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KR101876266B1 - 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 공기극층 제조방법 - Google Patents

금속지지체형 고체산화물 연료전지의 공기극층 제조방법 Download PDF

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KR101876266B1
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이성연
안준규
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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체산화물 연료전지의 공기극층을 제조하는 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에서는 고체 전해질 일면에 형성되는 공기극을 스크린 프린칭 한 후 이를 열처리하는 대신에 스크린 프린팅 후 바인더를 제거하고나서 이를 냉간정수압 프레스(Cold Isostatic Press)함으로써 저온에서 열처리를 실시하여도 고체 전해질과의 접촉면적 및 밀착성 및 공기극 구성 입자간의 연결성과 접촉면적이 향상되어, 전극성능이 우수한 공기극층을 갖는 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 단위 셀(unit cell)을 제조할 수 있다.

Description

금속지지체형 고체산화물 연료전지의 공기극층 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING A CATHODE FOR A METAL SUPPORTED SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 공기극층을 제조하는 방법에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 고체 전해질층과, 고체 전해질층의 일면에 위치하는 연료극(음극)과, 고체 전해질층(막)의 다른 일면에 위치하는 공기극(양극)을 포함한다.
공기극에 산소를 공급하고 연료극에 수소를 공급하면, 공기극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 고체 전해질층을 지나 연료극으로 이동한 후 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다. 따라서 고체 전해질층은 가스가 직접 통과할 수 없는 치밀한 이온전도성 층으로 이루어지고, 공기극 및 연료극은 가스투과가 용이한 다공성 구조와 혼합전도(전자 및 이온전도)성을 나타내어야 한다.
고체산화물 연료전지로는 전해질 지지체형 셀(Electrolyte-Supported Cell(ESC)형과, 공기극 지지체형 셀형 또는 연료극 지지체형 셀형이 있다. 이 중에서 전해질 지지체형 셀형(ESC)은 기계적 지지체 역할을 하는 두꺼운 전해질층과 얇은 연료극층 및 공기극층으로 구성된다. 전해질 지지체형 셀의 경우 기계적 지지체 역할에 필요한 100~500μm 두께의 고체 전해질을 사용할 경우, 고체 전해질의 오옴(Ohmic)저항이 크기 때문에 일정 수준의 단위 전지 성능을 얻기 위해서는 연료전지를 850~1000℃ 의 고온에서 운전해야 한다. 이 경우 스택과 주변장치(balance-of-plant, BOP)에 고가의 내열, 내 산화성 소재를 사용해야 하기 때문에 SOFC 제작 단가가 상승한다는 문제점이 있다.
연료극 지지체형 셀은 0.3~1000μm 두께의 연료극층 위에 5~20μm 두께의 얇은 고체 전해질층을 형성하여 전해질의 오옴(Ohmic)을 줄임으로써 800℃ 미만의 중온으로 SOFC 작동온도를 온도를 낮출 수 있어 경제성이 개선되었지만, 세라믹 특유의 취성 파괴 문제를 극복해야만 상기 SOFC 스택의 신뢰성 확보가 가능하다.
한편, 금속 지지체형 셀(MSC)은 금속을 지지체로 사용하기 때문에 셀 제조 비용이 저렴 할 뿐만 아니라 매우 우수한 강도와 유연성을 갖는다.
이러한 금속 지지체형 고체산화물 연료전지는 그 셀 구조가 금속 지지체/연료극/고체 전해질의 순서로 적층된 형태로 이루어진다. 이러한 적층 구조에서 금속지지체층과 연료극층은 가스투과가 용이한 다공체 구조로하고, 고체 전해질층은 가스를 투과하지 않는 치밀 구조로 하는 것이 바람직하다.
한편, 고체산화물 연료전지를 제조함에 있어서 지지체로 전해질 지지체형이나 연료극 지지체형 또는 금속 지지체형을 사용하게 되고 이러한 지지체에는 모두 공기극층을 형성하여야 한다.
고체산화물 연료전지에 공기극층을 형성하는 기술로는 기판에 공기극 물질을 스크린 프린팅하는 방법과 플라즈마 스프레이(Plasma Spray)법을 사용하는 방법이 있다.
스크린 프링팅으로 공기극을 형성하는 방법은 공기극 분말을 페이스트나 슬러리화하여 스크린 프링팅한 다음 1000~1200℃에서 열처리하는 것이다. 이와 같이 공기극 분말을 열처리하여 공기극을 형성하면 고체 전해질 표면과 공기극층 간의 계면 결합과 공기극층 자체의 결합력이 확보되어 양호한 전기화학적 성능을 나타낸다.
그러나 이러한 방법을 금속 지지체형 고체산화물 연료전지에 사용할 경우 고체 전해질을 지지하고 있는 금속 지지체의 산화를 막기 위하여 열처리 온도를 900℃ 미만에서 열처리를 하여야한다. 이와 같이 낮은 온도에서 열처리를 할 경우 열처리 후의 고체 전해질 및 공기극층 자체의 결합력이 낮아져서 전기화학적 성능이 감소하게 되는 문제점이 있다. 물론 낮은 열처리 온도에서도 전기화학적 성능이 감소하지 않는 공기극 형성 물질도 있으나 이러한 경우에는 그 물질의 열팽창계수가 고체 전해질의 열팽창계수와 크게 차이가 나서 연료전지의 사용중에 많은 열 싸이클을 받게 되면 공기극층이 박리가 일어나게 되는 문제가 있다.
또한, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지에 스크린 프린팅법으로 공기극을 형성할 경우 금속 지지체 자체의 산화를 방지하기 위해 열처리 분위기를 환원 또는 진공 분위기에서 열처리를 하게 된다. 그러나 이러한 분위기에서 열처리를 할 경우 공기극 층을 형성하는 물질이 분해하거나 성능이 열화되는 문제가 있다.
그리고, 플라즈마 스프레이법으로 공기극을 형성하는 방법은 공기극층을 형성하는 물질을 플라즈마 스프레이로 기판에 증착시키는 방법이다. 그러나 플라즈마에 의한 공기극층 형성 물질을 스프레이하는 방법은 플라즈마 공정의 특성상 만족할 만한 기공률을 확보하기 어려워 최적의 형상을 갖는 공기극을 제조하기에는 많은 문제점이 있다.
본 발명의 일 측면은, 고체 전해질과의 밀착성이 우수한 고체산화물 연료전지의 공기극층을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 금속 지지체층, 연료극층 및 고체 전해질층을 포함하는 적층체를 준비하는 단계;
상기 적층체의 고체 전해질층 상에 공기극 분말로 공기극층을 형성하여 금속 지지체/연료극/고체 전해질/공기극 적층체를 제조하는 단계;
상기 적층체를 100~150℃에서 건조하는 단계;
상기 적층체를 300~400℃까지 1~3℃/min의 속도로 가열한 후 상기 온도에서 10~20시간 유지하는 단계; 및
상기 건조, 가열 및 유지된 적층체를 냉간정수압 프레스(Cold Isostatic Press)하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 공기극층 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 종래의 방법에 의해서 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 단위 셀(unit cell)을 제조하는 방법에 비해, 공기극과 고체 전해질과의 밀착력과 공기극 입자 사이의 결합력이 개선되어 공기극의 우수한 전기화학적 성능을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 경제적인 측면에서도 유리한 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 단위 셀의 제조방법을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현례에 따른 고체산화물 연료전지 단위 셀을 제조하는 방법의 공정 순서를 모식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현례에 따라 공기극층이 형성되는 과정을 모식화한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면은 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 단위 셀(unit cell)을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 연료극층과 고체 전해질층을 포함하는 적층체의 상기 고체 전해질층 표면에 공기극층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에서는 금속 지지체층, 연료극층 및 고체 전해질층을 포함하는 적층체를 준비하는 단계; 상기 적층체의 고체 전해질층 상에 공기극 분말로 공기극층을 형성하여 금속 지지체/연료극/고체 전해질/공기극 적층체를 제조하는 단계; 상기 적층체를 100~150℃에서 건조하는 단계; 상기 적층체를 300~400℃까지 1~3℃/min의 속도로 가열한 후 상기 온도에서 10~20시간 유지하는 단계; 및 상기 건조, 가열 및 유지된 적층체를 냉간정수압 프레스(Cold Isostatic Press)하는 단계를 통해 고체산화물 연료전지의 공기극층을 제조하고자 한다.
상기 금속 지지체형 고체산화물 연료전지용 셀에서 금속 지지체는 연료가스가 연료극 층에 원활히 공급될 수 있도록 다공성 구조를 가지며, 금속 소재로는 Fe-Cr계 스테인리스 합금이나 페라이트계 스테인리스 합금 또는 Crofer22APU, Crofer22H, ZMG232L 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 이때, 상기 Fe-Cr계 스테인리스 합금으로는 Fe-26Cr-(Mo, Ti, Y2O3)합금 또는 Fe-Cr-Mx 합금(Mx=Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y, Al)을 사용할 수 있다.
또한, 상기 금속 지지체 상에 형성되는 연료극층은 (ZrO2)1-x(Y2O3)x(x=0.08~0.1)의 복합체, Ni과 (ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1-x(Y2O3)x(x=0~0.06)의 복합체 및 Ni과 Ce1 - xLnxO2 -δ(Ln=Gd, Sm 또는 Y, x=0.1~0.3, δ=0~0.2)의 복합체로 구성되는 그룹에서 선택된 1종 복합체 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하고, 이러한 복합체 중 Ni은 50~60중량%의 함량으로 포함됨이 바람직하다.
또한, 상기 연료극층 상에 형성되는 고체 전해질층은 가스 투과를 효과적으로 차단하기 위해 치밀한 구조를 가지면서, 산소이온전도성은 우수하여야 한다. 따라서, 이러한 고체 전해질층은 (ZrO2)1-x(Y2O3)x(x=0.08~0.1), (ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1-x(Y2O3)x(x=0.01~0.02) 또는 Ce1 - xLnxO2 -δ(Ln=Gd, Sm 또는 Y, x=0.1~0.3, δ=0~0.2)를 적용함이 바람직하다.
이하, 상기와 같이 금속 지지체/연료극/고체 전해질 층으로 구성되는 적층체의 상기 고체 전해질 상부에 공기극층을 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.
종래의 일반적인 고체산화물 연료전지 셀을 제조하는 방법은, 금속 지지체/연료극/고체 전해질 적층체 위에 공기극 페이스트를 스크린 프린팅하고 건조기에서 건조하여 용매를 제거한 후 공기 중에서 각 조성 별로 최적의 온도에서 열처리함으로써 공기극층을 형성하였다.
이때, 공기극의 열처리 온도가 너무 높으면, 입자크기가 증가하게 되어 전기화학적 활성이 구현되는 고체 전해질/기공/공기극이 형성하는 삼상계면이 줄어들기 때문에 전극 성능이 감소하는 문제가 있다. 그러나, 열처리 온도가 너무 낮으면 고체 전해질과의 밀착성과 전극 입자간의 연결성이 현격히 떨어지면서 전기저항이 증가하기 때문에 삼상계면이 증가하는 것으로 보여지지만, 실제로는 활성 면적을 활용할 수 없게 되어 성능이 크게 감소하게 된다. 따라서, 이러한 점을 고려하여 열처리시 최적 온도는 공기극 소재 중에서 성능과 열기계적 안정성면에서 많이 사용되는 LSCF계의 경우 1000~1100℃, LSC계의 경우 950~1000℃로 알려져 있다.
그런데, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지는 금속 지지체가 적층되어 있는 구조이기 때문에, 800℃ 이상의 온도에서는 공기 중에서 금속 지지체의 산화 속도가 크게 증가하기 때문에, 통상의 연료극 지지체형 고체산화물 연료전지와 같이 900℃ 이상에서 공기극을 열처리하는 것이 불가능하다. 이에, 종래에는 공기극을 스크린 인쇄한 후 열처리하지 않고 그대로 스택에 사용하여 스택의 밀봉과정에서 열처리를 수행하는 방법을 적용하였으나, 금속 분리판의 산화를 고려하여 스택의 밀봉온도는 최고 850℃에서 4시간 정도로 허용되기 때문에 다른 지지체형에서 동일한 방법으로 스크린 프린팅하는 경우에 비해 성능이 감소하는 문제가 있다. 다른 방법으로서, 수소 분위기에서 열처리하는 방안도 제안되었으나, 수소 분위기에서 공기극 재료가 분해하기 때문에 이 방법도 적용하기 어렵다.
이에, 본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하기 위해 깊이 연구한 결과, 스크린 인쇄된 공기극에 포함된 바인더를 저온에서 먼저 제거한 후 고압으로 프레스하는 경우 공기극층의 성형 밀도가 극대화되고, 고체 전해질과의 접촉력이 향상되어 고체산화물 연료전지 단위 셀의 성능을 향상되는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명에서 제공하는 공기극층 제조방법은 고체 전해질층 상부에 형성하는 것이므로, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 셀 뿐만 아니라, 연료극 지지체형 또는 전해질 지지체형 고체산화물 연료전지 셀에도 적용할 수 있다.
먼저, 도 1에 나타낸 바와 같이, 금속 지지체/연료극/고체 전해질이 순차적으로 적층된 적층체를 준비한 후, 상기 적층체의 고체 전해질층 상에 공기극층을 형성한다. 이때, 상기 적층체는 소결이 완료된 것을 이용할 수 있다.
상기 적층체는 통상의 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 단위 셀을 제조하는 방법을 적용하여 제조된 적층체일 수 있다.
상기 공기극층은 공기극 분말 페이스트를 스크린 프린팅법으로 형성할 수 있으며, 상기 페이스트는 공기극 분말을 에틸셀룰롤스계 바인더와 함께 용매에 녹인 용액인 것이다. 상기 공기극 분말로는 (A1- xBx)sFe1 - yCoyO3 -δ(A= La, Gd, Y, Sm, Ln 혹은 그 혼합물, B= Ba, Sr, Ca 및 그 혼합물), Ln=lanthanides) 및 (La1 - xSrx)sMnO 3-δ과 같은 전기 전도성 산화물, 또는 상기 전기전도성 산화물에 고체전해질 조성의 분말을 0~50부피% 범위로 첨가한 복합체인 것이 바람직하며, 상기 용매는 유기 용매인 것으로서 테르피네올(Terpineol)을 이용할 수 있다.
상기한 공기극 분말, 바인더를 유기용매에 혼합한 용액을 3-롤 밀링과정을 거쳐 스트린 프린팅용 페이스트로 제조한 후, 이를 고체 전해질층에 스크린 프린팅으로 공기극층을 제조할 수 있다.
이후, 상기 공기극층이 형성된 금속 지지체/연료극/고체 전해질/공기극 층의 적층체를 건조기에서 건조시킨다. 이때, 건조 온도는 공기극 페이스트 내 용매를 제거할 수 있을 정도의 온도로 설정함이 바람직하며, 100~150℃로 설정함이 보다 바람직하다.
상기 건조가 완료되면, 상기 적층체를 공기 중에서 가열하고 유지하는 단계를 거칠 수 있다. 이때, 가열은 공기극 페이스트 내 바인더를 제거할 수 있을 정도의 온도까지 가열함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1~3℃/min의 속도로 300~400℃까지 실시될 수 있다.
이후, 상기 금속 지지체/연료극/고체 전해질/공기극 적층체를 프레스 하기 위한 판 예컨대, 알루미늄 판에 배치한 후, 이를 진공 비닐 포장하여 냉간정수압 프레스(Cold Isostatic Press)기로 프레스하는 단계를 실시한다.
이때, 냉간정수압 프레스는 상온에서 2,000kgf/cm2~4,000kgf/cm2로 압착함으로써 실시될 수 있으며, 프레스 후 얻어지는 공기극층은 20~50μm의 두께를 갖는다.
이와 같이, 냉간정수압 프레스를 실시하는 것은 공기극층을 균일한 성형체로서 제조하기 위한 것으로서, 상기 적층체에 유체를 이용하여 고압을 가해주면 유체 내에서의 적층체에 가해지는 압력이 모든 부분에 균일하게 전달되기 때문에 모든 방향에서 균일한 밀도를 갖는 성형체 즉, 공기극층을 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2에 나타낸 바와 같이 스크린 인쇄된 공기극 내 용매 및 바인더를 금속 지지체가 산화되지 않는 정도의 저온에서 제거한 후 냉간정수압 프레스를 실시하는데, 이때 바인더가 제거된 공기극 분말 사이의 빈 공간 및 고체 전해질과 공기극 분말 사이의 공간이 압착되면서 공기극층의 성형 밀도가 극대화되어 공기극 입자간의 연결성과 접촉면적이 증가하고, 고체 전해질층과의 접촉면적과 밀착성이 향상되는 것이다.
이와 같이, 제조된 공기극층은 고체 전해질 스택의 밀봉온도인 750~850℃, 바람직하게는 800℃에서 열처리하게 되면 종래의 방법으로 제조한 공기극에 비해 우수한 성능을 나타낼 수 있다. 이러한 성능향상은 앞에서도 설명하였듯이, 공기극 입자 간의 연결성, 고체전해질 층과 공기극 입자의 접촉이 향상되었기 때문이다.
한편, 냉간정수압 프레스 대신 일방향 성형을 적용할 수도 있기는 하지만, 일방향 성형으로 2,000kgf/cm2~4,000kgf/cm2와 같은 높은 압력을 가하게 되면 공기극층의 크기가 금속 지지체/염료극/고체 전해질 적층체 보다 작고 두께 편차도 다소 존재하기 때문에, 압력의 불균일에 의해 적층체가 파괴되거나 공기극층이 박리되는 현상이 발생되는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

Claims (6)

  1. 금속 지지체층, 연료극층 및 고체 전해질층을 포함하는 적층체를 준비하는 단계;
    상기 적층체의 고체 전해질층 상에 공기극 분말로 공기극층을 형성하여 금속 지지체/연료극/고체 전해질/공기극 적층체를 제조하는 단계;
    상기 적층체를 100~150℃에서 건조하는 단계;
    상기 적층체를 300~400℃까지 1~3℃/min의 속도로 가열한 후 상기 온도에서 10~20시간 유지하는 단계; 및
    상기 건조, 가열 및 유지된 적층체를 냉간정수압 프레스(Cold Isostatic Press)하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 공기극층 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고체 전해질층 상에 공기극층 제조는 상기 공기극 분말을 에틸셀룰롤스계 바인더와 함께 용매에 녹인 용액을 스크린 프린팅으로 제조되는 공기극층 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 냉간정수압 프레스(Cold Isostatic Press)는 상온에서 2,000kgf/cm2~4,000kgf/cm2로 압착하는 것인 공기극층 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연료극은 Ni과 (ZrO2)1-x(Y2O3)x(x=0.08~0.1)의 복합체, Ni과 (ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1-x(Y2O3)x(x=0~0.06)의 복합체 및 Ni과 Ce1 - xLnxO2 -δ(Ln=Gd, Sm 또는 Y, x=0.1~0.3, δ=0~0.2)의 복합체로 구성되는 그룹에서 선택된 1종 복합체 또는 2종 이상의 혼합물인 공기극층 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 고체 전해질은 (ZrO2)1-x(Y2O3)x(x=0.08~0.1), (ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1-x(Y2O3)x(x=0.01~0.02) 또는 Ce1 - xLnxO2 -δ(Ln=Gd, Sm 또는 Y, x=0.1~0.3, δ=0~0.2)인 공기극층 제조방법.
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