548218B1 KR102548218B1 (ko) 2023-06-28

Family

ID=82268596

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200179555A KR102548218B1 (ko) 2020-12-21 2020-12-21 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102548218B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006202727A (ja) * 2004-12-24 2006-08-03 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体電解質形燃料電池
JP2008010191A (ja) * 2006-06-27 2008-01-17 Japan Fine Ceramics Center シール材及びそのシール材を用いた固体酸化物形燃料電池
KR20190045163A (ko) * 2016-08-11 2019-05-02 업스타트 파워 인코포레이티드 평면 고체 산화물 연료 유닛 셀 및 스택

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006202727A (ja) * 2004-12-24 2006-08-03 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体電解質形燃料電池
JP2008010191A (ja) * 2006-06-27 2008-01-17 Japan Fine Ceramics Center シール材及びそのシール材を用いた固体酸化物形燃料電池
KR20190045163A (ko) * 2016-08-11 2019-05-02 업스타트 파워 인코포레이티드 평면 고체 산화물 연료 유닛 셀 및 스택

Also Published As

Publication number Publication date
KR102548218B1 (ko) 2023-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20080286630A1 (en) Electrochemical Cell Holder and Stack
CN108352542B (zh) 互连器-电化学反应单体电池复合体、电化学反应电池堆以及互连器-电化学反应单体电池复合体的制造方法
US20040247980A1 (en) Structurally yieldable fuel cell seal
JP6667279B2 (ja) 電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応モジュール
US7160642B2 (en) Fuel cell stack assembly and method of fabrication
JP7254755B2 (ja) 電気化学反応セルスタックの製造方法
JP2019200877A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
RU2417488C1 (ru) Планарный элемент электрохимических устройств, батарея и способ изготовления
JP7194242B1 (ja) 電気化学反応セルスタック
KR102548218B1 (ko) 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
JP2017010682A (ja) インターコネクタ−燃料電池単セル複合体および燃料電池スタック
JP7194155B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
JP7249981B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
JP2018185957A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP7149221B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
US11233250B2 (en) Electrochemical reaction unit including cathode-side frame configured to improve spreading of oxidant gas and electrochemical reaction cell stack
KR101220740B1 (ko) 유로가 형성된 집전체를 포함하는 고체 산화물 연료전지 분리판 및 그 제조방법
US11316176B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP2024056240A (ja) 電気化学反応セルスタック
JP2024007106A (ja) 電気化学反応装置の製造方法
JP2023074566A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2023161257A (ja) 電気化学反応セルスタック
JP2023119076A (ja) 複合体
JP2023080457A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2023119145A (ja) 集電体－電気化学反応単セル複合体、および、電気化学反応セルスタック

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right