KR101502996B1 - Current collecting Material for fuel cell - Google Patents

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Abstract

MEA 셀과 세퍼레이터의 사이의 전기적인 접속을 개선하여, 연료 전지의 발전 효율 및 사이클 특성을 향상시키는 연료 전지용 집전재를 제공한다.
평판형 연료 전지용의 집전재는 평판형 연료 전지 (lOa)의 공기극(음극) (4) 및 연료극(양극) (5)이 각각 음극측 세퍼레이터 (6)와 양극측 세퍼레이터 (7)로 대향하는 면에 있어, 금속 섬유를 짜서 형성된 금속 섬유 니트를 집전재 (8, 9)로서 배치하고, 이를 전극 (4, 5)과 세퍼레이터 (6, 7)의 사이에 끼워 가압한다. A current collecting member for a fuel cell is provided which improves electrical connection between a MEA cell and a separator to improve power generation efficiency and cycle characteristics of the fuel cell.
The current collector for a flat plate type fuel cell has a structure in which an air electrode (negative electrode) 4 and a fuel electrode (positive electrode) 5 of a flat plate type fuel cell 10a face each other with a negative electrode side separator 6 and a positive electrode side separator 7, A metal fiber knit formed by squeezing metal fibers is disposed as the current collecting members 8 and 9 and is sandwiched between the electrodes 4 and 5 and the separators 6 and 7 and pressed.

Description

연료 전지용 집전재{Current collecting Material for fuel cell}[0001] Current collecting material for fuel cell [0002]

본 발명은 연료 전지용 집전재에 관한 것으로서, 특히 평판형 고체 산화물형 연료 전지의 MEA 셀과 세퍼레이터 사이에 설치되는 집전재 및 원통형의 고체 산화물형 연료 전지의 MEA 셀의 공기극과 연료극의 내주면 또는 외주면에 설치되는 집전재에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell current collector and, more particularly, to a fuel cell having a flat solid oxide fuel cell and a fuel cell having a cylindrical solid oxide fuel cell, And to the installed current collector.

연료전지의 일종인 고체 산화물형 연료 전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)는 600℃ 내지 900℃의 고온에서 동작하는 연료 전지이다. 또한, 구성부품이 모두 완전한 고체라는 특징이 있어, 높은 발전 효율을 얻을 수 있는 연료 전지 시스템이다. 또한, 전해질로 이온 전도성을 가지는 고체의 세라믹을 이용하는 경우가 많으므로 그 형상에 대한 자유도가 높고, 단셀의 형상으로서 평판형 및 원통형이 있다.
A solid oxide fuel cell (SOFC), which is a type of fuel cell, is a fuel cell that operates at a high temperature of 600 ° C to 900 ° C. Further, the fuel cell system is characterized in that all of the components are completely solid, and that a high power generation efficiency can be obtained. In addition, since a solid ceramic having ion conductivity is often used as the electrolyte, there is a high degree of freedom in its shape, and the shape of a single cell is a flat plate type and a cylindrical type.

도 6은 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)의 발전 원리를 나타낸다. 도 6a는 수소 연료인 경우의 발전 원리를 나타내고, 도 6b는 일산화탄소 연료인 경우의 발전 원리를 나타낸다. 고체 산화물형 연료 전지(SOFC) (10)는 연료로 수소, 일산화탄소 등을 사용하고, 공기극(음극) (4) 및 연료극(양극) (5)에서 하기 기재의 전극 반응이 진행된다. Fig. 6 shows a power generation principle of a solid oxide fuel cell (SOFC). FIG. 6A shows the power generation principle in the case of hydrogen fuel, and FIG. 6B shows the power generation principle in the case of carbon monoxide fuel. Hydrogen, carbon monoxide, or the like is used as fuel for the solid oxide fuel cell (SOFC) 10, and the electrode reaction of the following materials proceeds in the air electrode (cathode) 4 and the anode (anode)

(수소 연료인 경우의 연료극 (5)) H2 + 02- →H20 + 2e (Fuel electrode 5 in the case of hydrogen fuel) H 2 + 0 2 - > H 2 0 + 2e

(일산화탄소 연료인 경우의 연료극 (5)) CO + 02- → CO2 + 2e(Fuel electrode 5 in the case of carbon monoxide fuel) CO + 0 2- ? CO 2 + 2e

(공기극 (4)) 1/202 + 2e → 02-
(Air electrode (4)) 1/20 2 + 2e? 0 2-

상기 반응식에 나타낸 바와 같이, 공기극 (4)에서 발생한 산소 이온(02-)이 전해질 (3)을 통과하여 연료극 (5)으로 이동한다. 한편, 연료극 (5)에서는 연료인 수소 또는 일산화탄소가 산소 이온(02-)과 반응해 전자(2e)를 방출하고, 그 전자(2e)가 외부 회로를 경유하여 공기극 (4)으로 이동한다.
As shown in the above reaction formula, oxygen ions (O 2- ) generated in the air electrode (4) pass through the electrolyte (3) and move to the fuel electrode (5). On the other hand, in the fuel electrode 5, hydrogen or carbon monoxide, which is fuel, reacts with the oxygen ions (O 2 - ) to emit electrons 2e, and the electrons 2e move to the air electrode 4 via the external circuit.

도 7은 평판형 연료 전지 (lOa)의 외관 및 구성을 사시도로 나타낸 것이다. 도 7a는 평판형 연료 전지 (lOa) 전체의 외관을 나타낸 것이고, 도 7b는 단셀 스택 (11)의 구성을 나타낸 것이다. 도 7b에 나타낸 바와 같이, 평판형 연료 전지 (lOa)의 단셀 스택 (11)은 전해질 (3)과 한 쌍의 전극인 공기극(음극) (4) 및 연료극(양극) (5)으로 구성되는 MEA 셀 (2) 및 2 매의(음극측) 세퍼레이터 (6) 및 (양극측) 세퍼레이터 (7)로 구성된다. 그리고 한 개의 단셀 스택 (11) 자체는 O.3 V 내지 1.O V정도이므로 필요한 전압으로 하기 위해서 단셀 스택 (11)을 수십매 내지 수백매 겹쳐서, 도 7a에 나타낸 바와 같이 적층한 셀 스택 (14)을 형성한다. 7 is a perspective view showing the appearance and configuration of the planar fuel cell 10a. FIG. 7A shows the overall appearance of the planar fuel cell 10a, and FIG. 7B shows the configuration of the single cell stack 11. As shown in FIG. The single cell stack 11 of the planar type fuel cell 10a is composed of the electrolyte 3 and the MEA 4 composed of the air electrode (cathode) 4 and the anode (positive electrode) 5, which are a pair of electrodes, Cell 2 and two (negative electrode side) separator 6 and (positive electrode side) separator 7. [ Since one single cell stack 11 itself is about 0.3 V to about 1.0 V, several tens to hundreds of the single cell stacks 11 are stacked in order to obtain the required voltage, and the stacked cell stacks 14 ).

상기 셀 스택 (14)은 단셀 스택 (11)의 구성부품을 구성 매수만 겹쳐서 전체를 단단히 조이는 것으로 일체화한다. 그리고 공기극(음극) (4)에는 산화 가스인 공기가 공급되고, 연료극(양극) (5)에는 연료 가스인 수소(또는 일산화탄소)가 공급된다.
The cell stack 14 is formed by stacking the constituent parts of the single cell stack 11 only by the number of constituent parts and tightly tightening the whole. Air as an oxidizing gas is supplied to the air electrode (cathode) 4, and hydrogen (or carbon monoxide) as a fuel gas is supplied to the anode (anode) 5.

연료 전지의 세퍼레이터 (6, 7)는 셀 스택 (14) 안의 개개의 단셀 스택 (11) 사이를 구분하고 있다. 상기 세퍼레이터 (6, 7)의 역할은 연료 가스와 산화 가스를 분리하는 것이지만, MEA 셀 (2)에 대해 발전된 전기를 집전하는 역할 및 연료 가스와 산화 가스의 공급이나 배출하는 역할도 담당하고 있다. 따라서, 세퍼레이터의 표면에는 홈 가공에 의해 연료 가스 및 산화 가스의 유로가 설치되어 있다. 이 음극측 세퍼레이터 (6)와 MEA 셀 (2)의 사이, 또한 양극측 세퍼레이터 (7)와 MEA 셀 (2)의 사이에는 발전 효율을 올리기 위해서 집전재가 설치되는 것이 일반적이다.
The separators 6 and 7 of the fuel cell divide the individual single cell stacks 11 in the cell stack 14. The role of the separators 6 and 7 is to separate the fuel gas and the oxidizing gas, but also plays a role of collecting electricity generated in the MEA cell 2 and also in supplying and discharging the fuel gas and the oxidizing gas. Therefore, a fuel gas and an oxidizing gas flow path are provided on the surface of the separator by groove processing. A current collecting material is generally provided between the cathode side separator 6 and the MEA cell 2 and between the anode side separator 7 and the MEA cell 2 in order to increase the power generation efficiency.

도 8은 원통형 연료 전지의 일반적인 구성을 단면도로 나타낸 것이다. 원통형 연료 전지 (lOb)는 원통인 전해질 (3)과 한 쌍의 전극인 공기극(음극) (4) 및 연료극(양극) (5)으로 형성된다. 그리고, 원통관의 내부를 연료 가스 공급로 (13)로 연료 가스를 공급하고 원통관의 외부를 산화 가스 공급로 (12)로 산화 가스를 공급한다. 공기극(음극) (4) 및 연료극(양극) (5)에는 각각 음극 터미널 (18) 또는 양극 터미널 (17)이 설치되어 음극 터미널 (18) 및 양극 터미널 (17)에 각각 전류선 (16)을 접속시킴으로써 발전한다. 즉, 공기극 (4)에서 발생한 산소 이온(02-)이 전해질 (3)을 경유해 연료극 (5)으로 이동하고, 연료극 (5)에서는 연료인 수소 또는 일산화탄소가 산소 이온(02-)과 반응해 전자(2e)를 방출하고, 그 전자(2e)가 전류선 (16)을 경유해 공기극 (4)으로 이동한다. 또한, 공기극(음극) (4)과 연료극(양극) (5)의 위치를 반대로 하여 원통관의 내부를 산화 가스 공급로 (12)로 산화 가스를 공급하고, 원통관의 외부를 연료 가스 공급로 (13)으로 연료 가스를 공급하는 구성으로 할 수도 있다.
8 is a sectional view showing a general configuration of a cylindrical fuel cell. The cylindrical fuel cell 10b is formed of a cylindrical anode 3 and a cathode (cathode) 4 and a fuel electrode (anode) 5, which are a pair of electrodes. Then, the fuel gas is supplied to the fuel gas supply path 13 through the interior of the cylindrical tube, and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas supply path 12 from the outside of the cylindrical tube. A negative electrode terminal 18 or a positive electrode terminal 17 is provided in each of the air electrode (cathode) 4 and the fuel electrode (positive electrode) 5 to apply a current line 16 to the cathode terminal 18 and the anode terminal 17, respectively . That is, the oxygen ions generated in the air electrode (4) (0 2) of the electrolyte (3) move to the fuel electrode (5) via a, and the fuel electrode (5) in which the fuel is hydrogen or carbon monoxide, oxygen ions (0 2 -) and The electrons 2e emit electrons 2e and move to the air electrode 4 via the current line 16. [ In addition, oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas supply path 12 through the inside of the cylindrical tube by reversing the positions of the air electrode (cathode) 4 and the anode (anode) 5, And the fuel gas may be supplied to the fuel cell stack 13.

종래에는 고체 산화물형 연료 전지의 집전재로서 예를 들면, 금속 메쉬, 강망(expand metal), 다공성 메탈 등의 재료가 사용되고 있었다. 그러나, 상기 재료는 아래에서 설명하는 바와 같이, 탄력성이 부족하고, 반복 사용하면 MEA 셀이나 세퍼레이터의 열팽창에 의한 변화 때문에 접촉 상황이 변화하여 발전 효율이 저하되는 성질이 있다.
Conventionally, materials such as a metal mesh, an expand metal, and a porous metal have been used as a current collector for a solid oxide fuel cell. However, as described below, the material has insufficient elasticity, and when it is used repeatedly, the contact state changes due to the thermal expansion of the MEA cell or the separator, and the power generation efficiency is deteriorated.

도 9는 종래의 집전재를 이용하한 경우의 열사이클에 의한 전류(A) 치에 대응하는 전압 (V) 및 출력(W)의 변화를 나타낸다. 전압(V) 및 출력(W)은 제 1 사이클에 비해서 제 2 사이클에서 저하하는 것을 알 수 있다.
9 shows changes in the voltage (V) and the output (W) corresponding to the current (A) value by the thermal cycle in the case where the conventional current collector is used. It can be seen that the voltage V and the output W fall in the second cycle as compared to the first cycle.

또한, 도 10은 종래의 집전재를 이용한 경우의 열사이클 수에 의한 스택 전압(V)과 열화율(%)의 변화를 나타낸다. 열사이클 수가 증가함에 따라, 전압(V)이 저하하여 전류치와 전압치로부터 산출되는 열화율(%)이 상승하는 것을 알 수 있다.
10 shows changes in stack voltage (V) and degradation rate (%) due to the number of thermal cycles when a conventional current collector is used. It can be seen that as the number of thermal cycles increases, the voltage V decreases and the deterioration rate (%) calculated from the current value and the voltage value increases.

특허 문헌 1에는 소결·수축이 적고, 또한 세퍼레이터(인터커넥터) 및 셀 플레이트의 밀착성이 양호한 평판형 고체 전해질 연료 전지용 연료극 집전재가 개시되고 있다. 여기에서는 니켈 펠트 원재료에 세라믹 섬유 및/또는 가열 팽창성 세라믹 미립자를 혼합하는 것이 기재되어 있다.
Patent Document 1 discloses a fuel electrode collector for a planar solid electrolyte fuel cell having less sintering and shrinkage and also having good adhesion to a separator (interconnector) and a cell plate. Here, it is described that ceramic fibers and / or heat expandable ceramic fine particles are mixed with a raw material of nickel felt.

또한, 특허 문헌 2에는 집전재와 연료극과의 밀착성이 향상되어 내구성 및 출력의 향상이 가능한 연료극용 집전재 및 이를 이용한 고체 산화물형 연료 전지가 개시되고 있다. 여기에서는, 부분 산화 활성재와 연료극에 함유되는 전자 도전성 물질을 함유하는 집전재가 기재되어 있다.
Patent Document 2 discloses a fuel electrode current collector and a solid oxide fuel cell using the same that can improve durability and output with improved adhesion between the current collector and the fuel electrode. Here, a current collecting material containing an electron conductive material contained in a partial oxidation active material and a fuel electrode is described.

특개평 6-36783 호 공보Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-36783 특개 2008-257890 호 공보Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-257890

MEA 셀의 공기극과 연료극을 각각 세퍼레이터로 직접 끼운 경우에는 세퍼레이터(seperator)나 MEA 셀에 대향하는 표면의 거칠기 또는 표면의 휘어짐이나 비틀어짐 등으로 인하여 평면성을 확보할 수 없다. 이로 인해, 세퍼레이터와 MEA 셀과의 접촉면에서 전기 저항이 발생하고, 그 결과 연료 전지의 발전 성능이 저하되는 문제가 있다.
When the air electrode and the fuel electrode of the MEA cell are directly sandwiched by the separator, the planarity can not be ensured due to roughness of the surface facing the separator or the MEA cell, warping or twisting of the surface, and the like. As a result, electrical resistance is generated at the interface between the separator and the MEA cell, and as a result, the power generation performance of the fuel cell deteriorates.

또한, 금속제의 세퍼레이터와 세라믹제의 MEA 셀이 열사이클을 받으면, 금속 세퍼레이터와 MEA 셀의 열팽창율의 차이에 의해 MEA 셀이 갈라짐 등의 결함을 일으키는 경우가 있다. 이때, 세퍼레이터(separator)와 MEA 셀과의 접촉면에 전기 저항이 발생하여 그 결과, 연료 전지의 발전 성능이 저하되는 문제가 있다.
Further, when the metal separator and the ceramic MEA cell are subjected to a thermal cycle, the MEA cell may be cracked due to a difference in thermal expansion coefficient between the metal separator and the MEA cell. At this time, electrical resistance is generated on the contact surface between the separator and the MEA cell, and as a result, the power generation performance of the fuel cell deteriorates.

게다가 고체 산화물형 연료 전지의 집전재로서 예를 들면, 금속 메쉬, 강망(expand metal), 다공성 메탈 등의 재료가 사용되고 있지만, 상기 재료는 탄력성이 부족하고, 반복하여 사용하면 MEA 셀이나 세퍼레이터(separator)의 열팽창에 의한 변화때문에 접촉 상황이 변화히여, 발전 효율이 저하되는 문제가 있다.
Further, materials such as a metal mesh, an expand metal, and a porous metal are used as the current-collecting material of the solid oxide fuel cell. However, the above materials have insufficient elasticity, and when used repeatedly, the MEA cell or the separator ) Is changed due to the thermal expansion of the fuel cell, so that the power generation efficiency is lowered.

본 발명의 목적은 이와 같은 문제를 해결하여 MEA 셀과 세퍼레이터의 사이의 전기적인 접속을 개선하고, 연료 전지의 발전 효율 및 사이클 특성을 향상시키는 연료 전지용 집전재를 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a current collecting member for a fuel cell which solves this problem by improving the electrical connection between the MEA cell and the separator and improving the power generation efficiency and cycle characteristics of the fuel cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, In order to achieve the above object,

본 발명에 따른 연료 전지용 집전재는 평판형 고체 산화물형 연료 전지의 MEA 셀의 공기극과 연료극이 각각 세퍼레이터와 대향하는 면에 있고, 금속 섬유를 짜서 형성된 평판 모양의 금속 섬유 니트를 집전재로서 배치하여, 전극과 세퍼레이터와의 사이에 끼워넣어 가압하는 것을 특징으로 한다. The fuel cell current collector according to the present invention is characterized in that the air electrode and the fuel electrode of the MEA cell of the planar solid oxide fuel cell are respectively on the surfaces facing the separator and the flat metal- , And is sandwiched and pressed between the electrode and the separator.

상기 구성으로 인해, 연료 전지용 집전재는 금속을 짜서 형성된 금속 섬유 니트에 의한 집전재가 가지는 탄력성, 즉 변형한 금속 섬유 니트가 원래의 형상으로 돌아오려고 하는 복원력 특성으로 인해, 집전재가 MEA 셀을 형성하는 공기극 및 연료극과 각각의 전극에 대향하는 세퍼레이터(separator)와 밀착하여 MEA 셀과 세퍼레이터 사이의 전기적인 접속을 향상시킬 수 있다.
Due to the above-described configuration, due to the elasticity of the current collector by the metal fiber knit formed by squeezing the metal, that is, the restoring force characteristic that the deformed metal fiber knit is going to return to the original shape, It is possible to improve the electrical connection between the MEA cell and the separator by bringing the air electrode and the fuel electrode to be formed into close contact with the separator opposing each electrode.

또한 상기 목적을 달성하기 위하여, In order to achieve the above object,

본 발명에 따른 연료 전지용 집전재는 원통형 고체 산화물형 연료 전지의 MEA 셀의 공기극과 연료극의 내주면 또는 외주면을 따라 금속 섬유를 짜서 형성된 원통형의 금속 섬유 니트가 집전재로서 배치하고, 공기극 측의 집전재와 연료극 측의 집전재를 전류선을 통해 접속시켜 회로를 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 구성에 의해, 연료 전지용 집전재는 원통형 연료 전지에 공기극 측 집전재 및 연료극 측 집전재를 휘감아 각각의 집전재로부터 전류선을 꺼내 회로를 구성하기 위해서 회로 자체가 짧아져, 이로 인해 용이하게 발전 효율을 올릴 수 있다.
The fuel cell current collector according to the present invention is characterized in that a cylindrical metal fiber knit formed by squeezing metal fibers along the inner or outer peripheral surface of the air electrode and the fuel electrode of the MEA cell of the cylindrical solid oxide fuel cell is arranged as a current collector, And the current collector on the fuel electrode side are connected through a current line to form a circuit. According to the above-described configuration, the current collector for the fuel cell is wound around the cathode-side current collector and the anode-side current collector to the cylindrical fuel cell to draw out the current line from each current collector to constitute the circuit, Efficiency can be increased.

또한, 연료 전지용 집전재에 있어서 금속 섬유 니트는 천이 금속, 귀금속, 또는 내열합금을 포함하는 금속으로 섬유를 짜서 형성되는 것이 바람직하고, 이때, 상기 천이 금속에는 니켈, 코발트, 및 구리가 포함되고, 상기 귀금속에는 백금, 금 및 은이 포함되는 것이 바람직하다. 이로부터, 연료 전지의 공기극 측 및 연료극 측에서 최적의 소재로 금속 섬유 니트를 형성할 수 있다.
In the current collector for fuel cells, it is preferable that the metal fiber knit is formed by sintering fibers made of a metal including a transition metal, a noble metal, or a heat resistant alloy, wherein the transition metal includes nickel, cobalt, and copper, It is preferable that the noble metal includes platinum, gold and silver. From this, it is possible to form the metal fiber knit with the optimum material on the air electrode side and the fuel electrode side of the fuel cell.

또한, 연료 전지용 집전재는 상기 금속 섬유의 지름이 약 0.02 mm 내지 O.2 mm 인 것이 바람직하다. 상기 범위내에서 금속 섬유의 지름을 선택함으로써 금속 섬유 니트의 최적의 쿠션성을 설정할 수 있다.
In the fuel cell current collector, it is preferable that the diameter of the metal fiber is about 0.02 mm to 0.2 mm. By selecting the diameter of the metal fiber within the above range, the optimum cushioning property of the metal fiber knit can be set.

또한, 연료 전지용 집전재는 상기 금속 섬유 니트가 금속 섬유를 위편(weft knitting) 또는 경편(warp knitting)으로 짜는 것이 바람직하고, 상기 위편에는 평뜨기, 고무뜨기, 안뜨기 및 양면 뜨기(인터로크)가 포함되고, 상기 경편에는 싱글 트리코트(single tricot stitch), 싱글 코드(single cord stitch), 및 싱글 아틀라스(single atlas stitch)가 포함되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 금속 섬유 니트가 가지는 쿠션성으로 MEA 셀과 세퍼레이터의 접촉면에서의 전기 저항이 저감되어 발전 효율이나 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.
In the fuel cell current collector, it is preferable that the metal fiber knit is made by weft knitting or warp knitting, and the upper side is provided with a flat knitting machine, a rubber knitting machine, a purl stitching machine and an interlocking knitting machine And the warp yarns preferably include a single tricot stitch, a single cord stitch, and a single atlas stitch. As a result, the electrical resistance at the contact surface between the MEA cell and the separator is reduced by the cushioning property of the metal fiber knit, and the power generation efficiency and cycle characteristics can be improved.

이상과 같이, 본 발명에 따른 연료 전지용 집전재에 의해 MEA 셀과 세퍼레이터 사이의 전기적인 접속을 개선하여 연료 전지의 발전 효율 및 사이클 특성을 향상시키는 연료 전지용 집전재를 제공할 수 있다.
INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, it is possible to provide a current collector for a fuel cell which improves the electrical connection between the MEA cell and the separator by improving the power generation efficiency and cycle characteristics of the fuel cell by the current collector for fuel cell according to the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 평판형 연료 전지용 집전재의 하나의 실시형태의 개략구성을 단셀의 내부 구성으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지용 집전재의 샘플에 하중을 더했을 때의 변형(찌그러짐) 량을 나타내는 도표이다.
도 3은 종래의 연료 전지용 집전재의 샘플에 하중을 더했을 때의 변형(찌그러짐) 량을 나타내는 도표이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지용 집전재의 샘플에 압력을 변화시켰을 경우의 단위면적당 저항치를 나타내는 도표이다.
도 5는 본 발명에 따른 원통형 연료 전지용 집전재의 하나의 실시형태의 개략 구성을 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 6은 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)의 발전 원리를 나타내는 설명도이다.
도 7은 평판형 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)의 외관 및 구성을 나타내는 사시도이다.
도 8은 원통형 연료 전지의 일반적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 9는 종래의 집전재를 이용한 경우의 열사이클에 의한 발전 효율의 저하를 나타내는 도표이다.
도 10은 종래의 집전재를 이용한 경우의 열사이클에 의한 발전 효율의 저하를 나타내는 도표이다. 1 is a cross-sectional view showing an internal structure of a single cell in a schematic configuration of one embodiment of a current collector for a planar fuel cell according to the present invention.
2 is a graph showing the amount of deformation (distortion) when a load is added to a sample of the current collector for a fuel cell according to the present invention.
3 is a chart showing the amount of deformation (distortion) when a load is added to a sample of a conventional fuel cell current collector.
4 is a graph showing a resistance value per unit area when a pressure is changed in a sample of a current collecting material for a fuel cell according to the present invention.
5 is a perspective view and a cross-sectional view showing a schematic structure of one embodiment of a current collector for a cylindrical fuel cell according to the present invention.
6 is an explanatory diagram showing a power generation principle of a solid oxide fuel cell (SOFC).
7 is a perspective view showing the appearance and configuration of a planar solid oxide fuel cell (SOFC).
8 is a cross-sectional view showing a general configuration of a cylindrical fuel cell.
Fig. 9 is a chart showing a decrease in power generation efficiency due to a thermal cycle when a conventional current collector is used.
Fig. 10 is a graph showing a decrease in power generation efficiency due to a thermal cycle when a conventional current collector is used.

이하, 도면을 이용하여 본 발명에 따른 평판형 연료 전지용 집전재의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, embodiments of a planar fuel cell current collector according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 평판형 연료 전지(lOa)에 이용되는 집전재 (1)의 하나의 실시형태의 개략적인 구성을 나타낸다. 도 1은 단셀 스택(11)의 내부 구성을 설명하기 위하여 단면도로 나타낸 것이다.
Fig. 1 shows a schematic configuration of one embodiment of a current collector 1 used in a planar fuel cell 10a according to the present invention. 1 is a cross-sectional view for explaining the internal configuration of the single cell stack 11.

도 1에 나타낸 평판형 연료 전지(lOa)의 단셀 스택(11)은 전해질(3)과 2매의 전극인 공기극(음극) (4) 및 연료극(양극) (5)으로 구성되는 MEA 셀 (2), 2매의 음극측 세퍼레이터 (6)와 양극측 세퍼레이터 (7), 및 2매의 음극측 집전재 (8)과 양극측 집전재 (9)로 구성된다. 그리고 공기극(음극) (4)에는 산화 가스 공급로 (12)로부터 산화 가스인 공기가 공급되고, 연료극(양극) (5)에서는 연료 가스 공급로 (13)에서 연료 가스인 수소 또는 일산화탄소가 공급된다.
The single cell stack 11 of the planar fuel cell 10a shown in Fig. 1 is composed of an MEA cell 2 composed of an electrolyte 3 and two electrodes (negative electrode) 4 and a fuel electrode (anode) Side separator 6, an anode-side separator 7, two cathode-side current-collectors 8, and a cathode-side current-collecting material 9. The cathode- Air, which is an oxidizing gas, is supplied from the oxidizing gas supply path 12 to the cathode (cathode) 4, and hydrogen or carbon monoxide which is a fuel gas is supplied from the fuel gas supplying path 13 at the anode (anode) 5 .

MEA 셀 (2)은 전해질 (3)과 한 쌍의 전극인 공기극(음극) (4)과 연료극(양극) (5)으로 구성된다. 즉, 전해질 (3)의 양면에는 공기극(음극) (4)과 연료극(양극) (5)이 각각 접합된다. 상기 전해질 (3)에는 일반적으로 박막화가 용이한 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria stabilized zirconia)가 이용된다. The MEA cell 2 is composed of an electrolyte 3 and a pair of air electrodes (cathodes) 4 and a pair of electrodes (anode) 5. That is, an air electrode (cathode) 4 and a fuel electrode (anode) 5 are bonded to both surfaces of the electrolyte 3, respectively. Yttria stabilized zirconia is generally used for the electrolyte (3).

음극측 세퍼레이터 (6)는 공기극(음극) (4)에 접속하고, 양극측 세퍼레이터 (7)은 연료극(양극) (5)에 접속한다. 이와 같이, 음극측 세퍼레이터 (6) 및 양극측 세퍼레이터 (7)에 의해 연료 가스와 산화 가스가 분리된다.
The negative electrode side separator 6 is connected to the air electrode (negative electrode) 4 and the positive electrode side separator 7 is connected to the fuel electrode (positive electrode) Thus, the fuel gas and the oxidizing gas are separated by the cathode-side separator 6 and the anode-side separator 7.

도 1에 나타낸 바와 같이, 음극측 집전재 (8)는 음극측 세퍼레이터 (6)와 공기극(음극) (4)의 사이에 배치되어 끼워져서, 단셀 스택 (11)에 의해 압력(P)으로 가압된다. 마찬가지로, 양극측 집전재 (9)가 양극측 세퍼레이터 (7)와 연료극(양극) (5)의 사이에 배치되어 끼워져서 도 7a에 나타나는 단셀 스택 (11)에 의해 압력(P)으로 가압된다. As shown in Fig. 1, the negative electrode current collector 8 is sandwiched between the negative electrode side separator 6 and the air electrode (negative electrode) 4 and sandwiched by the single cell stack 11 to the pressure P do. Similarly, the positive electrode current collector 9 is sandwiched between the positive electrode side separator 7 and the fuel electrode (positive electrode) 5 and is pressed by the single cell stack 11 shown in FIG. 7A to the pressure P.

평판형 연료 전지 (lOa)의 공기극 (4)과 연료극 (5)이 각각 세퍼레이터와 대향하는 면에 있어서, 금속을 짜서 형성된 금속 섬유 니트를 집전재 (8, 9)로서 배치하고, 전극과 세퍼레이터의 사이에 끼워 가압한다. MEA 셀 (2)의 공기극 (4)과 연료극 (5)을 각각 세퍼레이터로 직접 꽂는 경우에는 세퍼레이터나 MEA 셀 (2)의 대향하는 표면의 거칠기, 또는 표면의 휘어짐이나 비틀어짐 등으로 인하여 평면성을 확보할 수 없으나, 금속 섬유 니트를 집전재 (8, 9)로서 배치하고, 전극과 세퍼레이터의 사이에 끼워 가압함으로써, 금속 섬유 니트의 탄력성에 의해 세퍼레이터와 MEA 셀 (2)의 접촉성이 개선되어 그 결과, 연료 전지의 발전 성능이 향상한다.
A metal fiber knit formed by squeezing a metal is disposed as the current collecting members 8 and 9 on the side where the air electrode 4 and the fuel electrode 5 of the flat plate type fuel cell 10a face the separator, And presses it. In the case where the air electrode 4 and the fuel electrode 5 of the MEA cell 2 are respectively directly connected to the separator, the planarity is ensured due to the roughness of the surface of the separator and the facing surfaces of the MEA cell 2 or the warping or twisting of the surface. However, by arranging the metal fiber knits as the current collectors 8 and 9 and pressing them between the electrodes and the separator, the contact properties between the separator and the MEA cell 2 are improved by the elasticity of the metal fiber knit, As a result, the power generating performance of the fuel cell improves.

음극측 집전재 (8) 및 양극측 집전재 (9)로서 이용되는 금속 섬유 니트는 예를 들어, 니켈, 은, 내열합금 등의 금속 (M)을 짠 것이다. 이 금속 (M)의 직조 방법에는 예를 들면, 고무뜨기(프레이즈 뜨기(fraise stitch)), 양면 뜨기(인터로크(interlock)) 등 스웨터 등의 생지에 이용되는 직조 방법이 알려져 있다. 단, 이 금속 (M)의 직조 방법은 상기 직조 방법에 한정되지 않고, MEA 셀 (2)과 세퍼레이터 사이의 전기적인 접속을 개선하도록 탄력성을 가지는 짜는 방법이면 된다.
The metal fiber knit used as the cathode side current collector 8 and the anode side current collector 9 is made of, for example, a metal (M) such as nickel, silver or a heat resistant alloy. As a method of weaving the metal (M), there is known a weaving method which is used for a raw material such as a sweater such as a rubber (fraise stitch) or a double-faced (interlock). However, the method of weaving the metal (M) is not limited to the above-described weaving method, but may be a method of weaving having elasticity to improve the electrical connection between the MEA cell (2) and the separator.

고무뜨기는 위편의 기본 조직이며, 겉뜨기코의 다음에 안뜨기코가 오도록 짜는 방법으로 뜨게질 코가 수직으로 이어지는 것이 특징이다. 상기 고무뜨기는 신축성이 크고, 특히 너비방향의 신축성이 우수하기 때문에 소맷부리나 옷자락의 조직으로서 널리 사용되고 있다. 한편, 양면뜨기는 고무뜨기를 거듭해 짠 것으로 겉과 안이 같은 뜨게질 코가 되는 것이 특징이다. 상기 양면뜨기는 고무뜨기만큼의 신축성은 없지만 촉감이 좋은 생지가 된다.
It is the basic structure of the upper part of the rubber, and it is characterized by the knit nose being vertically connected by the knit with the purl nose after the nail. The rubber sheet is widely used as a structure of a cuff or a hem because it has high stretchability and particularly excellent stretchability in the width direction. On the other hand, double-sided knitting is characterized by being knit noses like the inside and outside, which are made by repeated knitting of rubber. The double-faced knitting does not have the stretchability as much as the rubber knitting, but it has good texture.

도 2 및 도 3은 각종의 집전재의 샘플에 하중을 더했을 때의 변형(찌그러짐) 량을 나타낸다. 또한, 표 1은 변형(찌그러짐) 량을 측정한 집전재의 샘플을 나타낸다. 샘플 1 내지 샘플 3은 본 발명에 따른 집전재이며 니켈재를 이용해 양면뜨기(샘플 1, 2), 고무뜨기(샘플 3) 한 금속 섬유 니트이다. 샘플 4 내지 샘플 7은 종래의 집전재이며, 니켈 강망(expand metal) (샘플 4), 니켈 다공성 메탈 (샘플 5), 내열합금 (M)의 에칭 프레스(샘플 6) 및 내열합금 (M)의 메쉬 프레스(샘플 7)이다.
Fig. 2 and Fig. 3 show the deformation (distortion) amount when a load is added to a sample of various current collectors. Table 1 shows a sample of the current collector measuring the deformation (distortion) amount. Samples 1 to 3 are metal filament knitted fabrics according to the present invention, which were produced on both sides (samples 1 and 2) and rubber (sample 3) using a nickel material. Samples 4 to 7 are conventional current collectors and are made of nickel metal (sample 4), nickel porous metal (sample 5), etch press (sample 6) of heat resistant alloy (M) Mesh press (sample 7).

도 2는 본 발명에 따른 집전재에 관한 측정 결과이며, 가로축은 하중이고, 세로축은 변형 (찌그러짐) 량이다. 어느 샘플의 경우에도 하중의 증가에 따라 변형량이 증가하고, 하중을 감소시키면 변형량도 감소하는 탄성적인 특성을 나타내고 있다. 이 결과로부터 샘플 1, 2의 양면뜨기가 샘플 3의 고무뜨기에 비해 수직 방향의 탄성력이 높은 것을 알 수 있다.
2 is a measurement result of the current collector according to the present invention, in which the horizontal axis represents the load and the vertical axis represents the deformation (distortion) amount. In any sample, the amount of deformation increases with an increase in load, and the amount of deformation decreases with decreasing load. From this result, it can be seen that the two-side milling of Samples 1 and 2 has higher elastic force in the vertical direction as compared with that of Sample 3.

한편, 도 3은 종래의 집전재에 관한 측정 결과이며, 가로축은 하중이고 세로축은 변형(찌그러짐) 량이다. 샘플 6의 내열합금 (M)의 에칭 프레스 외에는 변형량이 극단적으로 작다. 또한, 내열합금 (M)의 에칭 프레스에 대해서도 하중을 감소시켜도 변형량이 돌아오지 않아 탄력성이 있다고 할 수 없다.
On the other hand, FIG. 3 shows measurement results of a conventional current collector, in which the abscissa represents the load and the ordinate represents the deformation (distortion) amount. The amount of deformation is extremely small except for the etching press of the heat-resistant alloy (M) sample 6. Further, even with the etching press of the heat-resistant alloy M, even if the load is reduced, the amount of deformation does not return, so that the elasticity can not be said to be elastic.

도 4는 연료 전지용 집전재의 샘플에 압력(bar)을 변화시킨 경우의 단위면적 당의 저항치(ASR)를 나타낸다. 도 4에 나타낸 샘플 1 내지 샘플 3은 본 발명에 따른 집전재에 관한 측정 결과이며, 어느 경우도 압력의 변화에 관계없이 거의 일정한 저항치를 나타내는 것을 알 수 있다.
Fig. 4 shows the resistance value (ASR) per unit area when the pressure (bar) is changed in the sample of the current collector for the fuel cell. Sample 1 to Sample 3 shown in Fig. 4 show measurement results of the current collector according to the present invention, and it can be seen that they exhibit almost constant resistance regardless of the change in pressure.

이상의 결과로부터, 본 발명에 따른 집전재는 종래의 집전재에 비해 압력을 가했을 때의 탄성력이 강하고, 단위면적당 저항치가 압력에 관계없이 일정한 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 이러한 특성을 가지는 직조된 금속 섬유 니트로 MEA 셀 (2)과 세퍼레이터의 접촉면에서의 전기 저항이 저감되어 발전 효율이나 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.
From the above results, it can be seen that the current collector according to the present invention has a stronger elastic force when applied with pressure than the conventional current collector, and the resistance value per unit area shows a constant value regardless of the pressure. The electrical resistance at the interface between the woven metal fiber NITRO MEA cell 2 having such characteristics and the separator is reduced and the power generation efficiency and cycle characteristics can be improved.

(원통형 연료 전지용 집전재) (Condenser for cylindrical fuel cell)

도 5는 본 발명에 따른 원통형 연료 전지 (lOb)에 이용되는 집전재 (8, 9)의 하나의 실시 형태의 개략적인 구성을 나타낸다. 도 5a는 원통형 연료 전지 (lOb) 전체의 사시도이며, 도 5b는 원통형 연료 전지 (lOb)의 단면이다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 원통형 연료 전지 (10b)는 원통인 전해질 (3)과 한 쌍의 전극인 공기극(음극) (4) 및 연료극(양극) (5)으로 형성된다. 또한, 원통관의 내부를 연료 가스 공급로 (13)로서 연료 가스를 공급하고, 원통관의 외부를 산화 가스 공급로 (12)로 산화 가스를 공급하여 발전을 한다. 나아가, 공기극(음극) (4)과 연료극(양극) (5)의 위치를 반대로 하여 원통관의 내부를 산화 가스 공급로 (12)로 산화 가스를 공급하고, 원통관의 외부를 연료 가스 공급로 (13)로 연료 가스를 공급하는 구성으로 할 수도 있다. Fig. 5 shows a schematic configuration of one embodiment of the current collectors 8 and 9 used in the cylindrical fuel cell 10b according to the present invention. 5A is a perspective view of the entire cylindrical fuel cell 10b and FIG. 5B is a cross-sectional view of the cylindrical fuel cell 10b. As shown in Fig. 5A, the cylindrical fuel cell 10b is formed of a cylindrical anode 3 and a cathode (cathode) 4 and a fuel electrode (anode) 5, which are a pair of electrodes. Further, fuel gas is supplied as the fuel gas supply passage 13 to the inside of the circular tube, and oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas supply passage 12 outside the cylindrical tube to generate electricity. Further, oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas supplying path 12 through the inside of the cylindrical tube by reversing the positions of the air electrode (cathode) 4 and the anode (anode) 5, And the fuel gas may be supplied to the fuel cell stack 13.

또한, 도 5b에 나타낸 바와 같이 공기극(음극) (4)의 외주에 음극측 집전재 (8)를 휘감아 접속시킨다. 마찬가지로, 연료극(양극) (5)의 안쪽에 양극측 집전재 (9)를 휘감아 접속시킨다. 이어서 음극측 집전재 (8) 및 양극측 집전재 (9)에 각각 전류선 (16)을 접속시킴으로써 발전을 수행한다. 즉, 공기극 (4)에서 발생한 산소 이온(02-)이 전해질 (3)을 경유해 연료극 (5)로 이동하고, 연료극 (5)에서는 연료인 수소 또는 일산화탄소가 산소 이온(02-)과 반응해 전자(2e)를 방출하고, 그 전자(2e)가 전류선 (16)을 경유해 공기극 (4)으로 이동한다. Further, as shown in Fig. 5B, the negative electrode side current collector 8 is wound around the outer periphery of the air electrode (negative electrode) Similarly, the positive electrode side current collector 9 is wound and connected to the inside of the anode (anode) 5. And then the current line 16 is connected to the negative electrode current collector 8 and the positive electrode current collector 9 to perform power generation. That is, the oxygen ions generated in the air electrode (4) (0 2) of the electrolyte (3) move to the fuel electrode (5) via a, and the fuel electrode (5) in which the fuel is hydrogen or carbon monoxide, oxygen ions (0 2 -) and The electrons 2e emit electrons 2e and move to the air electrode 4 via the current line 16. [

이와 같이, 원통형 연료 전지 (lOb)에 음극측 집전재 (8) 및 양극측 집전재 (9)를 휘감아 각각의 집전재로부터 전류선 (16)을 꺼내 회로를 구성한다. 즉, 음극측 집전재 (8) 및 양극측 집전재 (9)를 각각 공기극(음극) (4) 및 연료극(양극) (5)에 직접 접속시킬 수 있어 용이하게 발전 효율을 올릴 수 있다. Thus, the cathode side current collecting member 8 and the anode side current collecting member 9 are wound around the cylindrical fuel cell 10b, and the current lines 16 are taken out from the respective current collectors to constitute a circuit. That is, the cathode side current collecting member 8 and the anode side current collecting member 9 can be directly connected to the air electrode (cathode) 4 and the anode (anode) 5, respectively.

1 집전재
2 MEA 셀
3 전해질
4 공기극(음극)
5 연료극(양극)
6 (음극측) 세퍼레이터
7 (양극측) 세퍼레이터
8 (음극측) 집전재
9 (양극측) 집전재
10 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)
lOa 평판형 연료 전지
lOb 원통형 연료 전지
11 단셀 스택
12 산화 가스 공급로
13 연소 가스 공급로
14 셀 스택
16 전류선
17 양극 터미널
18 음극 터미널 1 collection
2 MEA cell
3 electrolyte
4 Air electrode (cathode)
5 anode (anode)
6 (cathode side) separator
7 (anode side) separator
8 (cathode side)
9 (anode side)
10 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
lOa flat plate type fuel cell
lOb cylindrical fuel cell
11 single cell stack
12 oxidizing gas supply path
13 Flue gas supplying furnace
14 cell stack
16 current lines
17 Bipolar Terminal
18 cathode terminal

Claims (6)

전해질, 공기극 및 연료극으로 구성된 MEA 셀과,
공기극 측에 설치되는 공기극 측 세퍼레이터와,
연료극 측에 설치되는 연료극 측 세퍼레이터와,
공기극과 공기극 측 세퍼레이터 사이에 끼워진 공기극 측 집전재와,
연료극과 연료극 측 세퍼레이터 사이에 끼워진 연료극 측 집전재가 하나의 세트가 되어 여러 쌍 적층된 평판형의 단셀 스택을 구성하고,
공기극 측 집전재 및 연료극 측 집전재는 고무뜨기를 거듭해 짜는 양면뜨기로 금속 섬유를 짜서 형성된 평판형 금속 섬유 니트로 이루어진 탄성 재료이며, 상기 금속섬유는 단셀 스택에 설치된 가압 수단에 의해 가압되어, 양면뜨기의 수직방향 탄력성에 의해 변형되고, 양면 니트의 앞뒤가 동일한 뜨게질 코이기 때문에 MEA 셀을 공기극 측 세퍼레이터 및 연료극 측 세퍼레이터에 대하여 동일한 전기적 특성을 가지고 접촉시키는 것을 특징으로 하는 고체 산화물형 연료 전지.
An MEA cell composed of an electrolyte, an air electrode and a fuel electrode,
An air electrode side separator provided on the air electrode side,
A fuel electrode side separator provided on the fuel electrode side,
The air electrode side current collector sandwiched between the air electrode and the air electrode side separator,
A single-cell stack of a flat plate type in which a plurality of pairs of fuel electrode side current collectors sandwiched between a fuel electrode and a fuel electrode side separator are formed as one set,
The cathode-side current collecting member and the anode-side current collecting member are elastic materials made of flat-plate-type metal fiber nits formed by squeezing metal fibers with double-faced knitting for weaving rubber weaves. The metal fibers are pressed by a pressing means provided on a single cell stack, And the MEA cell is brought into contact with the air electrode side separator and the fuel electrode side separator with the same electrical characteristics because the front and rear sides of the both side knit are the same knit nose.
전해질, 공기극 및 연료극으로 구성된 MEA 셀과,
공기극 또는 연료극의 내주면 또는 외주면에 각각 휘감긴 공기극 측 집전재 및 연료극 측 집전재로 원통형 고체 산화물형 연료 전지가 구성되며,
공기극 측 집전재 및 연료극 측 집전재는 고무뜨기를 거듭해 짜는 양면뜨기로 금속 섬유를 짜서 형성된 원통형 금속 섬유 니트이며, 양면 니트의 앞뒤가 동일한 뜨게질 코이기 때문에 공기극 측 집전재 및 연료극 측 집전재가 각각 동일한 전기적 특성을 가지고 공기극 및 연료극에 직접연결 되어 공기극 측 집전재 및 연료극 측 집전재에서 전류선을 빼내어 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물형 연료 전지.

An MEA cell composed of an electrolyte, an air electrode and a fuel electrode,
A cylindrical solid oxide fuel cell is constituted by an air electrode side current collecting member and a fuel electrode side current collecting member wound on the inner circumferential surface or the outer circumferential surface of the air electrode or the fuel electrode,
The air electrode side current collecting material and the anode electrode side current collecting material are cylindrical metal fiber knits formed by squeezing metal fibers by double-faced knitting with rubber knitting, and the front and rear sides of both sides knit are the same knitting nose. Wherein a circuit is formed by directly connecting to the air electrode and the fuel electrode with the same electrical characteristics to extract current lines from the air electrode side current collector and the anode side current collector.

삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 금속 섬유 니트는 천이 금속, 귀금속 또는 내열합금을 포함하는 금속 섬유를 짜서 형성 되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물형 연료 전지.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the metal fiber knit is formed by sintering a metal fiber including a transition metal, a noble metal, or a heat resistant alloy.
제4항에 있어서,
상기 천이 금속에는 니켈, 코발트 및 구리가 포함되고 상기 귀금속에는 백금, 금 및 은이 포함되는 것을 특징으로 하는고체 산화물형 연료 전지.
5. The method of claim 4,
Wherein the transition metal includes nickel, cobalt, and copper, and the noble metal includes platinum, gold, and silver.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 금속 섬유는 지름이 0.02mm 내지 0.2mm인 것을 특징으로 하는 고체 산화물형 연료 전지.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the metal fibers have a diameter of 0.02 mm to 0.2 mm.
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