固體燃料電池金屬連接體的塗覆方法
2023-07-26 17:10:36 2
專利名稱：固體燃料電池金屬連接體的塗覆方法
技術領域：
本發明涉及一種固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法。
背景技術：
由於礦石燃料的耗盡，新的再生能源相關產業已成為眾人注意的中心。
其中，燃料電池可以代替現有的燃燒礦物的發電裝置，能夠達到較高的能源效率， 減少氧化硫和碳的排放。因為這個原因，已經對燃料電池進行了各種各樣的研究。就燃料電池而言，在假定可以連續地供給燃料的情況下可以進行連續的發電。因此，燃料電池同其它新能源技術相比具有較小的時間和空間局限性。
燃料電池是通過電化學反應將燃料(氫氣、LNG、LPG等)和空氣(氧氣)的化學能量直接轉換為電和熱的裝置。根據現有技術的發電技術需要進行例如燃燒燃料、生成蒸汽、驅動渦輪機、驅動發電機等步驟。另一方面，燃料電池沒有進行燃燒燃料或驅動渦輪機的步驟，因而，燃料電池是一個減少環境問題同時提高了效率的全新概念的發電技術。
燃料電池散發很少的空氣汙染物例如S0X、NOx等等，由於減少了二氧化碳的生成， 因此能夠實現無汙染髮電，以及能夠實現低噪音、無震動等。
燃料電池的例子可以有各種類型例如磷酸燃料電池(PAFC)、鹼性燃料電池 (AFC)、聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)等等。其中，固體氧化物燃料電池(SOFC)是具有陶瓷基固體電解質的燃料電池， 在比其它燃料電池高的操作溫度即700至1000°C下操作，所以，所述SOFC可以提高電解質的導電性，以實現高效性，且利用高溫的廢熱來實現混合發電系統。
同時，固體氧化物燃料電池可以被大部分地儲存在平板型和管狀型中。
韓國專利No. 0341402公開了根據現有技術的平板型固體氧化物燃料電池以及韓國專利No. 0344936公開了管式固體氧化物燃料電池中的圓柱形固體氧化物燃料電池。
通常，固體氧化物燃料電池(SOFC)包括電連接到一個電池的正極和相鄰的電池的負極上並且用來將燃料氣體與空氣物理上中斷的金屬連接體。
在固體氧化物燃料電池(SOFC)中，迄今為止使用的作為金屬連接體的幾種合金的例子可以主要包括基於鉻的Cr-基合金、基於鐵的鐵素體Fe-Cr合金和基於鎳的N1-基A麼坐坐口 .Wl寸寸O
在操作溫度為800°C以下操作的固體氧化物燃料電池中，其中，鐵素體Fe-Cr合金在實用性(workability)方面比Cr-基合金或N1-基合金更具有優勢。
然而，在高溫操作環境下，這些合金非常貴且產生揮發性鉻(Cr)。如上述所述，鉻(Cr)被擴散到負極上，所述負極是阻礙燃料電池的正常電化學反應和降低燃料電池的性能的重要因素。
同時，不鏽鋼比鐵素體Fe-Cr合金便宜，並且在高溫下可以形成大量的氧化物，同時其內部含有揮發性鉻(Cr)，所以，迄今為止不鏽鋼不能作為燃料電池的連接體。
如上所述，在不鏽鋼的表面上形成具有抗氧化功能和防止鉻揮發的保護層，這樣， 從長遠來看，不鏽鋼能夠確保氧化穩定性。因此，不鏽鋼被用作低成本的具有優良導電性的金屬連接體是極有可能的。發明內容
本發明致力於提供一種能夠防止鉻(Cr)在高溫下揮發的固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法。
另外，本發明致力於提供一種能夠在高溫下確保氧化穩定性的固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法。
進一步地，本發明致力於提供了一種固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法，該方法能夠使用低成本材料作為具有優良抗氧化性和導電性的金屬連接體。
根據本發明的一種優選實施方式，提供了一種固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法，該方法包括使用作為鋰離子電池的正極材料的二氧化鈷鋰(LiCoO2)生成鈷化合物溶液；將金屬連接體浸潰在含有所生成的鈷化合物溶液的電鍍液中；以及通過實施電鍍在浸潰的金屬連接體上形成鈷(Co)。
所述鈷化合物可以是硫酸鈷(CoSO4)。
所述鈷化合物溶液的生成可以通過用硫酸溶液(H2SO4)溶解所述二氧化鈷鋰 (LiCoO2)來實施。
所述金屬連接體可以由鐵素體不鏽鋼製成。
在所述金屬連接體上形成鈷(Co)的操作可以包括將鈷極板(cobalt plate)浸潰在電鍍液中；將負極與浸潰的所述金屬連接體相連接且將正極與鈷極板相連接；以及通過施加電流進行電鍍。
所述固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法可以進一步包括在將所述金屬連接體浸潰在所述鈷化合物(CoSO4)溶液之前進行預處理以除去所述金屬連接體表面上的雜質。
所述預處理可以通過機械拋光方法以及使用洗滌溶液洗滌的方法來完成。
所述固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法可以進一步包括通過在所述金屬連接體上形成鈷(Co)之後在金屬連接體上實施熱處理，使所述鈷(Co)氧化為四氧化三鈷(Co3O4)。
所述電鍍液可以由所述鈷化合物溶液和蒸餾水來製成。
圖1是顯示了根據本發明的優選實施方式的固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法的流程圖2是顯示了通過根據本發明的優選實施方式的固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法在金屬連接體的表面上形成的四氧化三鈷(Co3O4)的金屬連接體橫截面的橫截面示意圖；以及
圖3是顯示了介於通過根據本發明的優選實施方式的固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法形成的金屬連接體和通過根據現有技術的固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法形成的金屬連接體之間的導電性的圖。
具體實施方式
以下結合附圖的具體實施方式
的描述將使本發明的各個目的、優勢和特性變得顯而易見。
在本發明的說明書以及權利要求書中所使用的術語和詞語不應該被解釋為局限於通常的含義和字典定義，而應當理解為基於發明人能適當地定義由術語所暗示的概念， 以最好地描述他或她已知的實施本發明的最好方法的原則，這些術語和詞語具有與本發明的技術範圍相關的意思和概念。
以下結合附圖的詳細描述將使本發明的上述的以及其它的觀點、特點和優勢變得更易於理解。在說明書中，在附圖中所增加的不同組件的參考數字中，必須指出的是，即使參考的組件在不同的圖中顯示，相同的參考數字表示相同的組件。進而，當確定與本發明相關的熟知領域的詳細描述可能會掩蓋本發明的精神時，該詳細描述將被省略。在說明書中所使用的術語「第一」、「第二」等等能夠被用於描述多個組件，但是所述組件不被所述術語所限定。所述術語僅僅被用於區別一個組件和另一個組件。
下面，將結合附圖詳細描述本發明的優選實施方式。
圖1是顯示了根據本發明的優選實施方式的固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法的流程圖。
首先參照圖1，通過使用作為鋰離子電池的正極材料的二氧化鈷鋰(LiCoO2)來生成鈷化合物溶液(SlOl)。
通常，因為鋰離子電池具有高能量密度和輕便的特點，所以鋰離子電池已被用於小的便攜裝備的電力供給。近幾年中，鋰離子電池的應用已迅速增長。
在鋰離子電池中，電池組(unit cell)被裝配成具有正極、負極和有機電解質溶液，在正極中，正極材料(即，二氧化鈷鋰(LiCoO2))被用於集流(current collector)金屬板(即，鋁板)；在負極中，負極材料例如石墨、碳等等被用於集流金屬板(即，銅板)；在有機電解質溶液中溶解有有機隔離物(organic separator)和鋰鹽。用塑料將一個電池組或幾個電池組的組合與充電保護集成電路晶片捆綁在一起。
儘管如上所述裝配的鋰離子電池能夠被充電和放電，並且具有相對長的使用壽命，但鋰離子電池仍然是具有有限使用壽命的消耗產品。因此，消耗量增加的同時增加了廢舊物。
廢舊鋰離子電池具有大量的有用金屬，例如鋰(Li)、鈷(Co)等等，同時成分簡單， 因此，廢舊鋰離子電池被認為是具有經濟價值的廢棄物資源。
根據本發明的優選實施方式，由廢舊鋰離子電池產生鈷化合物溶液可以如下述來製備，但是本發明的優選實施方式並不具體限定於此。
首先，準備廢舊鋰離子電池，之後，破碎且除去廢舊鋰離子電池表面上形成的塑料，回收電極材料。
在這種情況下，所述電極材料的例子可以包括用作正極材料和負極材料的鋰 (Li)、鑽(Co)等等。
其次，包含在電極材料中的所述負極材料、導電劑和粘結劑，通過在所述電極材料上進行熱處理來除去，並回收正極材料(即，二氧化鈷鋰(LiCoO2))。
也就是說，從通過上述提到的熱處理分離的電極材料粉末中除去作為負極材料的石墨、作為導電劑的碳，以及作為粘結劑的高分子材料。在這種情況下，所述熱處理可以通過使用空氣爐(atmosphere furnace)(空氣管(gas atmosphere pipe))在 700°C和 900°C 進行兩次，但是本發明的優選實施方式並不具體限定於此。
再次，通過使回收的二氧化鈷鋰(LiCoO2)與硫酸溶液(H2SO4)反應生成所述鈷化合物溶液。
根據上述方法，在本發明的優選實施方式中，二氧化鈷鋰(LiCoO2)可以從廢舊鋰離子電池中提取以及所述鈷化合物溶液可以從提取的所述二氧化鈷鋰(LiCoO2)中獲得。
在這種情況下，所述鈷化合物可以為硫酸鈷(CoSO4)。
其次，所述金屬連接體被浸潰在含有所獲得的鈷化合物(CoSO4)溶液的電鍍液中 (S103)。
在本發明的優選實施方式中，所述金屬連接體的例子可以包括鐵素體不鏽鋼，例如SUS430等等，但是本發明的優選實施方式並不具體限定於此。
在這種情況下，在將所述金屬連接體浸潰到所述電鍍液中之前，可以實施預處理過程以除去所述金屬連接體表面上的雜質。
在這種情況下，所述預處理過程可以按下述進行，但是本發明的優選實施方式並不限定於此。
首先，使用碳化矽(SiC)砂紙(例如，粗糙度為No. #100至2000的砂紙)打磨所述金屬連接體的表面。
其次，用10%氫氧化鈉(NaOH)水溶液和丙酮洗滌附著在所述金屬連接體表面上的雜質。然後，用10%的鹽酸(HCl)溶液除去附著在所述金屬連接體表面上的細鐵屑(fine scale),然後,進行酸浸30至60秒。
將經過上述預處理過程的金屬連接體浸潰在含有所述電鍍液的電鍍浴中。
在這種情況下，所述電鍍液可以為硫酸鈷(CoSO4)溶液和蒸餾水的混合溶液，但是本發明的優選實施方式並不具體限定於此。
例如，所述電鍍液可以加入作為添加劑的能夠得到所期望效果的各種成分，例如使電鍍厚度均勻的添加劑，減少凹點密度(pit density)的添加劑等等。
再次，通過實施電鍍在所述金屬連接體的表面上形成由鈷(Co)製成的保護層 (S105)。
在本發明的優選實施方式中，在所述金屬連接體上形成由鈷(Co)製成的保護層的方法可以包括下述步驟。
首先，將鈷極板浸潰在其中浸潰所述金屬連接體的電鍍液浴中。
其次，將所述金屬連接體與負極相連，將所述鈷極板與正極相連，然後，通過施加電流進行電鍍。
如上所述，通過實施電鍍將在所述電鍍液中生成的鈷(Co)離子附著在所述金屬連接體的表面上，因此，可以在所述金屬連接體上形成由鈷(Co)製成的保護層。
在本發明的優選實施方式中，將其中根據上述所述方法在所述金屬連接體的表面上形成由(Co)製成的保護層的金屬連接體暴露於空氣中並且在高溫下經熱處理以使鈷 (Co)氧化成四氧化三鈷(Co3O4)15因此，改善了所述保護層的氧化穩定性並且提高了所述保護層與所述金屬連接體之間的附著力。
在本發明中，所述熱處理可以在200°C至800°C範圍內進行，但是本發明的優選實施方式並不具體限定於此。
下面，將結合下面的例子描述本發明的優選實施方式，但是本發明的優選實施方式的範圍並不限定於下面的例子。
將純度為95 %的硫酸鈷(CoS04-7H20)溶解於500ml的蒸餾水中製備電鍍液， 其中，通過溶解廢舊鋰離子電池的正極材料(即，使用硫酸溶液(H2SO4)溶解二氧化鈷鋰 (LiCoO2))來分離硫酸鈷。
將作為正極材料的鈷極板和作為負極材料的金屬連接體(SUS430)浸潰在所述電鍍液中，通過施加電流(電流密度為50mA/cm2)進行30分鐘電鍍，因此，用鈷(Co)塗覆所述金屬連接體的表面。
完成電鍍之後，在大氣溫度200°C下在金屬連接體上進行熱處理。
根據上述所述方法，在金屬連接體200的上面形成了由四氧化三鈷(Co3O4)製成的保護層210的該金屬連接體200的橫截面如圖2所示。
另外，測量在金屬連接體200的表面上形成的由四氧化三鈷(Co3O4)製成的保護層 210的導電性。所述測量是在大氣溫度為800°C下在金屬連接體暴露100小時後進行的，並且測量結果如圖3曲線圖所示。
如圖3所示，根據本發明的優選實施方式的金屬連接體(Co-SUS 430)，獲得的電阻值為O. ΙΩ/cm2以下。
為了對比，在相同條件下測量了現有技術中用作金屬連接體的克勞佛合金 (crofer alloy) (crofer 22APU)和費羅塞合金(ferrotherm alloy)的導電性。然而，與圖 3相似，測得的電阻值高於根據本發明的優選實施方式的金屬連接體(Co-SUS 430)的電阻值。
參考圖3，可以期望根據本發明的優選實施方式的金屬連接體的導電性優於金屬連接體的導電性。
如上所述，本發明的優選實施方式通過在金屬連接體的表面上形成由四氧化三鈷 (Co3O4)製成的保護層以防止負極汙染，能夠在確保氧化穩定性的同時抑制鉻的生長和蒸發，因此，改善了固體氧化物燃料電池的性能和耐用性。
另外，本發明的優選實施方式通過使用從廢舊鋰二次電池中獲得的鈷化合物 (CoSO4)能夠在金屬連接體上形成由四氧化三鈷(Co3O4)製成的保護層，因此，減少了燃料電池的製備成本。
另外，本發明的優選實施方式通過在低成本不鏽鋼的表面上形成由四氧化三鈷 (Co3O4)製成的保護層，能夠使用低成本材料作為在高溫下具有優良抗氧化性和導電性金屬材料。
雖然為了說明目的公開了本發明的具體實施方式
，但應當理解根據本發明的固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法並不限定於此，本領域技術人員應當理解，在不偏離本發明的範圍和精神的情況下，各種修改、補充和替換都是可能的。
因此，部分以及全部的修改、改變或等同設置也應理解為屬於本發明的範圍內，並且在所附的權利要求書將公開本發明的詳細範圍。
權利要求
1.一種固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法，該方法包括使用作為鋰離子電池的正極材料的二氧化鈷鋰生成鈷化合物溶液；將金屬連接體浸潰在含有所生成的鈷化合物溶液的電鍍液中；以及通過實施電鍍在浸潰的金屬連接體上形成鈷。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述鈷化合物是硫酸鈷。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述鈷化合物溶液的生成是通過用硫酸溶液溶解所述二氧化鈷鋰來實施的。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述金屬連接體由鐵素體不鏽鋼製成。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述金屬連接體上形成鈷的操作包括將鈷極板浸潰在電鍍液中；將負極與浸潰的所述金屬連接體相連接以及將正極與鈷極板相連接；以及通過施加電流進行電鍍。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，該方法進一步包括在將所述金屬連接體浸潰在所述鈷化合物溶液之前進行預處理以除去所述金屬連接體表面上的雜質。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述預處理是通過機械拋光方法以及使用洗滌溶液洗滌的方法來完成的。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，該方法進一步包括在所述金屬連接體上形成鈷之後，通過在所述金屬連接體上實施熱處理來使所述鈷氧化為四氧化三鈷。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述電鍍液由所述鈷化合物溶液和蒸餾水來制
全文摘要
本發明公開了固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法。該固體氧化物燃料電池金屬連接體的塗覆方法包括使用作為鋰離子電池的正極材料的二氧化鈷鋰(LiCoO2)生成鈷化合物溶液；將金屬連接體浸漬在含有所生成的鈷化合物溶液的電鍍液中；以及通過實施電鍍在浸漬的金屬連接體上形成鈷(Co)。本發明的優選實施方式通過使用從廢舊鋰二次電池中獲得的鈷化合物(CoSO4)能夠在金屬連接體上形成由四氧化三鈷(Co3O4)製成的保護層，因此，減少了燃料電池的製備成本。
文檔編號H01M8/02GK103014791SQ201110427410
公開日2013年4月3日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年9月27日
發明者李弘烈, 柳韓蔚 申請人:三星電機株式會社