KR100793155B1 - Fabrication method for unit cell of solid oxide fuel cell - Google Patents

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장재하
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Abstract

A method for manufacturing a unit cell of a solid oxide fuel cell is provided to produce the unit cell having high reaction activity, high thermal cycle stability, increased production yield, excellent performances, and improved economic efficiency. A method for manufacturing a unit cell of a solid oxide fuel cell includes the steps of: forming a negative electrode supporter(10) having a composition comprising 40-60wt% of nickel oxide and 40-60wt% of stabilized zirconia; forming a first functional layer(11) on the negative electrode supporter using a mixture having a composition comprising 30-45wt% of nickel oxide and 55-70wt% of stabilized zirconia; forming a second functional layer(12) beneath the negative electrode supporter using a mixture having a composition comprising 55-70wt% of nickel oxide and 30-45wt% of stabilized zirconia; forming an electrolyte layer(13) on the first functional layer using poreless, compact stabilized zirconia; forming a third functional layer(14) beneath the second functional layer, wherein the third functional layer has the same composition as the electrolyte layer and comprises many pores; and forming a positive electrode layer(15) on the electrolyte layer, wherein the positive electrode layer is formed of any one selected from lanthanum-strontium-manganese oxide or lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide.

Description

고체산화물 연료전지용 단위전지의 제조방법{Fabrication Method for Unit Cell of Solid Oxide Fuel Cell}Fabrication Method for Unit Cell of Solid Oxide Fuel Cell}

도1은 본 발명의 단위전지의 구조를 나타낸 모식도.1 is a schematic diagram showing the structure of a unit cell of the present invention.

※도면의 주요부분에 대한 부호 설명※※ Explanation of symbols on main parts of drawing ※

10 : 음극지지체 11 : 제1기능 층10: cathode support 11: first functional layer

12 : 제2기능 층 13 : 전해질 층12 second functional layer 13 electrolyte layer

14 : 제3기능 층 15 : 양극 층14: third functional layer 15: anode layer

본 발명은 고체산화물 연료전지용단위전지의 제조방법에 관한 것으로, 높은 활성과 열 사이클 안정성을 가짐은 물론, 소결 후 냉각 시 휨 현상을 방지하여 보다 우수한 성능을 나타내면서 제조 수율이 향상된 고체산화물 연료전지(SOFC)용 단위전지(cell)의 제조방법에관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a unit cell for a solid oxide fuel cell, and has a high activity and thermal cycle stability, as well as prevents warpage during cooling after sintering and shows better performance while improving the production yield of a solid oxide fuel cell ( The present invention relates to a method for manufacturing a unit cell for an SOFC.

통상적으로 연료전지라 함은 수소나 천연가스 등의 연료를 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 것을 의미하는 것으로서, 높은 효율과 무공해, 무소음 등의 특성으로 인하여 미래의 주요한 에너지 기술의 하나로 인식되고 있다. In general, a fuel cell is meant to generate electricity by reacting a fuel such as hydrogen or natural gas with oxygen, and is recognized as one of the main energy technologies of the future due to characteristics such as high efficiency, pollution-free, and noise.

연료전지에는 여러 가지 종류가 있는데 이중 고체산화물연료전지(SOFC)는 전해질로서 고체산화물인 지르코니아 세라믹스(ZrO2)나 세리아(CeO2) 또는 란타늄-스트론튬-가돌리늄-마그네슘 산화물(LSGM)을 사용하는 것을 지칭한다. (이 때 상기의 고체산화물들은 고온에서의 열적 안정성과 이온 전도성을 향상시키기 위한 목적으로 통상 이트리아(Y2O3), 세리아(CeO2), 스칸디아(Sc2O3) 산화가돌리늄(Gd2O3) 등의 안정화제를적당량 함유하고 있다.)There are several types of fuel cells. The double solid oxide fuel cell (SOFC) uses zirconia ceramics (ZrO 2 ) or ceria (CeO 2 ) or lanthanum-strontium-gadolinium-magnesium oxide (LSGM) as solid electrolytes. Refers to. The solid oxides are generally yttria (Y 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ), scandia (Sc 2 O 3 ) gadolinium oxide (Gd 2 ) for the purpose of improving thermal stability and ionic conductivity at high temperature. O 3) and it contains an appropriate amount of stabilizing jereul etc.)

고체산화물 연료전지(SOFC)의 단위 셀은 상기 고체 전해질들을 가운데 두고 한쪽 면에는 음극 재료를 그리고 다른 쪽 면에는 양극 재료를 부착한 형태로 만들어 진다. 통상적인 음극재료로서는 산화니켈(NiO)과 안정화 지르코니아의 혼합물이 사용되고 있으며, 양극 재료로서는란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM)이나 또는 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF) 등이 사용되고 있다. A unit cell of a solid oxide fuel cell (SOFC) is formed in the form of a cathode material on one side and a cathode material on the other side with the solid electrolytes in the center. As a conventional cathode material, a mixture of nickel oxide (NiO) and stabilized zirconia is used, and lanthanum-strontium-manganese oxide (LSM), lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF), or the like is used as the anode material.

종래의 고체산화물 연료전지(SOFC)의 단위 셀 제조방법으로는 먼저 200㎛ 10㎛의 치밀한 전해질 소결체를 로에서 소결하여 제조한 뒤 한쪽 면에는 음극재료를 그리고 다른 쪽 면에는 양극재료를 코팅하여 열처리함으로써 제작하는 방법(전해질 지지형)이다.In the conventional method of manufacturing a unit cell of a solid oxide fuel cell (SOFC), a dense electrolyte sintered body having a thickness of 200 μm and 10 μm is first sintered in a furnace, followed by heat treatment by coating a cathode material on one side and an anode material on the other side. By producing (electrolyte support type).

또 다른 방법으로는먼저 음극재료(NiO와 지르코니아 분말의 혼합체)를 통상적인 세라믹스 성형공정에 따라 1mm ± 10㎛로 성형하고 상대적 저온(통산1300 - 1400℃)에서 1차 소결하여 예비 소결체로 제작한 뒤, 그 위에 고체산화물인 전해질을 통상적인 세라믹스 코팅 방법(슬러리 코팅이나 스프레이 코팅 등)으로 5 - 20㎛ 코팅한 뒤 소결로에서 1400-1500oC의온도구간에서 1 - 5시간 유지하는 방법으로 2차 소결을 행하고, 다시 상기의 전해질 층의 윗면에 양극재료(LSM이나 LSCF 등)를 코팅하고 상기와 유사한 방법으로 3차 소결을 행하여 소결체로 제작하는 방법(음극 지지형)이 알려져 있다. As another method, first, the negative electrode material (mixture of NiO and zirconia powder) is molded into 1mm ± 10㎛ according to the conventional ceramic molding process, and firstly sintered at a relatively low temperature (1300-1400 ℃) to make a pre-sintered body. On the other hand, the electrolyte, which is a solid oxide, is coated on a surface of 5 to 20㎛ by a conventional ceramic coating method (slurry coating or spray coating, etc.), and then maintained at a temperature range of 1400-1500 o C in a sintering furnace for 1 to 5 hours. A method of producing a sintered body by performing secondary sintering, coating an anode material (LSM, LSCF, etc.) on the upper surface of the electrolyte layer again, and tertiary sintering by a method similar to the above is known (cathode supported type).

상기의 음극지지형 고체산화물 연료전지에사용되는 음극재는 단위 셀 구조를 지탱하기 위한 적당한 강도를 가짐과 아울러 연료 기체(주로 수소나 천연가스 등)가 충분히 투과하여 반응할 수 있도록 높은 기공율과 기체 투과성을 가져야만 한다. The negative electrode material used in the anode-supported solid oxide fuel cell has a moderate strength to support the unit cell structure, and high porosity and gas permeability so that the fuel gas (mainly hydrogen or natural gas, etc.) can sufficiently penetrate and react. Must have

이러한 음극재의 제조방법은 주로 통상적인 세라믹스 제조방법을따르는데, 즉 NiO와 안정화 지르코니아 분말의 혼합체에 소결 도중 치밀화 현상을 방해하여 기공이 남도록 하는 첨가제(기공 형성제 주로 카본이나 녹말 등)를 첨가하여 성형한 뒤 소결하는 방법이 알려져 있다.The manufacturing method of the negative electrode material mainly follows the conventional ceramic manufacturing method, that is, by adding an additive (pore former mainly carbon or starch, etc.) to the mixture of NiO and stabilized zirconia powder to prevent the densification phenomenon during the sintering to leave pores. A method of sintering after molding is known.

그러나 상기의 음극지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)용 단위전지의 제조방법에는 몇 가지의 아직 해결되지 못한 문제점들이 남아 있는데, 그 남아 있는 문제점은 음극 층의 입자들이 조대함에 따른 가스 반응 활성의 부족과 연료전지 운전 시 필수적으로 발생하는 열 사이클에 대한 낮은 안정성, 그리고 전해질 층과 음극 층의 수축률 차이로 인한 휨 현상 때문에 제조 시 불량률이 높다는 것 등이 그 것이다. However, there are some unresolved problems in the method of manufacturing a unit cell for an anode-supported solid oxide fuel cell (SOFC). The remaining problem is the lack of gas reaction activity due to the coarse particles in the anode layer. This is due to the low stability against thermal cycles that are indispensable in the operation of fuel cells and high failure rates due to warpage due to the shrinkage difference between the electrolyte layer and the cathode layer.

상기 음극재의 활성이 부족해지는 이유는 음극재의 제조 시 충분한 기공율을 확보하기 위하여 즉 소결 중의 치밀화를 지연시키기 위하여서는 출발 물질인 NiO와 안정화 지르코니아를 조대입자로 사용하여야만 하기 때문인데 이에 따라 소결 후의 음극재 내부에 가스 반응이 일어나는 삼상접점(TPB; Triple Phase Boundary)이 충분히 형성되지 못하게 되기 때문이다. The reason for the lack of activity of the negative electrode material is that in order to secure sufficient porosity during the production of the negative electrode material, that is, to delay the densification during sintering, the starting material NiO and stabilized zirconia must be used as coarse particles. This is because a triple phase boundary (TPB) in which a gas reaction occurs inside is not sufficiently formed.

이러한 음극재의 활성 부족을 해결하기 위한 방안으로서는 음극지지체(음극층의 대부분을 차지하는 본체)와 전해질 층의 사이에 음극지지체와 동일한 조성을 가지면서 입자 크기만 보다 미세한(1㎛ 이하) 기능 층(FL; Functional Layer)을 수십 ㎛ 정도로 얇게 삽입하는 방안이 알려져 있다. As a solution for the lack of the active material of the negative electrode material, the functional layer (FL) having a finer particle size (less than 1 μm) having the same composition as the negative electrode support between the negative electrode support (the main body occupying most of the negative electrode layer) and the electrolyte layer; It is known to insert a functional layer as thin as several tens of micrometers.

두 번째로 음극재(또는 음극재와 전해질 계면)의 열 사이클 안정성이 낮은 이유는 두 가지 원인으로 설명되는데, 먼저 통상 고체산화물 연료전지에서 음극재는 NiO와 안정화 지르코니아의 혼합물(통상 5:5 조성)로 이루어지는 반면 음극재와 접촉하는 전해질층은 안정화 지르코니아단독으로 이루어지기 때문에 두 층간의 열팽창계수의 차이에 의하여 열사이클(승온 및 냉각) 시 열응력이 발생하게 되어 음극재와 전해질 계면에 균열이 발생하게 되는 것이 한 가지 원인이다.Second, the reason why the thermal cycle stability of the negative electrode material (or the negative electrode material and the electrolyte interface) is low is explained by two reasons. First, in the solid oxide fuel cell, the negative electrode material is a mixture of NiO and stabilized zirconia (typically 5: 5 composition). On the other hand, since the electrolyte layer in contact with the negative electrode material is made of stabilized zirconia alone, thermal stress occurs during the thermal cycle (heating and cooling) due to the difference in thermal expansion coefficient between the two layers, causing cracks at the interface between the negative electrode material and the electrolyte. It is one cause.

또 한 가지는 연료전지 운전 중의 Ni의 산화/환원 반응(발전 운전 중에는 음극측에 수소나 메탄기체 등의 불활성 분위기가 형성되지만 냉각 중에는 공기 분위기가 형성됨에 따라 음극층 속의 Ni이 산화/환원 반응을 일으키게 된다.)에 수반하는 부피의 변화로 인하여 음극재 내부에 균열이 발생하게 되는 것이 원인이 된다. Another is the oxidation / reduction reaction of Ni during fuel cell operation (inert power is generated in an inert atmosphere such as hydrogen or methane gas on the cathode side during power generation operation, but during cooling, the Ni in the cathode layer causes the oxidation / reduction reaction to occur. Due to the change in volume accompanied by), the crack is generated inside the negative electrode material.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 일부 연구자들은 고체산화물연료전지의 운전 종료 후 냉각기에도 음극측에 지속적으로수소나 메탄 기체를 투입함으로써 Ni의 산화/환원 반응을 억제하는 방법을 사용하고 있으나 이 방법은 연료전지의 운전 비용을 증가시키기 때문에 경제성이 떨어지는 단점이 존재하게 된다. In order to solve this problem, some researchers use a method of suppressing the oxidation / reduction reaction of Ni by continuously injecting hydrogen or methane gas to the cathode after the operation of the solid oxide fuel cell is finished. Because of the increase in the operating cost of the economical disadvantages are present.

세 번째로 고체산화물연료전지용 단위전지의 제조 시에 불량률이 높은 이유는 음극재 상면에 전해질층을 코팅하여 동시 소결을 행할 때 소결 도중과 소결 후 냉각기간에전해질층이 수축하는 정도와 하부의 음극재가 수축하는 정도가 다르기 때문에 어느 한쪽 방향으로 휨 현상이 발생하는 것이 주원인으로 알려져 있다.Third, the reason why the defect rate is high during the production of the unit cell for the solid oxide fuel cell is that the electrolyte layer is coated on the upper surface of the anode material and the degree of shrinkage of the electrolyte layer during the sintering and the cooling period after the sintering and Since the degree of shrinkage is different, it is known that the warpage phenomenon occurs in either direction.

본 발명은 상기의 문제점들을해결하기 위하여 발명된 것으로서, 고체산화물 연료전지(SOFC)용 단위전지를 제조할 때 음극재의 상/하 양측에 조성이 다른 다수의 기능 층을 코팅함으로써 높은 반응 활성과 열 사이클 안정성을 가지면서 동시에 제조 시의 수율의 향상이 가능하도록 함으로서 보다 우수한 성능을 가지면서 경제성이 향상된 고체산화물 연료전지용 단위전지의 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the above problems, when manufacturing a unit cell for a solid oxide fuel cell (SOFC), by coating a plurality of functional layers of different compositions on the upper and lower sides of the negative electrode material, high reaction activity and heat It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a unit cell for a solid oxide fuel cell having better performance and improved economic efficiency by enabling cycle stability and improving yield at the same time.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 산화니켈 40-60중량% : 안정화 지르코니아 40-60중량%의 조성비를 갖는 음극지지체를 형성하는 단계The present invention for achieving the above object is a step of forming a negative electrode support having a composition ratio of 40-60% by weight nickel oxide: stabilized zirconia 40-60% by weight

상기 음극지지체 상면에 산화니켈 30-45중량% : 안정화 지르코니아55-70중량%의 조성비를 갖는 혼합물로 제1기능 층을 형성하는 단계 Forming a first functional layer of a mixture having a composition ratio of nickel oxide 30-45% by weight: stabilized zirconia 55-70% by weight on the upper surface of the negative electrode support

상기 음극지지체의 하면에 산화니켈 55∼70중량% : 안정화 지르코니아 30~45중량%의 조성비를 갖는 혼합물로 제2기능 층을 형성하는 단계 Forming a second functional layer from a mixture having a composition ratio of nickel oxide 55 to 70 wt%: stabilized zirconia 30 to 45 wt% on the lower surface of the anode support;

상기 제1기능 층의 상면에 기공이 거의 없는 치밀한 안정화 지르코니아로 전해질 층을 형성하는 단계 Forming an electrolyte layer with dense stabilized zirconia having almost no pores on the upper surface of the first functional layer

상기 제2기능 층의 하면에는 전해질 층과 같은 조성을 갖고 다수의 구멍을 포함한 제3기능 층을 형성하는 단계 Forming a third functional layer on the bottom surface of the second functional layer and having the same composition as the electrolyte layer and including a plurality of holes;

상기 전해질 층의 상면에 란타늄-스트론튬-망간 산화물이나 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물 중 어느 하나의 양극 층을 형성하는 단계로 이루어진다.Forming an anode layer of either lanthanum-strontium-manganese oxide or lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide on the upper surface of the electrolyte layer.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 고체산화물 연료전지용 단위전지의 제조방법을상세하게 설명하면 다음과 같다.Referring to the method of manufacturing a unit cell for a solid oxide fuel cell of the present invention having the above configuration in detail as follows.

음극지지체(10) 원료로서 산화니켈(NiO) 40-60중량% : 안정화 지르코니아(SZ: Stabilized Zirconia) 40-60중량%의 조성비를 갖도록 조성하고 이에 기공형성제(카본이나 녹말 등)와 유기결합제(binder) 및 분산제(dispersant)를 첨가하여 혼합한 뒤 통상적인 제조공정에 따라 성형하고 소결하여 음극지지체를 제조한다. 이 때 음극지지체의 두께는 0.5 ~ 1mm로 함이 바람직하다.Nickel oxide (NiO) 40-60% by weight as a raw material of the negative electrode support (10): Stabilized Zirconia (SZ: Stabilized Zirconia) 40-60% by weight of the composition and the pore forming agent (carbon or starch, etc.) and organic binder (Binder) and the dispersant (dispersant) is added and mixed, followed by molding and sintering according to a conventional manufacturing process to prepare a negative electrode support. At this time, the thickness of the negative electrode support is preferably 0.5 ~ 1mm.

상기와 같이 제조된 음극지지체의 상면(전해질과 접촉하게 되는 면)에는 산화니켈 30-45중량% : 안정화 지르코니아55-70중량%의 비율로 혼합하여 제조된 혼합물을 5-50㎛두께로 코팅하여 제1기능 층(11)을 형성한다.The upper surface of the negative electrode support prepared as described above (the surface in contact with the electrolyte) was coated with a mixture prepared by mixing a mixture of nickel oxide 30-45% by weight: stabilized zirconia 55-70% by weight with a thickness of 5-50 μm. The first functional layer 11 is formed.

그리고 음극지지체의 하면(전해질과 접촉하는 면의 반대 쪽 면)에는 산화니켈 55-70중량% : 안정화 지르코니아 45-30중량%의 비율로 혼합하여 제조한 혼합물 을 5-50㎛ 두께로 코팅하여 제2기능 층(12)을 형성한다.On the lower surface of the negative electrode support (the side opposite to the surface in contact with the electrolyte), a mixture prepared by mixing 55-70% by weight of nickel oxide: 45-30% by weight of stabilized zirconia was coated with a thickness of 5-50 μm. The bifunctional layer 12 is formed.

이때 상기 제1기능 층 및 제2기능 층의 코팅의 방법은 딥코팅(dip coating) 이나 스프레이 코팅(spray coating) 또는 스크린 프린팅(screen printing)의 방법 중 어느 하나를 선택하여 사용한다.At this time, the coating method of the first functional layer and the second functional layer is selected by any one of the method of dip coating, spray coating or screen printing.

또한 상기 기능 층들은 5-50㎛ 두께의 단일 층으로 코팅할 수도 있으며 상기 제1기능 층의 경우 음극지지체 측에서 전해질 측으로 갈수록 산화니켈의함량이 줄어드는 방향으로 그리고 제2기능 층의 경우 음극지지체에서 멀어질수록산화니켈의 함량이 늘어나는 방향으로 경사 조성(composition gradient)을 갖는 복수의 층으로 코팅할 수도 있다.In addition, the functional layers may be coated with a single layer having a thickness of 5-50 μm. In the case of the first functional layer, the amount of nickel oxide decreases from the cathode support side to the electrolyte side, and in the case of the cathode support in the second functional layer. It may be coated with a plurality of layers having a composition gradient in a direction in which the nickel oxide content increases as the distance increases.

예를 들면, 제1기능 층의 경우 음극지지체 위에 산화니켈과 지르코니아의 조성비를 40:60중량%로 한 층과 35:65중량%인 층 그리고 30:70중량%인 층을 순차적으로 코팅하여 경사 조성을 갖는 기능 층을 제조할 수도 있으며 제2기능 층의 경우는 산화니켈과 지르코니아의 조성비가 60:40중량%인 층과 65:35중량%인 층 그리고 70:30중량%인 층을 순차적으로 코팅하여 경사 조성을 갖는 기능 층을 제조할 수도 있다.For example, the first functional layer is inclined by sequentially coating a layer having a composition ratio of nickel oxide and zirconia 40: 60% by weight, a layer 35: 65% by weight and a layer 30: 70% by weight on the cathode support. A functional layer having a composition may be prepared, and in the case of the second functional layer, a coating layer of nickel oxide and zirconia having a composition ratio of 60: 40% by weight, a layer of 65: 35% by weight, and a layer of 70: 30% by weight is sequentially coated. It is also possible to produce a functional layer having a gradient composition.

상기와 같이 하여 제조된 음극지지체 상면의 제1기능 층은 그 조성이 기존의 음극재와 비교하여 산화니켈의 함량이 더 적고 안정화 지르코니아의 함량이 더 많기 때문에 음극재와 전해질 층의 열팽창 계수의 정합성을 향상시켜 열 사이클 시 열응력에 의한 균열의 발생을 억제하는 효과를 가져 오게 된다. The first functional layer of the upper surface of the negative electrode support prepared as described above has a smaller nickel oxide content and a higher content of stabilized zirconia than the conventional negative electrode material, so that the coefficient of thermal expansion of the negative electrode material and the electrolyte layer is consistent. This results in the effect of suppressing the occurrence of cracking due to thermal stress during the thermal cycle.

또한 상기 제1기능 층을 형성할 때 통상적인 고체산화물 연료전지용 기능 층 제조방법에서와 같이 기능 층 제조에 사용되는 산화니켈과 안정화 지르코니아 분말들을 음극지지체 제조에 사용된 분말들 보다 미세한 분말들을 사용함으로써 전해질과의 계면에 삼상접점을 증가시켜 가스 반응 활성을 향상시키는것도 가능하게 된다. Also, when the first functional layer is formed, nickel oxide and stabilized zirconia powders used for manufacturing the functional layer are finer than those used for the production of the negative electrode support, as in the conventional method for manufacturing a functional layer for a solid oxide fuel cell. It is also possible to improve the gas reaction activity by increasing the three-phase contact at the interface with the electrolyte.

또 상기 제2기능 층은 그 조성이 종래의 음극재와 비교하여 산회니켈의 함량이 더 많게 되어 있는데 이렇게 한 이유는 다음과 같다.In addition, the second functional layer has a higher content of acidic nickel than its conventional negative electrode material, and the reason for doing this is as follows.

먼저 고체산화물 연료전지가 고온에서 작동되고 있을 때에는 음극재 속의 산화니켈이 연료기체(수소나 메탄 등)에 의해 환원되어 금속 니켈(Ni)의 상태로 존재하다가 운전 종료 후 냉각 시에는 연료의 투입이 중단되므로주변의 공기에 의해 산화 반응을 일으키게 된다. 이때 니켈의 산화반응에는 큰 부피팽창이 동반하여 일어나게 되는데 이러한 부피팽창이 음극재 내부 또는 음극재와 전해질 계면에 균열을 발생시켜 단위전지의 열화 및 파괴를 야기 시키는 주요 요인으로 알려져 있다.First, when the solid oxide fuel cell is operated at high temperature, nickel oxide in the negative electrode material is reduced by the fuel gas (hydrogen or methane, etc.) to exist in the state of metal nickel (Ni). As it is interrupted, the surrounding air causes oxidation reaction. At this time, the oxidation reaction of nickel is accompanied by a large volume expansion, which is known as a major factor causing the degradation and destruction of the unit cell by causing cracks in the negative electrode material or the interface between the negative electrode material and the electrolyte.

그러나 본 발명에서와같이 음극재의 하면-즉 연료가스가 투입되는 측에 산화니켈의 함량을 55-70중량%까지 증가시킨 기능 층을 두게 되면 연료전지의 운전 종료 후 연료가스의 주입이 중단되고 공기가 투입될 때 하면 기능 층 속의 니켈 입자들이 먼저 산화되어 부피가 팽창하면서 공기가 들어오는 입구를 막는 효과를 나타내어 음극재 내부 특히 음극재와 전해질의 계면에 존재하는 니켈 입자들의 산화반응을연료전지가 충분히 냉각되어 더 이상의 산화반응이 일어나지 않을 시간까지 지연시킴으로서 음극재 내부 또는 음극재와 전해질 계면에 균열이 발생하는 것을 억제하는 효과를 가져오게 된다.However, as in the present invention, if the functional layer having the nickel oxide content increased to 55-70% by weight is placed on the lower surface of the negative electrode material, that is, the fuel gas is injected, the injection of fuel gas is stopped after the operation of the fuel cell is stopped. When is added, the nickel particles in the functional layer are first oxidized to expand the volume and block the air inlet, so that the fuel cell can sufficiently oxidize the nickel particles in the anode material, especially at the interface between the anode material and the electrolyte. The cooling is delayed until the time when no further oxidation reaction occurs, thereby bringing about the effect of suppressing the occurrence of cracks in the negative electrode material or the interface between the negative electrode material and the electrolyte.

한편, 상기와 같이 하여 제조되는 본 발명의 음극재 상/하면의 각 기능 층의 두께를 5-50㎛로 제한하는 이유는, 먼저 기능 층의 두께를 5㎛ 이하로 할 경우는 두께가 너무 얇아 기능 층으로서의 작용을 하지 못하게 되며 또한 기능 층의 두께를 50㎛ 이상으로 할 경우는 그 두께가 너무 두꺼워서 연료기체의 흐름에 방해가 되거나 또는 음극지지체와의 조성 차이에 따르는 미세한 열팽창계수의 차이에 의한 열응력을 견디지 못하고 박리되거나 하여 그 기능을 하지 못하게 될 위험성이 있기 때문에 상/하면 기능 층의 두께는 5-50㎛ 정도로 하는 것이 바람직하게되는 것이다.On the other hand, the reason for limiting the thickness of each functional layer on the upper and lower surfaces of the negative electrode material of the present invention manufactured as described above is 5-50 μm, when the thickness of the functional layer is 5 μm or less, the thickness is too thin. If the thickness of the functional layer is not larger than 50 µm, the thickness of the functional layer is too thick, which hinders the flow of fuel gas or due to the difference in the coefficient of thermal expansion due to the difference in composition with the cathode support. It is preferable that the thickness of the upper and lower functional layers is about 5-50 μm because there is a risk of not being able to withstand thermal stress and peeling off and not functioning.

또한 본 발명의 음극재에서 상면 즉 제1기능 층의 산화니켈 : 안정화 지르코니아의 조성비를30-45 :55-70중량% 범위로 한정하는 이유는, 먼저 산화니켈의 함량이 45중량% 이상일 때에는 산화니켈의 함량을 줄이고 안정화 지르코니아의 양을 늘여서 열팽창계수의 정합성을 높이려는 제1기능 층 본래의 목적을 달성하지 못하게 되며, 또한 산화니켈의 함량이 30중량% 보다 적을 때에는 전해질 계면에서 기체 이온화 반응의 촉매로 작용하는 니켈의 함량이 부족하게 되어 즉, 삼상접점이 부족하게 되어 전지의 활성을 떨어뜨리는 결과를 가져오게 되기 때문에 제1기능 층 속의 산화니켈의 함량은 30-45중량%로 하는 것이 바람직하다.In addition, the reason for limiting the composition ratio of nickel oxide: stabilized zirconia on the upper surface, that is, the first functional layer, in the negative electrode material of the present invention is in the range of 30-45: 55-70% by weight. The purpose of the first functional layer to reduce the content of nickel and increase the amount of stabilizing zirconia to increase the coherence of the coefficient of thermal expansion is not achieved. It is preferable that the content of nickel oxide in the first functional layer is 30-45% by weight because the amount of nickel acting as a catalyst is insufficient, that is, the lack of three-phase contact results in deterioration of battery activity. Do.

또한 본 발명의 음극재에서 제2기능 층의 산화니켈 : 안정화 지르코니아의 조성비를 55-70중량% : 30-45중량% 범위로 한정하는 이유는, 먼저 산화니켈의 함량이 55중량% 보다 적을 때에는 산화니켈의 함량을 늘임으로써 연료전지의 냉각 시 산화방지층을 형성하려는 제2기능 층 본래의 목적을 달성하지 못하게 되며 또한 산 화니켈의 함량이 70중량% 보다 많을 때에는 초기 산화 시에 일어나는 제2기능 층 속의 니켈입자들의 부피팽창이 과도하게 되어 제2기능 층 자체의 파괴를 야기할 위험성이 있기 때문에 제2기능 층 속의 산화니켈의함량은 55-70중량%로 하는 것이 바람직하다. In addition, the reason for limiting the composition ratio of nickel oxide: stabilized zirconia of the second functional layer to the range of 55-70% by weight: 30-45% by weight in the negative electrode material of the present invention is that when the content of nickel oxide is less than 55% by weight By increasing the content of nickel oxide, the second functional layer intended to form an anti-oxidation layer during cooling of the fuel cell does not achieve its original purpose, and when the content of nickel oxide is more than 70% by weight, the second function occurs during initial oxidation. The nickel oxide content in the second functional layer is preferably 55-70% by weight because the volume expansion of the nickel particles in the layer is excessive and there is a risk of causing destruction of the second functional layer itself.

상기와 같이 제조된 음극재의 상면에는 안정화 지르코니아를 통상적인 코팅방법에 따라 5-20㎛ 두께로 코팅하여 전해질 층(13)을 형성시키는데, 이 때 이 전해질 층(13)은 통상적인 소결온도(1400 ~ 1500℃)에서 소결하였을 때 기공이 거의 없는 치밀한 층이 형성되도록 코팅을 한다.On the upper surface of the anode material prepared as described above, the stabilized zirconia is coated with a thickness of 5-20 μm according to a conventional coating method to form an electrolyte layer 13, wherein the electrolyte layer 13 has a conventional sintering temperature (1400). When the sintered at ~ 1500 ℃) is coated to form a dense layer with little pores.

또한 상기의 음극재의 하면에는 안정화 지르코니아를 상면의 전해질 층과 동일한 두께로 통상적인 코팅방법에 따라 코팅하여 제3기능 층(14)을 형성시키는데 이때 상기 제3기능 층은 연료가스가 충분히 통과하여 음극재에 다다를 수 있도록 면적비로 50-70%의 구멍을 포함하는 형태(예를 들면 격자 무늬형태)로 코팅을 한다.In addition, the lower surface of the negative electrode material is coated with a stabilizing zirconia in the same thickness as the electrolyte layer on the upper surface according to a conventional coating method to form a third functional layer 14, wherein the third functional layer is a cathode through the fuel gas sufficiently passes through The coating should be in the form of a lattice, with 50-70% of the pores in an area ratio to reach the ash.

이와 같이 음극재의 하면에 안정화 지르코니아만으로 이루어진 제 3기능 층을 형성하는 이유는, 전해질 층의 코팅 후 이루어지는 동시 소결 공정에서 전해질 층과 음극 층의 조성 차이로 인한 수축률의 차이가 발생하게 되는데 이때 전해질 층과 동일한 조성과 두께를 갖는 제3기능 층이 전해질 층의 반대 면에 존재함으로써 수축률 차이에 기인하는 응력이 상하 양면에 거의 같이 작용함으로써 소결 공정에서의 휨 현상을 방지하는 효과를 얻을 수 있게 된다. The reason for forming the third functional layer composed of stabilizing zirconia only on the lower surface of the negative electrode material is a difference in shrinkage due to the difference in composition between the electrolyte layer and the negative electrode layer in the simultaneous sintering process formed after the coating of the electrolyte layer. Since the third functional layer having the same composition and thickness is present on the opposite side of the electrolyte layer, the stress due to the difference in shrinkage acts on both the upper and lower sides, thereby obtaining an effect of preventing warpage in the sintering process.

한편 상기 제3기능 층에 포함되는 구멍들의 면적 비를 50-70%로 제한하는 이 유는 구멍들의 비가 50% 이하일 때는 연료가스가 통과할 수 있는 면적이 충분치 못하여 연료전지의 성능을 저하시킬 위험이 존재하며, 또한 구멍들의 면적비가 70% 이상일 때 즉 제3기능 층의 안정화 지르코니아의 양이 30% 이하일 때는 기능 층 속의 고체분율이 부족하여 전체 면적에 고른 응력을 전달하지 못할 가능성이 크기 때문이다.On the other hand, the reason for limiting the area ratio of the holes included in the third functional layer to 50-70% is that when the ratio of the holes is 50% or less, there is not enough area for the fuel gas to pass through, which lowers the performance of the fuel cell. This is because when the area ratio of the holes is 70% or more, that is, when the amount of stabilizing zirconia of the third functional layer is 30% or less, there is a high possibility that the solid fraction in the functional layer is insufficient to transmit even stress over the entire area. .

상기와 같이 하여 전해질 층의 형성이 끝난 음극재의 상면-즉 치밀한 전해질 층의 상면에는 통상적인 방법에 따라 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM)이나 또는 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF) 등의 양극재를 코팅하고 열처리하여 고체산화물 연료전지용 단위전지로 완성되게 된다.The upper surface of the negative electrode material in which the electrolyte layer has been formed as described above—that is, the upper surface of the dense electrolyte layer—is lanthanum-strontium-manganese oxide (LSM) or lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF) or the like according to a conventional method. The cathode material is coated and heat treated to complete a unit cell for a solid oxide fuel cell.

이하 본 발명을 실시 예를 통하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples.

[실시예]EXAMPLE

본 발명의 실험에서는고체산화물 연료전지용 음극재를 제작하기 위하여 먼저 상용의 산화니켈 분말과 안정화 지르코니아 분말을 50:50으로 혼합한 조성에 유기결합제로서 PVB(Polyvinyl-butiral)를 3% 그리고 기공형성제로서 상용의 카본블랙을 25v/o 첨가한 뒤 에탄올(ethanol)을 혼합매체로 하여 통상적인 세라믹스 혼합공정에 따라 볼밀(Ball Mill)에서 24시간 습식 혼합하였다. In the experiment of the present invention, in order to prepare a negative electrode material for a solid oxide fuel cell, 3% of PVB (Polyvinyl-butiral) and a pore-forming agent were first used as an organic binder in a 50:50 mixture of commercial nickel oxide powder and stabilized zirconia powder. 25 v / o of commercially available carbon black was added, followed by wet mixing in a ball mill for 24 hours in a conventional ceramic mixing process using ethanol as a mixed medium.

상기 혼합 후 건조가 완료된 분말들은 통상적인 세라믹스 제조공정에 따라 성형하고 소결하여 한 변이 50mm 이고 두께가 1mm인 음극지지체를 제작하였다. After the mixing, the dried powders were molded and sintered according to a conventional ceramic manufacturing process to produce a cathode support having a side of 50 mm and a thickness of 1 mm.

상기 제작된 음극지지체의 하면에는 산화니켈과 안정화 지르코니아 조성비를 각각 60:40과 70:30으로 제조한 페이스트를 스크린프린터(Screen printer)를 이용 하여 순차적으로 10㎛ 두께씩 코팅하여 제2기능 층을 형성하고 다시 반대쪽 면(상면)에는 산화니켈과안정화 지르코니아의 조성비를 각각 40:60과 35:65로 제조한 페이스트를 스크린프린터를 이용하여 10㎛ 두께씩 순차적으로 코팅하여 제1기능 층을 형성시켰다. On the lower surface of the fabricated anode support, a paste prepared at 60:40 and 70:30 in nickel oxide and stabilized zirconia composition ratios was sequentially coated by a 10 μm thickness using a screen printer to form a second functional layer. On the other side (top), a paste prepared at 40:60 and 35:65 of nickel oxide and stabilized zirconia, respectively, was sequentially coated by 10 μm thickness using a screen printer to form a first functional layer. .

또한 건조가 끝난 제1기능 층의 상면에는 다시 안정화 지르코니아만으로 제조한 페이스트를 Screen printer를 이용하여 20㎛ 두께로 코팅하여 전해질 층을 형성하고 다시 반대쪽 면(하면)에는 안정화 지르코니아만으로 제조한 페이스트를Screen printing하여 20㎛ 두께의 제 3기능 층을 형성하였다.In addition, on the upper surface of the dried first functional layer, a paste made of only stabilized zirconia was again coated with a screen printer to a thickness of 20 μm to form an electrolyte layer, and on the other side (bottom), a paste made of only stabilized zirconia was screened. Printing formed a third functional layer of 20 탆 thickness.

이때 전해질 층의 코팅과정에서는 미세구멍(200mesh)이 균일하게 형성된 일반적인 스크린을 사용하여 코팅하는 모든 면적에 전해질 페이스트가 고르게 코팅되도록 하였으며, 제3기능 층의 코팅과정에서는 격자무늬가 형성된 스크린을 사용하여 전해질 층이 코팅된 격자 사이의 구멍의 면적비가 60% 내외가 되도록 하였다. At this time, in the coating process of the electrolyte layer, the electrolyte paste is uniformly coated on all areas of the coating by using a general screen having a uniformly formed micropore (200mesh). In the coating process of the third functional layer, a screen having a lattice pattern is used. The area ratio of the holes between the lattice coated with the electrolyte layer was about 60%.

상기와 같이 하여 제작된 성형체들은 통상적인 소결로에 넣어 통상적인 세라믹스 소결 방법에 따라 1450℃에서 3시간 소결하였으며, 소결이 끝난 뒤에는 다시 통상적인 양극(cathode)층의 코팅과정을 거친 뒤 소결로에 넣어 1150℃에서 2시간 재소결하여 최종적인 고체산화물 연료전지용 단위전지로 제작되었다. The molded products manufactured as described above were put into a conventional sintering furnace and sintered at 1450 ° C. for 3 hours according to a conventional ceramic sintering method. After sintering, the molded bodies were subjected to a coating process of a conventional cathode layer and then to the sintering furnace. The sample was re-sintered at 1150 ° C. for 2 hours to produce a final unit cell for a solid oxide fuel cell.

상기와 같이 제조된 단위전지들은 단위전지 운전성능평가장치를 이용하여 800 에서 24시간 운전한 후 그 출력 특성과 균열 발생 여부를 조사하였는데 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The unit cells manufactured as described above were examined for their output characteristics and cracking after operating at 800 to 24 hours using a unit cell operation performance evaluation apparatus. The results are shown in Table 1 below.

[표 1] TABLE 1

구분division 음극지지체 조성 (NiO:YSZ)Cathode support composition (NiO: YSZ) 제1기능층 조성 (NiO:YSZ)First functional layer composition (NiO: YSZ) 제2 기능층 조성 (NiO:YSZ)Second functional layer composition (NiO: YSZ) 제 3 기능층 두께 (㎛)3rd functional layer thickness (㎛) 단위전지 출력 (mW/㎠)Unit battery output (mW / ㎠) 균열 발생 여부Cracks 휨 정도 (mm)Bending degree (mm) 비교재1Comparative Material 1 50:5050:50 -- -- -- 350350 냉각시 파괴Destroyed upon cooling 0.30.3 비교재2Comparative Material 2 50:5050:50 50:5050:50 -- -- 490490 균열 발생Cracks 0.50.5 비교재3Comparative Material 3 50:5050:50 40:6040:60 60:4060:40 -- 510510 균열 없음No crack 0.40.4 발명재1Invention 1 50:5050:50 40:6040:60 60:4060:40 2020 500500 균열 없음No crack 0.030.03 발명재2Invention 2 50:5050:50 40:60 + 35:6540:60 + 35:65 60:40 + 70:3060:40 + 70:30 2020 500500 균열 없음No crack 0.060.06

상기 표1에 나타난 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나 음극재에 기능 층을 전혀 삽입하지 않은 경우 비교재1에는 단위전지의 출력특성도 낮으면서 냉각 시 단위전지가 파괴되는 결과를 나타내었으며, 제1 기능층을 삽입하였으나 그 조성이 음극지지체와 같고 입도만 미세한 경우 비교재 2에는 단위전지의 출력특성은 많이 향상되었으나 운전 종료 후 음극재 내부에 균열이 존재하는 것으로 나타났다.As shown in Table 1 above, when the functional layer was not inserted into the negative electrode material outside of the scope of the present invention, the comparative material 1 showed a result that the unit cell was destroyed during cooling while the output characteristics of the unit cell were low. When the functional layer was inserted but the composition was the same as that of the negative electrode support and the particle size was only fine, the output characteristics of the unit cell were much improved in Comparative Material 2, but the cracks were present in the negative electrode material after the operation was completed.

또한 제1기능 층과 제2기능 층의 삽입 여부에 관계없이 제3기능 층을 삽입하지 않은 경우 비교재1-3에는 단위전지의 휨 정도(가운데 부분과 바깥 부분의 높이 차)가 모두 0.3mm 이상으로 크게 나타났다.In addition, if the third functional layer was not inserted regardless of whether the first functional layer and the second functional layer were inserted, the comparative material 1-3 had 0.3mm of both the degree of warpage of the unit cell (the difference between the height of the center and the outside). It was greatly above.

반면, 본 발명의 방법으로 음극재의 상/하 양면에 3개의 기능 층을 순차적으로 삽입한 경우(발명재1-2)에는 단위전지의 출력특성도 우수하면서 운전 종료 후 음극재 내부에서 균열이 관찰되지 않는 것으로 나타났고 또한 휨 정도도 0.06 mm 이하로서훨씬 양호한 것으로 나타났다. On the other hand, when three functional layers are sequentially inserted on both upper and lower surfaces of the negative electrode material according to the method of the present invention (Invention material 1-2), the output characteristics of the unit cell are excellent and cracks are observed inside the negative electrode material after the operation is finished. The degree of warpage was also 0.06 mm or less, which is much better.

이러한 이유는 상술한 바와 같이 음극재 양면에 삽입한 기능 층들이 각각 음극재와 전해질 계면의 가스반응 활성을 향상시키고 열응력과산화/환원 반응에 의한 균열 발생의 가능성을 완화시키며 소결과정에서 전해질 층과 음극 층의 수축률 차이에 기인하는 휨 응력을 현저히 약화시켜주기 때문인 것이다. This is because the functional layers inserted on both sides of the anode material improve the gas reaction activity at the anode material and the electrolyte interface, alleviate the possibility of cracking due to thermal stress peroxidation / reduction reaction, and the electrolyte layer and the sintering process. This is because the bending stress due to the difference in shrinkage of the cathode layer is significantly weakened.

상술한 바와 같이 본 발명은 고체산화물 연료전지(SOFC)용 단위전지를 제조할 때 음극지지체의 상면(전해질과 접촉하는 면)에는 산화니켈의혼합비를 45중량% 이하로 줄인 제1기능 층을 코팅하고 음극지지체의 하면(전해질과 접촉하는 면의 반대쪽 면)에는 산화니켈의 혼합비를 55% 이상으로 증가시킨 제2기능 층을 코팅하여 삽입하고 다시 이 제2기능 층의 하면에는 전해질 층과 조성과 두께가 같은 제3기능 층을 코팅함으로써 높은 반응 활성과 열 사이클 안정성을 가짐과 아울러 휨 현상을 억제함으로써 보다 향상된 성능을 가지면서도 제조 공정의 수율이 높은 고체산화물 연료전지용 단위전지의 제조방법을제공하는 효과가 있다. As described above, when the unit cell for a solid oxide fuel cell (SOFC) is manufactured, the upper surface of the anode support (the surface in contact with the electrolyte) is coated with a first functional layer having a mixture ratio of nickel oxide reduced to 45 wt% or less. On the lower surface of the negative electrode support (opposite side of the surface in contact with the electrolyte), a second functional layer having an increased mixing ratio of nickel oxide of 55% or more is coated and inserted, and the lower surface of the second functional layer has an electrolyte layer and a composition. By coating the third functional layer of the same thickness has a high reaction activity and thermal cycle stability, while suppressing the warpage phenomenon to provide a method of manufacturing a unit cell for a solid oxide fuel cell with improved performance and high yield of the manufacturing process It works.

Claims (5)

산화니켈 40-60중량% : 안정화 지르코니아 40-60중량%의 조성비를 갖는 음극지지체를 형성하는 단계Forming a negative electrode support having a composition ratio of 40-60% by weight of nickel oxide: stabilized zirconia 40-60% by weight 상기 음극지지체 상면에 산화니켈 30-45중량% : 안정화 지르코니아55-70중량%의 조성비를 갖는 혼합물로 제1기능 층을 형성하는 단계Forming a first functional layer of a mixture having a composition ratio of nickel oxide 30-45% by weight: stabilized zirconia 55-70% by weight on the upper surface of the negative electrode support 상기 음극지지체의 하면에 산화니켈 55∼70중량% : 안정화 지르코니아 30~45중량%의 조성비를 갖는 혼합물로 제2기능 층을 형성하는 단계Forming a second functional layer from a mixture having a composition ratio of nickel oxide 55 to 70 wt%: stabilized zirconia 30 to 45 wt% on the lower surface of the anode support; 상기 제1기능 층의 상면에 기공이 거의 없는 치밀한 안정화 지르코니아로 전해질 층을 형성하는 단계Forming an electrolyte layer with dense stabilized zirconia having almost no pores on the upper surface of the first functional layer 상기 제2기능 층의 하면에는 전해질 층과 같은 조성을 갖고 다수의 구멍을 포함한 제3기능 층을 형성하는 단계Forming a third functional layer on the bottom surface of the second functional layer and having the same composition as the electrolyte layer and including a plurality of holes; 상기 전해질 층의 상면에 란타늄-스트론튬-망간 산화물이나 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물 중 어느 하나의 양극 층을 형성하는 단계로 이루어지는고체산화물 연료전지용 단위전지의 제조방법.Forming an anode layer of any one of lanthanum-strontium-manganese oxide and lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide on an upper surface of the electrolyte layer. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2기능 층의 코팅 두께는 5~50㎛ 임을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the coating thickness of the first and second functional layers is 5 ~ 50㎛. 제1항에 있어서, 상기 전해질 및 제3기능 층의 코팅 두께는 5~20㎛ 임을 특징 으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the coating thickness of the electrolyte and the third functional layer is 5 to 20 μm. 제1항에 있어서, 상기 제1기능 층의 코팅은 음극지지체 측에서 전해질 측으로 갈수록 산화니켈 함량이 줄어드는 방향으로 경사조성(composition gradient)을 갖는 복수의 층으로 코팅된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위전지의 제조방법. The solid oxide fuel cell of claim 1, wherein the first functional layer is coated with a plurality of layers having a composition gradient in a direction in which the nickel oxide content decreases from the cathode support side toward the electrolyte side. Method of manufacturing unit cell. 제1항에 있어서, 상기 제2기능 층의 코팅은 음극지지체에서 멀어질수록 산화니켈의함량이 늘어나는 방향으로 경사 조성(composition gradient)을 갖는 복수의 층으로 코팅된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단위전지의 제조방법.The solid oxide fuel cell as claimed in claim 1, wherein the coating of the second functional layer is coated with a plurality of layers having a composition gradient in a direction in which nickel oxide increases as the distance from the cathode support increases. Method of manufacturing unit cell.
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