KR100699074B1 - 벌집형 고체산화물연료전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 전극 채널 및 상기 전극에 접합되는 집전체를 포함하는 벌집형 SOFC로서, 상기 집전체가 접합된 전극 채널 내에는 각 전극 분위기에서 산화물 형성이 가능한 재료로서 상변화 시 밀도가 작아지는 제1 재료가 충전되거나 또는 상기 전극 지지체의 재료보다 열팽창 계수가 큰 제2 재료가 충전되거나 또는 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료의 복합 재료가 충전되는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 벌집형 SOFC의 전극 채널 내에서 다공성 충전재의 상변화 또는 열팽창계수 차에 의한 재료 특성을 이용하여 물리적으로 충분한 힘으로 전기 집전체를 전극과 접합되도록 하여 집전을 효율적으로 수행할 수 있다. 나아가, 본 발명은 다공성을 용이하게 확보함으로써 연료전지 전극으로 연료 및 공기 기체가 원활하게 확산될 수 있는 통로를 제공해 줄 수 있다는 장점을 가진다.
벌집형, 고체산화물연료전지, 집전, 전극, 밀착, 상변화, 밀도, 열팽창계수

Description

벌집형 고체산화물연료전지 및 그 제조방법{Honeycomb-type solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same}
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 벌집형 고체산화물연료전지를 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예2에 따라서 채널 내에 질석이 충전된 경우 및 충전되지 않은 경우 각각의 임피던스 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 벌집형(honeycomb-type; 이하 "벌집형"이라고 함) 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC; 이하, "SOFC"라고 함) 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 벌집형 SOFC의 단전지나 이를 이용한 스택 구조 내에서 전기집전이 수행되는 경우에 종래 벌집형 SOFC에 있어서 집전체와 전극의 접합이 채널에서 이루어지므로 집전이 용이하지 않아 집전 저항이 상대적으로 컸던 단점을 개선할 수 있는 새로운 벌집형 SOFC 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 SOFC는 그 단전지의 모양에 따라 원통형과 평판형으로 구분된다.
상기 원통형 SOFC의 경우, 기체 밀봉이 필요 없는 대신 EVD(Electrochemical Vapor Deposition) 법과 같은 고가의 공정이 필요하고, 전극 간 집전 거리가 멀어 내부저항(internal resistance)이 크며. 반응자리에서 집전체까지의 거리가 길기 때문에 평판형 SOFC와 대비하여 높은 출력밀도를 얻기가 어렵다는 단점이 있다.
이와는 반대로, 상기 평판형 SOFC의 경우, 수계(wet) 공정의 사용으로 제조 공정비가 싸고 집전 거리가 짧다는 장점이 있으나, 가스 밀봉의 어려움과 단전지 간의 두께 불균일로 스택의 내부저항이 크다는 단점이 있다.
따라서, 상기한 원통형 또는 밀봉형 SOFC의 단점들을 극복하며 나아가 SOFC의 성능 향상과 경박 단소화를 실현할 수 있는 다양한 형태의 SOFC 단전지 및 스택 구조가 개발되어 왔다.
그 대표적인 예로서는 전해질 두께를 10㎛ 이하로 박막화할 수 있는 연료극 지지형 SOFC 또는 벌집형 SOFC가 있다.
상기 연료극 지지형 SOFC는, 다공성의 NiO와 YSZ 서멧트(cermet)를 지지체로 하여, 10㎛ 이하의 박막 전해질을 형성하는 단전지 구조로서, 최근 1W/cm2 이상의 고성능 단전지 성능을 나타내는 것들이 많이 보고되고 있으나<S. D. Souza, S. J. Visco, and L. C. De Jonghe, Thin-film Solid Oxide Fuel Cell with High Performance at Low-temperature, Solid State Ionics, 98, p.57-61, 1997 참조>, 금속 분리판과의 열팽창계수 차이에 의한 기계적 응력 발생, 금속 분리판의 산화에 의한 전기전도도 저하, 그리고 열사이클 시 연료극의 산화-환원에 의한 구조 변화로 전지 안정성이 크게 떨어진다는 단점 등이 있다.
한편, 상기 벌집형 SOFC는 전지의 반응 면적을 넓힘으로써 단위부피 당 출력 밀도를 개선하는데 도움이 되도록 한 것으로서, 기존의 평판형 SOFC에 비하여 열충격 저항이 큰 구조적 장점을 가진다.
그러나, 벌집형 SOFC는 평판형 SOFC와는 다르게 전극과 집전체와의 접합이 벌집구조 내의 채널에서 이루어져야 하므로 집전이 용이하지 않아 집전저항이 상대적으로 크다는 단점이 있다.
한편, 벌집형 SOFC의 경우 채널 내에 집전체(대체로 망형태)를 사용하는 것이 일반적인데, 외부에서는 집전에 필요한 면압과 같은 물리적 힘을 가하기가 어려워 집전체가 전극과 적정한 강도로 붙어있도록 하기 어렵고 따라서 집전을 어렵게 만든다.
이러한 문제점들을 해결하고자 종래에는 주로 귀금속 재료인 금, 은, 백금 등의 패이스트(paste)를 전극 표면에 다량 도포함으로써 집전 저항을 줄이고자 하였다.
그러나, 상기와 같은 노력에도 불구하고, 종래의 벌집형 SOFC의 집전 방식으로는 SOFC의 상용화에 필요한 특성들을 만족시키지 못하였으며, 고성능 벌집형 SOFC에 적합한 효율적인 집전의 수행이 가능한 벌집형 SOFC 및 그 제조방법은 아직까지 개발된 바 없다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 벌집형 SOFC에 있어서, 전기 집전이 효율적이고 용이하게 수행 될 수 있는 벌집형 SOFC 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적의 다른 측면은, 상기와 같이 전기 집전을 수행하는 것에 더하여, 벌집형 SOFC의 채널 내에서 공기 및 연료가스가 원활하게 흐를 수 있는 벌집형 SOFC 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 전극 채널 및 상기 전극에 접합되는 집전체를 포함하는 벌집형 SOFC로서, 상기 집전체가 접합된 전극 채널 내에는 각 전극 분위기에서 산화물 형성이 가능한 재료로서 상변화 시 밀도가 작아지는 제1 재료가 충전되거나 또는 상기 전극 지지체의 재료보다 열팽창 계수가 큰 제2 재료가 충전되거나 또는 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료의 복합 재료가 충전되는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC를 제공한다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 전극 채널 및 상기 전극에 접합되는 집전체를 포함하는 벌집형 SOFC의 제조 방법으로서, 상기 전극 채널 내에 각 전극 분위기에서 산화물 형성이 가능한 재료로서 상변화 시 밀도가 작아지는 제1 재료를 충전하거나 또는 상기 전극 지지체의 재료보다 열팽창 계수가 큰 제2 재료를 충전하거나 또는 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료의 복합 재료를 충전하는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 재료 또는 제2 재료는 구형, 체인(chain)형 또는 휘스커(whisker)형 입자 분말로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 재료 또는 제2 재료는 기공 형성제와 함께 혼합 되어 충전되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 재료는 산화물 형성시 밀도가 작아지는 금속인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 재료는 Cr, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 재료는, 상기 전극 지지체 재료가 YSZ(yttria-stabilized zirconia)인 경우, NiO, Fe2O3, CoO, CuO, ZnO 등으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속산화물인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 재료는, 상기 전극 지지체 재료가 NiO 및 YSZ 또는 세리아(ceria)의 복합 재료인 경우, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; x가 0.5 이하인 (La1 - XSrX)MnO3; x가 0.5 이하인 (La1 - XCarX)MnO3; x가 0.6 이하인 (La1 - XSrX)CoO3; x가 0.4 이하 그리고 y가 0.8 이하인 (La1 - XSrX)(Co1 - yFey)O3;으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 산화물인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 재료는 열팽창성 세라믹인 질석인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 집전체는 금속인 것이 바람직하고, Pt, Ag, Au, Ni 또는 Cu이거나 이들 금속의 합금인 것이 더욱 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 벌집형 SOFC 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명에서는, 벌집형 SOFC 단전지 및 스택에 있어서, 채널 내에 존재하는 공기극(cathode) 및 연료극(anode)의 집전을 용이하게 하고자, 상기 전극에 접합되는 집전체 주위에 충전 재료를 충전하고, 온도 또는 분압과 같은 외부적 조건의 변화에 의하여 상기 충전 재료를 상변화시키는 경우 상기 충전 재료의 밀도 변화 또는 상기 충전 재료와 벌집형 SOFC의 골격 재료, 즉, 전극 지지체의 재료와의 열팽창 계수의 차이와 같은 재료적 특성을 이용하여, 벌집형 SOFC의 작동온도범위에서 벌집형 SOFC의 채널 내의 전극과 집전체를 용이하면서도 견고하게 밀착시켜 효율적으로 집전을 수행하도록 한다. 나아가, 본 발명에서는 단전지 및 스택 구조 내 각 채널에서 공기 및 연료가스의 흐름이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.
우선, 벌집형 SOFC의 단전지 제조를 위하여, 집전체를 벌집형 SOFC의 전극 채널 내의 전극 표면에 유기 결합제를 사용하여 접합시킨다. 이때, 상기 집전체로는 통상 망(mesh) 헝태의 것을 사용하며, 집전 효율의 측면에서 바람직하게는 금속으로 더욱 바람직하게는 Pt, Ag, Au, Ni 또는 Cu 또는 이들의 합금을 사용한다. 한편, 상기 유기 결합제는 열처리 시 쉽게 제거될 수 있는 고분자 계열의 결합제를 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 집전체가 접합된 전극 채널 내에 충전 재료를 넣는데, 상기 충전 재료로는 각 전극 분위기에서 산화물 형성이 가능한 재료로서 상변화 시, 즉 상변화를 전후로 하여 밀도가 작아지는 재료(제1 재료)를 사용하거나 또는 벌집형 SOFC의 골격 재료인 전극 지지체의 재료보다 열팽창 계수가 큰 재료(제2 재료)를 사용하거나 또는 상기 제1 재료 및 제2 재료를 혼합한 복합 재료를 사용한다.
상술하면, 상기 제1 재료는 각 전극 분위기에서 산화물 형성이 가능한 재료로서 산화물 형성시 밀도가 작아지는 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 제1 재료로서 특히, Cr, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 금속 중 Fe과 같은 값싼 재료를 선택할 경우에는 저렴하면서도 간편하고 효율적인 전기 집전을 수행할 수 있게 된다.
상기 제1 재료와 관련하여, 벌집형 SOFC에 있어서 연료극의 경우 사용하는 연료에 따라 즉, 측정 온도에서의 그 연료가 갖는 산소 분압에 따라서 충전 재료가 산화물로 존재하지 않는 경우가 발생할 수 있다. 예컨대, 700℃에서 순수한 수소를 연료로 사용하는 경우에는 상기 제1 재료 중 Fe, Ni 등은 산화물로 존재하지 않는다. 따라서, 본 발명에서는 충전 재료를 선택함에 있어서 연료극 분위기에 따라서(심지어는 높은 환원성 분위기하에서도) 산화물 형성이 가능한 재료를 충전 재료로서 사용하도록 한다. 물론, 공기극의 경우에는 항상 산화 분위기이므로 당연히 산화물 형성이 가능하다.
상기 제2 재료는, 상기 전극 지지체 재료가 YSZ(yttria-stabilized zirconia)인 경우, 이보다 열팽창 계수가 큰 NiO, Fe2O3, CoO, CuO, ZnO 등으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 금속산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전극 지지체 재료가 NiO 및 YSZ의 복합 재료이거나 또는 NiO 또 는 세리아(ceria)의 복합 재료인 경우, 이보다 열팽창계수가 큰 Pt, Ag, Au, Rh, Ir, Pd, Ru, x가 0.5 이하인 (La1 - XSrX)MnO3, x가 0.5 이하인 (La1 - XCarX)MnO3, x가 0.6 이하인 (La1 - XSrX)CoO3, x가 0.4 이하 그리고 y가 0.8 이하인 (La1 - XSrX)(Co1 - yFey)O3으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 산화물을 상기 제2 재료로서 사용하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 제2 재료로서 열팽창계수가 매우 큰 재료 예를 들어 질석(vemiculate)과 같은 열팽창성 세라믹을 사용하는 것도 바람직하다.
한편, 본 발명에서는, 다공성 확보를 용이하게 하도록 상기 충전 재료로 특히 다공성 확보가 용이한 구형, 체인(chain) 또는 휘스커(whisker)와 같은 입자 분말을 사용하도록 한다. 나아가, 상기 충전 재료와 함께 흑연(graphite)과 같은 기공 형성제를 혼합하여 충전하면 기공율을 높여 다공성을 더욱 용이하게 확보하도록 할 수 있다. 이와 같이 다공성을 확보하는 경우 원활한 기체확산을 유도할 수 있으므로 전극 채널 내부에 공기 및 연료 가스의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있다.
다음으로, 상기 벌집형 SOFC를 적정한 온도까지 열처리함으로써 전극과 집전체 접합에 사용하였던 유기 결합제와 기공 형성제를 제거하도록 한다.
본 발명에서는 원하는 온도까지 열처리하거나 분압을 조절하는 등의 외부 조건의 변화에 의하여 상기 충전 재료의 상변화를 유도하고 이와 같은 상변화 시 충전 재료의 밀도 변화를 이용하는 것에 의하여, 또는 상기 상변화 시 전극 지지체 재료와 충전 재료 간의 열팽창계수 차이를 이용하는 것에 의하여, 채널의 전극과 집전체간의 견고한 물리적 밀착을 용이하게 진행시켜 효율적인 집전을 수행할 수 있다.
스택의 제작 시에는, 채널 크기와 채널간 크기에 알맞는 금속망 예를 들어 백금, 금, 니켈 또는 은의 금속망을 사용하여 집전하고 적층 하도록 한다.
이상과 같이 벌집형 SOFC의 전극 채널에 상변화 시 밀도가 작아지거나 열팽창계수가 벌집형 SOFC의 전극 지지체 재료보다 큰 재료를 충전함으로써 밀도 변화 또는 열팽창 계수 차이와 같은 재료적 특성을 이용하여 집전이 용이하지 않았던 기존의 벌집형 SOFC의 단점을 극복하고 효과적인 집전을 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.
[실시예1]
벌집형 SOFC 구조체 채널 내의 전극에 집전체로 사용할 백금망을 위치시키고 스프레이 접착제(3M의 75 스프레이 접착제)를 사용하여 전극과 집전체를 접합시켰다.
다음으로, 철(Fe) 분말(입자크기 20㎛)과 기공 형성제인 흑연분말을 부피비로 70% 대 30%로 섞어 혼합 분말을 만들고, 이를 상기 집전체가 접합된 전극 채널 내에 충전시킨 후 압력을 가하여 채널 내에 백금망을 고정시켰다.
다음으로, 300℃에서 2시간 열처리함으로써 결합제를 제거하고 다시 900℃로 승온하여 4시간 유지함으로써 기공 형성제인 흑연분말을 제거하였다.
이때, 700℃ 이상에서 첨가한 철 분말은 모두 산화철로 상변화 되는데, 이와 같이 철(9.08 g/cm3)에서 Hematite(Fe2O3)(5.27 g/cm3)로 상변하는 과정에서 밀도 변화(부피 변화)가 발생하여 전극과 집전체 간의 밀착력이 증진되었고 이에 따라 집전 성능이 향상됨을 확인할 수 있었다. 도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 벌집형 고체산화물연료전지를 나타내는 사진이다.
[실시예2]
벌집형 SOFC 구조체 중 전극 채널 내의 전극에 실시예 1과 같은 방법으로 집전체를 접합시켰다. 전극 지지체는 기존의 Ni/YSZ 분말을 사용하였으며 집전체로는 백금망을 사용하였다.
다음으로, 채널 내에 집전체 주위로 열팽창성 세라믹인 질석(vermiculate) 분말을 충전하였다. 상기 세라믹 분말은 가열시 팽창되어 집전체와 전극 간의 밀착력이 증진되었고 이에 따라 집전 성능이 향상됨을 확인할 수 있었다.
도 2는 본 실시예2에 따라서 채널 내에 질석이 충전된 경우 및 충전되지 않은 경우 각각의 임피던스 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2로부터 알 수 있듯이, 임피던스 분석 결과 800℃에서 연료로 수소를 사용하고 산화제로 공기를 사용하였을 때에 본 실시예2에 따라 채널 내에 질석이 충전된 경우 내부 저항(IR)이 0.3Ωcm2에서 0.15Ωcm2로 절반이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따르면, 벌집형 SOFC의 전극 채널 내에서 다공성 충전재의 상변화 또는 열팽창계수 차에 의한 재료 특성을 이용하여 물리적으로 충분한 힘으로 전기 집전체를 전극과 접합되도록 하여 집전을 효율적으로 수행할 수 있다. 나아가, 본 발명은 다공성을 용이하게 확보함으로써 연료전지 전극으로 연료 및 공기 기체가 원활하게 확산될 수 있는 통로를 제공해 줄 수 있다는 장점을 가진다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (18)

  1. 전극 채널 및 상기 전극에 접합되는 집전체를 포함하는 벌집형 SOFC로서,
    상기 집전체가 접합된 전극 채널 내에는 각 전극 분위기에서 산화물 형성이 가능한 재료로서 상변화 시 밀도가 작아지는 제1 재료가 충전되거나 또는 상기 전극 지지체의 재료보다 열팽창 계수가 큰 제2 재료가 충전되거나 또는 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료의 복합 재료가 충전되는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 재료 또는 제2 재료는 구형, 체인(chain)형 또는 휘스커(whisker)형 입자 분말인 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 재료 또는 제2 재료는 기공 형성제와 함께 혼합되어 충전되는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 재료는 산화물 형성시 밀도가 작아지는 금속인 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 재료는 Cr, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 재료는, 상기 전극 지지체 재료가 YSZ(yttria-stabilized zirconia)인 경우, NiO, Fe2O3, CoO, CuO, ZnO 등으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속산화물인 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 재료는, 상기 전극 지지체 재료가 NiO 및 YSZ 또는 세리아(ceria)의 복합 재료인 경우, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; x가 0.5 이하인 (La1 - XSrX)MnO3; x가 0.5 이하인 (La1 - XCarX)MnO3; x가 0.6 이하인 (La1 - XSrX)CoO3; x가 0.4 이하 그리고 y가 0.8 이하인 (La1 - XSrX)(Co1 - yFey)O3;으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 산화물인 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 재료는 열팽창성 세라믹인 질석인 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전체는 Pt, Ag, Au, Ni 또는 Cu이거나 또는 이들 금속의 합금인 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC.
  10. 전극 채널 및 상기 전극에 접합되는 집전체를 포함하는 벌집형 SOFC의 제조 방법으로서,
    상기 전극 채널 내에 각 전극 분위기에서 산화물 형성이 가능한 재료로서 상변화 시 밀도가 작아지는 제1 재료를 충전하거나 또는 상기 전극 지지체의 재료보다 열팽창 계수가 큰 제2 재료를 충전하거나 또는 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료의 복합 재료를 충전하는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 재료 또는 제2 재료로서, 구형, 체인(chain)형 또는 휘스커(whisker)형 입자 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 재료 또는 제2 재료를 기공형성제와 함께 혼합하여 충전하는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 재료로서 산화물 형성시 밀도가 작아지는 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC의 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 재료로서 Cr, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC의 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 재료로서, 상기 전극 지지체 재료가 YSZ(yttria-stabilized zirconia)인 경우, NiO, Fe2O3, CoO, CuO, ZnO 등으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속산화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC의 제조 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 재료로서, 상기 전극 지지체 재료가 NiO 및 YSZ 또는 세리아(ceria)의 복합 재료인 경우, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; x가 0.5 이하인 (La1 - XSrX)MnO3; x가 0.5 이하인 (La1 - XCarX)MnO3; x가 0.6 이하인 (La1 - XSrX)CoO3; x가 0.4 이하 그리고 y가 0.8 이하인 (La1 - XSrX)(Co1 - yFey)O3;으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 산화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC의 제조 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 재료로서 열팽창성 세라믹인 질석을 사용하는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC의 제조 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 집전체로서 Pt, Ag, Au, Ni 또는 Cu를 사용하거나 또는 이들 금속의 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 벌집형 SOFC의 제조 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100960870B1 (ko) * 2008-09-17 2010-06-04 한국과학기술연구원 벌집형 고체산화물연료전지의 단전지, 이를 이용한 스택 및이들의 제조방법

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3022789A4 (en) * 2013-07-16 2017-01-11 Saan Energi AB A fuel cell and a support layer therefore
US9987825B2 (en) * 2014-10-03 2018-06-05 Ngk Insulators, Ltd. Joined body and method for manufacturing the same
CN111029592B (zh) * 2019-10-28 2022-06-24 南京工业大学 一种蜂窝状高性能的固体氧化物可逆电池氢电极材料及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR920005401A (ko) * 1990-08-01 1992-03-28 디. 씨. 에이블스 고체 산화물 전해질 전기 화학 전지용의 얇은 관형 자체-지지전극
JPH06103985A (ja) * 1992-09-22 1994-04-15 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体電解質燃料電池
JPH09241076A (ja) * 1996-03-06 1997-09-16 Toto Ltd 導電性セラミックス及び固体電解質型燃料電池
US20040146765A1 (en) 2001-01-26 2004-07-29 Christophe Chaput Oxide ion conductive ceramic membrane stacked microstructures; use for separating oxygen from air

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1237537B (it) * 1989-12-22 1993-06-08 Sigma Tau Ind Farmaceuti Valproato di magnesio cristallino e procedimento per la sua preparazione
JP3215650B2 (ja) * 1996-05-23 2001-10-09 日本碍子株式会社 電気化学セル、その製造方法および電気化学装置
JP3674840B2 (ja) * 2000-11-28 2005-07-27 日産自動車株式会社 燃料電池用スタック及びその製造方法
US7208246B2 (en) * 2002-07-23 2007-04-24 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fuel cell with integrated heater and robust construction
US20050221163A1 (en) * 2004-04-06 2005-10-06 Quanmin Yang Nickel foam and felt-based anode for solid oxide fuel cells

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR920005401A (ko) * 1990-08-01 1992-03-28 디. 씨. 에이블스 고체 산화물 전해질 전기 화학 전지용의 얇은 관형 자체-지지전극
JPH06103985A (ja) * 1992-09-22 1994-04-15 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体電解質燃料電池
JPH09241076A (ja) * 1996-03-06 1997-09-16 Toto Ltd 導電性セラミックス及び固体電解質型燃料電池
US20040146765A1 (en) 2001-01-26 2004-07-29 Christophe Chaput Oxide ion conductive ceramic membrane stacked microstructures; use for separating oxygen from air

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100960870B1 (ko) * 2008-09-17 2010-06-04 한국과학기술연구원 벌집형 고체산화물연료전지의 단전지, 이를 이용한 스택 및이들의 제조방법
US8778564B2 (en) 2008-09-17 2014-07-15 Korean Institute Of Science And Technology Unit cell of honeycomb-type solid oxide fuel cell, stack using the unit cell and method manufacturing the unit cell and stack

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