KR20240080057A - Solid oxide cell stack - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시형태는 제1 및 제2 인터커넥트와, 상기 제1 및 제2 인터커넥트 사이에 배치된 고체산화물 셀 및 상기 제1 인터커넥트와 상기 고체산화물 셀 사이에 배치되며 다공성 금속 폼을 포함하며, 상기 다공성 금속 폼은 표면에 형성된 탄소나노구조를 포함하는 고체산화물 셀 스택을 제공한다.One embodiment of the present invention includes first and second interconnects, a solid oxide cell disposed between the first and second interconnects, and a porous metal foam disposed between the first interconnect and the solid oxide cell, The porous metal foam provides a solid oxide cell stack including carbon nanostructures formed on the surface.
Description
본 발명은 고체산화물 셀 스택에 관한 것이다.The present invention relates to solid oxide cell stacks.
고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)와 고체산화물 수전해전지(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)는 공기극, 연료극, 산소이온 전도성을 갖는 고체전해질로 구성된 셀을 포함하며, 여기서 상기 셀은 고체산화물 셀로 칭할 수 있다. 고체산화물 셀은 전기화학반응으로 전기 에너지를 생산하거나 고체산화물 연료전지의 역반응으로 물을 전기분해하여 수소를 생산한다. 고체산화물 셀은 다른 종류의 연료전지나 수전해전지, 예컨대, 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC) 등과 비교하여 낮은 활성화 분극을 바탕으로 하여 과전압이 낮고, 비가역적 손실이 적으므로 효율이 높다. 또한, 수소뿐만 아니라 탄소 또는 하이드로 카본계의 연료로 사용할 수 있어 연료 선택 폭이 넓으며, 전극에서의 반응속도가 높기 때문에 전극 촉매로서 값비싼 귀금속을 필요로 하지 않는 장점이 있다.A solid oxide fuel cell (SOFC) and a solid oxide electrolysis cell (SOEC) include a cell composed of an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte with oxygen ion conductivity, where the cell is a solid It can be referred to as an oxide cell. Solid oxide cells produce electrical energy through an electrochemical reaction or produce hydrogen by electrolyzing water through the reverse reaction of a solid oxide fuel cell. Solid oxide cells are compared to other types of fuel cells or water electrolytic cells, such as phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), and direct methanol fuel cells (DMFC). Based on low activation polarization, overvoltage is low and irreversible loss is low, so efficiency is high. In addition, it can be used as a carbon or hydrocarbon-based fuel in addition to hydrogen, giving a wide range of fuel choices, and has the advantage of not requiring expensive precious metals as an electrode catalyst because the reaction rate at the electrode is high.
고체산화물 셀은 한 쌍의 인터커넥트 사이에 배치된 형태의 스택 구조로 사용될 수 있으며, 이 경우, 신뢰성 향상을 위해서는 인터커넥트와 고체산화물 셀 사이의 전기적/구조적 연결성이 충분히 확보될 필요가 있다.The solid oxide cell can be used as a stack structure disposed between a pair of interconnects. In this case, to improve reliability, sufficient electrical/structural connectivity between the interconnect and the solid oxide cell needs to be secured.
본 발명의 목적 중 하나는 인터커넥트와 고체산화물 셀 사이의 전기적, 구조적 연결성이 향상될 수 있는 고체산화물 셀 스택을 구현하는 것이다.One of the purposes of the present invention is to implement a solid oxide cell stack in which electrical and structural connectivity between the interconnect and the solid oxide cell can be improved.
상술한 과제를 해결하기 위한 방법으로, 본 발명은 일 예를 통하여 고체산화물 셀 스택의 신규한 구조를 제안하고자 하며, 구체적으로, 제1 및 제2 인터커넥트와, 상기 제1 및 제2 인터커넥트 사이에 배치된 고체산화물 셀 및 상기 제1 인터커넥트와 상기 고체산화물 셀 사이에 배치되며 다공성 금속 폼을 포함하며, 상기 다공성 금속 폼은 표면에 형성된 탄소나노구조를 포함한다.As a method for solving the above-described problem, the present invention seeks to propose a novel structure of a solid oxide cell stack through an example, specifically, first and second interconnects, and between the first and second interconnects. It is disposed between a solid oxide cell and the first interconnect and the solid oxide cell and includes a porous metal foam, wherein the porous metal foam includes a carbon nanostructure formed on the surface.
일 실시 예에서, 상기 탄소나노구조는 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the carbon nanostructure may include at least one of carbon nanotubes and carbon nanofibers.
일 실시 예에서, 상기 탄소나노구조는 상기 다공성 금속 폼에서 상기 고체산화물과 접촉하는 표면 측에 형성될 수 있다.In one embodiment, the carbon nanostructure may be formed on the surface of the porous metal foam that contacts the solid oxide.
일 실시 예에서, 상기 탄소나노구조는 상기 다공성 금속 폼에서 상기 고체산화물과 접촉하는 표면과 맞은 편의 표면에도 형성될 수 있다.In one embodiment, the carbon nanostructure may be formed on a surface opposite to the surface in contact with the solid oxide in the porous metal foam.
일 실시 예에서, 상기 탄소나노구조는 상기 다공성 금속 폼의 표면 및 내부 전체에 형성될 수 있다.In one embodiment, the carbon nanostructure may be formed on the entire surface and interior of the porous metal foam.
일 실시 예에서, 상기 탄소나노구조는 상기 다공성 금속 폼 표면에 대하여 수직으로 배치될 수 있다.In one embodiment, the carbon nanostructure may be arranged perpendicular to the surface of the porous metal foam.
일 실시 예에서, 상기 탄소나노구조는 상기 다공성 금속 폼 표면에 대하여 랜덤한 방향으로 기울어진 형태로 배치될 수 있다.In one embodiment, the carbon nanostructure may be arranged in a shape inclined in a random direction with respect to the surface of the porous metal foam.
일 실시 예에서, 상기 다공성 금속 폼은 Ni을 포함할 수 있다.In one embodiment, the porous metal foam may include Ni.
일 실시 예에서, 상기 다공성 금속 폼은 탄성체이며, 상기 다공성 금속 폼은 상기 제1 인터커넥트와 상기 고체산화물 셀에 의하여 압착될 수 있다.In one embodiment, the porous metal foam is an elastic body, and the porous metal foam may be compressed by the first interconnect and the solid oxide cell.
일 실시 예에서, 상기 고체산화물 셀은 연료극 및 공기극과 이들 사이에 배치된 전해질을 포함하며, 상기 연료극은 상기 제1 인터커넥트 측에 배치되고, 상기 공기극은 상기 제2 인터커넥트 측에 배치될 수 있다.In one embodiment, the solid oxide cell includes a fuel electrode and an air electrode and an electrolyte disposed between them, the fuel electrode may be disposed on the first interconnect side, and the air electrode may be disposed on the second interconnect side.
일 실시 예에서, 상기 다공성 금속 폼을 제1 다공성 금속 폼이라 할 때, 상기 제2 인터커넥트와 상기 고체산화물 셀 사이에 배치된 제2 다공성 금속 폼을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, when the porous metal foam is referred to as a first porous metal foam, it may further include a second porous metal foam disposed between the second interconnect and the solid oxide cell.
일 실시 예에서, 상기 제2 다공성 금속 폼은 Cu 합금을 포함할 수 있다.In one embodiment, the second porous metal foam may include a Cu alloy.
일 실시 예에서, 제1 및 제2 엔드 플레이트를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 인터커넥트, 상기 고체산화물 셀, 상기 다공성 금속 폼은 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이에 배치될 수 있다.In one embodiment, it further includes first and second end plates, and the first and second interconnects, the solid oxide cell, and the porous metal foam may be disposed between the first and second end plates.
일 실시 예에서, 상기 제1 엔드 플레이트에서 상기 제2 엔드 플레이트를 향하는 방향으로, 상기 제1 인터커넥트, 상기 다공성 금속 폼, 상기 고체산화물 셀, 상기 제2 인터커넥트의 순서로 2회 이상 반복된 구조를 가질 수 있다.In one embodiment, a structure in which the first interconnect, the porous metal foam, the solid oxide cell, and the second interconnect are repeated two or more times in the direction from the first end plate to the second end plate. You can have it.
일 실시 예에서, 상기 다공성 금속 폼은 상기 탄소나노구조의 표면에 형성된 보호막을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the porous metal foam may further include a protective film formed on the surface of the carbon nanostructure.
일 실시 예에서, 상기 보호막은 B 및 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the protective film may include at least one of B and Al.
본 발명의 일 예에 따른 고체산화물 셀 스택의 경우, 인터커넥트와 고체산화물 셀 사이의 전기적, 구조적 연결성이 확보됨에 따라 신뢰성이 향상될 수 있다. 따라서 이러한 고체산화물 셀 스택을 연료전지나 수전해전지로 사용 시 성능이 향상될 수 있다.In the case of the solid oxide cell stack according to an example of the present invention, reliability can be improved as electrical and structural connectivity between the interconnect and the solid oxide cell is secured. Therefore, performance can be improved when using this solid oxide cell stack as a fuel cell or water electrolysis cell.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체산화물 셀 스택을 개략적으로 나타낸 분해사시도이다.
도 2 및 도 3은 고체산화물 셀 스택의 일 영역의 단면도이다.
도 4는 도 2이 고체산화물 셀 스택에서 금속 폼이 압착되는 예를 나타낸다.
도 5 내지 8은 고체산화물 셀 스택에 사용될 수 있는 금속 폼의 예를 나타낸다.
도 9는 고체산화물 셀 스택에 사용될 수 있는 탄소나노구조의 예를 나타낸다.
도 10 및 도 11은 변형된 예에 따른 고체산화물 셀 스택을 나타낸다.1 is an exploded perspective view schematically showing a solid oxide cell stack according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are cross-sectional views of one area of a solid oxide cell stack.
Figure 4 shows an example of metal foam being compressed in the solid oxide cell stack of Figure 2.
5 to 8 show examples of metal foams that can be used in solid oxide cell stacks.
Figure 9 shows an example of a carbon nanostructure that can be used in a solid oxide cell stack.
10 and 11 show a solid oxide cell stack according to a modified example.
이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to specific embodiments and attached drawings. However, the embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Additionally, embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same symbol in the drawings are the same elements.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다. 나아가, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not relevant to the description are omitted, and the thickness is enlarged to clearly express various layers and regions, and components with the same function within the scope of the same idea are referred to by the same reference. Explain using symbols. Furthermore, throughout the specification, when a part is said to “include” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체산화물 셀 스택을 개략적으로 나타낸 분해사시도이다. 도 2 및 도 3은 고체산화물 셀 스택의 일 영역의 단면도이다. 도 4는 도 2이 고체산화물 셀 스택에서 금속 폼이 압착되는 예를 나타낸다. 그리고 도 5 내지 8은 고체산화물 셀 스택에 사용될 수 있는 금속 폼의 예를 나타낸다.1 is an exploded perspective view schematically showing a solid oxide cell stack according to an embodiment of the present invention. 2 and 3 are cross-sectional views of one area of a solid oxide cell stack. Figure 4 shows an example of metal foam being compressed in the solid oxide cell stack of Figure 2. And Figures 5 to 8 show examples of metal foams that can be used in solid oxide cell stacks.
도 1 내지 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체산화물 셀 스택(100)은 주요 구성 요소로서 제1 인터커넥트(111), 고체산화물 셀(120), 제2 인터커넥트(112)를 포함하며, 제1 인터커넥트(111)와 고체산화물 셀(120) 사이에는 다공성 금속 폼(metal foam, 131)이 배치된다. 그리고 다공성 금속 폼(131)은 표면에 형성된 탄소나노구조(132)를 포함한다. 본 실시 형태와 같이 탄소나노구조(132)가 표면에 형성된 다공성 금속 폼(131)을 사용함으로써 제1 인터커넥트(111)와 고체산화물 셀(120) 사이의 전기적/구조적 연결성이 향상될 수 있으며 이에 따라 고체산화물 셀 스택(100)의 성능과 내구성 등이 향상될 수 있다. 이하, 고체산화물 셀 스택(100)의 구성 요소들은 구체적으로 설명하며, 고체산화물 셀 스택(100)이 연료전지로 사용되는 경우를 주로 설명한다. 다만, 고체산화물 셀 스택(100)은 수전해전지로도 사용될 수 있으며 이 경우, 고체산화물 셀(120)의 연료극(121)과 공기극(122)에서는 연료전지일 경우와 반대되는 반응이 일어날 것이다.Referring to FIGS. 1 to 5, the solid oxide cell stack 100 according to an embodiment of the present invention includes a first interconnect 111, a solid oxide cell 120, and a second interconnect 112 as main components. And, a porous metal foam (metal foam) 131 is disposed between the first interconnect 111 and the solid oxide cell 120. And the porous metal foam 131 includes a carbon nanostructure 132 formed on the surface. By using the porous metal foam 131 with the carbon nanostructure 132 formed on the surface as in this embodiment, the electrical/structural connectivity between the first interconnect 111 and the solid oxide cell 120 can be improved, thereby improving The performance and durability of the solid oxide cell stack 100 can be improved. Hereinafter, the components of the solid oxide cell stack 100 will be described in detail, and the case where the solid oxide cell stack 100 is used as a fuel cell will mainly be described. However, the solid oxide cell stack 100 can also be used as a water electrolysis cell, and in this case, a reaction opposite to that in the case of a fuel cell will occur at the anode 121 and the air electrode 122 of the solid oxide cell 120.
제1 및 제2 인터커넥트(111, 112)는 고체산화물 셀(120)과 전기적으로 연결될 수 있으며 예컨대 고체산화물 셀 스택(100)이 복수의 고체산화물 셀(120)의 적층 구조를 포함하는 경우, 인접한 고체산화물 셀(120) 사이에 배치되어 이들을 연결할 수 있다. 제1 및 제2 인터커넥트(111, 112)는 평판 구조를 가질 수 있으며 또한 가스가 확산될 수 있는 유로, 관통홀 등을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 인터커넥트(111, 112)는 전기전도성이 우수하면서 고온 환경의 열화도가 낮은 물질로 형성될 수 있다. 구체적인 예로서, 제1 및 제2 인터커넥트(111, 112)는 스테인리스계, 니켈계, 철계, 구리계 등의 금속으로 형성될 수 있다.The first and second interconnects 111 and 112 may be electrically connected to the solid oxide cell 120. For example, when the solid oxide cell stack 100 includes a stacked structure of a plurality of solid oxide cells 120, adjacent It can be placed between the solid oxide cells 120 and connect them. The first and second interconnects 111 and 112 may have a flat structure and may include passages through which gas can diffuse, through holes, etc. The first and second interconnects 111 and 112 may be made of a material that has excellent electrical conductivity and a low degree of deterioration in a high-temperature environment. As a specific example, the first and second interconnects 111 and 112 may be formed of metal such as stainless steel, nickel, iron, or copper.
고체산화물 셀(120)은 제1 및 제2 인터커넥트(111, 112) 사이에 배치되며, 연료전지 혹은 수전해전지의 기능층에 해당한다. 구체적으로, 고체산화물 셀(120)은 연료극(121) 및 공기극(122), 그리고 이들 사이에 배치된 전해질(123)을 포함할 수 있으며, 이 경우, 연료극(121)은 제1 인터커넥트(111) 측에, 공기극(122)은 제2 인터커넥트(112) 측에 배치될 수 있다. 고체산화물 셀(120)이 연료전지일 경우, 예컨대 연료극(121)에서는 수소의 산화로 인한 물 생성 또는 탄소화합물의 산화 반응이 일어날 수 있으며, 공기극(122)에서는 산소의 분해에 따른 산소 이온 발생 반응이 일어날 수 있다. 고체산화물 셀(120)이 수전해전지일 경우에는 이와 반대되는 반응이 일어날 수 있으며, 예컨대, 연료극(121)에서는 물의 환원 반응에 따라 수소 기체가 발생할 수 있으며, 공기극(122)에서는 산소가 발생할 수 있다. 또한 다른 예로서, 연료전지일 경우, 연료극(121)에서는 수소의 분해(수소 이온 발생) 반응이, 공기극(122)에서는 산소와 수소 이온이 결합되어 물이 발생될 수 있으며, 수전해전지일 경우, 연료극(121)에서 물의 분해(수소 및 산소 이온 발생) 반응이 일어나며 공기극(122)에서 산소가 발생될 수 있다. 그리고 전해질(123)에서는 연료극(121)이나 공기극(122)으로 이온들이 이동할 수 있다.The solid oxide cell 120 is disposed between the first and second interconnects 111 and 112 and corresponds to a functional layer of a fuel cell or water electrolysis cell. Specifically, the solid oxide cell 120 may include an anode 121 and an air electrode 122, and an electrolyte 123 disposed between them. In this case, the anode 121 is connected to the first interconnect 111. On the side, the air electrode 122 may be disposed on the second interconnect 112 side. If the solid oxide cell 120 is a fuel cell, for example, water production or an oxidation reaction of a carbon compound may occur due to oxidation of hydrogen in the anode 121, and an oxygen ion generation reaction due to decomposition of oxygen may occur in the air electrode 122. This can happen. If the solid oxide cell 120 is a water electrolysis cell, the opposite reaction may occur. For example, hydrogen gas may be generated in the anode 121 due to a reduction reaction of water, and oxygen may be generated in the air electrode 122. there is. Also, as another example, in the case of a fuel cell, hydrogen may be decomposed (generating hydrogen ions) in the anode 121, and water may be generated by combining oxygen and hydrogen ions in the air electrode 122. In the case of a water electrolysis cell, , a reaction of water decomposition (generating hydrogen and oxygen ions) occurs at the anode 121, and oxygen may be generated at the air electrode 122. And ions can move from the electrolyte 123 to the anode 121 or the air electrode 122.
연료극(121), 전해질(123), 공기극(122)은 고체산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 연료극(121)의 경우, 금속 함유상 및 세라믹상을 포함하는 서멧층을 포함할 수 있다. 여기서 상기 금속 함유상은 전자 전도체로 작용하는 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu) 또는 이들의 합금 등과 같은 금속 촉매를 포함할 수 있다. 상기 금속 촉매는 금속 상태일 수 있거나 산화물 상태일 수 있다. 연료극(121)의 상기 세라믹상의 경우, 가돌리니아 도핑 세리아(GDC), 사마리아 도핑 세리아(SDC), 이테르비아 도핑 세리아(YDC), 스칸디아 안정화 지르코니아(SSZ), 이테르비아 세리아 스칸디아 안정화 지르코니아(YbCSSZ) 등을 포함할 수 있다. The fuel electrode 121, electrolyte 123, and air electrode 122 may include solid oxide. Specifically, the anode 121 may include a cermet layer including a metal-containing phase and a ceramic phase. Here, the metal-containing phase may include a metal catalyst such as nickel (Ni), cobalt (Co), copper (Cu), or an alloy thereof, which acts as an electronic conductor. The metal catalyst may be in a metallic state or may be in an oxide state. In the case of the ceramic phase of the anode 121, Gadolinia doped ceria (GDC), Samaria doped ceria (SDC), Ytterbia doped ceria (YDC), Scandia stabilized zirconia (SSZ), Ytterbia ceria Scandia stabilized zirconia ( YbCSSZ), etc.
전해질(123)은 안정화된 지르코니아를 포함할 수 있다. 구체적으로 전해질(123)은 스칸디아 안정화 지르코니아(SSZ), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 세리아 안정화 지르코니아(SCSZ), 스칸디아 세리아 이트리아 안정화 지르코니아(SCYSZ), 스칸디아 세리아 이테르비아 안정화 지르코니아(SCYbSZ) 등을 포함할 수 있다. Electrolyte 123 may include stabilized zirconia. Specifically, the electrolyte 123 includes Scandia stabilized zirconia (SSZ), yttria stabilized zirconia (YSZ), Scandia ceria stabilized zirconia (SCSZ), Scandia ceria yttria stabilized zirconia (SCYSZ), and Scandia ceria ytterbia stabilized zirconia (SCYbSZ). It may include etc.
공기극(122)은 예컨대 란탄 스트론튬 망가나이트(LSM)와 같은 전기 전도성 페로브스카이트 재료와 같은, 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 다른 전도성 페로브스카이트, 예컨대 란탄 스트론튬 코발트(LSC), 란탄 스트론튬 코발트 망간(LSCM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 란탄 스트론튬 페라이트(LSF), La0.85Sr0.15Cr0.9Ni0.1O3 (LSCN)이나 Pt와 같은 금속도 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 공기극(122)은 전기 전도성 재료와 이온 전도성 세라믹 재료의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공기극(122)은 약 10 중량% 내지 약 90 중량%의 전기 전도성 재료(예를 들어, LSM 등) 및 약 10 중량% 내지 약 90 중량%의 이온 전도성 재료를 포함할 수 있다. 여기서 이온 전도성 재료는 지르코니아 기반 및/또는 세리아 기반 재료를 포함할 수 있다.Air electrode 122 may include an electrically conductive material, such as an electrically conductive perovskite material such as lanthanum strontium manganite (LSM). Other conducting perovskites, such as lanthanum strontium cobalt (LSC), lanthanum strontium cobalt manganese (LSCM), lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), lanthanum strontium ferrite (LSF), La 0.85 Sr 0.15 Cr 0.9 Ni 0.1 O 3 (LSCN) ) or metals such as Pt can also be used. In some embodiments, cathode 122 may include a mixture of an electrically conductive material and an ionically conductive ceramic material. For example, the cathode 122 may include about 10% to about 90% by weight of an electrically conductive material (e.g., LSM, etc.) and about 10% to about 90% by weight of an ionically conductive material. Here, the ion-conducting material may include zirconia-based and/or ceria-based materials.
한편 도 2의 실시 형태에서는 고체산화물 셀(120)과 다공성 금속 폼(131)의 일부가 외부로 노출되어 있지만 이들을 보호하고 가스 등이 누출되지 않도록 하기 위한 밀봉 구조가 추가될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 예와 같이, 고체산화물 셀(120)과 다공성 금속 폼(131)의 측면을 커버하는 실링부(140)가 더 구비될 수 있다. 실링부(140)는 글라스 계열의 물질로 형성될 수 있으며 이 경우, 고온에서 조직이 치밀화되어 액체나 기체가 누설되는 것을 막아줄 수 있다. 실링부(140)는 이 외에도 프레임이나 가스켓 구조 등을 더 포함할 수도 있다. 또한, 실시 형태에 따라서는 제1 및 제2 인터커넥트(111, 112)를 실링하는 추가적인 실링부가 더 구비될 수도 있다.Meanwhile, in the embodiment of FIG. 2, a portion of the solid oxide cell 120 and the porous metal foam 131 are exposed to the outside, but a sealing structure may be added to protect them and prevent gas, etc. from leaking. That is, as in the example shown in FIG. 3, a sealing portion 140 covering the side surfaces of the solid oxide cell 120 and the porous metal foam 131 may be further provided. The sealing portion 140 may be formed of a glass-based material. In this case, the tissue becomes dense at high temperatures and can prevent liquid or gas from leaking. In addition to this, the sealing portion 140 may also include a frame or gasket structure. Additionally, depending on the embodiment, an additional sealing part may be further provided to seal the first and second interconnects 111 and 112.
다공성 금속 폼(131)은 제1 인터커넥트(111)와 고체산화물 셀(120) 사이에 배치되며 표면에 형성된 탄소나노구조(132)를 포함한다. 다공성 금속 폼(131)은 예컨대, 발포형 금속체 구조, 금속 와이어가 얽힌 스펀지 구조 등으로 구현될 수 있다. 더욱 구체적인 예로서, 고체산화물 셀(120) 셀의 구동 시 연료극(121) 측이 환원 분위기일 수 있는 것을 고려하였을 때 다공성 금속 폼(131)은 Ni을 포함하는 Ni 폼(Ni foam)으로 구현될 수 있다. 다공성 금속 폼(131)은 탄성체일 수 있으며 도 4에 도시된 예에서 볼 수 있듯이 제1 인터커넥트(111)와 고체산화물 셀(120)에 의하여 압착될 수 있다. 다공성 금속 폼(131)은 내부에 기공(H)을 포함하기 때문에 연료의 흐름을 방해하지 않고 제1 인터커넥트(111)와 고체산화물 셀(120)을 전기적으로 연결할 수 있다.The porous metal foam 131 is disposed between the first interconnect 111 and the solid oxide cell 120 and includes a carbon nanostructure 132 formed on the surface. The porous metal foam 131 may be implemented as, for example, a foam-type metal body structure, a sponge structure in which metal wires are entangled, etc. As a more specific example, considering that the anode 121 side may be in a reducing atmosphere when the solid oxide cell 120 cell is driven, the porous metal foam 131 may be implemented as Ni foam containing Ni. You can. The porous metal foam 131 may be an elastic body and may be compressed by the first interconnect 111 and the solid oxide cell 120, as can be seen in the example shown in FIG. 4. Since the porous metal foam 131 contains pores H therein, the first interconnect 111 and the solid oxide cell 120 can be electrically connected without interfering with the flow of fuel.
다공성 금속 폼(131)의 표면에 형성된 탄소나노구조(132)는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 및 탄소나노섬유(Carbon Nano Fiber) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로서, 탄소나노구조(132)는 직경이 수nm에서 수십nm 수준으로, 길이가 수μm에서 수mm 수준으로 형성될 수 있다. 도시된 형태와 같이, 탄소나노구조(132)는 다공성 금속 폼(131)에서 고체산화물(120)과 접촉하는 표면(S1) 측에 형성될 수 있으며 이는 고체산화물(120)과 접촉하는 표면(S1)에서의 연결성이 중요한 점을 고려한 것이다. 도 5에서 고체산화물(120)과 접촉하는 표면(S1) 측에 빗금으로 표시된 영역은 탄소나노구조(132)가 형성된 영역을 나타낸다. 이 외에도 도 7에 도시된 예와 같이, 탄소나노구조(132)는 다공성 금속 폼(131)에서 고체산화물과 접촉하는 표면(S1)과 맞은 편의 표면(S2)에도 형성될 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 예와 같이, 탄소나노구조(132)는 다공성 금속 폼(131)의 표면 및 내부 전체에 형성될 수도 있다.The carbon nanostructure 132 formed on the surface of the porous metal foam 131 may include at least one of carbon nano tubes and carbon nano fibers. As an example, the carbon nanostructure 132 may be formed to have a diameter of several nanometers to several tens of nanometers and a length of several μm to several millimeters. As shown, the carbon nanostructure 132 can be formed on the surface (S1) in contact with the solid oxide 120 in the porous metal foam 131, which is in contact with the solid oxide 120 (S1). ), taking into account the importance of connectivity. In FIG. 5 , the hatched area on the surface (S1) in contact with the solid oxide 120 represents the area where the carbon nanostructure 132 is formed. In addition, as shown in the example shown in FIG. 7, the carbon nanostructure 132 may be formed on the surface S1 opposite to the surface S1 in contact with the solid oxide in the porous metal foam 131. Additionally, as in the example shown in FIG. 8, the carbon nanostructure 132 may be formed on the entire surface and interior of the porous metal foam 131.
도 5에서 S1의 확대 영역을 참조하면, 탄소나노구조(132)는 다공성 금속 폼(131) 표면에 대하여 수직으로 배치될 수 있다. 이러한 수직 배치 방식은 탄소나노구조(132)를 다공성 금속 폼(131) 표면에서 성장시키는 방식 등으로 얻어질 수 있다. 여기서 탄소나노구조(132)의 성장은 화학기상증착이나 열기상증착 등의 방법을 사용할 수 있다. 또한 다른 예로서, 도 6에 도시된 형태와 같이, 탄소나노구조(132는 다공성 금속 폼(131) 표면에 대하여 랜덤한 방향으로 기울어진 형태로 배치될 수 있다. 이러한 랜덤 배치 방식은 미리 제조된 탄소나노구조(132)를 다공성 금속 폼(131)의 표면에 부착하는 방식 등으로 얻어질 수 있다. Referring to the enlarged area of S1 in FIG. 5, the carbon nanostructure 132 may be arranged perpendicular to the surface of the porous metal foam 131. This vertical arrangement method can be obtained by growing the carbon nanostructure 132 on the surface of the porous metal foam 131. Here, the carbon nanostructure 132 can be grown using methods such as chemical vapor deposition or thermal vapor deposition. Also, as another example, as shown in Figure 6, the carbon nanostructure 132 may be arranged in a shape inclined in a random direction with respect to the surface of the porous metal foam 131. This random arrangement method is used by pre-manufactured It can be obtained by attaching the carbon nanostructure 132 to the surface of the porous metal foam 131.
본 실시 형태와 같이, 탄소나노구조(132)를 갖는 다공성 금속 폼(131)을 제1 인터커넥트(111)와 고체산화물 셀(120) 사이에 배치하는 경우, 고체산화물 셀 스택(100)의 전기적 특성이나 구조적 안정성 등이 향상될 수 있다. 고체산화물 셀 스택(100)의 구동 시 진동에 의한 변형 등으로 제1 인터커넥트(111)와 고체산화물 셀(120) 사이의 연결성이 저하될 수 있는데 다공성 금속 폼(131)은 이러한 환경에서도 제1 인터커넥트(111)와 고체산화물 셀(120)의 연결성을 유지할 수 있으며, 다수의 기공(H)을 포함함으로써 연료 등이 효과적으로 통과될 수 있다. 이를 위하여 상술한 바와 같이 다공성 금속 폼(131)은 탄성을 가질 수 있다. 그리고 탄소나노구조(132)가 다공성 금속 폼(131)의 표면에 형성됨으로써 제1 인터커넥트(111)와 고체산화물 셀(120) 사이의 전기 저항이 더욱 낮아질 수 있다. 나아가, 탄소나노구조(132)는 여러 방향으로 배향될 수 있는데 이는 기계적 변형이나 오염 등에 대한 저항성을 더욱 향상시킬 수 있다.As in the present embodiment, when the porous metal foam 131 having the carbon nanostructure 132 is disposed between the first interconnect 111 and the solid oxide cell 120, the electrical characteristics of the solid oxide cell stack 100 or structural stability can be improved. When driving the solid oxide cell stack 100, the connectivity between the first interconnect 111 and the solid oxide cell 120 may be reduced due to deformation due to vibration, etc., and the porous metal foam 131 is the first interconnect even in this environment. The connection between (111) and the solid oxide cell (120) can be maintained, and by including a large number of pores (H), fuel, etc. can pass through effectively. For this purpose, as described above, the porous metal foam 131 may have elasticity. And, by forming the carbon nanostructure 132 on the surface of the porous metal foam 131, the electrical resistance between the first interconnect 111 and the solid oxide cell 120 can be further lowered. Furthermore, the carbon nanostructure 132 can be oriented in various directions, which can further improve resistance to mechanical deformation or contamination.
한편, 도 9에 도시된 형태와 같이 다공성 금속 폼(131)은 탄소나노구조(132)의 표면에 형성된 보호막(133)을 더 포함할 수 있다. 보호막(133)은 탄소나노구조(132)를 보호하고 산화를 방지하는 기능 등을 수행할 수 있으며, 예컨대, B 및 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 보호막(133)은 B나 Al의 금속체로 형성되거나 B나 Al의 산화물로 형성될 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 9, the porous metal foam 131 may further include a protective film 133 formed on the surface of the carbon nanostructure 132. The protective film 133 may perform functions such as protecting the carbon nanostructure 132 and preventing oxidation, and may include, for example, at least one of B and Al. In this case, the protective film 133 may be formed of a metal of B or Al or an oxide of B or Al.
도 10 및 도 11을 참조하여 변형 예들을 설명한다. 우선, 도 10의 경우, 상술한 실시 형태에서 다공성 금속 폼(132)이 제2 인터커넥트(112) 측에 추가 배치된 형태이다. 즉, 제2 인터커넥트(112)와 고체산화물 셀(120) 사이에 배치된 제2 다공성 금속 폼(132)이 더 배치되며, 이 경우, 제1 인터커넥트(111) 측에 배치된 것은 제1 다공성 금속 폼(131)으로 칭할 수 있다. 제2 다공성 금속 폼(132)이 더 구비됨에 따라 고체산화물 셀(120)과 제2 인터커넥트(112) 사이의 전기적 연결성과 내구성이 향상될 수 있다. 제2 다공성 금속 폼(132)은 산화분위기에서 구동될 수 있으며 이를 고려하여 Cu 합금, 예컨대, Cu-Mn 합금을 포함하는 물질로 형성될 수 있다.Modified examples will be described with reference to FIGS. 10 and 11 . First, in the case of FIG. 10, in the above-described embodiment, the porous metal foam 132 is additionally disposed on the second interconnect 112 side. That is, the second porous metal foam 132 disposed between the second interconnect 112 and the solid oxide cell 120 is further disposed, and in this case, the first porous metal foam 132 disposed on the side of the first interconnect 111 is It can be referred to as form 131. As the second porous metal foam 132 is further provided, electrical connectivity and durability between the solid oxide cell 120 and the second interconnect 112 can be improved. The second porous metal foam 132 may be operated in an oxidizing atmosphere and, taking this into account, may be formed of a material containing a Cu alloy, for example, a Cu-Mn alloy.
다음으로, 도 11의 실시 형태는 제1 및 제2 엔드 플레이트(151, 152)를 더 포함하며 제1 및 제2 인터커넥트(111, 112), 고체산화물 셀(120), 다공성 금속 폼(131)은 제1 및 제2 엔드 플레이트(151, 152) 사이에 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 엔드 플레이트(131)에서 제2 엔드 플레이트(132)를 향하는 방향(도면을 기준으로 상부를 향하는 방향)으로, 제1 인터커넥트(111), 다공성 금속 폼(131), 고체산화물 셀(120), 제2 인터커넥트(112)의 순서로 2회 이상 반복된 구조를 가질 수 있다. 이에 의하여 복수의 고체산화물 셀(120)은 서로 직렬로 연결되어 출력이 향상되어, 수전해전지인 경우 수소 발생량, 연료전지인 경우 보다 높은 전압의 전기를 얻을 수 있다. 제1 및 제2 엔드 플레이트(151, 152)는 고체산화물 셀(120)이 고온에서 동작하는 경우에도 녹거나 연화되지 않도록 녹는점이 높은 금속을 포함할 수 있으며 이러한 금속의 평판형 구조일 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 엔드 플레이트(151, 152)는 니켈계, 철계, 스테인리스계 등의 물질을 사용할 수 있다. 또한, 고체산화물 셀 스택(100)의 작동 온도가 상대적으로 낮은 경우, 예컨대, 800이하 정도로 낮다면 전도전도도가 좋은 구리나 구리 합금 등도 사용할 수 있을 것이다.Next, the embodiment of FIG. 11 further includes first and second end plates 151 and 152, first and second interconnects 111 and 112, a solid oxide cell 120, and a porous metal foam 131. may be disposed between the first and second end plates 151 and 152. In this case, in the direction from the first end plate 131 to the second end plate 132 (direction toward the top based on the drawing), the first interconnect 111, the porous metal foam 131, and the solid oxide cell It may have a structure in which the order of (120) and the second interconnect (112) is repeated two or more times. As a result, the plurality of solid oxide cells 120 are connected in series to improve output, making it possible to obtain higher voltage electricity than hydrogen generation in the case of a water electrolysis cell or higher voltage in the case of a fuel cell. The first and second end plates 151 and 152 may include a metal with a high melting point so that the solid oxide cell 120 does not melt or soften even when operated at high temperature, and may have a plate-like structure of this metal. For example, the first and second end plates 151 and 152 may be made of nickel-based, iron-based, or stainless-based materials. In addition, when the operating temperature of the solid oxide cell stack 100 is relatively low, for example, 800 If it is low, copper or copper alloys with good electrical conductivity can also be used.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and attached drawings, but is limited by the attached claims. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that various forms of substitution, modification, and change are possible without departing from the technical spirit of the present invention as set forth in the claims, and this is also subject to the appended claims. It may be said to belong to the technical idea described in .
100: 고체산화물 셀 스택
111, 112: 인터커넥트
120: 고체산화물 셀
121: 연료극
122: 공기극
123: 전해질
131: 다공성 금속 폼
132: 탄소나노구조
133: 보호막
140: 실링부
151, 152: 엔드 플레이트100: solid oxide cell stack
111, 112: interconnect
120: solid oxide cell
121: fuel electrode
122: Air electrode
123: electrolyte
131: Porous metal foam
132: Carbon nanostructure
133: Shield
140: Sealing part
151, 152: End plate
Claims (16)
상기 제1 및 제2 인터커넥트 사이에 배치된 고체산화물 셀; 및
상기 제1 인터커넥트와 상기 고체산화물 셀 사이에 배치되며 다공성 금속 폼;을 포함하며,
상기 다공성 금속 폼은 표면에 형성된 탄소나노구조를 포함하는 고체산화물 셀 스택.
first and second interconnects;
a solid oxide cell disposed between the first and second interconnects; and
It includes a porous metal foam disposed between the first interconnect and the solid oxide cell,
The porous metal foam is a solid oxide cell stack including carbon nanostructures formed on the surface.
상기 탄소나노구조는 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유 중 적어도 하나를 포함하는 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 1,
The carbon nanostructure is a solid oxide cell stack including at least one of carbon nanotubes and carbon nanofibers.
상기 탄소나노구조는 상기 다공성 금속 폼에서 상기 고체산화물과 접촉하는 표면 측에 형성된 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 1,
The carbon nanostructure is a solid oxide cell stack formed on the surface of the porous metal foam in contact with the solid oxide.
상기 탄소나노구조는 상기 다공성 금속 폼에서 상기 고체산화물과 접촉하는 표면과 맞은 편의 표면에도 형성된 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 3,
The carbon nanostructure is a solid oxide cell stack formed on a surface opposite to the surface in contact with the solid oxide in the porous metal foam.
상기 탄소나노구조는 상기 다공성 금속 폼의 표면 및 내부 전체에 형성된 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 4,
The carbon nanostructure is a solid oxide cell stack formed on the entire surface and interior of the porous metal foam.
상기 탄소나노구조는 상기 다공성 금속 폼 표면에 대하여 수직으로 배치된 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 1,
The carbon nanostructure is a solid oxide cell stack arranged perpendicular to the surface of the porous metal foam.
상기 탄소나노구조는 상기 다공성 금속 폼 표면에 대하여 랜덤한 방향으로 기울어진 형태로 배치된 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 1,
The carbon nanostructure is a solid oxide cell stack arranged in a shape inclined in a random direction with respect to the surface of the porous metal foam.
상기 다공성 금속 폼은 Ni을 포함하는 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 1,
The porous metal foam is a solid oxide cell stack containing Ni.
상기 다공성 금속 폼은 탄성체이며, 상기 다공성 금속 폼은 상기 제1 인터커넥트와 상기 고체산화물 셀에 의하여 압착된 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 1,
The porous metal foam is an elastic body, and the porous metal foam is compressed by the first interconnect and the solid oxide cell.
상기 고체산화물 셀은 연료극 및 공기극과 이들 사이에 배치된 전해질을 포함하며, 상기 연료극은 상기 제1 인터커넥트 측에 배치되고, 상기 공기극은 상기 제2 인터커넥트 측에 배치된 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 1,
The solid oxide cell includes a fuel electrode and an air electrode and an electrolyte disposed between them, wherein the fuel electrode is disposed on the first interconnect side, and the air electrode is disposed on the second interconnect side.
상기 다공성 금속 폼을 제1 다공성 금속 폼이라 할 때,
상기 제2 인터커넥트와 상기 고체산화물 셀 사이에 배치된 제2 다공성 금속 폼을 더 포함하는 고체산화물 셀 스택.
According to clause 10,
When the porous metal foam is referred to as the first porous metal foam,
A solid oxide cell stack further comprising a second porous metal foam disposed between the second interconnect and the solid oxide cell.
상기 제2 다공성 금속 폼은 Cu 합금을 포함하는 고체산화물 셀 스택.
According to clause 11,
The second porous metal foam is a solid oxide cell stack containing a Cu alloy.
제1 및 제2 엔드 플레이트를 더 포함하며,
상기 제1 및 제2 인터커넥트, 상기 고체산화물 셀, 상기 다공성 금속 폼은 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이에 배치된 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 1,
Further comprising first and second end plates,
A solid oxide cell stack wherein the first and second interconnects, the solid oxide cell, and the porous metal foam are disposed between the first and second end plates.
상기 제1 엔드 플레이트에서 상기 제2 엔드 플레이트를 향하는 방향으로, 상기 제1 인터커넥트, 상기 다공성 금속 폼, 상기 고체산화물 셀, 상기 제2 인터커넥트의 순서로 2회 이상 반복된 구조를 갖는 고체산화물 셀 스택.
According to clause 13,
A solid oxide cell stack having a structure in which the first interconnect, the porous metal foam, the solid oxide cell, and the second interconnect are repeated two or more times in the direction from the first end plate to the second end plate. .
상기 다공성 금속 폼은 상기 탄소나노구조의 표면에 형성된 보호막을 더 포함하는 고체산화물 셀 스택.
According to paragraph 1,
The porous metal foam is a solid oxide cell stack further comprising a protective film formed on the surface of the carbon nanostructure.
상기 보호막은 B 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 고체산화물 셀 스택.According to clause 15,
The protective film is a solid oxide cell stack containing at least one of B and Al.
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