KR100958514B1 - Manufacturing method of solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
나노 크기의 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized ZrO2, YSZ) 파우더를 이용하여, 테이프 캐스팅으로 전해질을 형성할 수 있는 연료극 지지형태의 고체산화물 연료전지의 제조 방법이 개시된다. 고체산화물 연료전지는 테이프 캐스팅을 이용하여 연료극과 전해질을 동시에 소성하고, 스크린 프린팅을 이용하여 공기극을 형성함으로써 고체산화물 연료전지의 제조 공정을 2회의 소결로 간소화할 수 있다. 따라서, 나노 사이즈의 YSZ 파우더를 이용하여 전해질을 형성함으로써 상기 전해질의 표면적을 증가시키고, 테이프 캐스팅으로 상기 전해질을 형성하였을 때 상기 전해질과 상기 연료극 및 상기 공기극의 접촉 면적 감소로 인한 계면 저항 증가를 억제할 수 있다. 또한, 전해질로 인한 고체산화물 연료전지의 출력 성능 저하를 억제함으로써 테이프 캐스팅을 이용하여 상기 전해질과 상기 연료극을 동시에 소성할 수 있도록 함으로써, 고체산화물 연료전지의 제조 공정을 단순화하고 제조 비용과 시간을 절감한다.Disclosed is a method of manufacturing a solid oxide fuel cell in a cathode support type capable of forming an electrolyte by tape casting using nano-sized Yttria Stabilized ZrO 2 (YSZ) powder. In the solid oxide fuel cell, the process of manufacturing the solid oxide fuel cell can be simplified by two sintering processes by simultaneously firing the anode and the electrolyte using tape casting and forming the cathode using screen printing. Therefore, the surface area of the electrolyte is increased by forming an electrolyte using nano-sized YSZ powder, and when the electrolyte is formed by tape casting, an increase in interfacial resistance due to a decrease in contact area between the electrolyte, the fuel electrode and the air electrode is suppressed. can do. In addition, by reducing the output performance of the solid oxide fuel cell due to the electrolyte, it is possible to simultaneously fire the electrolyte and the anode using tape casting, thereby simplifying the manufacturing process of the solid oxide fuel cell and reducing manufacturing cost and time. do.
고체산화물 연료전지, SOFC, 나노 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized ZIRCONIA, YSZ) 파우더, 테이프 캐스팅 Solid Oxide Fuel Cell, SOFC, Nano Yttria Stabilized ZIRCONIA (YSZ) Powder, Tape Casting
Description
본 발명은 고체산화물 연료전지의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 크기의 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized ZrO2, 이하, YSZ) 파우더를 이용한 고체산화물 연료전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a solid oxide fuel cell, and more particularly, to a method for manufacturing a solid oxide fuel cell using nano-sized Yttria Stabilized ZrO 2 (hereinafter, referred to as YSZ) powder. .
연료전지의 종류에는 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 및 비교적 낮은 온도에서 작동하는 인산형 연료전지(AFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DEMFC)등이 있다.Fuel cell types include molten carbonate fuel cells (MCFCs), solid oxide fuel cells (SOFCs) operating at high temperatures, phosphoric acid fuel cells (AFCs) operating at relatively low temperatures, polyelectrolyte fuel cells (PEMFCs), and direct methanol fuels. Batteries (DEMFC) and the like.
고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 산화물 전해질을 통해 산화제(예를 들어, 산소)와 기상 연료(예를 들어, 수소)를 전기화학적으로 반응시킴으로써 직류 전기를 생산하는 에너지 전환 장치이다. 현재 고체산화물 연료전지 기법의 주요 특징은 고상 구조, 다중 연료의 적응성 및 고온 작동성을 들 수 있다. 이와 같은 고체산화물 연료전지의 특징으로 인하여, 고체산화물 연료전지는 고성능의 깨끗하고 효율적인 전원이 될 수 있는 잠재력을 가지며, 다양한 전력 발생 용도로서 개발되고 있다.A solid oxide fuel cell (SOFC) is an energy conversion device that produces direct current electricity by electrochemically reacting an oxidant (eg oxygen) and a gaseous fuel (eg hydrogen) through an oxide electrolyte. . Key features of current solid oxide fuel cell techniques include solid-state structure, adaptability of multiple fuels, and high temperature operability. Due to the characteristics of such a solid oxide fuel cell, a solid oxide fuel cell has the potential to be a high performance, clean and efficient power source, has been developed for various power generation applications.
고체산화물 연료전지는 연료극(anode)과 전해질(electrolyte) 및 공기극(cathode)으로 구성되는 단위전지가 직렬로 적층되어 형성된다. 여기서, 각 단위전지의 스택이란, 하나의 단위전지의 연료극과 다음에 배치되는 단위전지의 공기극을 전기적으로 접속시키는 것으로 분리판(separator)가 각 단위전지 사이에 배치되어 형성된다.A solid oxide fuel cell is formed by stacking unit cells composed of an anode, an electrolyte, and a cathode in series. Here, the stack of each unit cell is an electrical connection between a fuel electrode of one unit cell and an air electrode of a unit cell arranged next, and a separator is formed between each unit cell.
고체산화물 연료전지 단위전지는 연료극과 공기극 사이에 개재된 산화물 전해질로 구성된 세라믹 다층 구조물이다. 통상적인 고체산화물 연료전지의 단위전지는, 전해질로서 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized ZrO2, YSZ)가 사용되고, 공기극으로는 스트론튬 도핑된 란탄 망가나이트(LSM)(예를 들어, La0.8Sr0.2MnO3)가 사용되고, 연료극으로는 니켈 옥사이드(NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아가 혼합된 서메트(cermaet)(NiO/YSZ)가 사용된다.The solid oxide fuel cell unit cell is a ceramic multilayer structure composed of an oxide electrolyte interposed between the anode and the cathode. A typical solid unit cells of oxide fuel cells, is used and the yttria-stabilized zirconia (Yttria Stabilized ZrO 2, YSZ) as the electrolyte, an air electrode as is, for strontium manganite doped lanthanum nitro (LSM) (for example, La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ) is used, and as a fuel electrode, cermaet (NiO / YSZ) in which nickel oxide (NiO) and yttria stabilized zirconia are mixed is used.
기존의 연료극 지지형 고체산화물 연료전지의 단위전지는 공기극과 전해질을 구성하는 물질의 열팽창 차이로 인해 공기극과 전해질을 동시에 소성할 수 없다. 따라서, 통상적으로 고체산화물 연료전지의 단위전지는 연료극과 전해질 및 공기극을 각각 소결하거나, 지지체가 되는 연료극을 먼저 소결한 후 연료극 상에 전해질 을 코팅하여 소결하고, 마지막으로 공기극을 도포하여 소결하는 방식으로 제조된다.The unit cell of the conventional anode-supported solid oxide fuel cell cannot simultaneously fire the cathode and the electrolyte due to the difference in thermal expansion of the materials forming the cathode and the electrolyte. Therefore, in general, a unit cell of a solid oxide fuel cell sinters a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode, or first sinters a fuel electrode serving as a support, then sinters by coating an electrolyte on the fuel electrode, and finally, sinters by applying an air electrode. Is prepared.
이와 같이 연료극, 전해질 및 공기극을 각각 소결해야 하므로 단위전지의 제조 과정이 복잡할 뿐만 아니라 연속으로 제조 공정을 수행하기가 곤란하여 단위전지 제조시 많은 시간과 인력을 요구하게 된다. 이로 인해 단위전지의 제조 단가가 증가하게 되며, 이는 단위전지의 크기와 생산량이 증가할수록 더욱 심각한 문제가 된다.Since the anode, the electrolyte, and the cathode must be sintered separately, the manufacturing process of the unit cell is not only complicated, and it is difficult to continuously perform the manufacturing process, which requires a lot of time and manpower when manufacturing the unit cell. This increases the manufacturing cost of the unit cell, which becomes a more serious problem as the size and output of the unit cell increases.
최근 이와 같은 다단계의 소결 공정을 단축시키기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다. 특히, 테이프 캐스팅을 이용하여 연료극을 제조할 경우, 연료극과 전해질을 동시에 소성할 수 있으나, 휘어짐으로 인해 2회 이상의 소성 공정을 거쳐야 한다. 또한, 연료극, 전해질 및 공기극을 동시에 적층하여 1회에 동시 소성하는 경우 출력이 기존 대비 25% 이상 저하되어 사용이 불가능한 문제점이 있다.Recently, various studies have been conducted to shorten the multi-step sintering process. In particular, when manufacturing the anode using tape casting, the anode and the electrolyte may be fired at the same time, but due to the bending, two or more baking processes are required. In addition, when the fuel electrode, the electrolyte and the air electrode are laminated at the same time and fired simultaneously, there is a problem in that the output is reduced by 25% or more compared with the conventional one and thus cannot be used.
한편, 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 연료극과 전해질을 제조하고 동시에 소성함으로써 비교적 간단하게 연료극 지지체형 고체산화물 연료전지를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 고체산화물 연료전지를 비교적 간단하게 제조할 수 있는 반면, 단위전지의 출력 성능이 저하되는 문제점이 있다.On the other hand, a method of producing a cathode support-type solid oxide fuel cell is disclosed relatively simply by manufacturing an anode and an electrolyte using a tape casting method and firing at the same time. However, this method has a problem in that the solid oxide fuel cell can be manufactured relatively simply, but the output performance of the unit cell is lowered.
상세하게는, 상기 테이프캐스팅에 의해 형성된 전해질 시트는 길이 방향으로 응력이 작용하게 되어 상기 전해질과 상기 연료극 및 상기 공기극 사이의 접촉 면적이 감소하게 되고, 이로 인해 상기 전해질, 상기 연료극 및 상기 공기극 사이의 층간 계면 저항이 증가된다. 따라서, 이와 같은 계면 저항의 증가로 인해 상기 전 해질과 상기 연료극 및 상기 공기극의 계면에서 이온의 이동이 원활하지 못하고, 이는 고체산화물 연료전지의 성능을 저하시키게 된다.Specifically, the electrolyte sheet formed by the tape casting is stressed in the longitudinal direction to reduce the contact area between the electrolyte and the fuel electrode and the air electrode, thereby reducing the contact between the electrolyte, the fuel electrode and the air electrode The interlayer interface resistance is increased. Therefore, due to such an increase in interfacial resistance, the movement of ions at the interface between the electrolyte, the anode and the cathode is not smooth, which degrades the performance of the solid oxide fuel cell.
이와 같은 이유로 테이프 캐스팅 공정과 같은 고체산화물 연료전지의 제조 공정을 위해서는 계면 저항을 증가시키지 않는 원료, 특히, 상기 전해질을 구성하는 YSZ 파우더의 개발이 요구된다.For this reason, development of a solid oxide fuel cell such as a tape casting process requires development of a raw material that does not increase interfacial resistance, in particular, YSZ powder constituting the electrolyte.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고체산화물 연료전지에서 연료극, 공기극 및 전해질 사이의 층간 계면 저항을 줄이기 위한 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)의 파우더를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and to provide a method for producing a powder of yttria stabilized zirconia (YSZ) for reducing the interfacial interface resistance between the anode, the cathode and the electrolyte in a solid oxide fuel cell. will be.
또한, 본 발명은 상기한 방법으로 제조된 이트리아 안정화된 지르코니아 파우더를 이용하여 고체산화물 연료전지용 전해질을 형성하는 방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention is to provide a method for forming an electrolyte for a solid oxide fuel cell using the yttria stabilized zirconia powder prepared by the above method.
또한, 본 발명은 상기와 같은 방법으로 제조된 전해질을 이용하여 성능 저하가 없고, 제조 공정을 단순화시킬 수 있는 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention is to provide a method for producing a solid oxide fuel cell that can be simplified by using the electrolyte prepared by the above method, there is no performance degradation, and can simplify the manufacturing process.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 고체산화물 연료전지용 전해질을 제조하기 위한 이트리아 안정화된 지르코니아 파우더 형성 방법은 공침법을 이용하여 나노 사이즈로 형성된다. 즉, 이트리아 안정화된 지르코니아 파우더 형성 방법은, 옥시염화 지르코늄(ZrOCl2)과 염화이트륨 무수물(YCl3)을 증류수에 혼합한다. 그리고, 상기와 같이 혼합된 제1 혼합액 침전제를 투입하여 혼합시킴으로써 침전 반응을 발생시킨다. 상기 침전물이 형성된 제2 혼 합액에서 상기 침전물을 회수하기 위해 상기 침전물을 여과시킨다. 상기 여과 단계는 거름종이를 이용하여 상기 제2 혼합액으로부터 침전물을 회수한다. 그리고, 회수된 침전물을 소정의 온도로 가열하여 건조시킨다. 마지막으로 상기 건조된 침전물을 열처리함으로써 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized ZrO2, YSZ) 파우더를 획득할 수 있다.According to embodiments of the present invention for achieving the above object of the present invention, the yttria stabilized zirconia powder forming method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell is formed in nano size using the coprecipitation method. That is, the yttria stabilized zirconia powder formation method mixes zirconium oxychloride (ZrOCl 2 ) and yttrium chloride anhydride (YCl 3 ) in distilled water. Then, the first mixed solution precipitant mixed as described above is added to and mixed to generate a precipitation reaction. The precipitate is filtered to recover the precipitate from the second mixture formed with the precipitate. The filtration step recovers the precipitate from the second mixed liquid using a filter paper. Then, the recovered precipitate is heated to a predetermined temperature and dried. Finally, the dried precipitate may be heat treated to obtain yttria stabilized zirconia (Yttria Stabilized ZrO 2 , YSZ) powder.
실시예에서, 최종적으로 획득되는 상기 YSZ 파우더는 입자의 직경이 10 내지 30㎚이고, 표면적이 10 내지 30㎠/g이다.In an embodiment, the YSZ powder finally obtained has a diameter of 10 to 30 nm and a surface area of 10 to 30 cm 2 / g.
실시예에서, 상기 침전제는 수산화암모늄(NH4OH) 또는 수산화나트륨(NaOH)을 사용한다.In an embodiment, the precipitant uses ammonium hydroxide (NH 4 OH) or sodium hydroxide (NaOH).
실시예에서, 상기 침전물은 100 내지 120℃의 온도로 가열되어 건조된다 그리고, 상기 건조된 침전물은 550 내지 950℃의 온도에서 열처리된다.In an embodiment, the precipitate is heated to a temperature of 100 to 120 ° C. and dried, and the dried precipitate is heat treated at a temperature of 550 to 950 ° C.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 고체산화물 연료전지용 전해질의 제조 방법은, 나노 크기의 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized ZrO2, YSZ) 파우더를 이용하여 테이프 캐스팅 방법으로 이용하여 형성된다. 여기서, 상기 YSZ 파우더는 공침법으로 형성되고, 상기 전해질은 상기 YSZ 파우더로 슬러리를 형성하고, 상기 슬러리를 테이프 캐스팅 장비를 이용하여 시트를 형성한 후, 상기 시트를 적층하여 전해질을 형성한다.On the other hand, according to other embodiments of the present invention for achieving the above object of the present invention, the method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell, nano-sized Yttria Stabilized ZrO 2 (YSZ) powder It is formed by using the tape casting method. Here, the YSZ powder is formed by a coprecipitation method, the electrolyte is a slurry formed by the YSZ powder, and the slurry is formed by using a tape casting equipment, and then the sheets are laminated to form an electrolyte.
실시예에서, 상기 YSZ 파우더는 상기 전해질의 표면적을 증가시키기 위해서 입자의 직경이 10 내지 30㎚이고, 표면적이 10 내지 30㎠/g로 형성된다.In an embodiment, the YSZ powder has a diameter of 10 to 30 nm and a surface area of 10 to 30 cm 2 / g to increase the surface area of the electrolyte.
실시예에서, 상기 전해질을 형성하기 위해서 상기 시트는 5 내지 15 ㎛의 두께로 형성되고, 상기 시트를 복수장 적층하여 최종적으로 5 내지 30 ㎛ 두께를 갖는 전해질을 형성한다.In an embodiment, in order to form the electrolyte, the sheet is formed to a thickness of 5 to 15 µm, and a plurality of sheets are stacked to form an electrolyte having a thickness of 5 to 30 µm.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예들에 따르면, 고체산화물 연료전지의 제조 방법은, 테이프 캐스팅을 이용하여 연료극과 전해질을 동시에 소성하고, 스크린 프린팅을 이용하여 공기극을 형성함으로써 고체산화물 연료전지의 제조 공정을 2회의 소결로 간소화한다.On the other hand, according to another embodiment of the present invention for achieving the above object of the present invention, the method for manufacturing a solid oxide fuel cell, by firing the anode and the electrolyte at the same time using a tape casting, using screen printing By forming the cathode, the manufacturing process of the solid oxide fuel cell is simplified by two sintering.
상세하게는, 상기 전해질은 공침법으로 형성된 나노 크기의 YSZ 파우더로 형성된다. 그리고, 상기 연료극 상에 상기 YSZ 파우더를 이용하여 테이프 캐스팅으로 상기 전해질을 적층하여 제1 적층체를 형성한다. 그리고, 상기 제1 적층체에 라미네이션 공정과 하소 공정을 순서대로 수행한 후, 소정의 온도에서 상기 제1 적층체를 소결시켜 제1 예비 연료전지를 형성한다. 다음으로, 상기 제1 예비 연료전지에서 상기 전해질 상에 공기극을 스크린 프린팅한다. 그리고, 상기와 같이 상기 연료극, 상기 전해질 및 상기 공기극이 적층되어 형성된 제2 적층체를 라미네이션 공정 및 하소 공정을 수행하고, 소정의 온도에서 소결시킴으로써 고체산화물 연료전지를 형성한다.Specifically, the electrolyte is formed of nano-sized YSZ powder formed by coprecipitation. The electrolyte is laminated on the fuel electrode by tape casting using the YSZ powder to form a first laminate. The lamination process and the calcination process are sequentially performed on the first laminate, and the first laminate is sintered at a predetermined temperature to form a first preliminary fuel cell. Next, the cathode is screen printed on the electrolyte in the first preliminary fuel cell. As described above, the second laminate formed by stacking the fuel electrode, the electrolyte, and the air electrode is subjected to a lamination process and a calcining process, and is then sintered at a predetermined temperature to form a solid oxide fuel cell.
실시예에서, 상기 전해질은, 공침법으로 나노 크기의 YSZ 파우더를 형성한다. 다음으로, 상기 YSZ 파우더로 슬러리를 형성하고, 테이프 캐스팅 장비를 이용하여 시트를 형성한다. 다음으로, 상기 연료극 상에 상기 시트를 적층하여 상기 전해질을 형성한다.In an embodiment, the electrolyte forms nano-sized YSZ powder by coprecipitation. Next, a slurry is formed of the YSZ powder, and a sheet is formed by using a tape casting equipment. Next, the sheet is laminated on the fuel electrode to form the electrolyte.
실시예에서, 상기 제1 예비 연료전지는, 상기 제1 적층체를 제1 온도에서 하소한 후 제2 온도에서 소결하여 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 적층체는 950 내지 1050℃의 온도에서 하소된다. 그리고, 상기 제1 적층체는 1250 내지 1450℃의 온도에서 소결된다. 여기서, 상기 제1 예비 연료전지는 30 내지 45 ㎏f/㎠ 로 가압되어 소결된다.In an embodiment, the first preliminary fuel cell is formed by calcining the first laminate at a first temperature and then sintering at a second temperature. For example, the first laminate is calcined at a temperature of 950-1050 ° C. The first laminate is sintered at a temperature of 1250 to 1450 ° C. Here, the first preliminary fuel cell is pressurized to 30 to 45 kgf / cm 2 and sintered.
실시예에서, 상기 고체산화물 연료전지는, 상기 제2 적층체를 제3 온도에서 하소한 후 제4 온도에서 소결하여 형성된다. 예를 들어, 상기 제2 적층체는 950 내지 1050℃의 온도에서 하소된다. 그리고, 상기 제2 적층체는 1050 내지 1200℃의 온도에서 소결된다. 여기서, 상기 고체산화물 연료전지는 30 내지 45 ㎏f/㎠ 로 가압되어 소결된다.In an embodiment, the solid oxide fuel cell is formed by calcining the second laminate at a third temperature and then sintering at a fourth temperature. For example, the second laminate is calcined at a temperature of 950-1050 ° C. And, the second laminate is sintered at a temperature of 1050 to 1200 ℃. Here, the solid oxide fuel cell is pressurized to 30 to 45 kgf / ㎠ sintered.
실시예에서, 상기 제1 적층체와 상기 제2 적층체는 동일한 조건으로 라미네이션된다. 예를 들어, 상기 제1 적층체 및 상기 제2 적층체는 70 내지 90℃의 온도로 가열되고, 150 내지 250 ㎏f/㎠의 힘으로 가압된다.In an embodiment, the first stack and the second stack are laminated under the same conditions. For example, the first laminate and the second laminate are heated to a temperature of 70 to 90 ° C. and pressurized with a force of 150 to 250 kgf / cm 2.
실시예에서, 상기 연료극은 니켈 옥사이드(NiO)와 YSZ가 혼합된 NiO/YSZ 서메트로서 형성되고, NiO와 YSZ가 50:50 내지 60:40의 중량비로 혼합된다. 그리고, 상기 공기극은 망간계 페브로스카이트(LSM)와 YSZ가 혼합된 LSM/YSZ 서메트로서 형성되고, LSM과 YSZ가 50:50 내지 60:40의 중량비로 혼합된다.In an embodiment, the anode is formed as a NiO / YSZ cermet in which nickel oxide (NiO) and YSZ are mixed, and NiO and YSZ are mixed in a weight ratio of 50:50 to 60:40. The cathode is formed as an LSM / YSZ cermet in which manganese-based brobrosite (LSM) and YSZ are mixed, and the LSM and YSZ are mixed in a weight ratio of 50:50 to 60:40.
본 발명에 따르면, 첫째, 공침법을 이용하여 나노 크기의 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ) 파우더를 제조할 수 있다.According to the present invention, first, nano-sized yttria stabilized zirconia (YSZ) powder can be prepared by coprecipitation.
둘째, 나노 크기의 YSZ 파우더를 이용하여 전해질을 형성함으로써, 상기 전해질의 표면적이 증가된다. 그리고, 이와 같은 전해질의 표면적 증가는 상기 전해질과 연료극 및 공기극 사이의 접촉 면적을 증가시킴으로써, 상기 전해질과 상기 연료극 및 상기 공기극 사이에서의 계면 저항을 줄인다. 따라서, 고체산화물 연료전지의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.Second, by forming an electrolyte using nano-sized YSZ powder, the surface area of the electrolyte is increased. In addition, such an increase in the surface area of the electrolyte increases the contact area between the electrolyte, the anode, and the cathode, thereby reducing the interface resistance between the electrolyte, the anode, and the cathode. Therefore, the output performance of the solid oxide fuel cell can be improved.
셋째, 전해질과 연료극 및 공기극 사이의 계면 저항 증가가 억제되므로, 특히, 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 전해질을 제조할 수 있다. 또한, 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 연료극과 전해질을 제조하여 동시에 소성할 수 있으며, 제조 공정 수를 줄일 수 있다.Third, since the increase in the interfacial resistance between the electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode is suppressed, the electrolyte can be manufactured in particular by using a tape casting method. In addition, the anode and the electrolyte may be manufactured and baked at the same time by using a tape casting method, and the number of manufacturing processes may be reduced.
넷째, 연료극과 전해질은 동시에 소결시키고, 공기극은 상기 전해질 상에 스크린 프린팅 방법으로 제조할 수 있으므로, 총 2단계로서 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다. 따라서, 고체산화물 연료전지의 제조 공정을 단순화하고 공정 수를 줄일 수 있으며, 제조 공정에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있다.Fourth, since the anode and the electrolyte are sintered at the same time, and the cathode can be manufactured by the screen printing method on the electrolyte, the solid oxide fuel cell can be manufactured in two steps. Therefore, the manufacturing process of the solid oxide fuel cell can be simplified and the number of processes can be reduced, and the time and cost required for the manufacturing process can be reduced.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Although the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited or restricted by the embodiments.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 고체산화물 연료전지의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view for explaining the structure of a solid oxide fuel cell according to one embodiment of the present invention.
이하에서는, 도 1 내지 도 5e를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5E.
참고적으로, 고체산화물 연료전지는 연료극(anode)과 전해질(electrolyte) 및 공기극(cathode)으로 구성되는 단위전지가 직렬로 적층(스택, stack)되어 형성되는 것으로서, 본 실시예에서 ‘고체산화물 연료전지’라 함은 상기와 같은 단위전지를 말한다.For reference, the solid oxide fuel cell is formed by stacking (stacking, stacking) a unit cell composed of an anode, an electrolyte, and a cathode, and in the present embodiment, a solid oxide fuel cell. Battery means the unit cell as described above.
도 1을 참조하면, 고체산화물 연료전지(10)는 연료극(11), 전해질(12) 및 공기극(13)이 순차적으로 적층된 평판 형태를 갖는다.Referring to FIG. 1, the solid
여기서, 상기 연료극(11)은 고체산화물 연료전지(10)의 기계적인 지지구조 역할을 하는 것으로, 연료극 지지층(11a)과 연료극 반응층(11b)으로 이루어진다.Here, the
예를 들어, 상기 연료극(11)은 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized ZrO2, 이하, YSZ라 한다)와 니켈 옥사이드(NiO)가 혼합된 서메트(NiO/YSZ)로 형성된다.For example, the
상기 전해질(12)은 상기 YSZ로 형성된다.The
상기 공기극(13)은 스트론튬 도핑된 란탄 망가나이트(이하, LSM이라 한 다)(예를 들어, La0 .8Sr0 .2MnO3)와 YSZ가 혼합된 서메트(LSM/YSZ)로 형성된다.The
한편, 상기 연료극(11)과 상기 전해질(12)은 테이프 캐스팅(tape casting) 방법으로 형성된다. 그리고, 상기 공기극(13)은 상기 전해질(12) 상에 스크린 프린팅(screen printing) 방법으로 형성된다.Meanwhile, the
도 2는 상기 고체산화물 연료전지(10)를 제조하기 위한 테이프 캐스팅 장치(100)의 요부를 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating a main part of a
도 2를 참조하면, 상기 테이프 캐스팅 장치(100)는 슬러리(210)가 수용되는 호퍼(hoper)(103)와 상기 슬러리(210)를 유동시키는 캐리어 필름(carrier film)(105) 및 롤러(107)와 상기 슬러리(210)의 두께를 조절하기 위한 블레이드(101)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the
상기 연료극(11), 상기 전해질(12)을 형성하기 위해서는 상기 연료극(11)과 상기 전해질(12)을 구성하는 조성 물질의 분말(211, 212)과 바인더(binder), 가소제(plasticizer), 분산제 및 솔벤트 등의 첨가제(213)을 혼합하여 상기 전극(11, 12, 13)에 대한 슬러리(210)를 형성한다. 그리고, 상기 슬러리(210)를 테이프 캐스팅 장치(100)에 투입하여 소정 두께의 시트(220)를 형성한다.In order to form the
상기 테이프 캐스팅 장치(100)는 상기 롤러(107)에 의해 상기 캐리어 필름(105)이 일 방향으로 이동함에 따라 상기 캐리어 필름(105) 상에는 상기 슬러리(210)가 소정 두께로 부착되어 상기 시트(220)가 형성된다. 특히, 상기 블레이드(101)와 상기 캐리어 필름(105) 사이의 간격과 상기 캐리어 필름(105)의 이동 속 도 등에 의해 상기 시트(220)의 두께가 결정된다.In the
그리고, 상기와 같이 형성된 그린(green) 형태의 시트(210)를 복수장 적층함으로써 상기 연료극(11)과 상기 전해질(12)을 형성하고, 상기와 같이 상기 연료극(11)과 상기 전해질(12)이 순차적으로 적층된 적층체를 소정 온도에서 소결한다.The
그리고, 상기 전해질(12) 상에 상기 공기극(13)의 조성 물질을 스크린 프린팅하여 소정 두께의 공기극(13)을 형성한다.In addition, the
마지막으로, 상기와 같이 적층된 적층체를 소정 온도에서 소결함으로써 고체산화물 연료전지를 형성한다.Finally, the laminate stacked as above is sintered at a predetermined temperature to form a solid oxide fuel cell.
한편, 상기와 같은 테이프 캐스팅 방법으로 상기 전해질(12)을 제조할 때, YSZ 파우더의 입자 크기를 줄임으로써 상기 전해질(12)과 상기 연료극(11) 및 상기 공기극(13) 사이의 계면에서의 저항이 증가하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.On the other hand, when manufacturing the
특히, 상기 YSZ 파우더는 입자의 직경이 10 내지 30㎚이고, 표면적이 10 내지 30㎠/g로 제조된다.In particular, the YSZ powder has a diameter of 10 to 30nm, the surface area of 10 to 30 cm 2 / g is prepared.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ) 파우더 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.Figure 3 is a flow chart illustrating a method for producing yttria stabilized zirconia (YSZ) powder according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 YSZ 파우더의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명에서는 상기 YSZ 파우더는 공침법(co-precipitation method)을 이용하여 제조한다.Hereinafter, a method of manufacturing YSZ powder according to an embodiment of the present invention will be described. In the present invention, the YSZ powder is prepared using a co-precipitation method.
먼저, YSZ 파우더의 원료가 되는 옥시염화 지르코늄(ZrOCl2)과 염화이트륨 무수물(YCl3)을 증류수에 혼합한다(이하, 제1 혼합액이라 한다)(S11).First, zirconium oxychloride (ZrOCl 2 ) and yttrium anhydride (YCl 3 ), which are raw materials for the YSZ powder, are mixed with distilled water (hereinafter referred to as a first mixed solution) (S11).
여기서, 상기 제1 혼합액은 옥시염화 지르코늄(ZrOCl2) 92%와 염화이트륨 무수물(YCl3) 2%를 정량의 증류수에 혼합하고, 상기 옥시염화 지르코늄(ZrOCl2)과 상기 염화이트륨 무수물(YCl3)이 잘 혼합되도록 교반시킨다.Here, the first mixed solution is a mixture of 92% zirconium oxychloride (ZrOCl 2 ) and 2% yttrium anhydride (YCl 3 ) in distilled water of the quantitative, the zirconium oxychloride (ZrOCl 2 ) and the yttrium chloride anhydride (YCl 3 A) to mix well.
다음으로, 상기 제1 혼합액에 침전물이 형성되도록 침전제를 투입한다(S12).Next, a precipitant is added to form a precipitate in the first mixed solution (S12).
상기 제1 혼합액에 침전제를 투입하면, 상기 옥시염화 지르코늄(ZrOCl2)과 상기 염화이트륨 무수물(YCl3) 및 상기 침전제 사이의 상호 작용으로 인해 상기 제1 혼합액 내에 YSZ가 공침된다.When a precipitant is added to the first mixed solution, YSZ is co-precipitated in the first mixed solution due to the interaction between the zirconium oxychloride (ZrOCl 2 ), the yttrium anhydride (YCl 3 ) and the precipitant.
예를 들어, 상기 침전제는 수산화암모늄(NH4OH) 또는 수산화나트륨(NaOH)이 사용된다. 여기서, 수산화암모늄(NH4OH)은 증류수에 5배 희석시켜 준비하고, 수산화나트륨(NaOH)은 1 ㏖% 용액으로 준비한다. 그리고, 상기와 같이 준비된 수산화암모늄(NH4OH)과 수산화나트륨(NaOH)을 상기 제1 혼합액에 투입하고, 교반시키면서 상기 제1 혼합액에 침전물을 형성한다.For example, the precipitant may be ammonium hydroxide (NH 4 OH) or sodium hydroxide (NaOH). Here, ammonium hydroxide (NH 4 OH) is prepared by diluting five times in distilled water, and sodium hydroxide (NaOH) is prepared in a 1 mol% solution. Then, ammonium hydroxide (NH 4 OH) and sodium hydroxide (NaOH) prepared as described above are added to the first mixture, and a precipitate is formed in the first mixture while stirring.
다음으로, 상기와 같이 침전물이 형성된 제2 혼합액에서 침전물을 회수한다(S13). 본 실시예에서는 상기 침전물을 회수하기 위해서 여과 방법을 사용하였다.Next, the precipitate is recovered from the second mixed liquid in which the precipitate is formed as described above (S13). In this example, a filtration method was used to recover the precipitate.
상세하게는, 상기 제2 혼합액을 거름종이를 통과시킴으로써 상기 침전물이 여과된다. 그리고, 상기 침전물이 수용된 용기에 증류수를 5 내지 6회 정도 투입하여 상기 용기를 세정한다.Specifically, the precipitate is filtered by passing the second mixed liquid through the filter paper. Then, distilled water is added to the container containing the precipitate about 5 to 6 times to clean the container.
여기서, 상기 용기의 세정 수준은 상기 거름종이를 통과한 용액을 채취한 시료에 소량의 실버나이트레이트 용액(silver nitrate solution, AgNO3) 용액을 투입하여 염화은(AgCl) 침전 반응이 발생하지 않으면 세정이 완료된 것으로 한다.Here, the cleaning level of the vessel is a cleaning solution is put into the silver chloride (AgCl) precipitation reaction by adding a small amount of silver nitrate solution (AgNO 3 ) solution to the sample collected through the filter paper Shall be completed.
다음으로, 상기와 같이 회수된 침전물을 건조시킨다(S14).Next, the precipitate recovered as above is dried (S14).
예를 들어, 상기 침전물을 100 내지 120℃에서 약 6시간을 건조시킨다.For example, the precipitate is dried at 100 to 120 ° C. for about 6 hours.
다음으로, 상기 건조가 완료된 침전물을 소정의 온도로 가열한다(S15).Next, the dried precipitate is heated to a predetermined temperature (S15).
여기서, 상기 침전물의 열처리 공정(S15)은 상기 침전된 YSZ의 물성을 확인하기 위한 공정으로서, 550 내지 950℃의 온도에서 2시간 정도 열처리를 함으로써, 상기 YSZ 파우더를 획득한다(S16).Here, the heat treatment step (S15) of the precipitate as a step for checking the physical properties of the precipitated YSZ, by performing a heat treatment for about 2 hours at a temperature of 550 to 950 ℃, to obtain the YSZ powder (S16).
상기와 같은 공침법을 수행하여 획득된 YSZ 파우더는 입자의 직경이 10 내지 30㎚이고, 표면적이 10 내지 30㎠/g가 되는 미세한 입자의 파우더를 획득할 수 있다.The YSZ powder obtained by performing the co-precipitation method as described above can obtain a powder of fine particles having a particle diameter of 10 to 30 nm and a surface area of 10 to 30 cm 2 / g.
한편, 상기와 같이 획득한 나노 사이즈의 YSZ 파우더를 이용하여 전해질을 형성한다. 여기서, 상기 YSZ 파우더의 입자가 미세하므로 상기 YSZ 파우더를 이용하여 형성된 전해질(12)은 그 표면적이 증가되는 효과를 갖는다. 그리고, 상기 전해질(12)의 표면적 증가는 상기 전해질(12)과 연료극(11) 및 공기극(13) 사이의 접촉 면적을 증가시키게 되고, 이는 상기 전해질(12)과 상기 연료극(11) 및 상기 공 기극(13)의 계면에서의 저항을 줄임으로써, 고체산화물 연료전지의 출력 성능을 향상시킨다.On the other hand, using the nano-sized YSZ powder obtained as described above to form an electrolyte. Here, since the particles of the YSZ powder is fine, the
도 4는 도 1의 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 5a 내지 도 5e는 도 4의 고체산화물 연료전지의 제조 방법의 각 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the solid oxide fuel cell of FIG. 1, and FIGS. 5A to 5E are cross-sectional views illustrating each step of the method of manufacturing the solid oxide fuel cell of FIG. 4.
이하에서는 도 4 내지 도 5e를 참조하여 상기와 같이 형성된 YSZ 파우더를 이용하여 상기 전해질(12) 및 상기 고체산화물 연료전지(10)를 제조하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the
우선, 고체산화물 연료전지(10)의 지지체가 되는 상기 연료극(11)을 형성한다.First, the
여기서, 상기 연료극(11)은 연료극 지지층(11a)과 연료극 반응층(11b)으로 형성되며, 소정 두께의 상기 연료극 지지층(11a)을 형성한 후(S21), 상기 연료극 지지층(11a) 상에 소정 두께의 연료극 반응층(11b)을 형성한다(S22).Here, the
상기 연료극 지지층(11a)과 상기 연료극 반응층(11b)은 모두 NiO와 YSZ로 형성되고, 동일한 조성으로 형성되며, 테이프 캐스팅으로 형성된다.The
상세하게는, 상기 연료극 지지층(11a)을 형성하기 위해서 NiO와 YSZ 및 솔벤트, 바인더, 가소제 및 분산제 등을 혼합하여 제1 슬러리를 형성한다.Specifically, in order to form the
여기서, 상기 제1 슬러리는 NiO와 YSZ가 50:50 내지 60:40의 중량비로 혼합된다.Here, the first slurry is mixed NiO and YSZ in a weight ratio of 50:50 to 60:40.
그리고, 상기 제1 슬러리를 테이프 캐스팅 장치를 이용하여 복수의 제1 시 트(111)를 형성한다.Then, the first slurry is formed using a tape casting apparatus to form a plurality of
여기서, 상기 제1 시트(111)는 30 내지 40 ㎛의 두께로 형성된다. 그리고, 상기 연료극 지지층(11a)은 1 내지 2 ㎜의 두께를 갖는다. 즉, 상기 연료극 지지층(11a)은 40 내지 60장의 상기 제1 시트(111)를 적층하여 형성한다.Here, the
다음으로, 상기 연료극 반응층(11b)을 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 형성한다(S22). 여기서, 상기 연료극 반응층(11b)은 상기 연료극 지지층(11a)과 동일한 슬러리를 이용하여 형성한다.Next, the
즉, 상기 연료극 반응층(11b)은 상기 제1 슬러리를 이용하여 형성하되, 상기 제1 시트(111)와는 달리 10 내지 20 ㎛의 두께를 갖는 제2 시트(112)를 형성한다.That is, the
그리고, 상기 연료극 반응층(11b)은 10 내지 50 ㎛의 두께로 형성되고, 상기 연료극 지지층(11a) 상에 상기 제2 시트(112)를 1장 내지 5장을 적층하여 상기 연료극 반응층(11b)을 형성한다.The
다음으로, 상기 연료극 반응층(11b) 상에 전해질(12)을 형성한다(S23).Next, an
여기서, 상기 전해질(12)은 상술한 바와 같이 형성된 나노 사이즈의 YSZ를 이용하여 형성된다.Here, the
상세하게는, 상기 YSZ 파우더에 솔벤트, 바인더, 가소제 및 분산제 등을 혼합하여 제2 슬러리를 형성한다. 그리고, 상기 제2 슬러리를 테이프 캐스팅 장치를 이용하여 5 내지 15 ㎛의 두께를 갖는 제3 시트(121)를 형성한다.Specifically, a solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant, and the like are mixed with the YSZ powder to form a second slurry. In addition, the second slurry is formed using a tape casting apparatus to form a
그리고, 상기 연료극 반응층(11b) 상에 상기 제3 시트(121)를 1장 내지 6장을 적층하여 5 내지 30 ㎛ 두께를 갖는 상기 전해질(12)을 형성함으로써, 제1 적층 체(21)를 형성한다.The
다음으로, 상기 제1 적층체(21)를 라미네이션(lamination)한다(S24).Next, the
여기서, 상기 라미네이션 공정(S24)은 상기 제1 적층체(21)를 대략 70 내지 90℃의 온도에서 150 내지 250 ㎏f/㎠의 힘으로 소정 시간 가압하는 공정이다. 바람직하게는 상기 라미네이션 공정(S24)은 상기 제1 적층체(21)를 80℃에서 200 ㎏f/㎠의 힘으로 30분 동안 가압시킨다.Here, the lamination step (S24) is a step of pressing the
그리고, 상기 라미네이션 공정(S24)이 완료되면 상기 제1 적층체(21)를 하소(calcination)한다(S25).When the lamination process S24 is completed, the
상기 하소 공정(S25)은 상기 연료극(11)과 상기 전해질(12)의 테이프 캐스팅 공정에서, 각각의 슬러리를 형성하는 단계에서 혼합된 솔벤트와 바인더, 가소제 및 분산제 등의 성분을 소정의 온도에서 휘발시켜 제거하는 공정이다.In the calcination step (S25), in the tape casting process of the
상세하게는, 상기 하소 공정은 상기 제1 적층체(21)를 소정 온도로 가열함으로써 상기 제1 적층체(21)에 포함된 휘발성분을 휘발시켜 제거한다. 예를 들어, 상기 하소 공정(S25)은 상기 제1 적층체(21)를 950 내지 1050℃의 온도로 가열한다. 바람직하게는, 상기 하소 공정(S25)은 상기 제1 적층체(21)를 1000℃로 가열하여 약 3시간을 유지시키고 상온으로 유지시킨다.In detail, in the calcination step, the volatile component contained in the
한편, 상기 하소 공정(S25)에서 하소 온도가 1000℃보다 낮은 경우에는 소결 효율이 저하되어, 고체산화물 연료전지의 소결 후 파손이 쉽게 발생하게 된다. 그리고, 하소 온도가 1000℃보다 높은 경우에는 하소 과정에서 상기 제1 적층체(21)에 휘어짐이 발생하고 최종 소결된 고체산화물 연료전지의 외관 불량이 발생하게 된다.On the other hand, in the calcination step (S25) when the calcination temperature is lower than 1000 ℃ sintering efficiency is lowered, the breakage after sintering of the solid oxide fuel cell easily occurs. When the calcining temperature is higher than 1000 ° C., warpage occurs in the
다음으로, 하소가 완료된 제1 적층체(21)를 소정의 온도로 가열하여 소결시킴으로써 제1 예비 연료전지를 형성한다(S26).Next, the first preliminary fuel cell is formed by heating the sintered
예를 들어, 상기 제1 예비 연료전지는 상기 제1 적층체(21)를 1200 내지 1500℃로 가열하여 소결시키며, 바람직하게는 상기 제1 예비 연료전지는 1350℃에서 소결된다.For example, the first preliminary fuel cell is sintered by heating the
한편, 상기 소결 공정(S26)을 수행할 때 상기 제1 적층체(21)에 소정의 힘을 가하면서 가열하여 소결시킨다. 예를 들어, 상기 제1 적층체(21) 상에 소정 크기와 중량을 갖는 소정의 가압체(120)를 배치함으로써, 상기 제1 적층체(21)를 가압하고, 상기한 소결 온도로 가열한다. 여기서, 상기 제1 적층체(21)는 35 내지 40 ㎏f/㎠의 힘으로 가압시킨다.On the other hand, when performing the sintering step (S26) it is heated and sintered while applying a predetermined force to the first laminate (21). For example, by arranging a predetermined
여기서, 상기 제1 예비 연료전지의 소결을 위한 가압체(120)는 소결 공정에서 상기 제1 적층체(21), 즉, 상기 전해질(12) 및 상기 연료극(11)과 화학적으로 반응하거나, 소결 온도에서 상기 가압체(120) 자체에 물리적 화학적으로 변형이 발생하지 않는 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 가압체(120)는 상기 제1 적층체(21)에 대응되고 평판형 또는 블록 형태를 가지며, 지르코니아 세라믹으로 형성된다.Here, the
또한, 상기 소결 단계(S26)에서 상기 가압체(120)를 이용하여 상기 제1 적층체(21)를 가압하여 소결시킴으로써, 소결 후 상기 제1 예비 연료전지의 외관이 양호하게 형성된다.In addition, in the sintering step S26, the first preliminary fuel cell may be satisfactorily formed after sintering by pressing and sintering the
다음으로, 상기와 같이 형성된 제1 예비 연료전지에서 상기 전해질(12) 상에 공기극(13)을 형성한다(S31).Next, the
여기서, 상기 공기극(13)은 상기 전해질(12) 상에 스크린 프린팅 방법으로 형성된다.Here, the
상세하게는, 상기 공기극(13)은 LSM과 YSZ가 혼합된 서메트로서, LSM과 YSZ 50:50 내지 60:40의 중량비로 혼합된다. 그리고, 상기 공기극(13)은 스크린 프린팅 장치를 이용하여 상기 전해질(12) 상에 50 내지 70㎛ 두께를 갖는 상기 공기극(13)을 형성한다.In detail, the
여기서, 본 실시예에서는 스크린 프린팅을 이용하여 상기 공기극(13)을 형성하였으나, 이 외에도, 스프레이 코팅법, 딥 코팅법, 슬러리 코팅법, 전기 화학 증착법(electrical vapor deposition, EVD) 또는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등의 방법을 이용하여 공기극(13)을 형성하는 것이 가능하다.Here, in the present embodiment, the
즉, 본 실시예에 따르면, 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 상기 연료극(11), 상기 전해질(12)을 동시에 소결한 후, 상기 전해질(12) 상에 상기 공기극(13)을 적층하여 소결하는 것으로서, 2회의 소결 공정을 거친다.That is, according to the present embodiment, the
상세하게는, 상기와 같이 상기 연료극 지지층(11a), 상기 연료극 반응층(11b), 상기 전해질(12) 및 상기 공기극(13)이 순차적으로 적층되어 제2 적층체(22)가 형성된다.In detail, as described above, the
다음으로, 상기 제2 적층체(22)를 라미네이션한다(S32).Next, the
상기 라미네이션 공정(S32)은 상기 제1 적층체(21)의 라미네이션 공정(S 24) 과 동일한 조건에서 수행된다. 즉, 상기 제2 적층체(22)의 라미네이션 공정(S32)은 상기 제2 적층체(22)를 80℃에서 200 ㎏f/㎠의 힘으로 30분 동안 가압시킨다.The lamination process S32 is performed under the same conditions as the lamination process S24 of the
다음으로, 상기 라미네이션 공정(S32)이 완료되면 상기 제1 적층체(21)의 하소 공정(S25)과 동일한 조건으로서 상기 제2 적층체(22)에 대해 하소 공정을 수행한다(S33).Next, when the lamination process S32 is completed, a calcination process is performed on the
상기 하소 공정(S33)은 상기 제2 적층체(22)를 950 내지 1050℃, 바람직하게는, 1000℃의 온도로 가열하여 약 3시간을 유지시키고 상온으로 유지시킨다.In the calcination step (S33), the
여기서, 상기 하소 공정(S33) 동안 하소 온도가 1000℃보다 낮은 경우에는 소결 효율이 저하되어, 소결 후 파손이 쉽게 발생하게 된다. 그리고, 상기 하소 온도가 1000℃보다 높은 경우에는 하소 과정에서 제2 적층체(22)에 휘어짐이 발생한다.Here, when the calcination temperature is lower than 1000 ° C during the calcination step (S33), the sintering efficiency is lowered, the breakage easily occurs after sintering. When the calcination temperature is higher than 1000 ° C., warpage occurs in the
다음으로, 상기와 같이 하소가 완료된 상기 제2 적층체(22)를 소결함으로써 고체산화물 연료전지를 형성한다(S34).Next, a solid oxide fuel cell is formed by sintering the
예를 들어, 상기 제2 적층체(22)의 소결 공정에서는 상기 제1 적층체(21)의 소결 공정(S26)과는 달리, 1050 내지 1200℃에서 소결된다. 바람직하게는 상기 제2 적층체(22)는 1150℃에서 소결된다.For example, in the sintering process of the
한편, 상기 제2 적층체(22)의 소결 공정(S34)은 상기 제1 적층체(21)의 소결 공정과 마찬가지로 상기 제2 적층체(22)에 소정의 힘을 가하면서 가열하여 소결시킨다. 예를 들어, 상기 제2 적층체(22) 상에 소정 크기와 중량을 갖는 소정의 가압체(120)를 배치함으로써, 상기 제2 적층체(22)를 35 내지 40 ㎏f/㎠의 힘으로 가 압시킨다.On the other hand, the sintering process (S34) of the
여기서, 상기 제2 적층체(22)의 가압을 위한 가압체(120) 역시 소결 공정에서 상기 제2 적층체(22) 및 상기 공기극(13)과 화학적으로 반응하거나, 소결 온도에서 상기 가압체(120) 자체에 물리적 화학적으로 변형이 발생하지 않는 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 가압체(120)는 지르코니아 세라믹 블록이다.Here, the
여기서, 상기 가압체(120)로 상기 제2 적층체(22)를 가압하여 소결시킴으로써 소결후 고체산화물 연료전지(10)의 양호한 외관을 획득할 수 있다.Here, by pressing and sintering the
도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 성능을 보여주는 그래프들로서, 도 6은 출력 성능을 측정한 그래프이고, 도 7은 전해질의 저항을 측정한 그래프이다.6 and 7 are graphs showing the performance of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a graph measuring output performance, and FIG. 7 is a graph measuring resistance of an electrolyte.
도 6과 도 7에서, ‘비교예’는 종래 기술에 따른 고체산화물 연료전지의 성능을 측정한 결과이고, ‘실시예’는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 성능을 측정한 결과를 보여준다.6 and 7, 'Comparative Example' is a result of measuring the performance of the solid oxide fuel cell according to the prior art, 'Example' is a measurement of the performance of the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention Show results.
여기서, 전해질을 구성하는 YSZ 파우더의 크기가 고체산화물 연료전지의 출력 성능에 미치는 영향을 평가하기 위한 것으로서, 비교예와 실시예는 전해질의 YSZ 파우더의 사이즈를 제외한 다른 조건들은 동일하게 하여 고체산화물 연료전지를 제조하고, 이와 같이 제조된 고체산화물 연료전지의 출력 성능을 각각 측정하였다.Here, to evaluate the effect of the size of the YSZ powder constituting the electrolyte on the output performance of the solid oxide fuel cell, Comparative Example and Example are the same except for the size of the YSZ powder of the electrolyte solid oxide fuel The battery was manufactured and the output performance of the solid oxide fuel cell thus prepared was measured.
즉, 실시예와 비교예는 연료극과 전해질 및 공기극을 동일한 조성과 동일한 두께로 형성하였다. 실시예에서는 직경이 10 내지 30㎚이고, 표면적이 10 내지 30㎠/g인 YSZ 파우더를 이용하여 전해질을 형성하였다. 이에 반해, 비교예에서는 직경이 1㎛ 이상이고, 표면적이 4 내지 8 ㎠/g 인 YSZ 파우더를 이용하여 전해질을 형성하였다.That is, in Examples and Comparative Examples, the anode, the electrolyte, and the cathode were formed to have the same composition and the same thickness. In the embodiment, an electrolyte was formed using YSZ powder having a diameter of 10 to 30 nm and a surface area of 10 to 30 cm 2 / g. In contrast, in Comparative Example, an electrolyte was formed using YSZ powder having a diameter of 1 μm or more and a surface area of 4 to 8 cm 2 / g.
그리고, 실시예와 비교예에 따른 고체산화물 연료전지의 출력 성능을 측정하기 위해서, 실시예와 비교예는 각각 800℃에서 연료극으로는 3% H2O를 포함하는 H2를 200ml/min의 속도로 흐르게 하고, 공기극으로는 공기를 300ml/min으로 흐르게 한다. 그리고, 8시간 동안 작동시킨 후, 전자부하기(electrical loader)를 이용하여 각 고체산화물 연료전지에 전류를 인가하고, 상기 각 고체산화물 연료전지로부터 출력되는 전압을 측정하여 전류-전압 커브를 형성하고, 그 결과를 도 6에 도시하였다.In order to measure the output performance of the solid oxide fuel cell according to the Examples and Comparative Examples, the Examples and Comparative Examples respectively flow H 2 containing 3% H 2 O as the anode at a rate of 200 ml / min at 800 ° C. In the air cathode, air flows at 300 ml / min. After operating for 8 hours, an electric load is applied to each solid oxide fuel cell, and a current-voltage curve is formed by measuring a voltage output from each solid oxide fuel cell. , And the results are shown in FIG.
도 6을 참조하면, 실시예는 고체산화물 연료전지의 단위전지의 출력은 0.31W/㎠로서, 비교예의 0.17W/㎠ 보다 대략 2배 이상 성능이 향상되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, the output of the unit cell of the solid oxide fuel cell is 0.31 W / cm 2, and it can be seen that the performance is improved by approximately two times or more than the 0.17 W / cm 2 of the comparative example.
그리고, 비교예와 실시예에 따른 고체산화물 연료전지에서 단위전지의 분극저항을 측정한 결과를 도 7에 도시하였다.And, the results of measuring the polarization resistance of the unit cell in the solid oxide fuel cell according to the comparative example and the embodiment are shown in FIG.
도 7을 참조하면, 실시예의 단위전지의 분극저항은 0.55 Ω㎠ 이고 비교예의 단위전지 분극저항 0.80 Ω㎠ 로서 실시예와 비교예에서의 전해질 자체의 저항은 거의 일치하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the polarization resistance of the unit cell of the example is 0.55 Ωcm 2 and the unit cell polarization resistance of 0.80 Ωcm 2 of the comparative example, and the resistance of the electrolyte itself in the example and the comparative example is almost identical.
따라서, 도 6과 도 7의 결과로부터 실시예는 전해질의 YSZ 파우더의 입자 크기를 다르게 함으로써, 전해질과 연료극 및 공기극 사이의 계면 저항에 의한 고체산화물 연료전지의 출력 성능이 향상되었음을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen from the results of FIGS. 6 and 7 that the embodiment has improved the output performance of the solid oxide fuel cell due to the interface resistance between the electrolyte, the anode and the cathode by changing the particle size of the YSZ powder of the electrolyte.
본 실시예에 따르면, 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 연료극(11)과 전해질(12)을 1회에 동시 소결하고, 스크린 프린팅 방법을 이용하여 상기 전해질(12) 상에 공기극(13)을 형성하여 소결시킴으로써 고체산화물 연료전지의 제조 공정을 2회 소결로 공정 수를 줄이고, 공정을 단순화시킨다. 또한, 공정의 간소화와 공정 수를 줄임으로써 고체산화물 연료전지의 제조 공정에 필요한 시간과 비용을 효과적으로 절감할 수 있다.According to the present embodiment, the
또한, 나노 사이즈의 YSZ 파우더를 이용함으로써 상기 전해질(12)의 표면적을 증가시킴으로써, 상기 전해질(12)과 상기 연료극(11) 및 상기 공기극(13) 사이의 계면 저항을 줄이고, 고체산화물 연료전지의 출력 성능을 향상시킨다.In addition, by increasing the surface area of the
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지를 설명하기 위한 단면도;1 is a cross-sectional view for explaining a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ) 파우더의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도;2 is a flow chart illustrating a method for preparing yttria stabilized zirconia (YSZ) powder according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 설명하기 위한 테이프 캐스팅 장치의 일 예를 도시한 측면도;3 is a side view showing an example of a tape casting device for explaining a method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도;4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention;
도 5a 내지 도 5e는 도 4의 고체산화물 연료전지의 제조 방법에서 주요 단계를 설명하기 위한 단면도들;5A to 5E are cross-sectional views for explaining main steps in the method of manufacturing the solid oxide fuel cell of FIG. 4;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 출력 성능을 측정한 그래프;6 is a graph measuring output performance of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 분극저항을 측정한 그래프이다.7 is a graph measuring polarization resistance of a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10: 고체산화물 연료전지 11: 연료극10: solid oxide fuel cell 11: anode
11a: 연료극 지지층 11b: 연료극 반응층11a:
12: 전해질 13: 공기극12: electrolyte 13: air electrode
21: 제1 적층체 22: 제2 적층체21: first laminate 22: second laminate
111, 112, 121, 131: 시트111, 112, 121, 131: sheet
120: 가압체120: pressurized body
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