KR20240008204A - Metal support for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell stack with the same - Google Patents

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Abstract

고체산화물 연료전지용 금속 지지체는, 제1 두께를 가지며 제1 가스 홀이 형성된 제1 금속층과, 제1 금속층과 중첩되고 제1 두께보다 큰 제2 두께를 가지는 제2 금속층을 포함한다. 제2 금속층에는 제1 가스 홀의 크기보다 큰 제2 가스 홀이 위치한다. 제1 금속층과 제2 금속층은 서로 다른 조성을 가지며, 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된다. 제1 금속층은 연료극층과 접하기 위한 층이고, 제2 금속층은 분리판과 접하기 위한 층이다.The metal support for a solid oxide fuel cell includes a first metal layer having a first thickness and formed with first gas holes, and a second metal layer overlapping the first metal layer and having a second thickness greater than the first thickness. A second gas hole larger than the size of the first gas hole is located in the second metal layer. The first metal layer and the second metal layer have different compositions and are integrally joined at the interface facing each other. The first metal layer is a layer for contact with the anode layer, and the second metal layer is a layer for contact with the separator plate.

Description

고체산화물 연료전지용 금속 지지체와 이를 구비한 고체산화물 연료전지 스택 {METAL SUPPORT FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND SOLID OXIDE FUEL CELL STACK WITH THE SAME}Metal support for solid oxide fuel cells and solid oxide fuel cell stack including the same {METAL SUPPORT FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND SOLID OXIDE FUEL CELL STACK WITH THE SAME}

본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 지지체형 셀(Metal Supported Cell, MSC)을 기반으로 하는 고체산화물 연료전지의 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more specifically, to a stack of solid oxide fuel cells based on a metal supported cell (MSC).

고체산화물 연료전지의 스택은 복수의 단위전지와 복수의 분리판이 하나씩 교대로 배열된 구조로 이루어진다. 단위전지는 연료극과 공기극 및 이들 사이에 위치하는 고체산화물 전해질을 포함한다. 분리판에는 연료극으로 연료가스를 공급하기 위한 유로와, 공기극으로 산소가스(공기)를 공급하기 위한 유로가 위치한다.The stack of a solid oxide fuel cell consists of a plurality of unit cells and a plurality of separator plates arranged one by one in turns. The unit cell includes a fuel electrode, an air electrode, and a solid oxide electrolyte located between them. The separator plate has a flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and a flow path for supplying oxygen gas (air) to the air electrode.

고체산화물 연료전지의 단위전지는 전해질 지지체형 셀, 공기극 지지체형 셀, 금속 지지체형, 및 연료극 지지체형 셀로 구분된다. 각각의 타입은 장단점을 가지고 있으나, 금속을 지지체로 사용하는 금속 지지체형 셀은 고온의 응력 변화에서 매우 우수한 강건성을 가진다.The unit cell of the solid oxide fuel cell is divided into electrolyte support type cells, cathode support type cells, metal support type, and anode support type cells. Each type has advantages and disadvantages, but metal-supported cells that use metal as a support have excellent robustness under stress changes at high temperatures.

금속 지지체에는 연료가스 통과를 위한 홀이 존재하며, 연료극을 향한 금속 지지체의 일면에 확산 방지막이 위치한다. 보통 금속 지지체에 존재하는 철 성분이 연료극으로 확산되어 철-니켈계 합금을 형성하면 성능이 급격하게 열화되므로 확산 방지막이 필요하다.There is a hole in the metal support for fuel gas to pass through, and a diffusion prevention film is located on one side of the metal support facing the anode. Usually, when the iron component present in the metal support diffuses into the anode to form an iron-nickel alloy, performance deteriorates rapidly, so a diffusion barrier is required.

금속 지지체는 크게 다음의 세가지 방법으로 제조될 수 있다. 첫째는 철-크롬계 금속분말을 테이프 캐스팅 공정 및 소결 열처리 공정을 거쳐 다공성의 금속 지지체를 만드는 방법이다. 둘째는 철-크롬계 박판에 레이저로 미세한 천공작업을 하여 홀을 만드는 방법이다. 셋째는 철-크롬계 박판에 화학적 에칭으로 홀을 만드는 방법이다.Metal supports can be largely manufactured in the following three ways. The first is a method of making a porous metal support using iron-chromium metal powder through a tape casting process and a sintering heat treatment process. The second method is to create holes by making fine holes in an iron-chromium sheet using a laser. The third method is to create holes in iron-chromium thin plates by chemical etching.

그런데 레이저 천공작업의 경우 열산화 등에 의해 표면처리가 필요하며, 비용이 높고, 양산성이 떨어지는 단점이 있다. 그리고 금속 지지체의 두께가 클수록 미세 홀을 만들기 어려워진다. 화학적 에칭의 경우 홀을 미세하게 만드는데 한계가 있으며, 홀이 크게 형성된 경우 연료극을 슬러리 형태로 코팅하여 막을 형성할 때 슬러리의 일부가 홀 안으로 들어가 핀홀 또는 크랙 등의 결함이 생기므로, 연료극의 불량을 유발할 수 있다.However, laser drilling requires surface treatment through thermal oxidation, etc., and has the disadvantages of high cost and poor mass production. And the larger the thickness of the metal support, the more difficult it is to make micro holes. In the case of chemical etching, there is a limit to making fine holes, and if the hole is large, when the anode is coated with slurry to form a film, part of the slurry enters the hole and causes defects such as pinholes or cracks, which can lead to defects in the anode. It can cause

본 발명은 연료가스가 원활하게 이동할 수 있고, 연료극 코팅이 용이하며, 금속 지지체 성분과 연료극 성분 간의 확산을 방지할 수 있고, 단위전지의 지지체 기능을 우수하게 발휘할 수 있는 고체산화물 연료전지용 금속 지지체와, 이 금속 지지체를 구비한 고체산화물 연료전지 스택을 제공하고자 한다.The present invention provides a metal support for a solid oxide fuel cell that allows fuel gas to move smoothly, is easy to coat an anode, can prevent diffusion between the metal support component and the anode component, and can excellently function as a support for a unit cell; , the aim is to provide a solid oxide fuel cell stack equipped with this metal support.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 금속 지지체는, 제1 두께를 가지며 제1 가스 홀이 형성된 제1 금속층과, 제1 금속층과 중첩되고 제1 두께보다 큰 제2 두께를 가지는 제2 금속층을 포함한다. 제2 금속층에는 제1 가스 홀의 크기보다 큰 제2 가스 홀이 위치한다. 제1 금속층과 제2 금속층은 서로 다른 조성을 가지며, 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된다. 제1 금속층은 연료극층과 접하기 위한 층이고, 제2 금속층은 분리판과 접하기 위한 층이다.A metal support for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a first metal layer having a first thickness and a first gas hole formed therein, and a second layer overlapping with the first metal layer and having a second thickness greater than the first thickness. It includes a metal layer. A second gas hole larger than the size of the first gas hole is located in the second metal layer. The first metal layer and the second metal layer have different compositions and are integrally joined at the interface facing each other. The first metal layer is a layer for contact with the anode layer, and the second metal layer is a layer for contact with the separator plate.

제1 금속층은 니켈계 합금과 구리계 합금 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 제1 금속층의 두께는 10μm 이상 100μm 이하일 수 있고, 제1 가스 홀의 크기는 50μm 이하일 수 있다. The first metal layer may be composed of either a nickel-based alloy or a copper-based alloy. The thickness of the first metal layer may be 10 μm or more and 100 μm or less, and the size of the first gas hole may be 50 μm or less.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택은 복수의 단위전지와, 복수의 단위전지 사이에 위치하는 복수의 분리판을 포함한다. 복수의 단위전지 각각은 금속 지지체와, 금속 지지체 상에 위치하는 연료극층, 전해질층, 및 공기극층을 포함한다. 금속 지지체는 연료극층과 접하는 제1 금속층과, 제1 금속층과 중첩되는 제2 금속층을 포함한다. 제1 금속층은 제1 두께를 가지며, 제1 금속층에 제1 가스 홀이 형성된다. 제2 금속층은 제1 두께보다 큰 제2 두께를 가지며, 제2 금속층에는 제1 가스 홀의 크기보다 큰 제2 가스 홀이 형성된다. 제1 금속층과 제2 금속층은 서로 다른 조성을 가지며, 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된다.A solid oxide fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes a plurality of unit cells and a plurality of separator plates positioned between the plurality of unit cells. Each of the plurality of unit cells includes a metal support, an anode layer, an electrolyte layer, and an air electrode layer located on the metal support. The metal support includes a first metal layer in contact with the anode layer and a second metal layer overlapping the first metal layer. The first metal layer has a first thickness, and a first gas hole is formed in the first metal layer. The second metal layer has a second thickness greater than the first thickness, and a second gas hole larger than the size of the first gas hole is formed in the second metal layer. The first metal layer and the second metal layer have different compositions and are integrally joined at the interface facing each other.

제1 금속층은 니켈계 합금과 구리계 합금 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 제1 금속층의 두께는 10μm 이상 100μm 이하일 수 있고, 제1 가스 홀의 크기는 50μm 이하일 수 있다.The first metal layer may be composed of either a nickel-based alloy or a copper-based alloy. The thickness of the first metal layer may be 10 μm or more and 100 μm or less, and the size of the first gas hole may be 50 μm or less.

실시예들에 따르면, 결함이 없는 균일한 연료극층을 제작할 수 있고, 금속 지지체와 연료극층 사이의 확산을 방지하여 확산에 따른 성능 저하를 예방할 수 있다. 또한, 금속 지지체는 고온에서 장시간 기계적 강도를 유지할 수 있으므로 우수한 성능 및 내구성을 가지며, 경제성이 우수한 고체산화물 연료전지 스택의 제작을 가능하게 한다.According to the embodiments, a uniform anode layer without defects can be manufactured, and diffusion between the metal support and the anode layer can be prevented, thereby preventing performance degradation due to diffusion. In addition, the metal support can maintain mechanical strength for a long time at high temperatures, so it has excellent performance and durability, and enables the production of a solid oxide fuel cell stack with excellent economic efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택의 부분 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 고체산화물 연료전지 스택의 단위전지 중 금속 지지체의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 지지체의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 지지체의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도이다.1 is a partial cross-sectional view of a solid oxide fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a metal support in a unit cell of the solid oxide fuel cell stack shown in FIG. 1.
Figure 3 is a flowchart showing a method of manufacturing a metal support according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a metal support according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. The present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택의 부분 단면도이다.1 is a partial cross-sectional view of a solid oxide fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 스택(100)은 복수의 단위전지(10)와 복수의 분리판(20)이 하나씩 교대로 적층된 구조로 이루어진다. 도 1에서는 편의상 하나의 단위전지(10)와, 이 단위전지(10)의 양측에 위치하는 두 개의 분리판(20)을 도시하였다. 이때 단위전지(10)는 금속 지지체(30)에 의해 지지되는 금속 지지체형 셀(Metal Supported Cell, MSC)로 이루어진다.Referring to FIG. 1, the solid oxide fuel cell stack 100 according to one embodiment has a structure in which a plurality of unit cells 10 and a plurality of separator plates 20 are alternately stacked one by one. In Figure 1, for convenience, one unit cell 10 and two separator plates 20 located on both sides of the unit cell 10 are shown. At this time, the unit cell 10 is composed of a metal supported cell (MSC) supported by a metal support 30.

구체적으로, 단위전지(10)는 금속 지지체(30), 연료극층(40), 전해질층(50), 및 공기극층(60)을 포함한다. 금속 지지체(30)에는 연료가스 통과를 위한 가스 홀이 제공되며, 금속 지지체(30)의 일면에 다공성의 연료극층(40)이 위치한다. 연료극층(40)은 산소 이온이 이동할 수 있는 전해질층(50)으로 덮이며, 전해질층(50) 위에 공기극층(60)이 위치한다. 전해질층(50)은 가스를 투과하지 않는 치밀한 구조의 고체산화물로 이루어진다.Specifically, the unit cell 10 includes a metal support 30, an anode layer 40, an electrolyte layer 50, and an air electrode layer 60. The metal support 30 is provided with a gas hole for fuel gas to pass through, and a porous anode layer 40 is located on one side of the metal support 30. The anode layer 40 is covered with an electrolyte layer 50 through which oxygen ions can move, and the cathode layer 60 is located on the electrolyte layer 50. The electrolyte layer 50 is made of solid oxide with a dense structure that does not transmit gas.

금속 지지체(30)를 향한 분리판(20)의 일면에는 연료극층(40)으로 연료가스를 공급하기 위한 연료극 가스채널(21)이 위치한다. 공기극층(60)을 향한 분리판(20)의 반대측 일면에는 공기극층(60)으로 산소가스(공기)를 공급하기 위한 공기극 가스채널(22)이 위치한다.An anode gas channel 21 for supplying fuel gas to the anode layer 40 is located on one side of the separator plate 20 facing the metal support 30. An air cathode gas channel 22 for supplying oxygen gas (air) to the air cathode layer 60 is located on one side of the separator plate 20 opposite to the air cathode layer 60.

공기극층(60)에 산소가스가 공급되고 연료극층(40)에 연료가스(수소)가 공급되면, 공기극층(60)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질층(50)을 통해 연료극층(40)으로 이동하고, 연료극층(40)에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 연료극층(40)에서 생성된 전자가 공기극층(60)으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위전지(10)는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.When oxygen gas is supplied to the air electrode layer 60 and fuel gas (hydrogen) is supplied to the anode layer 40, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen in the air electrode layer 60 pass through the electrolyte layer 50. It moves to the anode layer 40 and reacts with the hydrogen supplied to the anode layer 40 to generate water. At this time, as the electrons generated in the anode layer 40 are transferred to the air electrode layer 60 and consumed, electrons flow to the external circuit, and the unit cell 10 uses this electron flow to produce electrical energy.

단위전지(10)는 추가적으로 산소가스 밀봉을 위한 가스켓 밀봉재(70)와, 공기극층(60)과 분리판(20)의 물리적 및 전기적 접촉을 위한 공기극 집전체(65)를 포함할 수 있다. 한편, 종래의 고체산화물 연료전지 스택에서는 금속 지지체와 연료극층 사이에 확산 방지막이 위치하였으나, 실시예의 고체산화물 연료전지 스택(100)에서는 다음에 설명하는 금속 지지체(30)의 구성에 의해 확산 방지막이 생략될 수 있다.The unit cell 10 may additionally include a gasket sealant 70 for sealing oxygen gas, and an air cathode current collector 65 for physical and electrical contact between the air cathode layer 60 and the separator plate 20. Meanwhile, in the conventional solid oxide fuel cell stack, a diffusion barrier is located between the metal support and the anode layer, but in the solid oxide fuel cell stack 100 of the embodiment, the diffusion barrier is provided by the configuration of the metal support 30 described below. It may be omitted.

도 2는 도 1에 도시한 고체산화물 연료전지 스택의 단위전지 중 금속 지지체의 확대도이다.FIG. 2 is an enlarged view of a metal support in a unit cell of the solid oxide fuel cell stack shown in FIG. 1.

도 1과 도 2를 참고하면, 일 실시예에 따른 금속 지지체(30)는 두께와 구조 및 성분이 서로 다른 두 개의 금속층이 중첩되고, 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 구성으로 이루어진다. 즉 실시예의 금속 지지체(30)는 이중 구조의 하이브리드 금속 지지체로 구성된다.Referring to Figures 1 and 2, the metal support 30 according to one embodiment is composed of two metal layers with different thicknesses, structures, and components that overlap and are integrally joined at the interface facing each other. That is, the metal support 30 of the embodiment is composed of a hybrid metal support with a double structure.

구체적으로 금속 지지체(30)는, 제1 두께(T1)를, 가지며 제1 가스 홀(H1)이 형성된 제1 금속층(31)과, 제1 두께(T1)보다 큰 제2 두께(T2)를 가지며 제1 가스 홀(H1)의 크기보다 큰 제2 가스 홀(H2)이 형성된 제2 금속층(32)을 포함한다. 제1 금속층(31)은 제2 금속층(32)보다 연료극층(40)에 더 가깝게 위치한다.Specifically, the metal support 30 has a first thickness T1, a first metal layer 31 in which a first gas hole H1 is formed, and a second thickness T2 greater than the first thickness T1. and a second metal layer 32 having a second gas hole H2 larger than the size of the first gas hole H1. The first metal layer 31 is located closer to the anode layer 40 than the second metal layer 32.

제1 금속층(31)은 상층 또는 상판으로 표현될 수 있고, 제2 금속층(32)은 하층 또는 하판으로 표현될 수 있다. 제1 금속층(31)은 확산방지 기능을 가지는 소재로 제작되며, 연료극층(40)이 용이하게 적층될 수 있도록 매우 작은 사이즈의 제1 가스 홀(H1)을 형성한다. 제2 금속층(32)은 충분한 두께로 인해 기계적 강도를 확보하며, 연료가스가 수월하게 통과할 수 있도록 비교적 큰 사이즈의 제2 가스 홀(H2)을 형성한다.The first metal layer 31 may be expressed as an upper layer or upper plate, and the second metal layer 32 may be expressed as a lower layer or lower plate. The first metal layer 31 is made of a material with a diffusion prevention function, and forms a very small first gas hole H1 so that the anode layer 40 can be easily stacked. The second metal layer 32 secures mechanical strength due to its sufficient thickness, and forms a relatively large second gas hole H2 so that fuel gas can easily pass through.

제1 금속층(31)에 대해 구체적으로 설명한다.The first metal layer 31 will be described in detail.

제1 금속층(31)은 니켈계 합금 또는 구리계 합금으로 구성될 수 있다. 일반적으로 연료극층(40) 물질의 대부분이 니켈로 구성되므로, 제1 금속층(31)이 니켈계 합금인 경우, 고온에서 상호 확산에 의한 새로운 화합물 형성이 어렵다. 제1 금속층(31)이 구리계 합금인 경우, 연료전지의 작동온도에서 니켈 금속과 모든 조성범위에서 균일한 상을 이루는 고용체(solid solution)를 만들기 때문에 새로운 화합물이나 새로운 상이 형성되지 않는다.The first metal layer 31 may be made of a nickel-based alloy or a copper-based alloy. In general, since most of the material of the anode layer 40 is composed of nickel, when the first metal layer 31 is a nickel-based alloy, it is difficult to form a new compound through interdiffusion at high temperature. When the first metal layer 31 is a copper-based alloy, a solid solution is formed that forms a uniform phase with nickel metal in all composition ranges at the operating temperature of the fuel cell, so no new compounds or new phases are formed.

즉 금속 지지체(31) 가운데 연료극층(40)과 접하는 제1 금속층(31)이 니켈계 합금 또는 구리계 합금으로 구성됨에 따라, 금속 지지체(30)와 연료극층(40) 사이에 확산이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 따라서 실시예의 금속 지지체(30)를 구비한 고체산화물 연료전지 스택(100)은 기존의 확산 방지막을 생략할 수 있다.That is, as the first metal layer 31 in contact with the anode layer 40 in the metal support 31 is composed of a nickel-based alloy or a copper-based alloy, diffusion occurs between the metal support 30 and the anode layer 40. It can be prevented. Therefore, the solid oxide fuel cell stack 100 equipped with the metal support 30 of the embodiment can omit the existing diffusion barrier.

제1 금속층(31)의 두께(T1)는 10μm 이상 100μm 이하일 수 있다. 제1 금속층(31)의 두께(T1)가 위 범위를 만족하면 통상의 홀 가공 방식인 방전 가공, 프레스 펀칭, 화학적 에칭 공정에 의해 50μm 이하 크기의 초미세 홀을 용이하게 만들 수 있다. 제1 금속층(31)의 두께가 위 범위보다 과도하게 작은 경우에는 접합 및 고온에서의 소결 공정 등 후속 공정에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.The thickness T1 of the first metal layer 31 may be 10 μm or more and 100 μm or less. If the thickness T1 of the first metal layer 31 satisfies the above range, ultrafine holes with a size of 50 μm or less can be easily made by conventional hole processing methods such as discharge machining, press punching, and chemical etching processes. If the thickness of the first metal layer 31 is excessively smaller than the above range, subsequent processes such as bonding and sintering processes at high temperatures may be adversely affected.

제1 가스 홀(H1)의 크기(직경 또는 폭)는 50μm 이하일 수 있다. 제1 가스 홀(H1)의 사이즈가 50μm 이하이면, 후속 공정인 연료극 물질을 슬러리 형태로 코팅하여 연료극층(40)을 형성할 때, 핀홀 또는 크랙 등의 결함이 없는 균일한 연료극층(40)을 제조할 수 있다. 종래에는 연료극층에 핀홀 또는 크랙 등의 결함이 발생할 때 홀을 메우는 추가 공정이 요구되었으나, 실시예의 경우에는 이러한 추가 공정이 요구되지 않는다.The size (diameter or width) of the first gas hole H1 may be 50 μm or less. If the size of the first gas hole (H1) is 50 μm or less, when the anode layer 40 is formed by coating the anode material in a slurry form in the subsequent process, a uniform anode layer 40 without defects such as pinholes or cracks is formed. can be manufactured. Conventionally, when defects such as pinholes or cracks occur in the anode layer, an additional process to fill the hole was required, but in the embodiment, such additional process is not required.

이와 같이 제1 금속층(31)은 니켈계 합금 또는 구리계 합금으로 구성되어 확산방지 기능을 가지며, 10μm 이상 100μm 이하의 두께로 제작되어 50μm 이하의 초미세 제1 가스 홀(H1)을 용이하게 형성할 수 있다. 초미세 제1 가스 홀(H1)은 결함이 없는 균일한 연료극층(40) 제작을 가능하게 한다.In this way, the first metal layer 31 is made of a nickel-based alloy or a copper-based alloy and has a diffusion prevention function, and is manufactured to a thickness of 10 μm or more and 100 μm or less to easily form an ultra-fine first gas hole (H1) of 50 μm or less. can do. The ultra-fine first gas hole H1 enables the production of a uniform anode layer 40 without defects.

다음으로 제2 금속층(32)에 대해 구체적으로 설명한다.Next, the second metal layer 32 will be described in detail.

제2 금속층(32)은 분리판(20)에 의해 유입되는 연료가스의 통로가 되어야 하며, 동시에 고온에서 장시간 기계적 강도를 유지해야 한다. 제2 금속층(32)은 열팽창 계수가 연료극층(40) 및 공기극층(60)의 열팽창 계수와 유사한 철-크롬계 스테인리스 강으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 금속층(32)은 460FC, Crofer22, ZMG232, 및 STS444 가운데 어느 하나로 구성될 수 있다.The second metal layer 32 must be a passage for fuel gas introduced by the separator plate 20, and at the same time must maintain mechanical strength for a long time at high temperature. The second metal layer 32 may be made of iron-chromium stainless steel whose thermal expansion coefficient is similar to that of the anode layer 40 and the air electrode layer 60. For example, the second metal layer 32 may be composed of any one of 460FC, Crofer22, ZMG232, and STS444.

제2 금속층(32)의 두께(T2)는 0.1mm 이상 0.5mm 이하일 수 있다. 제2 금속층(32)의 두께(T2)가 0.1mm 미만이면 제2 금속층(32)이 고온에서 장시간 기계적 강도를 유지하는 기능이 저하될 수 있고, 고온에서의 열처리 등 후속 공정 시 버클링(Buckling) 현상 등에 의해 금속 지지체(30)가 휘어질 수 있다. 제2 금속층(32)의 두께(T2)가 0.5mm를 초과하면 스택(100) 전체의 높이(또는 두께)가 과도하게 커지게 되고, 기존의 화학적 에칭 공정이나 프레스 펀칭 작업 등에 의해 적절한 크기의 제2 가스 홀(H2)을 만들기 어려워질 수 있다.The thickness T2 of the second metal layer 32 may be 0.1 mm or more and 0.5 mm or less. If the thickness T2 of the second metal layer 32 is less than 0.1 mm, the ability of the second metal layer 32 to maintain mechanical strength for a long time at high temperature may be reduced, and buckling may occur during subsequent processes such as heat treatment at high temperature. ) The metal support 30 may be bent due to phenomena, etc. If the thickness T2 of the second metal layer 32 exceeds 0.5 mm, the overall height (or thickness) of the stack 100 becomes excessively large, and it cannot be made to an appropriate size by a conventional chemical etching process or press punching operation. 2 It may become difficult to create a gas hole (H2).

제2 금속층(32)에 형성된 제2 가스 홀(H2)의 크기(직경 또는 폭)는 0.3mm 이상 2mm 이하일 수 있다. 화학적 에칭 공정에 의한 홀의 크기는 소재의 두께에 의존하지만, 제2 금속층(32)의 두께가 0.1mm 이상 0.5mm 이하의 범위를 만족할 때 전술한 크기의 제2 가스 홀(H2)을 용이하게 만들 수 있다. 제2 가스 홀(H2)은 원형 또는 사각형 등 다양한 모양으로 형성될 수 있으며, 분리판(20)의 유로와 유사한 모양으로도 형성될 수 있다.The size (diameter or width) of the second gas hole H2 formed in the second metal layer 32 may be 0.3 mm or more and 2 mm or less. The size of the hole by the chemical etching process depends on the thickness of the material, but when the thickness of the second metal layer 32 satisfies the range of 0.1 mm to 0.5 mm, it is easy to create a second gas hole (H2) of the above-mentioned size. You can. The second gas hole H2 may be formed in various shapes such as circular or square, and may also be formed in a shape similar to the flow path of the separator plate 20.

이와 같이 제2 금속층(32)은 철-크롬계 스테인리스 강으로 구성되며, 0.1mm 이상 0.5mm 이하의 두께(T2)로 제작되어 고온에서 장시간 기계적 강도를 유지할 수 있다. 또한, 제2 금속층(32)은 0.3mm 이상 2mm 이하 크기의 제2 미세 홀(H2)을 형성하여 연료가스 통과를 수월하게 할 수 있다.In this way, the second metal layer 32 is made of iron-chromium stainless steel and is manufactured with a thickness (T2) of 0.1 mm or more and 0.5 mm or less, so that it can maintain mechanical strength for a long time at high temperatures. In addition, the second metal layer 32 may form a second fine hole H2 with a size of 0.3 mm or more and 2 mm or less to facilitate the passage of fuel gas.

한편, 제1 금속층(31)은 초미세 제1 가스 홀(H1)을 형성하기 위해 매우 얇은 두께를 가지므로 단독으로 사용이 어렵다. 따라서 제1 금속층(31)과 제2 금속층(32)은 확산 접합, 브레이징 접합 등 다양한 접합 공정에 의해 일체로 접합되어 단일의 금속 지지체(30)를 구성한다.Meanwhile, the first metal layer 31 has a very thin thickness to form the ultra-fine first gas hole H1, so it is difficult to use alone. Accordingly, the first metal layer 31 and the second metal layer 32 are integrally bonded through various bonding processes such as diffusion bonding and brazing bonding to form a single metal support 30.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 지지체의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 지지체의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도이다.Figure 3 is a flowchart showing a method of manufacturing a metal support according to an embodiment of the present invention, and Figure 4 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a metal support according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 실시예에 따른 금속 지지체의 제조 방법은, 제1 금속층(31)을 준비하고 제1 금속층(31)에 복수의 제1 가스 홀(H1)을 가공하는 제1 단계(S100)와, 제2 금속층(32)을 준비하고 제2 금속층(32)에 복수의 제2 가스 홀(H2)을 가공하는 제2 단계(S200)와, 제1 금속층(31)과 제2 금속층(32)을 일체로 접합하는 제3 단계(S300)를 포함한다.1 to 4, the method for manufacturing a metal support according to an embodiment includes preparing a first metal layer 31 and processing a plurality of first gas holes H1 in the first metal layer 31. A step (S100), a second step (S200) of preparing the second metal layer 32 and processing a plurality of second gas holes (H2) in the second metal layer 32, and the first metal layer 31 and the second gas hole (H2). It includes a third step (S300) of integrally joining the two metal layers 32.

이때 제1 금속층(31)과 제2 금속층(32)은 서로 다른 소재로 구성되며, 서로 다른 두께를 가진다. 도 4에서 도면부호 35는 복수의 제1 가스 홀(H1)이 형성된 제1 가스 홀 영역을 나타내고, 도면부호 36은 복수의 제2 가스 홀(H2)이 형성된 제2 가스 홀 영역을 나타낸다.At this time, the first metal layer 31 and the second metal layer 32 are made of different materials and have different thicknesses. In FIG. 4 , reference numeral 35 represents a first gas hole region in which a plurality of first gas holes H1 are formed, and reference numeral 36 represents a second gas hole region in which a plurality of second gas holes H2 are formed.

제1 단계(S100)에서, 제1 금속층(31)은 연료극층(40)과의 확산 방지를 위해 니켈계 합금 또는 구리계 합금으로 구성되며, 10μm 이상 100μm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 제1 가스 홀(H1)은 방전 가공, 프레스 펀칭, 화학적 에칭 중 어느 하나의 방법으로 가공될 수 있으며, 50μm 이하의 크기를 가질 수 있다. 제1 가스 홀(H1)의 크기가 50μm 이하일 때, 결함이 없는 균일한 연료극층(40)을 형성할 수 있다.In the first step (S100), the first metal layer 31 is made of a nickel-based alloy or a copper-based alloy to prevent diffusion with the anode layer 40, and may be formed to a thickness of 10 μm or more and 100 μm or less. The first gas hole H1 may be processed by any one of discharge machining, press punching, and chemical etching, and may have a size of 50 μm or less. When the size of the first gas hole H1 is 50 μm or less, a uniform anode layer 40 without defects can be formed.

제2 단계(S200)에서, 제2 금속층(32)은 철-크롬계 스테인리스 강으로 구성되며, 고온에서 장시간 기계적 강도를 유지할 수 있도록 0.1mm 이상 0.5mm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 제2 가스 홀(H2)은 방전 가공, 프레스 펀칭, 화학적 에칭 중 어느 하나의 방법으로 가공될 수 있고, 연료가스가 수월하게 통과할 수 있도록 0.3mm 이상 2mm 이하의 크기를 가질 수 있다.In the second step (S200), the second metal layer 32 is made of iron-chromium stainless steel and may be formed to have a thickness of 0.1 mm or more and 0.5 mm or less to maintain mechanical strength for a long time at high temperature. The second gas hole H2 may be processed by any one of discharge machining, press punching, and chemical etching, and may have a size of 0.3 mm or more and 2 mm or less to allow fuel gas to easily pass through.

제3 단계(S300)에서, 제1 금속층(31)과 제2 금속층(32)은 확산 접합과 브레이징 접합 중 어느 하나의 방법으로 접합될 수 있다. 확산 접합은 금속 재료를 밀착시켜 접합면 사이에서 발생하는 원자의 확산을 이용하는 접합 기술이다. 브레이징 접합은 모재의 용융점 이하의 온도에서 접합부를 가열하여 모재는 녹이지 않고 용가재만 녹여 모재를 접합하는 기술이다.In the third step (S300), the first metal layer 31 and the second metal layer 32 may be bonded by any one of diffusion bonding and brazing bonding. Diffusion bonding is a bonding technology that uses the diffusion of atoms that occurs between bonding surfaces by bringing metal materials into close contact. Brazing joining is a technology that joins base metals by heating the joint at a temperature below the melting point of the base metal and melting only the filler metal without melting the base metal.

확산 접합은 접합 후의 열응력이나 변형이 적고, 조직 변화에 의한 재료의 열화가 적은 특징이 있다. 브레이징 접합 또한 접합 강도가 우수하고, 작업 용이성 및 경제성이 우수하며, 모재의 변형이나 잔류응력이 거의 없는 특징이 있다. 확산 접합과 브레이징 접합 모두 이종 재질을 접합하는데 적합하다.Diffusion bonding has the characteristics of low thermal stress or deformation after bonding and little deterioration of the material due to structural changes. Brazing joints also have the characteristics of excellent joint strength, ease of operation and economic efficiency, and almost no deformation or residual stress of the base material. Both diffusion bonding and brazing bonding are suitable for joining dissimilar materials.

예를 들어, 확산 접합은 제1 금속판(31)과 제2 금속판(32)을 가열하고, 한 쌍의 가압판을 이용하여 제1 금속판(31)과 제2 금속판(32)에 강한 압력을 인가하는 과정으로 이루어질 수 있다. 이때 공정은 5×10-5torr 이하의 진공 분위기나 산소농도 0.1% 이하의 불활성 분위기에서 진행될 수 있고, 온도는 800℃ 이상일 수 있으며, 면압은 5MPa 이상일 수 있다. 이 조건을 만족할 때 제1 금속판(31)과 제2 금속판(32)의 계면에서 산화피막이 형성되는 것을 억제할 수 있다.For example, diffusion bonding involves heating the first metal plate 31 and the second metal plate 32 and applying strong pressure to the first metal plate 31 and the second metal plate 32 using a pair of pressure plates. It can be done through a process. At this time, the process may be carried out in a vacuum atmosphere of 5×10 -5 torr or less or an inert atmosphere with an oxygen concentration of 0.1% or less, the temperature may be 800°C or more, and the surface pressure may be 5 MPa or more. When this condition is satisfied, the formation of an oxide film at the interface between the first metal plate 31 and the second metal plate 32 can be suppressed.

다시 도 1을 참고하면, 고체산화물 연료전지 스택(100)은 전술한 방법으로 제조된 금속 지지체(30)를 포함한다. 제1 금속층(31)은 연료극층(40)과 접하며, 소재 특성에 의해 연료극층(40)과의 확산을 방지한다. 제2 금속층(32)은 분리판(20)과 접하며, 단위전지를 지지하는 지지체로 기능한다.Referring again to FIG. 1, the solid oxide fuel cell stack 100 includes a metal support 30 manufactured by the method described above. The first metal layer 31 is in contact with the anode layer 40 and prevents diffusion with the anode layer 40 due to material properties. The second metal layer 32 is in contact with the separator plate 20 and functions as a support for supporting the unit cell.

실시예의 금속 지지체(30)에 따르면, 결함이 없는 균일한 연료극층(40)을 제작할 수 있고, 금속 지지체(30)와 연료극층(40) 사이의 확산을 방지하여 확산에 따른 성능 저하를 예방할 수 있다. 또한, 금속 지지체(30)는 고온에서 장시간 기계적 강도를 유지할 수 있으므로 우수한 성능 및 내구성을 가지며, 경제성이 우수한 고체산화물 연료전지 스택(100)의 제작을 가능하게 한다.According to the metal support 30 of the embodiment, a uniform anode layer 40 without defects can be manufactured, and diffusion between the metal support 30 and the anode layer 40 can be prevented, thereby preventing performance degradation due to diffusion. there is. In addition, the metal support 30 can maintain mechanical strength for a long time at high temperature, so it has excellent performance and durability, and enables the production of a solid oxide fuel cell stack 100 with excellent economic efficiency.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited thereto, and can be implemented with various modifications within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings, and this is also the present invention. It is natural that it falls within the scope of .

100: 고체산화물 연료전지 스택 10: 단위전지
20: 분리판 30: 금속 지지체
31: 제1 금속층 32: 제2 금속층
40: 연료극층 50: 전해질층
60: 공기극층 65: 공기극 집전체
70: 가스켓 밀봉재100: solid oxide fuel cell stack 10: unit cell
20: separation plate 30: metal support
31: first metal layer 32: second metal layer
40: anode layer 50: electrolyte layer
60: air cathode layer 65: air cathode current collector
70: Gasket sealant

Claims (6)

고체산화물 연료전지에서 단위전지를 지지하는 금속 지지체로서,
제1 두께를 가지며, 제1 가스 홀이 형성되고, 연료극층과 접하기 위한 제1 금속층; 및
상기 제1 금속층과 중첩되고, 상기 제1 두께보다 큰 제2 두께를 가지며, 상기 제1 가스 홀의 크기보다 큰 제2 가스 홀이 형성되고, 분리판과 접하기 위한 제2 금속층을 포함하고,
상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층은 서로 다른 조성을 가지며, 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 고체산화물 연료전지용 금속 지지체.A metal support that supports a unit cell in a solid oxide fuel cell,
a first metal layer having a first thickness, forming first gas holes, and contacting the anode layer; and
a second metal layer overlapping the first metal layer, having a second thickness greater than the first thickness, forming a second gas hole larger than the size of the first gas hole, and contacting the separator;
A metal support for a solid oxide fuel cell in which the first metal layer and the second metal layer have different compositions and are integrally bonded at an interface facing each other. 제1항에 있어서,
상기 제1 금속층은 니켈계 합금과 구리계 합금 중 어느 하나로 구성되는 고체산화물 연료전지용 금속 지지체.According to paragraph 1,
The first metal layer is a metal support for a solid oxide fuel cell consisting of one of a nickel-based alloy and a copper-based alloy. 제2항에 있어서,
상기 제1 금속층의 두께는 10μm 이상 100μm 이하이고, 상기 제1 가스 홀의 크기는 50μm 이하인 고체산화물 연료전지용 금속 지지체.According to paragraph 2,
A metal support for a solid oxide fuel cell wherein the thickness of the first metal layer is 10 μm or more and 100 μm or less, and the size of the first gas hole is 50 μm or less. 금속 지지체와, 금속 지지체 상에 위치하는 연료극층, 전해질층, 및 공기극층을 포함하는 복수의 단위전지; 및
상기 복수의 단위전지 사이에 위치하는 복수의 분리판을 포함하고,
상기 금속 지지체는,
상기 연료극층과 접하고, 제1 두께를 가지며, 제1 가스 홀이 형성된 제1 금속층; 및
상기 제1 금속층과 중첩되고, 상기 제1 두께보다 큰 제2 두께를 가지며, 상기 제1 가스 홀의 크기보다 큰 제2 가스 홀이 형성된 제2 금속층을 포함하고,
상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층은 서로 다른 조성을 가지며, 서로 마주하는 계면에서 일체로 접합된 고체산화물 연료전지 스택.A plurality of unit cells including a metal support, an anode layer, an electrolyte layer, and an air electrode layer located on the metal support; and
It includes a plurality of separator plates located between the plurality of unit cells,
The metal support is,
a first metal layer in contact with the anode layer, having a first thickness, and having first gas holes formed; and
A second metal layer overlapping the first metal layer, having a second thickness greater than the first thickness, and having a second gas hole larger than the first gas hole,
A solid oxide fuel cell stack in which the first metal layer and the second metal layer have different compositions and are integrally joined at an interface facing each other. 제4항에 있어서,
상기 제1 금속층은 니켈계 합금과 구리계 합금 중 어느 하나로 구성되는 고체산화물 연료전지 스택.According to clause 4,
The first metal layer is a solid oxide fuel cell stack composed of one of a nickel-based alloy and a copper-based alloy. 제4항에 있어서,
상기 제1 금속층의 두께는 10μm 이상 100μm 이하이고, 상기 제1 가스 홀의 크기는 50μm 이하인 고체산화물 연료전지 스택.According to clause 4,
A solid oxide fuel cell stack wherein the thickness of the first metal layer is 10 μm or more and 100 μm or less, and the size of the first gas hole is 50 μm or less.
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