KR101178527B1 - Separator for solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof and fuel cell with separator - Google Patents

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Abstract

분리판을 보다 용이하게 제조할 수 있고, 분리판의 집전성능을 향상시키킬 수 있도록, 금속 재질의 기판과, 기판의 일면에 기 설정된 패턴으로 설치되어 가스의 유로를 형성하는 전기전도성 세라믹 재질의 제1 채널층을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판을 제공한다.In order to more easily manufacture the separator plate and improve the current collecting performance of the separator plate, a metal substrate and an electrically conductive ceramic material formed in a predetermined pattern on one surface of the substrate to form a gas flow path. Provided is a separator for a solid oxide fuel cell comprising a first channel layer.

Description

고체 산화물 연료 전지용 분리판과 분리판 제조방법 및 분리판을 포함하는 연료 전지 {SEPARATOR FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF AND FUEL CELL WITH SEPARATOR}Separator and method for manufacturing a separator for a solid oxide fuel cell and a fuel cell including the separator {SEPARATOR FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF AND FUEL CELL WITH SEPARATOR}

본 발명은 고체 산화물 연료 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 고체 산화물 연료 전지용 분리판과 분리판 제조방법 및 분리판을 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell. More particularly, the present invention relates to a separator for a solid oxide fuel cell, a method of manufacturing the separator and a fuel cell including the separator.

고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극)과, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.The solid oxide fuel cell (SOFC) has a structure in which a plurality of electricity generating units including a unit cell and a separator are stacked. The unit cell includes an electrolyte membrane, an anode (air electrode) located on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode (fuel electrode) located on the other surface of the electrolyte membrane.

양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.When oxygen is supplied to the positive electrode and hydrogen is supplied to the negative electrode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen at the positive electrode move through the electrolyte membrane to the negative electrode, and then react with the hydrogen supplied to the negative electrode to generate water. At this time, electrons flow from the cathode to the external circuit in the process of being consumed and transferred to the anode, and the unit cell uses the electron flow to produce electrical energy.

1개의 단위 전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 공업적으로 응용하기에는 부족하다. 이에 연료 전지는 단위 전지를 전기적으로 직렬 연결이 되도록 복수로 적층하여 스택(stack)을 형성한다. Since the amount of electric energy produced by one unit cell is very limited, it is insufficient for industrial application. The fuel cell stacks a plurality of unit cells to be electrically connected in series to form a stack.

분리판은 단위 전지를 적층하여 스택을 형성함에 있어서, 이웃하는 단위 전지의 양측에 배치된다. 이에 분리판은 연료 전지 스택에서 단위 전지를 물리적으로 분리시키고, 수소 및 산소를 공급하며, 연료극과 공기극을 전기적으로 연결하는 역할을 하게 된다. The separator is disposed on both sides of neighboring unit cells in stacking unit cells to form a stack. Accordingly, the separator serves to physically separate the unit cell from the fuel cell stack, supply hydrogen and oxygen, and electrically connect the anode and the cathode.

이에 분리판은 단위 전지와 접하는 각 면에 공기극으로 산소를 공급하기 위한 유로와 연료극으로 수소를 공급하기 위한 유로를 형성한다.Accordingly, the separation plate forms a flow path for supplying oxygen to the air electrode and a flow path for supplying hydrogen to the fuel electrode on each surface of the unit cell in contact with the unit cell.

분리판에 반응 가스의 유로를 형성하기 위해서는 분리판을 에칭하거나, 판성형 같은 기계적 가공 공정이 이용된다. 에칭 공정을 통해 분리판에 유로를 형성하는 경우, 에칭 공정 특성상 제조 비용이 높고 제조 시간이 긴 단점이 있다. 프레스를 통한 판성형 공정으로 분리판에 유로를 형성하는 경우, 분리판의 설계에 맞도록 금형을 설계해야 하고 분리판 설계가 변경되면 금형을 새롭게 제작해야 하는 문제가 있다. 더군다나 판성형을 통해 얻어진 분리판의 경우 평탄도가 낮기 때문에 별도의 열처리 공정이 수반되어야 한다. 따라서 판성형 공정을 통해 분리판을 제조하는 경우 고가의 금형비용이 들고, 변형에 의한 낮은 평탄도로 인해 전지와의 접촉 저항이 커지고 집전성능이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.In order to form the flow path of the reaction gas in the separator, a mechanical processing process such as etching the separator or forming a plate is used. When the flow path is formed in the separation plate through the etching process, there is a disadvantage in that the manufacturing cost is high and the manufacturing time is long due to the nature of the etching process. When the flow path is formed on the separator plate by a press forming process, there is a problem in that the mold must be designed to match the design of the separator plate and the mold must be newly manufactured when the separator plate design is changed. Furthermore, the separator obtained through plate forming has a low flatness and thus requires a separate heat treatment process. Therefore, when the separation plate is manufactured through the plate forming process, expensive mold cost may occur, and contact resistance with the battery may increase due to low flatness due to deformation, and current collection performance may decrease.

이에, 분리판을 보다 용이하게 제조할 수 있도록 된 고체 산화물 연료 전지용 분리판과 분리판 제조방법 및 분리판을 포함하는 연료 전지를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a fuel cell including a separator for a solid oxide fuel cell, a separator manufacturing method, and a separator that enables the separator to be more easily manufactured.

또한, 분리판의 집전성능을 향상시키킬 수 있도록 된 고체 산화물 연료 전지용 분리판과 분리판 제조방법 및 분리판을 포함하는 연료 전지를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell including a separator for a solid oxide fuel cell, a separator manufacturing method, and a separator capable of improving current collecting performance of the separator.

이를 위해 본 고체 산화물 연료 전지용 분리판은 금속 재질의 기판과, 기판의 일면에 기 설정된 패턴으로 설치되어 가스의 유로를 형성하는 전기전도성 세라믹 재질의 제1 채널층을 포함할 수 있다.To this end, the separator for a solid oxide fuel cell may include a metal substrate and a first channel layer of an electrically conductive ceramic material formed in a predetermined pattern on one surface of the substrate to form a gas flow path.

기판은 페라이트계 스테인리스강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어질 수 있다.The substrate may be made of ferritic stainless steel or Fe-Ni alloy.

기판은 제1 채널층이 형성되는 일면이 평면을 이루는 구조일 수 있다.The substrate may have a structure in which one surface on which the first channel layer is formed forms a plane.

본 분리판은 기판의 일면과 제1 채널층 사이에 형성되는 보호 코팅층을 더 포함할 수 있다.The separator may further include a protective coating layer formed between one surface of the substrate and the first channel layer.

보호 코팅층은 (Mn,Co)3O4 산화물을 포함할 수 있다.The protective coating layer may comprise (Mn, Co) 3 O 4 oxide.

보호 코팅층은 10 ~ 70㎛의 두께로 형성될 수 있다.The protective coating layer may be formed to a thickness of 10 ~ 70㎛.

제1 채널층은 페로브스카이트 구조의 란탄코발타이트계의 세라믹을 포함할 수 있다.The first channel layer may include a lanthanum cobaltite-based ceramic having a perovskite structure.

상기 제1 채널층은 The first channel layer is

본 분리판은 기판의 다른 면에 설치되어 가스의 유로를 형성하는 전기전도성의 제2 채널층을 더 포함할 수 있다.The separation plate may further include an electrically conductive second channel layer disposed on the other side of the substrate to form a gas flow path.

기판은 제2 채널층이 형성되는 다른 면이 평면을 이루는 구조일 수 있다.The substrate may have a structure in which the other surface on which the second channel layer is formed is a plane.

제2 채널층은 기판 표면에 설치되는 발포 금속폼을 포함할 수 있다. The second channel layer may include a foamed metal foam installed on the substrate surface.

제2 채널층은 기 설정된 패턴으로 형성되어 발포 금속폼 외면에 설치되는 금속 와이어를 더 포함할 수 있다.The second channel layer may further include a metal wire formed in a predetermined pattern and installed on the outer surface of the foamed metal foam.

제2 채널층은 금속 와이어 외측에 설치되는 발포 금속폼을 더 포함할 수 있다.The second channel layer may further include a foamed metal foam installed outside the metal wire.

발포 금속폼 또는 금속 와이어는 니켈 재질로 이루어질 수 있다.The foamed metal foam or metal wire may be made of nickel.

한편, 본 고체 산화물 연료 전지용 분리판의 제조 방법은, 금속 재질의 기판을 제조하는 단계와, 기판의 일면에 가스의 유로를 형성하는 단계를 포함하고, On the other hand, the manufacturing method of the separator plate for a solid oxide fuel cell includes the steps of manufacturing a metal substrate, and forming a gas flow path on one surface of the substrate,

상기 가스 유로 형성단계는 전기전도성 세라믹 슬러리를 기 설정된 패턴으로 기판에 도포하는 제1 채널층 형성단계와, 도포된 제1 채널층을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.The gas flow path forming step may include forming a first channel layer applying an electrically conductive ceramic slurry to a substrate in a predetermined pattern, and drying the applied first channel layer.

기판은 페라이트계 스테인리스강 또는 Fe-Ni 합금으로 제조될 수 있다.The substrate may be made of ferritic stainless steel or Fe-Ni alloy.

제1 채널층 형성은 디스펜싱 공정 또는 마스크 프린팅 공정을 통해 이루어질 수 있다.The first channel layer may be formed through a dispensing process or a mask printing process.

제1 채널층의 건조는 200℃를 초과하지 않는 범위에서 이루어질 수 있다.The drying of the first channel layer may be performed in a range not exceeding 200 ° C.

세라믹 슬러리는 페로브스카이트 구조의 란탄코발타이트계 세라믹을 포함할 수 있다.The ceramic slurry may include a lanthanum cobaltite-based ceramic having a perovskite structure.

본 제조 방법은 유로 형성 전에 기판의 일면에 보호 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The manufacturing method may further include forming a protective coating layer on one surface of the substrate before forming the flow path.

보호 코팅층의 형성은 스크린 프린팅(screen printing) 공정 또는 습식 파우더 스프레잉(wet powder spraying) 공정 또는 전기도금 공정 또는 용사 공정 또는 PVD(physical vapour deposition) 공정을 통해 이루어질 수 있다.The protective coating layer may be formed through a screen printing process, a wet powder spraying process, an electroplating process, a spraying process, or a physical vapor deposition (PVD) process.

보호 코팅층 형성을 위한 코팅물질은 (Mn,Co)3O4 산화물을 포함할 수 있다.The coating material for forming the protective coating layer may include (Mn, Co) 3 O 4 oxide.

보호 코팅층은 10 ~ 70㎛의 두께로 형성될 수 있다.The protective coating layer may be formed to a thickness of 10 ~ 70㎛.

보호 코팅층 형성 단계는 스크린 프린팅공정을 통해 이루어지는 경우, 산화물을 기판 일면에 코팅한 후 환원 열처리하는 단계와 산화 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 환원 열처리 단계는 700 ~ 900℃의 환원분위기에서 3시간 이상 실시될 수 있다. 산화 열처리 단계는 500℃ 이하의 산화분위기에서 3시간 이상 실시될 수 있다.When the protective coating layer forming step is performed through a screen printing process, the method may further include a step of reducing heat treatment and an oxidative heat treatment after coating the oxide on one surface of the substrate. The reduction heat treatment step may be carried out for 3 hours or more in a reducing atmosphere of 700 ~ 900 ℃. The oxidative heat treatment step may be performed for 3 hours or more in an oxidation atmosphere of 500 ° C. or less.

본 제조 방법은 기판의 다른 면에 가스의 유로를 형성하는 전기전도성의 제2 채널층 형성단계를 더 포함할 수 있다. 제2 채널층 형성단계는 기판의 표면에 발포 금속폼을 설치하는 단계를 포함할 수 있다. The manufacturing method may further include forming an electrically conductive second channel layer for forming a gas flow path on the other side of the substrate. The second channel layer forming step may include installing a foamed metal foam on the surface of the substrate.

제2 채널층 형성단계는 기 설정된 패턴으로 형성된 금속 와이어를 발포 금속폼 외면에 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.The second channel layer forming step may further include installing a metal wire formed in a predetermined pattern on the outer surface of the foamed metal foam.

제2 채널층 형성단계는 금속 와이어 외측에 발포 금속폼을 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.The second channel layer forming step may further include installing a foamed metal foam on the outside of the metal wire.

발포 금속폼 또는 금속 와이어는 니켈 재질로 이루어질 수 있다.The foamed metal foam or metal wire may be made of nickel.

한편, 본 연료 전지는 전해질막과 전해질막의 양면에 각각 위치하는 양극과 음극을 포함하는 단위 전지와, 분리판이 교대로 적층되어 스택을 이루고, 상기 분리판은 금속 재질의 기판과, 기판의 일면에 기 설정된 패턴으로 설치되어 가스의 유로를 형성하는 전기전도성 세라믹 재질의 제1 채널층을 포함할 수 있다.Meanwhile, the fuel cell includes a unit cell including an anode and a cathode positioned on both surfaces of an electrolyte membrane and an electrolyte membrane, and a separator plate is alternately stacked to form a stack, and the separator plate is formed on a metal substrate and one surface of the substrate. It may include a first channel layer of an electrically conductive ceramic material is installed in a predetermined pattern to form a gas flow path.

본 분리판은 기판의 다른 면에 설치되어 가스의 유로를 형성하는 전기전도성의 제2 채널층을 더 포함할 수 있다.The separation plate may further include an electrically conductive second channel layer disposed on the other side of the substrate to form a gas flow path.

본 실시예에 따르면 고체 산화물 연료 전지용 분리판은 가스 유로를 보다 용이하고 간단하게 형성할 수 있게 되어 분리판 제조 공정을 단순화시키고 제조비용을 절감할 수 있게 된다.According to the present embodiment, the separator for the solid oxide fuel cell can easily and simply form the gas flow path, thereby simplifying the separator manufacturing process and reducing the manufacturing cost.

또한, 분리판의 집전능을 개선하여 연료 전지의 품질을 높일 수 있게 된다.In addition, it is possible to improve the quality of the fuel cell by improving the current collecting capability of the separator.

도 1은 본 실시예에 따른 분리판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 고체 산화물 연료 전지를 A 방향에서 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 고체 산화물 연료 전지를 B 방향에서 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 5 내지 도 9는 본 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 분리판을 제조 과정에 따라 도시한 도면이다.1 is a perspective view schematically showing a structure of a solid oxide fuel cell including a separator according to the present embodiment.
FIG. 2 is a view showing the solid oxide fuel cell of FIG. 1 in the A direction.
3 is a view showing the solid oxide fuel cell of FIG. 1 in the B direction.
4 is a process flowchart showing a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to the present embodiment.
5 to 9 are views illustrating a separator of the solid oxide fuel cell according to the present embodiment according to a manufacturing process.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The embodiments described below may be modified in various forms without departing from the spirit and scope of the invention and are not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지를 개략적으로 도시하고 있다.1 schematically shows a solid oxide fuel cell according to this embodiment.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 연료 전지(100)는 서로 교대로 적층되어 스택을 형성하는 복수개의 단위 전지(10)와 분리판(20)을 포함한다. 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 단위 전지(10)와 분리판(20)이 z축 방향으로 교대 적층되어 스택을 형성한다.As shown in FIG. 1, the fuel cell 100 includes a plurality of unit cells 10 and a separator 20 that are stacked alternately with each other to form a stack. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the unit cells 10 and the separator 20 are alternately stacked in the z-axis direction to form a stack.

단위 전지와 분리판이 적층된 스택의 최외곽에는 연료 전지(100) 스택을 지지하는 엔드 플레이트(도시되지 않음)가 위치한다. 연료 전지(100) 스택은 2개의 엔드 플레이트를 관통하는 볼트와 같은 체결 수단에 의해 견고하게 조립된다.At the outermost portion of the stack in which the unit cells and the separator plate are stacked, an end plate (not shown) supporting the stack of the fuel cell 100 is positioned. The stack of fuel cells 100 is rigidly assembled by fastening means such as bolts passing through the two end plates.

단위 전지(10)는 전해질막(12)과 전해질막(12)의 양면에 각각 위치하는 양극(14)과 음극(16)을 포함하여 전기 에너지를 생성하는 하나의 전기 생성 유닛을 구성한다. 양극(14)은 분리판(20)을 통해 산소를 공급받고, 음극(16)은 분리판(20)을 통해 수소를 공급받게 된다. 이에 단위 전지(10)는 양극(14)에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막(12)을 지나 음극(16)으로 이동한 후 음극(16)에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극(16)에서 생성된 전자가 양극(14)으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지(10)는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다. The unit cell 10 includes an electrolyte membrane 12 and an anode 14 and a cathode 16 positioned on both surfaces of the electrolyte membrane 12, respectively, to constitute one electricity generation unit that generates electrical energy. The positive electrode 14 receives oxygen through the separator 20, and the negative electrode 16 receives hydrogen through the separator 20. In the unit cell 10, the oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen in the positive electrode 14 move through the electrolyte membrane 12 to the negative electrode 16, and then react with the hydrogen supplied to the negative electrode 16 to obtain water. Is generated. At this time, electrons flow in an external circuit in a process in which electrons generated at the cathode 16 are transferred to the anode 14 and are consumed, and the unit cell 10 uses the electron flow to produce electrical energy.

고체 산화물 연료 전지(100)(Solid Oxide Fuel Cell)의 경우 전해질막(12)은 대략 5㎛ 내지 200㎛의 두께로 형성되는 고체 산화물 전해질로서, 양극(14)에서 생성된 산소 이온을 음극(16)으로 이동시키는 이온 교환 기능을 가진다. 전해질막(12)은 고체 산화물 전해질에 한정되지 않으며, 예를 들어, 고분자 전해질 등 연료 전지(100)의 종류에 따라 다양하게 적용가능하다.In the case of the solid oxide fuel cell 100, the electrolyte membrane 12 is a solid oxide electrolyte having a thickness of about 5 μm to 200 μm. Has an ion exchange function. The electrolyte membrane 12 is not limited to the solid oxide electrolyte, and may be variously applied according to the type of the fuel cell 100 such as a polymer electrolyte.

상기 분리판(20)은 이웃하는 단위 전지(10)의 양측에 배치된다. 분리판(20)의 일 면에는 일측 단위 전지(10)의 양극(14)이 접하고, 반대쪽 면에는 이웃하는 단위 전지(10)의 음극(16)이 접한다. 이에 분리판(20)은 연료 전지(100) 스택에서 단위 전지(10)를 물리적으로 분리시키고, 이웃하는 단위 전지(10)를 직렬로 연결하는 전도체로 기능한다.The separator 20 is disposed on both sides of the neighboring unit cell 10. One side of the separator plate 20 is in contact with the positive electrode 14 of the one side unit cell 10, and the opposite side is in contact with the negative electrode 16 of the neighboring unit cell 10. Accordingly, the separation plate 20 physically separates the unit cells 10 from the fuel cell stack 100 and functions as a conductor that connects the neighboring unit cells 10 in series.

또한, 상기 분리판(20)은 단위 전지(10)의 음극(16)과 마주하는 일면에 연료 공급을 위한 수소 통로(22)를 형성하고, 단위 전지(10)의 양극(14)과 마주하는 일면에 산소 공급을 위한 산소 통로(24)를 형성한다. 수소 통로(22)와 산소 통로(24)는 직선 구조나 곡선구조 또는 지그재그 구조 등 다양하게 형성될 수 있다.In addition, the separation plate 20 forms a hydrogen passage 22 for fuel supply on one surface facing the negative electrode 16 of the unit cell 10, and faces the positive electrode 14 of the unit cell 10. An oxygen passage 24 for oxygen supply is formed on one surface. The hydrogen passage 22 and the oxygen passage 24 may be formed in various ways such as a linear structure, a curved structure, or a zigzag structure.

상기 분리판(20)은 하나의 단위 전지(10)를 기준으로 할 때, 수소 통로(22)와 산소 통로(24)를 각각 형성하지만, z축 방향으로 배치되는 복수의 단위 전지(10)를 기준으로 할 때, 모두 동일한 구조로 형성될 수 있다. 즉, 분리판(20)은 일측면에 수소 통로(22)를 형성하고, 다른쪽 면에 산소 통로(24)를 형성한다.The separator 20 forms a hydrogen passage 22 and an oxygen passage 24, respectively, based on one unit cell 10, but includes a plurality of unit cells 10 arranged in the z-axis direction. On the basis of the reference, all can be formed in the same structure. That is, the separator 20 forms a hydrogen passage 22 on one side and an oxygen passage 24 on the other side.

이를 위해 상기 분리판(20)은 금속 재질의 기판(26)과, 기판(26)의 일면에 기 설정된 패턴으로 설치되어 산소 통로(24)를 형성하는 전기전도성 세라믹 재질의 제1 채널층(28)을 포함한다. 또한, 상기 분리판(20)은 기판(26)의 다른 면에 설치되어 수소 통로(22)를 형성하는 전기전도성의 제2 채널층(30)을 더 포함한다.To this end, the separator 20 is formed of a metal substrate 26 and a first channel layer 28 made of an electrically conductive ceramic material formed in a predetermined pattern on one surface of the substrate 26 to form an oxygen passage 24. ). In addition, the separation plate 20 further includes an electrically conductive second channel layer 30 formed on the other side of the substrate 26 to form the hydrogen passage 22.

본 실시예에서 상기 기판(26)은 페라이트계 스테인리스강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 기판(26)은 제1 채널층(28)이 형성되는 면이 평평한 구조로 되어 있다. In this embodiment, the substrate 26 may be made of ferritic stainless steel or Fe-Ni alloy. The substrate 26 has a flat surface on which the first channel layer 28 is formed.

제1 채널층(28)이 설치되는 기판(26)의 일면에는 보호 코팅층(29)이 형성된다. 기판(26)에 형성되는 보호 코팅층(29)은 고온의 산화 분위기에 노출되어 금속 재질의 분리판(20)과 단위 전지(10)의 양극(14) 사이에 산화물이 형성됨으로 인해 단위 전지(10)와 이웃하는 단위 전지(10)간의 전기 전도성 저해를 방지하게 된다. 특히, 기판(26)이 페라이트계 스테인리스강인 경우에는 기판(26)에서 Cr 성분을 포함한 휘발성의 화합물이 증발하여 단위 전지(10)까지 확산함에 따라 단위 전지(10)의 성능을 떨어뜨리므로, 보호 코팅층(29)을 필히 형성하여야 한다.A protective coating layer 29 is formed on one surface of the substrate 26 on which the first channel layer 28 is installed. The protective coating layer 29 formed on the substrate 26 is exposed to a high temperature oxidizing atmosphere to form an oxide between the separator 20 made of metal and the anode 14 of the unit cell 10. ) And the neighboring unit cell 10 is prevented from inhibiting electrical conductivity. In particular, when the substrate 26 is made of ferritic stainless steel, since the volatile compound containing Cr component in the substrate 26 evaporates and diffuses to the unit cell 10, the performance of the unit cell 10 is reduced. Coating layer 29 must be formed.

본 실시예에서 상기 보호 코팅층(29)은 치밀한 코팅층을 확보하는 것이 중요하므로 치밀한 코팅층을 얻을 수 있으며 특별히 그 두께에 대해서 한정되지 않는다. 바람직하게 상기 보호 코팅층(29)은 10 ~ 70㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 범위를 벗어나게 되면 보호 코팅층의 역할을 수행하기 어려우며 저항이 증가하고 효율면에서 떨어지게 된다.In the present embodiment, the protective coating layer 29 is important to secure a dense coating layer, so that a dense coating layer can be obtained, and the thickness thereof is not particularly limited. Preferably, the protective coating layer 29 may be formed to a thickness of 10 ~ 70㎛. If it is out of the range it is difficult to perform the role of the protective coating layer and the resistance is increased in terms of efficiency.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 채널층(28)은 보호 코팅층(29)이 형성된 기판(26) 상에 기 설정된 패턴으로 형성되어 산소 통로(24)를 형성한다. 여기서 상기 기 설정된 패턴은 산소 통로를 제공할 수 있는 통로 형태면 어떤 형태라도 가능하다. 예를 들어, 상기 제1 채널층의 패턴은 도 6에 도시된 바와 같이 하나로 길게 연장된 실선 형태로 이루어질 수 있으며, 일정 간격으로 끊겨진 파단선 형태로 이루어질 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.As shown in FIG. 2, the first channel layer 28 is formed in a predetermined pattern on the substrate 26 on which the protective coating layer 29 is formed to form the oxygen passage 24. The predetermined pattern may be any shape as long as it is a passage that can provide an oxygen passage. For example, the pattern of the first channel layer may be formed in the form of a solid line extending into one long as shown in FIG. 6, may be formed in the form of a broken line broken at regular intervals, and is not particularly limited.

제1 채널층(28)은 산소 통로(24)를 제공함과 더불어 집전 기능을 갖는다. 이에 상기 제1 채널층(28)은 고온 전기전도성이 우수한 세라믹 물질로 이루어진다. 본 실시예에서 상기 제1 채널층(28)은 페로브스카이트 구조의 란탄코발타이트계의 세라믹을 포함할 수 있다.The first channel layer 28 provides an oxygen passage 24 and has a current collecting function. Accordingly, the first channel layer 28 is made of a ceramic material having excellent high temperature electrical conductivity. In the present embodiment, the first channel layer 28 may include a lanthanum cobaltite-based ceramic having a perovskite structure.

상기 제1 채널층(28)은 0.5 ~ 1.5mm의 두께로 형성된다. 제1 채널층(28)의 압축강도는 연료 전지(100)의 스택킹 기술에 따라 변할 수 있으나, 최소 1kg/㎠ 이상이 될 수 있도록 한다. 이에 제1 채널층(28)의 코팅 공정의 선택이 중요한 데, 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.The first channel layer 28 is formed to a thickness of 0.5 ~ 1.5mm. The compressive strength of the first channel layer 28 may vary depending on the stacking technology of the fuel cell 100, but may be at least 1 kg / cm 2. Therefore, the selection of the coating process of the first channel layer 28 is important, which will be described later.

본 분리판(20)은 상기와 같이 기판(26)에 산소 통로(24)를 제공하는 제1 채널층(28)을 별도로 코팅 형성함으로써, 산소 통로(24)를 보다 용이하게 형성할 수 있게 된다.The separation plate 20 can form the oxygen passage 24 more easily by coating the first channel layer 28 that provides the oxygen passage 24 to the substrate 26 as described above. .

또한, 본 분리판(20)은 기판(26)의 다른 면에 제2 채널을 별도로 설치하여 수소 통로(22)를 형성하게 된다.In addition, the separation plate 20 forms a hydrogen passage 22 by separately installing a second channel on the other side of the substrate 26.

기판(26)은 제2 채널층(30)이 형성되는 다른 면 또한 평면을 이룬다. 상기 제2 채널층(30)은 단위 전지(10)의 음극(16)과 접하게 되므로, 금속 물질의 사용이 가능하다. The substrate 26 is also planar to the other side on which the second channel layer 30 is formed. Since the second channel layer 30 is in contact with the negative electrode 16 of the unit cell 10, a metal material may be used.

이에 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 제2 채널층(30)은, 기판(26) 표면에 설치되는 발포 금속폼(32)과, 기 설정된 패턴으로 형성되어 발포 금속폼(32) 외면에 설치되는 금속 와이어(34)를 포함한다.Accordingly, as shown in FIG. 2, in the present embodiment, the second channel layer 30 is formed of the foamed metal foam 32 disposed on the surface of the substrate 26, and formed in a predetermined pattern to form the outer surface of the foamed metal foam 32. It includes a metal wire 34 installed in.

발포 금속폼(32)은 기판(26) 표면에 부착되어 집전기능을 높이는 역할을 하게 되며 본 실시예에서는 니켈을 폼 형태로 발포한 니켈폼이 사용된다.The foamed metal foam 32 is attached to the surface of the substrate 26 to serve to increase the current collector function. In this embodiment, nickel foam foamed in the form of nickel is used.

상기 발포 금속폼(32)은 기공을 포함하는 폼 구조이므로, 스택킹 압력에 따라 두께가 줄어들 수 있다. 이에 일정 두께의 수소 통로(22)를 유지할 수 있도록발포 금속폼(32) 외 표면에 금속 와이어(34)가 설치된다. 본 실시예에서 상기 금속 와이어(34)는 니켈 재질로 이루어질 수 있다. 금속 와이어(34)의 두께는 전기화학반응에 필요한 충분한 유량의 수소 가스가 이동할 수 있는 정도면 가능하며, 대략 0.2 ~ 1.0mm의 범위로 형성될 수 있다.Since the foam metal foam 32 is a foam structure including pores, the foam metal foam 32 may be reduced in thickness according to the stacking pressure. The metal wire 34 is installed on the outer surface of the foamed metal foam 32 to maintain the hydrogen passage 22 of a predetermined thickness. In this embodiment, the metal wire 34 may be made of nickel. The thickness of the metal wire 34 may be as long as the hydrogen gas at a sufficient flow rate required for the electrochemical reaction can move, and may be formed in a range of about 0.2 to 1.0 mm.

또한, 본 실시예에서 상기 제2 채널층(30)은 상기 발포 금속폼(32,36)을 구비하며, 두 개의 발포 금속폼(32,36)이 금속 와이어(34)를 사이에 두고 양쪽에 배치된 구조일 수 있다.In addition, in the present embodiment, the second channel layer 30 includes the foamed metal foams 32 and 36, and two foamed metal foams 32 and 36 are disposed on both sides with the metal wire 34 interposed therebetween. It may be a disposed structure.

이에 일측 발포 금속폼(32)은 기판(26) 상에 접하고, 다른 발포 금속폼(36)은 금속 와이어(34) 외측에 부착되어 단위 전지(10)의 음극(16)에 접하게 된다.Accordingly, the foamed metal foam 32 on one side is in contact with the substrate 26, and the foamed metal foam 36 is attached to the outside of the metal wire 34 to be in contact with the negative electrode 16 of the unit cell 10.

이와 같이, 본 분리판(20)은 기판(26)에 수소 통로(22)를 제공하는 제2 채널층(30)을 별도로 설치함으로써, 수소 통로(22)를 보다 용이하게 형성할 수 있게 된다.In this manner, the separation plate 20 can easily form the hydrogen passages 22 by separately providing the second channel layer 30 providing the hydrogen passages 22 on the substrate 26.

상기한 구조의 분리판(20)은 단위 전지(10)와 교대로 적층되어 스택을 형성함으로써, 고체 산화물 연료 전지(100)를 이루게 된다.The separator 20 having the above-described structure is stacked alternately with the unit cell 10 to form a stack, thereby forming a solid oxide fuel cell 100.

이하, 본 분리판의 제조 과정에 대해 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the manufacturing process of the present separator will be described.

도 4는 본 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 분리판의 제조과정을 도시하고 있다.4 illustrates a manufacturing process of a separator for a solid oxide fuel cell according to the present embodiment.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 제조 방법은 금속 재질의 기판(26)을 제조하는 단계(S100)와, 기판(26)의 일면에 가스 유로인 산소 통로(24)를 형성하는 단계(S300 ~ S400)를 포함한다. 또한, 본 제조 방법은 상기 산소 통로(24) 형성 전에 기판(26)의 표면에 보호 코팅층(29)을 형성하는 단계(S200)를 더 포함한다.As shown in FIG. 4, the method of manufacturing the metal substrate 26 includes forming a metal substrate 26 (S100), and forming an oxygen passage 24 that is a gas flow path on one surface of the substrate 26 (S300 ˜). S400). In addition, the manufacturing method further includes forming a protective coating layer 29 on the surface of the substrate 26 before the oxygen passage 24 is formed (S200).

상기 기판(26)은 페라이트계 스테인리스강 또는 Fe-Ni 합금으로 제조되며, 도 5에 도시된 바와 같이, 외표면이 평평하게 형성된다.The substrate 26 is made of ferritic stainless steel or Fe-Ni alloy, and as shown in FIG. 5, the outer surface is flat.

상기 보호 코팅층(29)은 보호 코팅용 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 기판(26) 상에 스크린 프린팅(screen printing) 공정 또는 습식 파우더 스프레잉(wet powder spraying) 공정 또는 전기도금 공정 또는 용사 공정 또는 PVD(physical vapour deposition) 공정을 통해 형성할 수 있다. The protective coating layer 29 is to prepare a slurry for the protective coating, and the slurry on the substrate 26, a screen printing process or a wet powder spraying process or an electroplating process or spraying process or It can be formed through a physical vapor deposition (PVD) process.

상기 보호 코팅층(29) 형성을 위한 보호 코팅용 슬러리는 (Mn,Co)3O4 산화물을 포함할 수 있다. (Mn,Co)3O4 산화물은 도전성이 우수한 스피넬상 산화물로서, 연료 전지(100)의 작동 온도인 약 800℃에서 최대 60S/cm의 전도성을 나타낸다. 보호 코팅층(29)은 (Mn,Co)3O4 성분에 의해 기판(26)의 전도성을 높여 분리판(20)의 집진 성능을 향상시키고, 동시에 기판에서부터의 휘발성 Cr가스의 성분을 억제하는 역할을 한다.The protective coating slurry for forming the protective coating layer 29 may include (Mn, Co) 3 O 4 oxide. The (Mn, Co) 3 O 4 oxide is a spinel oxide having excellent conductivity, and exhibits conductivity of up to 60 S / cm at about 800 ° C., which is the operating temperature of the fuel cell 100. The protective coating layer 29 improves the dust collecting performance of the separator 20 by increasing the conductivity of the substrate 26 by the (Mn, Co) 3 O 4 component, and at the same time serves to suppress the component of volatile Cr gas from the substrate. Do it.

여기서 본 실시예에 의해 제조된 기판(26)은 코팅되는 면이 평평한 구조이므로, 종래 성형 분리판(20)이나 에칭 분리판(20) 비교하여 코팅이 용이한 장점이 있다. 즉, 종래 판성형 공정을 통해 유로가 형성된 분리판(20)이나 에칭공정을 거쳐 유로가 형성된 분리판(20)의 경우에는 유로가 형성된 상태이기 때문에 표면에 요철이 있는 구조라서 코팅이 쉽지 않다. 이에 상기한 스크린 프린팅공정이나 전기도금, 용사, PVD, ADM(Areosol Deposition Method)과 같은 코팅 공정을 적용하기 어렵다. 그러나, 본 실시예의 기판(26)은 평평한 구조로, 보호 코팅층(29) 형성이 기판(26)의 평평한 면에 이루어지기 때문에 다양한 코팅공정을 용이하게 적용할 수 있게 된다. Here, since the substrate 26 manufactured by the present embodiment has a flat surface to be coated, there is an advantage in that the coating is easier than the conventional molding separator 20 or the etching separator 20. That is, in the case of the separator 20 having the flow path formed through the conventional plate forming process or the separator 20 having the flow path formed through the etching process, since the flow path is formed, the coating is not easy because the surface has irregularities. Therefore, it is difficult to apply the coating process such as the screen printing process or electroplating, thermal spraying, PVD, ADM (Areosol Deposition Method). However, since the substrate 26 of the present embodiment has a flat structure, since the protective coating layer 29 is formed on the flat surface of the substrate 26, various coating processes can be easily applied.

예를 들어, 상기 보호 코팅층(29) 형성단계는 스크린 프린팅 공정을 통해 이루어질 수 있다. 스크린 프린팅 공정에 의한 보호 코팅층(29) 형성단계는 스크린 프린팅 공정을 통해 보호 코팅용 슬러리를 기판(26) 표면에 코팅하는 단계와, 코팅된 산화물층을 환원 열처리하는 단계와, 산화 분위기에서 예비 열처리하는 단계를 포함한다.For example, the forming of the protective coating layer 29 may be performed through a screen printing process. The step of forming the protective coating layer 29 by the screen printing process includes coating a protective coating slurry on the surface of the substrate 26 through a screen printing process, reducing heat treatment of the coated oxide layer, and preliminary heat treatment in an oxidizing atmosphere. It includes a step.

환원 열처리 단계는 기판(26)에 코팅된 (Mn,Co)3O4 산화물로 형성된 보호 코팅층(29)의 상을 망간 산화물과 금속 코발트로 잠시 변화시키기 위한 것이다. 상기 환원 열처리는 700 ~ 900℃의 환원분위기에서 3시간 내지 24시간 이내로 실시된다. 열처리 온도가 높을수록 진행시간을 줄일 수 있다. 상기 환원분위기와 환원온도 범위를 벗어나면 (Mn,Co)3O4의 환원에 의한 Co의 생성이 어렵다. The reduction heat treatment step is for temporarily changing the phase of the protective coating layer 29 formed of (Mn, Co) 3 O 4 oxide coated on the substrate 26 to manganese oxide and metal cobalt. The reduction heat treatment is carried out within 3 to 24 hours in a reducing atmosphere of 700 ~ 900 ℃. The higher the heat treatment temperature, the shorter the run time. Outside of the reducing atmosphere and the reducing temperature range, it is difficult to generate Co by reduction of (Mn, Co) 3 O 4 .

환원 열처리된 보호 코팅층(29)은 최종적으로 예비열처리단계를 거친다. 예비열처리단계는 500℃ 이하의 산화분위기에서 3시간 이상 24시간 이내로 실시된다. 예비 열처리는 다음 단계에서 실시되는 제1 채널층(28) 형성시 제1 채널층(28)과의 밀착성을 위하여 보호 코팅막의 표면 성질을 먼저 개질하기 위함이다. 산화열처리 온도는 500℃ 이하면 가능하다. 산화열처리 온도가 500℃를 넘게 되면 반대편에 저항이 큰 산화물이 형성될 수 있다.The reduction heat treatment protective coating 29 is finally subjected to a preheat treatment step. The preheating step is carried out in an oxidation atmosphere of 500 ° C. or less within 3 hours to 24 hours. The preliminary heat treatment is intended to first modify the surface properties of the protective coating film for adhesion with the first channel layer 28 when the first channel layer 28 is formed in the next step. Oxidation heat treatment temperature is possible at 500 degrees C or less. When the oxidation heat treatment temperature exceeds 500 ° C., an oxide having a high resistance may be formed on the opposite side.

여기서 상기 스크린 프린팅 공정 외에 PVD 나 ADM 공정을 적용하여 보호 코팅층(29)을 형성하는 경우에는 예비 열처리 단계는 생략될 수 있다.If the protective coating layer 29 is formed by applying PVD or ADM process in addition to the screen printing process, the preliminary heat treatment step may be omitted.

다음으로, 기판(26)의 보호코팅층 상에 산소 통로(24)를 형성한다. 산소 통로(24) 형성은 고온 전기전도성이 우수한 세라믹 슬러리를 일정한 패턴으로 기판(26)에 도포하는 제1 채널층(28) 형성단계와, 도포된 제1 채널층(28)을 건조하는 단계를 포함한다.(S300 ~ S400)Next, the oxygen passage 24 is formed on the protective coating layer of the substrate 26. Oxygen passage 24 is formed by forming a first channel layer 28 applying a ceramic slurry having a high temperature electrical conductivity to a substrate 26 in a predetermined pattern and drying the applied first channel layer 28. (S300 ~ S400)

상기 제1 채널층(28) 형성을 위한 세라믹 슬러리는 900℃ 이하의 저온에서 소결이 가능한 페로브스카이트 구조의 란탄코발타이트계 세라믹을 포함할 수 있다.The ceramic slurry for forming the first channel layer 28 may include a lanthanum cobaltite ceramic having a perovskite structure capable of sintering at a low temperature of 900 ° C. or lower.

페로브스카이트 구조의 산화물은 La-Sr-Mn 산화물(LSM), La-Sr-Co 산화물(LSC), 및 La-Sr-Co-Fe 산화물(LSCF)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함한다.The oxide of the perovskite structure includes any one selected from the group consisting of La-Sr-Mn oxide (LSM), La-Sr-Co oxide (LSC), and La-Sr-Co-Fe oxide (LSCF). .

상기 제1 채널층(28)은 대략 0.5 ~ 1.5mm의 두께를 갖는 후막이며, 두께의 편차는 ±10% 안으로 이루어져야 한다. 제1 채널층(28)의 압축강도는 최소 1kg/㎠ 이상이 될 수 있도록 코팅된다. The first channel layer 28 is a thick film having a thickness of approximately 0.5 to 1.5 mm, and the thickness variation should be within ± 10%. The compressive strength of the first channel layer 28 is coated to be at least 1 kg / cm 2 or more.

이를 위해 본 실시예에서 상기 제1 채널층(28) 형성을 위한 슬러리 코팅 공정은 디스펜싱 공정 또는 마스크 프린팅 공정 등을 통해 이루어질 수 있다.To this end, in this embodiment, the slurry coating process for forming the first channel layer 28 may be performed through a dispensing process or a mask printing process.

디스펜싱 공정의 경우, 70중량% 이상의 고형분과 소량의 바인더, 분산제 및 용재를 포함한 슬러리를 디스펜서의 노즐을 통해 일정한 압력과 속도로 코팅하여 제1 채널층(28)을 형성한다. In the dispensing process, a slurry including at least 70% by weight of solids and a small amount of binder, dispersant, and solvent is coated through the nozzle of the dispenser at a constant pressure and speed to form the first channel layer 28.

마스크 프린팅 공정의 경우, 일정한 패턴을 갖는 마스크를 먼저 제조한다. 그리고 상기 마스크를 기판(26) 위에 정렬하고 슬러리를 마스크 상에 도포한 후 롤 등을 이용하여 가압함으로써 기판(26) 상에 제1 채널층(28)을 형성한다.In the case of a mask printing process, a mask having a constant pattern is first produced. The first channel layer 28 is formed on the substrate 26 by aligning the mask on the substrate 26, applying the slurry onto the mask, and pressing the substrate using a roll or the like.

다음으로 디스펜싱 공정이나 마스크 프린팅 공정에 의해 형성된 제1 채널층(28)은 200℃ 이하의 온도에서 건조되는 과정을 거친다. 건조 과정에서 제1 채널층(28)의 형상과 밀도를 유지하기 위해 세밀한 건조가 필요하다. 제1 채널층(28)의 건조는 슬러리의 조성에 따라 다를 수 있으나, 예를 들어 가압건조 또는 IR(Infra-Red) 건조 공정이 적용될 수 있다.Next, the first channel layer 28 formed by the dispensing process or the mask printing process is dried at a temperature of 200 ° C. or less. In the drying process, detailed drying is required to maintain the shape and density of the first channel layer 28. Drying of the first channel layer 28 may vary depending on the composition of the slurry, for example, pressure drying or IR (Infra-Red) drying process may be applied.

도 6은 상기 과정을 거쳐 기판(26)의 보호 코팅층(29) 상에 제1 채널층(28)이 형성된 상태를 예시하고 있다. 제1 채널층(28)은 기 설정된 패턴으로 형성되어 산소 통로(24)를 형성한다. 6 illustrates a state in which the first channel layer 28 is formed on the protective coating layer 29 of the substrate 26 through the above process. The first channel layer 28 is formed in a predetermined pattern to form the oxygen passage 24.

상기 과정을 거쳐 코팅 건조된 제1 채널층(28)은 스택으로 적층되어 연료 전지(100)로 운전되는 과정에서, 기판(26)의 보호 코팅층과 반응하여 밀착성이 우수해지고, 압축강도가 크고 집전기능이 우수한 코팅층을 형성하게 된다. 즉, 고체 산화물 연료 전지(100)의 경우 운전 온도는 900℃ 이하로, 대략 600 ~ 900℃의 범위에서 단위 전지(10)에 따라 다양하게 운전된다. 이러한 고체 산화물 연료 전지(100) 운전 중에 페로브스카이트 구조의 제1 채널층(28)은 보호 코팅층(29)의 (Mn,Co)3O4 산화물과 반응하여 보다 강력하게 밀착된다.The first channel layer 28 coated and dried through the above process is stacked in a stack and is operated as a fuel cell 100. In this process, the first channel layer 28 reacts with the protective coating layer of the substrate 26 to improve adhesion, and has a high compressive strength and a current collector. It will form a coating layer having excellent function. That is, in the case of the solid oxide fuel cell 100, the operating temperature is 900 ° C. or less, and is variously operated according to the unit cell 10 in the range of about 600 ° C. to 900 ° C. FIG. During operation of the solid oxide fuel cell 100, the first channel layer 28 having the perovskite structure reacts with the (Mn, Co) 3 O 4 oxide of the protective coating layer 29 to be in close contact with each other.

한편, 기판(26)의 일면에 단위 전지(10)의 양극(14)과 접하는 산소 통로(24)가 형성되면 다음 단계로, 단위 전지(10)의 음극(16)과 접하는 기판(26)의 다른 면에 수소의 유로를 형성하는 전기전도성의 제2 채널층(30)을 형성한다.(S500 ~ S700)On the other hand, when the oxygen passage 24 is formed on one surface of the substrate 26 in contact with the positive electrode 14 of the unit cell 10, the next step, the substrate 26 in contact with the negative electrode 16 of the unit cell 10 On the other side, the second conductive channel layer 30, which forms a flow path of hydrogen, is formed. (S500 to S700)

제2 채널층(30) 형성단계는 기판(26)의 표면에 발포 금속폼(32)을 설치하는 단계(S500), 기 설정된 패턴으로 형성된 금속 와이어(34)를 발포 금속폼(32) 외면에 설치하는 단계(S600)를 포함한다.In the forming of the second channel layer 30, the step of installing the foamed metal foam 32 on the surface of the substrate 26 (S500), and the metal wire 34 formed in a predetermined pattern on the outer surface of the foamed metal foam 32. It includes the step of installing (S600).

제2 채널층(30)이 형성되는 기판(26)의 다른 면 역시 평면을 이룬다. 상기 제2 채널층(30)은 단위 전지(10)의 음극(16)과 접하여 수소가 유통되므로 금속 물질로 제조될 수 있다. 이에 본 실시예에서 상기 제2 채널층(30)은 니켈 등의 금속 재질로 이루어진다.The other side of the substrate 26 on which the second channel layer 30 is formed is also planar. The second channel layer 30 may be made of a metallic material because hydrogen is circulated in contact with the negative electrode 16 of the unit cell 10. Accordingly, in the present embodiment, the second channel layer 30 is made of a metal material such as nickel.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 니켈재질의 발포 금속폼(32)을 평면상의 기판(26)에 부착 설치한다. 상기 발포 금속폼(32)은 집전 기능을 높이는 역할을 하게 된다. 발포 금속폼의 부착은 물리적 적층 공정을 통해 이루어진다.First, as shown in FIG. 7, the nickel-based foam metal foam 32 is attached to the planar substrate 26. The foamed metal foam 32 serves to increase the current collecting function. The foam metal foam is attached through a physical lamination process.

그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(26) 상에 발포 금속폼(32)이 부착되면 발포 금속폼(32) 상에 금속 와이어(34)를 기 설정된 패턴으로 설치한다. 본 실시예에서 상기 금속 와이어(34) 역시 니켈 재질로 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 8, when the foamed metal foam 32 is attached to the substrate 26, the metal wire 34 is installed on the foamed metal foam 32 in a predetermined pattern. In this embodiment, the metal wire 34 may also be made of nickel.

상기 발포 금속폼(32)은 내부에 기공을 포함하는 폼 구조이므로, 스택킹 압력에 따라 두께가 줄어들 수 있다. 이에 상기 금속 와이어(34)가 발포 금속폼(32) 상에 설치되어 발포 금속폼(32) 압축시에도 수소 통로(22)를 일정 두께로 유지시키게 된다. 금속 와이어의 부착은 물리적 적층 공정을 통해 이루어진다.Since the foam metal foam 32 is a foam structure including pores therein, the thickness may be reduced according to the stacking pressure. Accordingly, the metal wire 34 is installed on the foamed metal foam 32 to maintain the hydrogen passage 22 at a predetermined thickness even when the foamed metal foam 32 is compressed. Attachment of the metal wire is made through a physical lamination process.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 제조 방법은 상기 금속 와이어(34) 외측에 별도의 발포 금속폼(36)을 설치하는 단계(S700)를 더 포함한다.In addition, as shown in Figure 9, the manufacturing method further comprises the step (S700) of installing a separate foamed metal foam (36) outside the metal wire (34).

이에 제2 채널층(30)은 금속 와이어(34)를 사이에 두 개 두 개의 발포 금속폼(32,36)이 양쪽에 배치된 구조를 이룬다. 상기 금속 와이어(34) 외측에 설치되는 발포 금속폼(36)은 스택 형성시 단위 전지(10)의 음극(16)과 접하게 된다.Accordingly, the second channel layer 30 has a structure in which two foamed metal foams 32 and 36 are disposed on both sides of the metal wire 34. The foamed metal foam 36 installed outside the metal wire 34 comes into contact with the negative electrode 16 of the unit cell 10 when the stack is formed.

이와 같이, 본 분리판(20)은 기판(26)의 다른 면에 수소 통로(22)를 제공하는 제2 채널층(30)을 별도로 설치함으로써, 수소 통로(22)를 보다 용이하게 형성할 수 있게 된다.In this manner, the separation plate 20 can easily form the hydrogen passages 22 by separately providing the second channel layer 30 providing the hydrogen passages 22 on the other side of the substrate 26. Will be.

상기한 과정을 거쳐 기판(26)의 양극(14) 쪽에는 고온 전도성이 우수한 세라믹 물질을 이용하여 산소 통로(24)를 형성하고, 기판(26)의 음극(16) 쪽에는 금속폼(32)과 와이어(34)를 이용하여 수소 통로(22)를 용이하게 형성할 수 있게 된다. 제조된 분리판(20)은 단위 전지(10)와 교대로 적층하여 스택을 형성함으로써, 고체 산화물 연료 전지(100)를 이룬다. Through the above process, the oxygen passage 24 is formed on the anode 14 side of the substrate 26 by using a ceramic material having high temperature conductivity, and the metal foam 32 on the cathode 16 side of the substrate 26. And the hydrogen 34 can be easily formed using the wire 34. The separator 20 is stacked alternately with the unit cell 10 to form a stack, thereby forming a solid oxide fuel cell 100.

이와 같이, 본 제조 과정을 통해 종래의 기계적 성형이나 화학적 성형 공정없이 가스 유로와 집전기능을 갖는 분리판(20)과 이 분리판(20)을 포함하는 연료 전지(100)를 제조할 수 있게 된다. In this manner, the present manufacturing process enables the production of a separator 20 having a gas flow path and a current collecting function and a fuel cell 100 including the separator 20 without a conventional mechanical molding or chemical molding process. .

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.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

10 : 단위 전지 12 : 전해질막
14 : 양극 16 : 음극
20 : 분리판
22 : 수소 통로 24 : 산소 통로
26 : 기판 28 : 제1 채널층
29 : 보호 코팅층 30 : 제2 채널층
32,36 : 발포 금속폼 34 : 금속 와이어10 unit cell 12 electrolyte membrane
14 positive electrode 16 negative electrode
20: separator
22: hydrogen passage 24: oxygen passage
26 substrate 28 first channel layer
29 protective coating layer 30 second channel layer
32,36: foamed metal foam 34: metal wire

Claims (28)

금속 재질의 기판과,
상기 기판의 일면에 기 설정된 패턴으로 설치되어 가스의 유로를 형성하는 전기전도성 세라믹 재질의 제1 채널층
을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판.A metal substrate,
A first channel layer of an electrically conductive ceramic material formed in a predetermined pattern on one surface of the substrate to form a gas flow path
Separation plate for a solid oxide fuel cell comprising a. 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 페라이트계 스테인리스강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어진 고체 산화물 연료 전지용 분리판.The method of claim 1,
The substrate is a solid oxide fuel cell separator plate made of ferritic stainless steel or Fe-Ni alloy. 제 2 항에 있어서,
상기 기판은 제1 채널층이 형성되는 일면이 평면인 구조의 고체 산화물 연료 전지용 분리판.The method of claim 2,
The substrate is a separator plate for a solid oxide fuel cell having a planar one surface on which the first channel layer is formed. 제 1 항에 있어서,
상기 분리판은 기판의 일면과 제1 채널층 사이에 형성되는 보호 코팅층을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판.The method of claim 1,
The separator further comprises a protective coating layer formed between one surface of the substrate and the first channel layer. 제 4 항에 있어서,
상기 보호 코팅층은 (Mn,Co)3O4 산화물을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판.The method of claim 4, wherein
The protective coating layer is a solid oxide fuel cell separator comprising (Mn, Co) 3 O 4 oxide. 제 5 항에 있어서,
상기 보호 코팅층은 10 ~ 70㎛의 두께로 형성된 고체 산화물 연료 전지용 분리판.The method of claim 5, wherein
The protective coating layer is a separator for a solid oxide fuel cell formed to a thickness of 10 ~ 70㎛. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 채널층은 페로브스카이트 구조의 란탄코발타이트계의 세라믹을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판. The method of claim 1,
The first channel layer is a separator plate for a solid oxide fuel cell including a lanthanum cobaltite ceramic having a perovskite structure. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리판은 기판의 다른 면에 설치되어 가스의 유로를 형성하는 전기전도성의 제2 채널층을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판.The method according to any one of claims 1 to 7,
The separator further comprises a second conductive channel layer formed on the other side of the substrate to form a gas flow path for a solid oxide fuel cell. 제 8 항에 있어서,
상기 기판은 제2 채널층이 형성되는 다른 면이 평면인 구조의 고체 산화물 연료 전지용 분리판.The method of claim 8,
The substrate is a separator plate for a solid oxide fuel cell having a planar surface on which the second channel layer is formed. 제 8 항에 있어서,
상기 제2 채널층은 기판 표면에 설치되는 발포 금속폼을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판.The method of claim 8,
The second channel layer is a separator plate for a solid oxide fuel cell comprising a foamed metal foam provided on the substrate surface. 제 10 항에 있어서,
상기 제2 채널층은 기 설정된 패턴으로 형성되어 상기 발포 금속폼 외면에 설치되는 금속 와이어를 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판.11. The method of claim 10,
The second channel layer is formed in a predetermined pattern further comprises a metal wire installed on the outer surface of the foamed metal foam solid oxide fuel cell separator. 제 11 항에 있어서,
상기 제2 채널층은 금속 와이어 외측에 설치되는 발포 금속폼을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판.The method of claim 11,
The second channel layer is a separator plate for a solid oxide fuel cell further comprises a foamed metal foam installed outside the metal wire. 제 12 항에 있어서,
상기 발포 금속폼 또는 금속 와이어는 니켈 재질로 이루어진 고체 산화물 연료 전지용 분리판.The method of claim 12,
The foamed metal foam or metal wire is a separator for a solid oxide fuel cell made of nickel. 금속 재질의 기판을 제조하는 단계와, 기판의 일면에 가스의 유로를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 가스 유로 형성단계는 전기전도성 세라믹 슬러리를 기 설정된 패턴으로 기판에 도포하는 제1 채널층 형성단계와, 도포된 제1 채널층을 건조하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법. Manufacturing a metal substrate, and forming a gas flow path on one surface of the substrate,
The gas flow channel forming step may include forming a first channel layer applying an electrically conductive ceramic slurry to a substrate in a predetermined pattern, and drying the applied first channel layer. 제 14 항에 있어서,
상기 제1 채널층 형성단계는 디스펜싱 공정 또는 마스크 프린팅 공정을 통해 이루어지는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.15. The method of claim 14,
The first channel layer forming step is a method of manufacturing a separator for a solid oxide fuel cell made through a dispensing process or a mask printing process. 제 14 항에 있어서,
상기 제1 채널층의 건조는 200℃를 초과하지 않는 범위에서 이루어어지는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.15. The method of claim 14,
Drying of the first channel layer is a method of manufacturing a separator for a solid oxide fuel cell made in a range not to exceed 200 ℃. 제 14 항에 있어서,
상기 유로 형성 전에 기판의 일면에 보호 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.15. The method of claim 14,
And forming a protective coating layer on one surface of the substrate before forming the flow path. 제 17 항에 있어서,
상기 보호 코팅층 형성은 보호 코팅용 슬러리를 스크린 프린팅(screen printing) 공정 또는 습식 파우더 스프레잉(wet powder spraying) 공정 또는 전기도금 공정 또는 용사 공정 또는 PVD(physical vapour deposition) 공정을 진행하여 이루어지는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.The method of claim 17,
The protective coating layer may be formed by performing a screen printing process, a wet powder spraying process, an electroplating process, a thermal spraying process, or a physical vapor deposition (PVD) process on the protective coating slurry. Method for manufacturing a separator for batteries. 제 18 항에 있어서,
상기 스크린 프린팅공정을 통해 보호 코팅층을 형성하는 단계는 산화물을 기판 일면에 코팅한 후 환원 열처리하는 단계와 산화 열처리하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.The method of claim 18,
The forming of the protective coating layer through the screen printing process includes coating the oxide on one surface of the substrate, followed by reduction heat treatment and oxidative heat treatment. 제 19 항에 있어서,
상기 환원 열처리 단계는 700 ~ 900℃의 환원분위기에서 3시간 이상 24시간 이내로 실시되는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.The method of claim 19,
The reduction heat treatment step is a method for producing a separator for a solid oxide fuel cell which is carried out within a reduction atmosphere of 700 ~ 900 ℃ 3 hours or more within 24 hours. 제 19 항에 있어서,
상기 산화 열처리 단계는 500℃ 이하의 산화분위기에서 3시간 이상 24시간 이내로 실시되는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.The method of claim 19,
The oxidation heat treatment step is a solid oxide fuel cell separator plate manufacturing method is carried out in an oxidation atmosphere of 500 ℃ or less within 3 hours or more within 24 hours. 제 14 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판의 다른 면에 가스의 유로를 형성하는 전기전도성의 제2 채널층을 형성하는 단계를 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.The method according to any one of claims 14 to 21,
And forming an electrically conductive second channel layer forming a gas flow path on the other side of the substrate. 제 22 항에 있어서,
상기 제2 채널층 형성단계는 기판의 표면에 발포 금속폼을 설치하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.The method of claim 22,
The second channel layer forming step includes the step of installing a foamed metal foam on the surface of the substrate manufacturing method of a solid oxide fuel cell separator. 제 23 항에 있어서,
상기 제2 채널층 형성단계는 기 설정된 패턴으로 형성된 금속 와이어를 발포 금속폼 외면에 설치하는 단계를 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.24. The method of claim 23,
The second channel layer forming step further comprises the step of installing a metal wire formed in a predetermined pattern on the outer surface of the foam metal foam solid-state fuel cell separator. 제 24 항에 있어서,
상기 제2 채널층 형성단계는 금속 와이어 외측에 발포 금속폼을 설치하는 단계를 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 분리판 제조방법.25. The method of claim 24,
The second channel layer forming step further comprises the step of installing a foamed metal foam on the outside of the metal wire manufacturing method of a separator for a solid oxide fuel cell. 전해질막과 전해질막의 양면에 각각 위치하는 양극과 음극을 포함하는 단위 전지 및 분리판이 교대로 적층되어 스택을 이루고,
상기 분리판은 금속 재질의 기판과, 양극과 마주하는 기판의 일면에 기 설정된 패턴으로 설치되어 가스의 유로를 형성하는 전기전도성 세라믹 재질의 제1 채널층을 포함하는 고체 산화물 연료 전지.Unit cells including a positive electrode and a negative electrode positioned on both sides of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane and the separator plate are alternately stacked to form a stack,
The separator includes a metal substrate and a first channel layer of an electrically conductive ceramic material formed in a predetermined pattern on a surface of the substrate facing the anode to form a gas flow path. 제 26 항에 있어서,
상기 분리판은 음극과 마주하는 기판의 다른 면에 설치되어 가스의 유로를 형성하는 전기전도성의 제2 채널층을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지.The method of claim 26,
The separator further includes a second conductive channel layer disposed on the other side of the substrate facing the cathode to form a gas flow path. 제 27 항에 있어서,
상기 제2 채널층은 기판 표면에 설치되는 발포 금속폼과, 기 설정된 패턴으로 형성되어 상기 발포 금속폼 외면에 설치되는 금속 와이어, 상기 금속 와이어 외측에 설치되는 발포 금속폼을 포함하는 고체 산화물 연료 전지.
The method of claim 27,
The second channel layer is a solid oxide fuel cell including a foamed metal foam provided on a substrate surface, a metal wire formed in a predetermined pattern and installed on an outer surface of the foamed metal foam, and a foamed metal foam provided on an outer side of the metal wire. .
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