KR20120074773A - Current collector for solid oxide fuel cell, and method of preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 기재는 고체산화물 연료전지용 집전체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a current collector for a solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same.
고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 연료극(anode), 전해질, 공기극(cathode) 등을 포함하는 단위전지가 적층된 것이다.A solid oxide fuel cell (SOFC) is a stack of unit cells including an anode, an electrolyte, a cathode, and the like.
전해질은 산소 이온이 이동하는 통로 역할을 하고, 전해질의 양면에 음극과 양극이 구비된다. 전해질과 양극 사이에서 반응이 일어나는 것을 방지하기 위해 버퍼(buffer)층을 삽입할 수도 있다.The electrolyte serves as a passage through which oxygen ions move, and the cathode and the anode are provided on both sides of the electrolyte. A buffer layer may be inserted to prevent the reaction between the electrolyte and the anode.
한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극을 전기적으로 연결하는 데에 분리판(separator)이 사용된다. 공기극과 분리판 사이에는 집전체(current collector)가 구비되어 공기극과 분리판이 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있게 한다. 집전체로는 세라믹 재질의 재료나 은 또는 백금이 사용될 수 있다.A separator is used to electrically connect the cathode of one unit cell with the anode of another unit cell. A current collector is provided between the cathode and the separator to allow the cathode and the separator to be in electrical contact with each other. As the current collector, a ceramic material or silver or platinum may be used.
본 발명의 일 측면은 전극과의 접촉 면적을 넓혀 집전 효율을 개선할 수 있는 고체산화물 연료전지용 집전체를 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide a current collector for a solid oxide fuel cell that can improve the current collecting efficiency by widening the contact area with the electrode.
본 발명의 다른 일 측면은 상기 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a current collector for a solid oxide fuel cell.
본 발명의 일 측면에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체는 기공을 포함하는 금속 지지체 및 상기 금속 지지체에 포함되는 기공의 전부 또는 일부에 채워진 세라믹 입자를 포함한다.The current collector for a solid oxide fuel cell according to an aspect of the present invention includes a metal support including pores and ceramic particles filled in all or part of pores included in the metal support.
상기 금속은 산소 분위기하 약 600℃ 미만의 온도에서 산화되지 않는 금속 또는 합금일 수 있다.The metal may be a metal or alloy that does not oxidize at temperatures below about 600 ° C. in an oxygen atmosphere.
구체적으로는 상기 금속은 금, 백금, 은, Ni계 초합금(내열합금), 스테인리스 스틸, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.Specifically, the metal may include gold, platinum, silver, Ni-based superalloy (heat resistant alloy), stainless steel, alloys thereof, or a combination thereof.
상기 금속 지지체의 기공도는 약 20 부피% 내지 약 80 부피%일 수 있다.The porosity of the metal support may be about 20% by volume to about 80% by volume.
상기 세라믹 입자는 약 600℃ 이상의 온도에서 소결되는 것일 수 있고, 약 50 S/cm 내지 약 1,000 S/cm의 전기 전도도를 가지는 것일 수 있다.The ceramic particles may be sintered at a temperature of about 600 ° C. or more, and may have electrical conductivity of about 50 S / cm to about 1,000 S / cm.
구체적으로는 상기 세라믹 입자는 란탄 코발타이트(lanthanum cobaltite), 란탄 스트론튬 코발타이트(lanthanum strontium cobaltite), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(lanthanum strontium cobalt ferrite), 란탄 칼슘 크롬 구리 코발타이트(lanthanum calcium chromium copper cobaltite) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.Specifically, the ceramic particles may be lanthanum cobaltite, lanthanum strontium cobaltite, lanthanum strontium cobalt ferrite, or lanthanum calcium chromium copper cobaltite. Combinations thereof.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법은 기공을 포함하는 금속 지지체를 준비하는 단계; 및 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a current collector for a solid oxide fuel cell may include preparing a metal support including pores; And filling ceramic particles and an organic binder in pores included in the metal support.
이하에서 달리 설명하지 않는 한, 상기 금속 지지체, 상기 세라믹 입자 및 고체산화물 연료전지용 집전체에 대한 설명은 상술한 바와 같다.Unless otherwise described below, the description of the current collector for the metal support, the ceramic particles, and the solid oxide fuel cell is as described above.
상기 유기 바인더는 전분, 에틸셀룰로오스, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리비닐부틸알(polyvinyl butyral) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The organic binder may include starch, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, or a combination thereof.
상기 금속 지지체에 포함되는 기공에는 상기 세라믹 입자와 상기 유기 바인더를 약 30:70 내지 약 70:30의 중량비로 채울 수 있다.The pores included in the metal support may fill the ceramic particles with the organic binder in a weight ratio of about 30:70 to about 70:30.
상기 고체산화물 연료전지용 극 집전체의 제조 방법은 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계 이후에 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing a cathode current collector for a solid oxide fuel cell may further include drying the ceramic particles and the organic binder in the pores included in the metal support.
상기 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법은 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계 이후에 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing a current collector for a solid oxide fuel cell may further include sintering after filling ceramic particles and an organic binder in pores included in the metal support.
또한 상기 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법은 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계 이후에 상기 금속 지지체의 양면을 평탄화하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method of manufacturing a current collector for a solid oxide fuel cell may further include planarizing both surfaces of the metal support after filling ceramic pores and organic binders in pores included in the metal support.
기타 본 발명의 측면들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other aspects of the present invention are included in the following detailed description.
본 발명의 일 측면에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체는 전극과의 접촉 면적을 넓혀 집전 효율을 개선할 수 있다.In the current collector for a solid oxide fuel cell according to an aspect of the present invention, the contact area with an electrode may be increased to improve current collection efficiency.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A 부분의 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지를 나타내는 개략도이다.1 is a perspective view showing a current collector for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of part A of FIG. 1.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a current collector for a solid oxide fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention.
4 is a schematic view showing a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 또는 "하부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. Whenever a portion of a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the case where it is "directly on" another portion, but also the case where there is another portion in between. On the contrary, when a part is "just above" another part, there is no other part in the middle. When a part such as a layer, film, area, plate, etc. is said to be "below" or "below" another part, this includes not only the other part "below" but also another part in the middle. .
일반적으로 고체산화물 연료전지는 단위 전지가 적층된 것을 지칭한다. 그러나 이하의 실시예에서는 설명을 쉽게 하기 위해서 "고체산화물 연료전지"가 단위전지를 지칭한다.In general, a solid oxide fuel cell refers to a stacked unit cell. However, in the following examples, the "solid oxide fuel cell" refers to a unit cell for ease of explanation.
본 발명의 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체는 기공을 포함하는 금속 지지체 및 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 채워진 세라믹 입자를 포함한다.The current collector for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a metal support including pores and ceramic particles filled in pores included in the metal support.
상기 금속 지지체에 포함되는 기공은 메쉬 형상 또는 폼 형상일 수 있으며, 구체적으로는 메쉬 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The pores included in the metal support may have a mesh shape or a foam shape, and specifically, may have a mesh shape, but is not limited thereto.
구체적으로 메쉬 형상의 기공을 가지도록 직조된 상기 고체산화물 연료전지용 집전체의 일 예를 도 1 및 도 2를 참고하여 설명한다.Specifically, an example of the current collector for the solid oxide fuel cell woven to have mesh-shaped pores will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체(10)를 나타내는 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1의 A 부분의 확대 단면도이다.1 is a perspective view showing a
도 1 및 도 2에서, 메쉬 형상의 기공을 가지도록 직조된 금속 지지체를 단층 구조로 나타내고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 금속 지지체는 복층 구조로 형성될 수도 있다.1 and 2, the metal support woven to have mesh-shaped pores is shown as a single layer structure, but is not limited thereto, and the metal support may be formed as a multilayer structure.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체(10)는 메쉬 형상의 기공(2)을 포함하는 금속 지지체(1) 및 상기 금속 지지체(1)에 포함되는 기공(2)에 채워진 세라믹 입자(3)를 포함한다.1 and 2, the
상기 고체산화물 연료전지용 집전체는 공기극 집전체, 연료극 집전체, 또는 공기극 집전체와 연료극 집전체로 사용될 수 있으며, 구체적으로는 상기 고체산화물 연료전지용 집전체는 공기극 집전체로 사용될 수 있다.The solid oxide fuel cell current collector may be used as a cathode current collector, a cathode current collector, or an anode current collector and a cathode current collector. Specifically, the solid oxide fuel cell current collector may be used as an anode current collector.
이하에서는 상기 고체산화물 연료전지용 집전체를 공기극 집전체로 사용한 경우에 대하여 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the case where the current collector for the solid oxide fuel cell is used as the cathode current collector will be described, but is not limited thereto.
상기 금속 지지체는 상기 기공 이외의 부분에서 공기극과 접촉할 수 있고, 또한 상기 세라믹 입자를 지지하여 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한 상기 세라믹 입자는 상기 금속 지지체의 기공에 채워져 공기극과의 접촉 면적을 넓힐 수 있다.The metal support may contact the cathode at portions other than the pores, and may serve to support and fix the ceramic particles. In addition, the ceramic particles may be filled in the pores of the metal support to increase the contact area with the air electrode.
따라서, 상기 공기극 집전체는 상기 금속 지지체 및 상기 세라믹 입자를 포함함으로써, 공기극과의 접촉면적을 효과적으로 증가시킬 수 있어 집전 효율을 개선할 수 있다. 또한, 후술하는 유기 바인더가 제거되면서 생기는 기공은 공기의 통로로서 역할을 수행하여, 공기의 흐름을 개선할 수 있다.Accordingly, the cathode current collector may include the metal support and the ceramic particles, thereby effectively increasing the contact area with the cathode, thereby improving current collection efficiency. In addition, the pores generated while the organic binder to be described later is removed may serve as a passage of air, thereby improving the flow of air.
상기 금속 지지체에 포함되는 금속은 산소 분위기하 약 600℃ 미만의 온도에서 산화되지 않는 금속 또는 합금일 수 있다. 상기 지지체에 포함되는 금속이 상기 범위의 온도에서 산화되지 않는 경우, 상기 금속 지지체는 집전을 수행할 수 있고, 또한 세라믹 입자의 소결 시까지 상기 세라믹 입자를 효과적으로 지지할 수 있다.The metal included in the metal support may be a metal or alloy that does not oxidize at a temperature of less than about 600 ° C. in an oxygen atmosphere. When the metal included in the support is not oxidized at a temperature in the above range, the metal support may perform current collection, and may effectively support the ceramic particles until the ceramic particles are sintered.
구체적으로는 상기 금속 지지체에 포함되는 금속은 금, 백금, 은, Ni계 초합금(내열합금), 스테인리스 스틸, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specifically, the metal included in the metal support may include gold, platinum, silver, Ni-based superalloy (heat-resistant alloy), stainless steel, alloys thereof, or a combination thereof, but is not limited thereto.
상기 금속 지지체에 포함되는 기공은 약 10 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있다. 상기 지지체에 포함되는 기공이 상기 범위 내인 경우, 상기 세라믹 입자를 효과적으로 지지할 수 있고, 공기가 용이하게 흐르도록 할 수 있다. 구체적으로는 상기 금속 지지체에 포함되는 기공은 약 100 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 더욱 구체적으로는 약 300 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있다.The pores included in the metal support may have an average diameter of about 10 ㎛ to about 1,000 ㎛. When the pores included in the support are within the above range, the ceramic particles can be effectively supported and air can be easily flowed. Specifically, the pores included in the metal support may have an average diameter of about 100 μm to about 1,000 μm, more specifically about 300 μm to about 500 μm.
상기 금속 지지체의 기공도는 약 20 부피% 내지 약 80 부피%일 수 있다. 상기 금속 지지체의 기공도가 상기 범위 내인 경우, 상기 세라믹 입자를 효과적으로 지지할 수 있다. 구체적으로는 상기 금속 지지체의 기공도는 약 30 부피% 내지 약 70 부피%일 수 있다.The porosity of the metal support may be about 20% by volume to about 80% by volume. When the porosity of the metal support is in the above range, the ceramic particles can be effectively supported. Specifically, the porosity of the metal support may be about 30% by volume to about 70% by volume.
상기 세라믹 입자는 약 600℃ 이상의 온도에서 소결될 수 있다. 구체적으로는 상기 세라믹 입자는 약 600℃ 내지 약 1,200℃의 온도에서 소결될 수 있다.The ceramic particles may be sintered at a temperature of about 600 ° C. or more. Specifically, the ceramic particles may be sintered at a temperature of about 600 ℃ to about 1,200 ℃.
상기 세라믹 입자는 약 50 S/cm 내지 약 1,000 S/cm의 전기 전도도를 가질 수 있다. 상기 세라믹 입자의 전기 전도도가 상기 범위 내인 경우, 공기극과의 넓은 접촉 면적을 가지는 상기 세라믹 입자를 통해 집전이 효과적으로 이루어져 집전 효율을 효과적으로 개선할 수 있다. 구체적으로는 상기 세라믹 입자는 약 100 S/cm 내지 약 500 S/cm의 전기 전도도를 가질 수 있다.The ceramic particles may have an electrical conductivity of about 50 S / cm to about 1,000 S / cm. When the electrical conductivity of the ceramic particles is within the above range, current collection is effectively performed through the ceramic particles having a wide contact area with the air electrode, thereby effectively improving current collection efficiency. Specifically, the ceramic particles may have an electrical conductivity of about 100 S / cm to about 500 S / cm.
구체적으로는 상기 세라믹 입자는 란탄 코발타이트(lanthanum cobaltite), 란탄 스트론튬 코발타이트(lanthanum strontium cobaltite), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(lanthanum strontium cobalt ferrite), 란탄 칼슘 크롬 구리 코발타이트(lanthanum calcium chromium copper cobaltite) 등과 같은 전도성 페로브스카이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specifically, the ceramic particles may include lanthanum cobaltite, lanthanum strontium cobaltite, lanthanum strontium cobalt ferrite, lanthanum calcium chromium copper cobaltite, and the like. The same conductive perovskite, or a combination thereof may be included, but is not limited thereto.
상기 공기극 집전체는 약 10 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 공기극 집전체의 두께가 상기 범위 내인 경우, 전자 흐름을 개선하여 상기 공기극 집전체를 포함하는 고체산화물 연료전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로는 상기 공기극 집전체는 약 30 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다.The cathode current collector may have a thickness of about 10 μm to about 500 μm. When the thickness of the cathode current collector is within the range, the electron flow may be improved to improve output characteristics of the solid oxide fuel cell including the cathode current collector. Specifically, the cathode current collector may have a thickness of about 30 μm to about 100 μm.
이상, 상기 고체산화물 연료전지용 집전체가 공기극 집전체인 경우에 대하여 설명하였으나, 상기 고체산화물 연료전지용 집전체가 연료극 집전체로 사용되는 경우에도 상술한 내용이 적용될 수 있음은 물론이다.As described above, the case where the current collector for the solid oxide fuel cell is the cathode current collector has been described, but the above description may be applied to the case where the current collector for the solid oxide fuel cell is used as the anode current collector.
그러면 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법에 대하여 도 3을 참고하여 설명한다.Next, a method of manufacturing a current collector for a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.
도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a current collector for a solid oxide fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 3을 참고하면, 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법은 기공을 포함하는 금속 지지체를 준비하는 단계(S200); 및 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계(S210)를 포함한다. 또한, 도 3에서는 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계(S210) 이후에, 건조하는 단계(S220), 소결하는 단계(S230) 및 상기 금속 지지체의 양면을 평탄화하는 단계(S240)을 더 포함하는 것으로 기재하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이들 공정은 모두 또는 선택적으로 생략될 수 있다.Referring to FIG. 3, a method of manufacturing a current collector for a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention includes preparing a metal support including pores (S200); And filling the ceramic particles and the organic binder in pores included in the metal support (S210). In addition, in FIG. 3, after the filling of the ceramic particles and the organic binder in the pores included in the metal support (S210), drying (S220), sintering (S230), and planarizing both surfaces of the metal support are performed. Although it is described as further including (S240), but is not limited to these steps, all of these processes may be optionally or omitted.
이하에서 달리 설명하지 않는 한, 상기 금속 지지체, 상기 세라믹 입자 및 상기 고체산화물 연료전지용 집전체에 대한 설명은 상술한 바와 같다.Unless otherwise described below, the description of the metal support, the ceramic particles, and the current collector for the solid oxide fuel cell are as described above.
상기 금속 지지체를 준비하는 단계(S200)에서, 상기 금속 지지체는 예컨대, 금속선을 이용하여 헝겊처럼 직조하거나, 금속 분말과 우레탄 등을 혼합하고 가열해 스펀지 형상으로 제조하여 준비하거나, 또는 시판되는 금속 지지체를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the step of preparing the metal support (S200), the metal support is, for example, woven like a cloth using a metal wire, or prepared by preparing a sponge shape by mixing and heating a metal powder and urethane or the like, or a commercially available metal support Can be used, but is not limited thereto.
이어서, 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계(S210)에서, 상기 세라믹 입자 및 상기 유기 바인더를 포함하는 페이스트를 예컨대, 스크린 인쇄법, 금속 마스크 인쇄법, 함침법, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 채울 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 상기 세라믹 입자 및 상기 유기 바인더를 채울 수 있는 다른 방법도 다양하게 사용될 수 있다.Subsequently, in the filling of the pores included in the metal support with the ceramic particles and the organic binder (S210), the paste including the ceramic particles and the organic binder may be, for example, a screen printing method, a metal mask printing method, an impregnation method, and The pores included in the metal support may be filled by a method selected from the group consisting of combinations thereof. However, the present invention is not limited thereto, and other methods for filling the ceramic particles and the organic binder in pores included in the metal support may be variously used.
상기 유기 바인더는 상기 세라믹 입자가 상기 금속 지지체의 기공에 용이하게 부착되어 분리되지 않도록 하는 역할을 수행한다. 이후 상기 유기 바인더는 소결 또는 고체산화물 연료전지의 운전 과정에서 산화 반응을 거쳐 제거될 수 있다.The organic binder serves to prevent the ceramic particles from being easily attached to and separated from the pores of the metal support. Thereafter, the organic binder may be removed through an oxidation reaction during the operation of the sintering or the solid oxide fuel cell.
구체적으로는 상기 유기 바인더는 전분, 에틸셀룰로오스, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리비닐부틸알(polyvinyl butyral) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specifically, the organic binder may include starch, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, or a combination thereof, but is not limited thereto.
상기 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법에서, 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 상기 세라믹 입자와 상기 유기 바인더를 약 30:70 내지 약 70:30의 중량비로 채울 수 있다. 상기 세라믹 입자와 상기 유기 바인더의 사용량이 상기 범위 내인 경우, 상기 세라믹 입자가 상기 금속 지지체로부터 분리되지 않도록 효과적으로 부착되어 있을 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 상기 유기 바인더의 사용량은 상기 유기 바인더의 종류 및 상기 세라믹 입자의 종류에 따라 달라질 수 있는 것이며, 상기 유기 바인더는 상기 세라믹 입자가 상기 금속 지지체로부터 분리되지 않을 정도로 유지할 수 있는 만큼의 양으로 사용하면 된다.In the method of manufacturing the current collector for the solid oxide fuel cell, the pores included in the metal support may be filled with the ceramic particles and the organic binder in a weight ratio of about 30:70 to about 70:30. When the amount of the ceramic particles and the organic binder used is within the above range, the ceramic particles may be effectively attached so as not to be separated from the metal support. However, the present invention is not limited thereto, and the amount of the organic binder may vary depending on the type of the organic binder and the type of the ceramic particles, and the organic binder may be maintained to the extent that the ceramic particles are not separated from the metal support. You can use it in the quantity.
상기 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법은 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계 이후에, 건조하는 단계(S220)를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 건조하는 단계(S220)는 생략할 수도 있다.The method of manufacturing the current collector for the solid oxide fuel cell may further include drying (S220) after filling the pores included in the metal support with the organic particles and the organic binder, but is not limited thereto. Drying step (S220) may be omitted.
상기 건조하는 단계(S220)는 약 50℃ 내지 약 150℃의 온도에서 수행할 수 있고, 구체적으로는 약 10분 내지 약 1시간 동안 수행할 수 있다. 상기 건조를 상기 조건 내에서 수행하는 경우, 세라믹 입자들이 금속 지지체 내에서 단단히 결합할 수 있다. The drying step (S220) may be carried out at a temperature of about 50 ℃ to about 150 ℃, specifically may be performed for about 10 minutes to about 1 hour. When the drying is performed within the above conditions, the ceramic particles may be firmly bonded in the metal support.
상기 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법은 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계 이후에, 소결하는 단계(S230)를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the current collector for the solid oxide fuel cell may further include sintering after filling the pores included in the metal support with the ceramic particles and the organic binder.
상기 소결하는 단계(S230)에서는 상기 세라믹 입자가 소결되고, 상기 유기 바인더는 제거될 수 있어 접촉 저항 및 분극 저항을 감소시킬 수 있다.In the sintering step (S230), the ceramic particles may be sintered, and the organic binder may be removed to reduce contact resistance and polarization resistance.
상기 소결하는 단계(S230)는 약 600℃ 내지 약 1,000℃의 온도에서 수행할 수 있고, 구체적으로는 약 30분 내지 약 1시간 동안 수행할 수 있다. 상기 소결을 상기 조건 내에서 수행하는 경우, 상기 세라믹 입자들이 결합하여 고체산화물 연료전지를 운전하는 동안 세라믹 형태를 효과적으로 유지할 수 있다.The sintering step S230 may be performed at a temperature of about 600 ° C. to about 1,000 ° C., specifically, about 30 minutes to about 1 hour. When the sintering is performed within the above conditions, the ceramic particles may be bonded to effectively maintain the ceramic form while driving the solid oxide fuel cell.
그러나, 상기 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법은 상기 소결하는 단계(S230)를 포함하지 않을 수 있고, 상기 세라믹 입자의 소결 및 상기 유기 바인더의 제거는 상기 고체산화물 연료전지의 운전 시에 이루어질 수도 있다.However, the method of manufacturing the current collector for the solid oxide fuel cell may not include the step of sintering (S230), and the sintering of the ceramic particles and the removal of the organic binder may be performed during operation of the solid oxide fuel cell. have.
또한 상기 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법은 상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계 이후에, 상기 금속 지지체의 양면을 평탄화하는 단계(S240)를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 금속 지지체의 양면을 평탄화하는 단계(S240)는 생략할 수도 있다.In addition, the method of manufacturing the current collector for the solid oxide fuel cell may further include planarizing both surfaces of the metal support after filling the pores included in the metal support with the organic particles and the organic binder (S240). The present invention is not limited thereto, and the planarization (S240) of both surfaces of the metal support may be omitted.
상기 평탄화 단계(S240)는 상기 금속 지지체의 윗면과 아랫면을 예컨대 부직포, 또는 섬유포를 사용하여 연마하여 수행하며, 표면의 돌기(bur)를 제거하는 것이다. 이러한 평탄화 단계(S240)를 거치면 분리판이 집전체에 접촉하는 면적을 넓힐 수 있다.The planarization step S240 is performed by grinding the upper and lower surfaces of the metal support using, for example, a nonwoven fabric or a fiber cloth, to remove burrs on the surface. Through such a flattening step (S240), the area in which the separator contacts the current collector can be widened.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지는 공기극 집전체, 상기 공기극 집전체의 일면에 형성되는 공기극, 상기 공기극의 일면에 형성되는 전해질 및 상기 전해질의 일면에 형성되는 연료극을 포함하며, 상기 공기극 집전체로는 상술한 고체산화물 연료전지용 집전체를 사용한다.A solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention includes a cathode current collector, an anode formed on one surface of the cathode current collector, an electrolyte formed on one surface of the cathode, and a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte. As the cathode current collector, the current collector for solid oxide fuel cells is used.
이하에서 도 4를 참고하여 상기 고체산화물 연료전지를 설명한다.Hereinafter, the solid oxide fuel cell will be described with reference to FIG. 4.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지(100)를 나타내는 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating a solid
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지(100)는 공기극 집전체(101), 공기극(103), 전해질(105) 및 연료극(107)을 포함한다.Referring to FIG. 4, the solid
이하에서 상기 공기극 집전체(101)를 중심으로 상하의 위치를 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the positions of the upper and lower sides of the cathode
이하에서 달리 설명하지 않는 한, 상기 공기극 집전체(101)에 대한 설명은 상기 고체산화물 연료전지용 집전체 및 상기 공기극 집전체에 대하여 설명한 바와 같다.Unless otherwise described below, the description of the cathode
상기 공기극 집전체(101)는 공기극(103)과 접촉하여 집전한다.The cathode
상기 공기극 집전체(101) 위에 공기극(103)이 형성되어 있다. 상기 공기극(103)은 페로브스카이트 구조인 LSM(LaxSr1 - xMnO3) 또는 LSCF(LaxSr1 - xCoyFe1 - yO3)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
상기 공기극(103) 위에 전해질(105)이 형성되어 있다. 상기 전해질(105)은 Zr을 주성분으로 하는 산소이온 전도체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.An electrolyte 105 is formed on the
상기 전해질(105) 위에 연료극(107)이 형성되어 있다. 상기 연료극(109)은 Ni-YSZ(yttria stabilized zirconia)일 수 있으며, Fe, Cu, Co 등 전이금속을 더 포함할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.A
상기 고체산화물 연료전지는 공기극 집전체, 공기극, 전해질 및 연료극을 각각 제조하고 차례로 적층하여 적층체를 형성한 후, 상기 적층체를 소결하여 제조할 수 있다.The solid oxide fuel cell may be manufactured by preparing a cathode current collector, an anode, an electrolyte, and an anode, respectively, and sequentially stacking the laminate to form a laminate, followed by sintering the laminate.
상기 공기극 집전체는 상술한 공기극 집전체의 제조 방법에 따라 제조할 수 있다.The cathode current collector may be manufactured according to the method of manufacturing the cathode current collector described above.
상기 공기극, 전해질 및 연료극은 각각 예컨대 테이프 캐스팅법, 스크린 인쇄법 및 습식 스프레이법 중 하나 이상의 방법으로 제조할 수 있다.The air electrode, the electrolyte and the fuel electrode may be produced by at least one of, for example, a tape casting method, a screen printing method, and a wet spray method.
이어서, 상기 공기극 지지체, 공기극, 전해질 및 연료극을 순차적으로 적층하여 적층체를 형성한다.Subsequently, the cathode support, the cathode, the electrolyte, and the anode are sequentially stacked to form a laminate.
이어서, 상기 적층체를 소결한다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 상기 소결 단계는 생략할 수 있고, 상기 금속산화물 연료전지의 운전 시에 소결이 이루어질 수도 있다.Next, the laminate is sintered. However, the present invention is not limited thereto, and the sintering step may be omitted, and sintering may be performed during the operation of the metal oxide fuel cell.
상기 적층체의 소결에서 연료극 쪽은 질소 분위기 또는 환원 분위기, 공기극 쪽은 질소 분위기, 또는 공기 분위기에서 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the sintering of the laminate, the anode side may be performed in a nitrogen atmosphere or a reducing atmosphere, the cathode side may be performed in a nitrogen atmosphere, or an air atmosphere, but is not limited thereto.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.
10: 고체산화물 연료전지용 집전체, 1: 금속 지지체,
2: 기공, 3: 세라믹 입자,
100: 고체산화물 연료전지, 101: 공기극 집전체,
103: 공기극, 105: 전해질,
107: 연료극10: current collector for solid oxide fuel cells, 1: metal support,
2: pore, 3: ceramic particles,
100: solid oxide fuel cell, 101: air cathode current collector,
103: cathode, 105: electrolyte,
107: fuel electrode
Claims (13)
상기 금속 지지체에 포함되는 기공의 전부 또는 일부에 채워진 세라믹 입자
를 포함하는 고체산화물 연료전지용 집전체.
A metal support comprising pores and
Ceramic particles filled in all or part of pores included in the metal support
Current collector for a solid oxide fuel cell comprising a.
상기 금속은 산소 분위기하 600℃ 미만의 온도에서 산화되지 않는 금속 또는 합금인 것인 고체산화물 연료전지용 집전체.
The method of claim 1,
The metal is a current collector for a solid oxide fuel cell that is a metal or alloy that is not oxidized at a temperature of less than 600 ℃ under oxygen atmosphere.
상기 금속은 금, 백금, 은, Ni계 초합금(내열합금), 스테인리스 스틸, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 고체산화물 연료전지용 집전체.
The method of claim 1,
The metal is a current collector for a solid oxide fuel cell comprising gold, platinum, silver, Ni-based superalloy (heat-resistant alloy), stainless steel, alloys thereof or a combination thereof.
상기 금속 지지체의 기공도는 20 부피% 내지 80 부피%인 것인 고체산화물 연료전지용 집전체.
The method of claim 1,
The porosity of the metal support is 20% by volume to 80% by volume of the current collector for a solid oxide fuel cell.
상기 세라믹 입자는 600℃ 이상의 온도에서 소결되는 것인 고체산화물 연료전지용 집전체.
The method of claim 1,
The ceramic particle is a current collector for a solid oxide fuel cell that is sintered at a temperature of 600 ℃ or more.
상기 세라믹 입자는 50 S/cm 내지 1,000 S/cm의 전기 전도도를 가지는 것인 고체산화물 연료전지용 집전체.
The method of claim 1,
The ceramic particle is a current collector for a solid oxide fuel cell that has an electrical conductivity of 50 S / cm to 1,000 S / cm.
상기 세라믹 입자는 란탄 코발타이트(lanthanum cobaltite), 란탄 스트론튬 코발타이트(lanthanum strontium cobaltite), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(lanthanum strontium cobalt ferrite), 란탄 칼슘 크롬 구리 코발타이트(lanthanum calcium chromium copper cobaltite) 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 고체산화물 연료전지용 집전체.
The method of claim 1,
The ceramic particles may be lanthanum cobaltite, lanthanum strontium cobaltite, lanthanum strontium cobalt ferrite, lanthanum calcium chromium copper cobaltite, or a combination thereof. Collector for a solid oxide fuel cell comprising a.
상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계
를 포함하는 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법.
Preparing a metal support including pores; And
Filling the ceramic particles and the organic binder in the pores included in the metal support
Method for producing a current collector for a solid oxide fuel cell comprising a.
상기 유기 바인더는 전분, 에틸셀룰로오스, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리비닐부틸알(polyvinyl butyral) 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법.
The method of claim 8,
The organic binder is a starch, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol (polyvinyl alcohol), polyvinyl butyl alcohol (polyvinyl butyral) or a combination thereof.
상기 세라믹 입자와 상기 유기 바인더는 30:70 내지 70:30의 중량비로 채우는 것인 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법.
The method of claim 8,
The ceramic particles and the organic binder is filled in a weight ratio of 30:70 to 70:30 manufacturing method of a current collector for a solid oxide fuel cell.
상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계 이후에 건조하는 단계를 더 포함하는 것인 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법.
The method of claim 8,
Method of manufacturing a current collector for a solid oxide fuel cell further comprising the step of drying after filling the pores included in the metal support with the ceramic particles and the organic binder.
상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계 이후에 소결하는 단계를 더 포함하는 것인 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법.
The method of claim 8,
And a step of sintering after filling the ceramic particles and the organic binder in the pores included in the metal support.
상기 금속 지지체에 포함되는 기공에 세라믹 입자 및 유기 바인더를 채우는 단계 이후에 상기 금속 지지체의 양면을 평탄화하는 단계를 더 포함하는 것인 고체산화물 연료전지용 집전체의 제조 방법.The method of claim 8,
And flattening both surfaces of the metal support after filling the pores included in the metal support with ceramic particles and the organic binder.
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| KR101462143B1 (en) * | 2013-10-11 | 2014-11-21 | 재단법인 포항산업과학연구원 | Air electrode current collector for solid oxide fuel cell having excellent electrical conductivity and oxidation resistance and method for manufacturing the same |
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