KR101169549B1 - 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지 및 그 단전지를 이용한 스택 및 그 단전지 제조방법 - Google Patents

튜브형 고체산화물연료전지용 단전지 및 그 단전지를 이용한 스택 및 그 단전지 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지에 구비된 전극의 전기화학반응 면적을 효율적으로 확대시켜 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지의 출력 값을 증대시키기 위한 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지 및 그 단전지를 이용한 스택 및 그 단전지 제조방법에 관한 것으로,
상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 연료가스통로(110)를 구비하는 복수개의 연료극 지지체(120)를 구비하며, 상기 연료극 지지체(120)의 상부 표면에 전해질 막(124)과 공기극 층(128)이 연속적으로 코팅된 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 단전지(100)에 구비되는 연료극 및 공기극의 전기화학반응 면적을 효율적으로 확대시키기 때문에, 높은 출력이 확보되는 효과가 있다.

Description

튜브형 고체산화물연료전지용 단전지 및 그 단전지를 이용한 스택 및 그 단전지 제조방법{Tube-type unit cell for solid oxide fuel cell and stack using unit cells and method for manufacturing unit cell}
본 발명은 튜브형 고체산화물연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)용 단전지(unit cell) 및 그 단전지를 이용한 스택(stack) 및 그 단전지 제조방법에 관한 것으로, 특히, 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지에 구비된 전극의 전기화학반응 면적을 효율적으로 확대시켜 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지의 출력 값을 증대시키기 위한 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지 및 그 단전지를 이용한 스택 및 그 단전지 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 세라믹 이온 전도체를 전해질로 사용하는 고체산화물연료전지는 550℃ 내지 1000℃의 고온에서 수소, 천연가스, 도시가스, 및 바이오가스 등등의 연료가스와 산소가스가 전기화학적으로 반응하도록 하여 전기에너지와 열에너지를 직접 얻는 미래 발전적인 전지이다.
이와 같은 고체산화물연료전지는 여러 연료전지 유형 중에서 가장 높은 전력 변환 효율과 NOx, SOx 또는 CO2와 같은 공해 물질 배출이 거의 없어 환경 친화적인 차세대 전력 공급 장치로서 주목받고 있다.
한편, 고체산화물연료전지용 단전지는 치밀한 산소 이온전도체의 양면에 다공성 공기극 및 연료극이 부착되어 이루어지며 그 중에서도 단전지의 출력 성능을 좌우하는 구성요소는 전해질과 공기극의 성능에 크게 좌우된다.
전해질의 경우, 전해질의 두께를 줄임으로써 저항을 감소시키거나 기존의 8몰% 이트리아 안정화제가 고용된 지르코니아((Y2O3)0.08(ZrO2)0.92, 이하 8YSZ라고 한다) 대신에 11몰% 스칸디아를 안정화제로 이용한 지르코니아계 전해질((Sc2O3)0.11(ZrO2)0.89, 이하 11ScSZ라고 한다) 또는 스트론튬 및 마그네슘이 치환 고용된 란타늄 갈륨 산화물계 예로, La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .2O3 전해질과 같은 8YSZ보다 2배 이상으로 산소 이온전도도가 높은 대체 전해질을 이용하여 성능을 높일 수 있다.
공기극의 경우에는 미세구조 제어와 아울러 전기 전도성과 산소 이온전도성이 우수한 혼합전도체 전극을 사용하여 공기극 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 평판형 고체산화물연료전지용 단전지와는 달리 원통형 또는 평관형 고체산화물연료전지용 단전지는 단전지의 구조를 효율적으로 디자인하여 전극에서의 전기화학반응 면적을 확대시키는 방법을 고려할 수 있다.
이러한 이유는 고체산화물연료전지용 단전지의 출력 특성을 전력 밀도(W/cm2)로 표현하며, 단전지의 전기적 용량 값은 결국 이러한 전력 밀도 값에 공기극 전기화학반응 유효 면적을 곱하여 나타내게 된다.
즉, 전력 밀도 수치가 0.3W/cm2인 단전지의 공기극 면적이 100cm2이라면 이 단위 전지는 30W 용량의 셀이 된다.
따라서 동일한 부피를 갖는 원통형 또는 평관형 단전지라도 공기극 전기화학반응 면적을 증대시킬 수 있으면 더욱 고출력 단전지를 제조할 수 있다.
한편, 지멘스 웨스팅하우스사에서 튜브형 고체산화물연료전지를 주도적으로 개발하여 왔으며, 먼저 원통형 구조를 적용한 고체산화물연료전지를 개발한 후 평관형 구조의 고체산화물연료전지로 진화하였다.
또한, 국제출원(PCT/EP2005/052330)을 보면 보다 고효율 고체산화물연료전지 개발을 위해 델타형 구조의 고체산화물연료전지를 개발하여 기존 튜브형 고체산화물연료전지보다 고출력을 확보하였음을 알 수 있다.
이와 같은 델타형 구조 단전지는 평관형 구조를 개량한 것으로 단전지의 상부를 파형으로 구조 변경하여 전극의 유효면적을 증대시킨 구조이다.
이와 관련하여, 도 1은 지멘스 웨스팅사에서 제작한 원통형 단전지(10), 평관형 단전지(20), 및 델타형 단전지(30)의 정면을 나타낸 도면이다.
지맨스 웨스팅하우스사는 원통형 단전지(10) 및 평관형 단전지(20)를 사용한 고체산화물연료전지가 평판형 고체산화물연료전지에 비해 밀봉기술이 용이하지만 상대적으로 낮은 전력 밀도(W/cm2)를 갖으며 부피당 출력밀도가 낮다는 단점을 극복하고자 델타형 단전지(30)를 개발하여 출력을 향상시켰다.
그러나 이와 같은 종래의 기술에 따른 델타형 단전지(30)의 디자인은 평관형 단전지(20)보다 출력 향상은 기대할 수 있으나 실제 스택을 제조할 경우 공간을 효율적으로 사용하는 효과는 구조적으로 기대할 수 없는 결점이 있다.
또한, 델타형 단전지(30)의 상부 및 하부의 형상이 현저한 비대칭 구조이기 때문에, 압출 성형 또는 사출 성형 등의 방법으로 형상화를 하여도 건조, 고온열처리 등의 일련 단계에서 쉽게 변형되어 정상 제품으로 제조되는 수율이 매우 낮다는 문제점도 있다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지에 구비된 전극의 전기화학반응 면적을 효율적으로 확대시켜 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지의 출력 값을 증대시키기 위한 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지 및 그 단전지를 이용한 스택 및 그 단전지 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일 형태에 따르면,
상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 연료가스통로(110)를 구비하는 복수개의 연료극 지지체(120)를 구비하며, 상기 연료극 지지체(120)의 상부 표면에 전해질 막(124)과 공기극 층(128)이 연속적으로 코팅된 것을 특징으로 한다.
상기 연료극 지지체(120)의 상부 표면과 상기 전해질 막(124) 사이에 5um 내지 30um 두께로 형성된 다공성 연료극기능성층(122); 및
상기 전해질 막(124)과 상기 공기극 층(128) 사이에 5um 내지 30um 두께로 형성된 다공성 공기극기능성층(CFL, Cathode Functional Layer)(126);
을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전해질 막(124), 연료극기능성층(122), 및 공기극기능성층(126) 중 어느 하나에 사용되는 전해질 재료는 6mol% 이터비아(Yb2O3) 및 4mol% 스칸티아(Sc2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(6Yb4ScSZ), 10mol% 스칸디아 및 1mol% 세리아(CeO2)가 안정화제로 사용된 지르코니아(10Sc1CeSZ), La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .15Co0 .05O3의 조성을 갖는 세라믹, 및 8mol% 이트리아(Y2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(YSZ) 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 돌출부분은 사각형, 사다리꼴, 및 삼각형 형태 중에 어느 한 형태이며,
상기 돌출부분이 사다리꼴 형태인 경우 해당 사다리꼴의 한 쌍의 대변 중 짧은 변이 인접하는 변과 이루는 내각(a)이 90° 내지 150°이고,
상기 돌출부분이 삼각형 형태일 경우 해당 삼각형에서 인접하는 돌출부분이 없는 바깥쪽 부분의 내각이 35° 내지 150°인 것을 특징으로 한다.
상기 단전지(100)의 단부 모서리는 둥글거나 각진 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 단전지(100)의 너비(W)는 2cm 내지 100cm이고 상기 단전지(100)의 길이(L)는 10cm 내지 200cm이며, 상기 단전지(100)의 높이(H)는 0.5cm 내지 5cm인 것을 특징으로 한다.
상기 연료가스통로(110)는 2개 내지 100개인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 형태에 따르면,
상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 공기가스통로를 구비하는 복수개의 공기극 지지체(220)를 구비하며, 상기 공기극 지지체(220)의 상부 표면에 전해질 막(224)과 연료극 층(228)이 연속적으로 코팅된 것을 특징으로 한다.
상기 공기극 지지체(220)의 상부 표면과 상기 전해질 막(224) 사이에 형성된 다공성 공기극기능성층(222); 및
상기 전해질 막(224)과 상기 연료극 층(228) 사이에 형성된 다공성 연료극기능성층(226);
을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 형태에 따르면,
상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 연료가스통로(110)를 구비하는 복수개의 연료극 지지체(120)를 구비하며, 상기 연료극 지지체(120)의 상부 표면에 전해질 막(124)과 공기극 층(128)이 연속적으로 코팅된 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지(100) 복수개가 적층되어 이루어지되,
상기 복수개의 단전지(100)는 전기 전도성 세라믹 접속자(130)에 의해 연결되어 적층된 것을 특징으로 한다.
상기 연료극 지지체(120)의 상부 표면과 상기 전해질 막(124) 사이에 5um 내지 30um 두께로 형성된 다공성 연료극기능성층(122); 및
상기 전해질 막(124)과 상기 공기극 층(128) 사이에 5um 내지 30um 두께로 형성된 다공성 공기극기능성층(126);
을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전해질 막(124), 연료극기능성층(122), 및 공기극기능성층(126) 중 어느 하나에 사용되는 전해질 재료는 6mol% 이터비아(Yb2O3) 및 4mol% 스칸티아(Sc2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(6Yb4ScSZ), 10mol% 스칸디아 및 1mol% 세리아(CeO2)가 안정화제로 사용된 지르코니아(10Sc1CeSZ), La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .15Co0 .05O3의 조성을 갖는 세라믹, 및 8mol% 이트리아(Y2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(YSZ) 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 돌출부분은 사각형, 사다리꼴, 및 삼각형 형태 중에 어느 한 형태이며,
상기 돌출부분이 사다리꼴 형태인 경우 해당 사다리꼴의 한 쌍의 대변 중 짧은 변이 인접하는 변과 이루는 내각(a)이 90° 내지 150°이고,
상기 돌출부분이 삼각형 형태일 경우 해당 삼각형에서 인접하는 돌출부분이 없는 바깥쪽 부분의 내각이 35° 내지 150°인 것을 특징으로 한다.
상기 단전지(100)의 단부 모서리는 둥글거나 각진 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 단전지(100)의 너비(W)는 2cm 내지 100cm이고 상기 단전지(100)의 길이(L)는 10cm 내지 200cm이며, 상기 단전지(100)의 높이(H)는 0.5cm 내지 5cm인 것을 특징으로 한다.
상기 전기 전도성 세라믹 접속자(130)는 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)이 치환 고용된 란타늄 크롬 산화물계(Ca or Sr doped LaCrO3) 물질 또는, 망간(Mn)과 코발트(Co)로 구성되어지는 스피넬계 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 네 번째 형태에 따르면,
상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 공기가스통로를 구비하는 복수개의 공기극 지지체(220)를 구비하며, 상기 공기극 지지체(220)의 상부 표면에 전해질 막(224)과 연료극 층(228)이 연속적으로 코팅된 고체산화물연료전지용 단전지 복수개가 적층되어 이루어지되,
상기 복수개의 단전지는 금속 접속자(230)에 의해 연결되어 적층된 것을 특징으로 한다.
상기 금속 접속자(230)는 니켈(Ni) 금속과 니켈 부직포(felt) 또는, 니켈 금속과 니켈 망(mesh)이 적층되어 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다섯 번째 형태에 따르면,
연료극 지지체형 단전지를 제조하는 방법으로서,
배합된 원료를 세라믹 압출기를 이용하여, 상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 연료가스통로(110)를 구비하는 복수개의 연료극 지지체(120)를 성형하는 제1단계;
상기 압출 성형된 연료극 지지체(120)를 50℃에서 건조하고 1000℃에서 2시간 동안 열처리하여, 탄소 분말과 유기 바인더를 연소시킨 연녹색 다공성 NiO+YSZ 연료극 지지체(120)를 구현하는 제2단계;
상기 구현한 연녹색 다공성 NiO+YSZ 연료극 지지체(120) 상부표면에 담금법을 이용하여 연료극기능성층(122)을 코팅하는 제3단계;
상기 연료극기능성층(122) 코팅이 이루어진 연료극 지지체(120)를 1100℃에서 2시간 동안 열처리하여 최종 연료극기능성층(122)을 형성하는 제4단계;
상기 연료극기능성층(122)의 표면에 전해질 막(124)을 코팅하는 제5단계;
상기 전해질 막(124)/연료극기능성층(122)/연료극 지지체(120)를 1400℃에서 3시간 동안 소결하는 제6단계;
담금법 처리를 통해 상기 전해질 막(124)의 표면에 공기극기능성층(126)을 코팅하는 제7단계;
상기 공기극기능성층(126)의 표면에 공기극 층(128)을 코팅하는 제8단계; 및
상기 공기극기능성층(126) 및 공기극 층(128)을 코팅한 시편을 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여, 공기극 층(128)/공기극기능성층(126)/전해질 막(124)/연료극기능성층(122)/연료극 지지체(120)로 구성된 최종 단전지(100)를 제조하는 제9단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계의 배합된 원료는 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 이트리아 안정화 지르코니아(8YSZ) 분말과 비표면적이 10m2/g 내지 15m2/g인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말을 질량비로 50 : 50 %로 혼합하고 여기에 비표면적이 2m2/g 내지 4m2/g인 산화니켈(NiO) 분말을 전체 YSZ : NiO = 57 : 43 % 질량비로 혼합하고 YSZ+NiO 혼합분말에 기공 형성제인 탄소 분말과 유기 바인더를 물과 함께 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 제3단계의 연료극기능성층(122)용 코팅액은 비표면적이 10m2/g 내지 15m2/g인 NiO 분말과 6mol% 이터비아(Yb2O3) 및 4mol% 스칸티아(Sc2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 57 : 43 중량비로 배합한 분말을 에탄올 용매에 혼합하여 제조되는 20% 분체 고형량을 갖는 코팅액인 것을 특징으로 한다.
상기 제5단계의 전해질 막(124)용 코팅액은 6mol% 이터비아(Yb2O3) 및 4mol% 스칸티아(Sc2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말이 20% 분체 고형량을 갖는 코팅액인 것을 특징으로 한다.
상기 제7단계의 공기극기능성층(126)용 코팅액은 각각 비표면적이 10m2/g 내지 15m2/g인 LSM(La0 .8Sr0 .2Mn1 .02O3) 분말과 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 60 : 40 % 중량비로 배합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 제8단계의 공기극 층(128)용 코팅액은 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 LSM 분말로 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 여섯 번째 형태에 따르면,
공기극 지지체형 단전지를 제조하는 방법으로서,
배합된 분말을 세라믹 압출기를 이용하여, 상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 공기가스통로를 구비하는 복수개의 공기극 지지체(220)를 성형하는 제1단계;
상기 압출 성형된 공기극 지지체(220)를 50℃에서 건조하고 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여, 탄소 분말과 유기 바인더를 연소시킨 검정색 다공성 LSF(La0.8Sr0.2Fe1.02O3)+YSZ 공기극 지지체(220)를 구현하는 제2단계;
상기 구현한 공기극 지지체(220)의 상부표면에 담금법을 이용하여 공기극기능성층(222) 코팅하는 제3단계;
상기 공기극기능성층(222) 코팅이 이루어진 공기극 지지체(220)를 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여, 최종 공기극 지지체(220)/공기극기능성층(222) 시편을 형성하는 제4단계;
상기 공기극기능성층(222)의 표면에 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 이용하여 담금법에 의해 전해질 막(224)을 코팅하는 제5단계;
상기 전해질 막(224)이 코팅된 시편을 1400℃에서 3시간 동안 소결하여 최종 전해질 막(224)이 형성된 공기극 지지체(220)/공기극기능성층(222)/전해질 막(224) 시편을 제조하는 제6단계;
상기 전해질 막(224)의 표면에 연료극기능성층(226) 및 연료극 층(228)을 연속으로 코팅하는 제7단계; 및
상기 연료극기능성층(226) 및 연료극 층(228)을 연속 코팅한 시편을 1250℃에서 2시간 동안 열처리하여, 최종 공기극 지지체(220)/공기극기능성층(222)/전해질 막(224)/연료극기능성층(226)/연료극 층(228)으로 구성된 단전지를 제조하는 제8단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계의 배합된 분말은 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 LSF(La0.8Sr0.2Fe1.02O3) 분말과 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 YSZ 분말을 60 : 40 %의 중량비로 혼합하고 기공 형성제로서 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 구상 흑연 분말을 LSF+YSZ 복합 분말과 다시 부피 비율로 40 : 60 %로 균일 혼합한 후 다시 유기 바인더를 물과 함께 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 제3단계의 공기극기능성층(222)용 코팅액은 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 공기극 지지체(220)에 사용된 동일한 조성의 LSF 분말과 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 60 : 40 % 중량비로 배합한 후 전체 대비 동일한 부피비율로 구상 흑연 분말을 첨가한 후 에탄올 용매에 혼합하여 LSF+지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말이 20% 고형량을 갖도록 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 제5단계의 전해질 막(224)용 코팅액은 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말이 20% 고형량을 갖도록 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 제7단계의 연료극기능성층(226)용 코팅액은 비표면적이 7m2/g 내지 10m2/g인 NiO 분말과 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 57 : 43 % 중량비로 배합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 제7단계의 연료극 층(228)용 코팅액은 비표면적이 2m2/g 내지 4m2/g인 NiO 분말과 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 동일한 중량으로 배합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 단전지(100)에 구비되는 연료극 및 공기극의 전기화학반응 면적을 효율적으로 확대시키기 때문에, 높은 출력이 확보되는 효과가 있다.
또한, 단전지(100)의 상부 및 하부가 대칭 구조를 갖기 때문에, 단전지(100)를 균일하고 용이하게 제조할 수 있는 장점도 있다.
또한, 단전지(100)를 복수개 사용하여 스택으로 적층할 경우에도 공간 활용성이 높기 때문에, 스택의 출력이 크면서도 스택의 부피가 작아지는 장점이 있다.
도 1은 지멘스 웨스팅사에서 제작한 원통형 단전지, 평관형 단전지, 및 델타형 단전지의 정면을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지 및 그 단전지를 이용한 스택 및 그 단전지 제조방법에 사용되는 단전지의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 단전지를 가로방향으로 절단하여 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 단전지를 복수개 적층한 스택을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료극 지지체형 단전지 및 공기극 지지체형 단전지의 상부 및 하부를 나타내며, 각 단전지를 복수개 적층하여 각 스택 구성 시 각각 사용되는 각 접속자를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지 및 그 단전지를 이용한 스택 및 그 단전지 제조방법에 사용되는 단전지(100)의 일 실시예를 나타낸 사시도로, 단전지(100)는 복수개의 연료가스통로(110) 및 복수개의 연료극 지지체(120)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명을 도 3 내지 5를 참조하여 보면 다음과 같다.
먼저 도 3은 도 2에 도시된 단전지(100)를 가로방향으로 절단하여 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 단전지(100)를 복수개 적층한 스택을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료극 지지체(120)형 단전지(100) 및 공기극 지지체형 단전지의 상부 및 하부를 나타내며, 각 단전지를 복수개 적층하여 각 스택 구성 시 각각 사용되는 각 접속자(130, 230)를 나타낸 도면이다.
여기서 공기극 지지체형 단전지의 형태는 연료극 지지체(120)형 단전지(100)의 형태와 유사하기 때문에, 공기극 지지체형 단전지의 사시도, 단면도, 및 공기극 지지체형 단전지를 복수개 적층한 스택을 나타낸 도면은 생략하기로 한다.
도 2 내지 도 5에 있어서, 먼저 도 2와 같이 복수개의 연료극 지지체(120)는 상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 연료가스통로(110)를 구비한다. 이때 연료극 지지체(120)의 상부 표면에 5um 내지 30um 두께의 다공성 연료극기능성층(122), 전해질 막(124), 5um 내지 30um 두께의 다공성 공기극기능성층(126), 및 공기극 층(128)이 연속적으로 코팅된다.
한편, 도 4와 같이 복수개의 단전지(100)를 전기 전도성 세라믹 접속자(130)에 의해 연결하여 적층함에 따라 스택을 제작할 수 있다. 이때 연료극 지지체(120)의 하면에 코팅된 전기 전도성 세라믹 접속자(130)는 다른 단전지의 공기극 층(128)과 접속되어 전기적 통로 역할을 하며, 공기가스 및 연료가스가 통과하지 못하도록 치밀한 막으로 형성된다. 이러한 전기 전도성 세라믹 접속자(130)로 사용 가능한 물질을 보면, 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)이 치환 고용된 란타늄 크롬 산화물계(Ca or Sr doped LaCrO3) 물질, 망간(Mn)과 코발트(Co)로 구성되어지는 스피넬계 산화물 예로, Mn1.5Co1.5O4, 이트륨이 치환 고용된 스트론튬 티타늄 산화물(Y doped SrTiO3) 등이 있다.
전해질 막(124), 연료극기능성층(122), 및 공기극기능성층(126) 중 어느 하나에 사용되는 전해질 재료는 6mol% 이터비아(Yb2O3) 및 4mol% 스칸티아(Sc2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(6Yb4ScSZ), 10mol% 스칸디아 및 1mol% 세리아(CeO2)가 안정화제로 사용된 지르코니아(10Sc1CeSZ), La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .15Co0 .05O3의 조성을 갖는 세라믹, 및 8mol% 이트리아(Y2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(YSZ) 중에 어느 하나이다.
돌출부분은 사각형, 사다리꼴, 및 삼각형 형태 중에 어느 한 형태인 것이 좋다. 돌출부분이 사다리꼴 형태인 경우 해당 사다리꼴의 한 쌍의 대변 중 짧은 변이 인접하는 변과 이루는 내각(a)이 90° 내지 150°이다. 돌출부분이 삼각형 형태일 경우 해당 삼각형에서 인접하는 돌출부분이 없는 바깥쪽 부분의 내각이 35° 내지 150°이다.
단전지(100)의 단부 모서리는 둥글거나 각진 형태로 제작할 수 있다.
단전지(100)의 너비(W)는 2cm 내지 100cm이고 단전지(100)의 길이(L)는 10cm 내지 200cm이며, 단전지(100)의 높이(H)는 0.5cm 내지 5cm이다.
단전지(100)의 연료가스통로(110)는 2개 내지 100개 제작하는 것이 좋다.
복수개의 공기극 지지체(220)는 상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 공기가스통로를 구비한다. 이때 공기극 지지체(220)의 상부 표면에 다공성 공기극기능성층(222), 전해질 막(224), 다공성 연료극기능성층(226), 및 연료극 층(228)이 연속적으로 코팅된다.
한편, 복수개의 공기극 지지체형 단전지를 금속 접속자(230)에 의해 연결하여 적층함에 따라 스택을 제작할 수 있다. 이때 금속 접속자(230)는 공기극 지지체(220)의 하면에 코팅되어 다른 단전지의 연료극 층(228)과 접속되며, 전기적 통로 역할을 하고 공기가스 및 연료가스가 통과하지 못하도록 치밀한 막으로 형성된다. 이러한 금속 접속자(230)로 주로 니켈 금속이 사용된다. 즉, 금속 접속자(230)는 치밀한 니켈 금속을 공기극 지지체(220)의 하면에 막으로 형성한 후 그 위에 니켈 부직포 또는, 니켈 망 등을 적층하여 형성될 수 있다.
연료극 지지체형 단전지 제조방법을 보면 다음과 같다.
먼저 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 이트리아 안정화 지르코니아(8YSZ) 분말과 비표면적이 10m2/g 내지 15m2/g인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말을 질량비로 50 : 50 %로 혼합하고 여기에 비표면적이 2m2/g 내지 4m2/g인 산화니켈(NiO) 분말을 전체 YSZ : NiO = 57 : 43 % 질량비로 혼합하고 YSZ+NiO 혼합분말에 기공 형성제인 탄소 분말과 유기 바인더를 물과 함께 혼합하여 압출 원료를 배합한다.
배합된 원료를 세라믹 압출기를 이용하여, 상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 연료가스통로(110)를 구비하는 복수개의 연료극 지지체(120)를 성형한다.
압출 성형된 연료극 지지체(120)를 50℃에서 건조하고 1000℃에서 2시간 동안 열처리하여, 탄소 분말과 유기 바인더를 연소시킨 연녹색 다공성 NiO+YSZ 연료극 지지체(120)를 구현한다.
구현한 연녹색 다공성 NiO+YSZ 연료극 지지체(120) 상부표면에 담금법을 이용하여 연료극기능성층(122)을 코팅한다. 이때 연료극기능성층(122)용 코팅액 제조방법을 보면, 우선 비표면적이 10m2/g 내지 15m2/g 정도인 NiO 분말과 6mol% 이터비아(Yb2O3) 및 4mol% 스칸티아(Sc2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 57 : 43 중량비로 배합한 분말을 에탄올 용매에 혼합하여 20% 분체 고형량을 갖는 코팅액을 제조한다. 고형 분말의 원활한 분산을 위해 미량의 유기분산제와 코팅 접착 강도를 위해 폴리비닐부티랄계 바인더를 혼합한다.
연료극기능성층(122) 코팅이 이루어진 연료극 지지체(120)를 1100℃에서 2시간 동안 열처리하여, 최종 연료극기능성층(122)을 형성한다.
연료극기능성층(122)의 표면에 전해질 막(124)을 코팅한다. 이때 전해질 막(124)용 코팅액 제조방법은 전술된 연료극기능성층(122)용 코팅액 제조방법과 동일하다.
전해질 막(124)/연료극기능성층(122)/연료극 지지체(120)를 1400℃에서 3시간 동안 소결한다.
담금법 처리를 통해 전해질 막(124)의 표면에 공기극기능성층(126)을 코팅한다. 이때 공기극기능성층(126)용 코팅액은 각각 비표면적이 10m2/g 내지 15m2/g인 LSM(La0 .8Sr0 .2Mn1 .02O3) 분말과 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 60 : 40 % 중량비로 배합하여 만든다.
공기극기능성층(126)의 표면에 공기극 층(128)을 코팅한다. 이때 공기극 층(128)용 코팅액은 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 LSM 분말로 배합하여 만든다.
공기극기능성층(126) 및 공기극 층(128)을 코팅한 시편을 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여, 공기극 층(128)/공기극기능성층(126)/전해질 막(124)/연료극기능성층(122)/연료극 지지체(120)로 구성된 최종 단전지(100)를 제조한다.
공기극 지지체형 단전지 제조방법을 보면 다음과 같다.
먼저 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 LSF(La0 .8Sr0 .2Fe1 .02O3) 분말과 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 YSZ 분말을 60 : 40 %의 중량비로 혼합하고 기공 형성제로서 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 구상 흑연 분말을 LSF+YSZ 복합 분말과 다시 부피 비율로 40 : 60 %로 균일 혼합한 후 다시 유기 바인더를 물과 함께 혼합하여 압출 원료를 배합한다.
배합된 분말을 세라믹 압출기를 이용하여, 상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 공기가스통로를 구비하는 복수개의 공기극 지지체(220)를 성형한다.
압출 성형된 공기극 지지체(220)를 50℃에서 건조하고 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여, 탄소 분말과 유기 바인더를 연소시킨 검정색 다공성 LSF+YSZ 공기극 지지체(220)를 구현한다.
구현한 공기극 지지체(220)의 상부표면에 담금법을 이용하여 공기극기능성층(222) 코팅한다. 이때 공기극기능성층(222)용 코팅액은 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 공기극 지지체(220)에 사용된 동일한 조성의 LSF 분말과 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 60 : 40 % 중량비로 배합한 후 전체 대비 동일한 부피비율로 구상 흑연 분말을 첨가한 후 에탄올 용매에 혼합하여 LSF+지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말이 20% 고형량을 갖도록 코팅액을 제조한다. 고형 분말의 원활한 분산을 위해 미량의 유기분산제와 코팅 접착 강도를 위해 폴리비닐부티랄계 바인더를 혼합한다.
공기극기능성층(222) 코팅이 이루어진 공기극 지지체(220)를 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여, 최종 공기극 지지체(220)/공기극기능성층(222) 시편을 형성한다.
공기극기능성층(222)의 표면에 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 이용하여 담금법에 의해 전해질 막(224)을 코팅한다. 전해질 막(224)용 코팅액은 공기극기능성층(222)용 코팅액의 제조방법과 동일하게 제조된다.
전해질 막(224)이 코팅된 시편을 1400℃에서 3시간 동안 소결하여 최종 전해질 막(224)이 형성된 공기극 지지체(220)/공기극기능성층(222)/전해질 막(224) 시편을 제조한다.
전해질 막(224)의 표면에 연료극기능성층(226) 및 연료극 층(228)을 연속으로 형성한다. 이때 연료극기능성층(226)은 담금법으로 코팅한다. 연료극기능성층(226)용 코팅액은 비표면적이 7m2/g 내지 10m2/g인 NiO 분말과 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 57 : 43 % 중량비로 배합하여 제조한다. 연료극 층(228)용 코팅액은 비표면적이 2m2/g 내지 4m2/g인 NiO 분말과 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 동일한 중량으로 배합하여 제조한다.
연료극기능성층(226) 및 연료극 층(228)을 연속 코팅한 시편을 1250℃에서 2시간 동안 열처리하여, 최종 공기극 지지체(220)/공기극기능성층(222)/전해질 막(224)/연료극기능성층(226)/연료극 층(228)으로 구성된 단전지를 제조한다.
이와 같은 본 발명은 단전지(100)에 구비되는 연료극 및 공기극의 전기화학반응 면적을 효율적으로 확대시키기 때문에, 높은 출력이 확보되는 장점이 있다.
또한, 단전지(100)의 상부 및 하부가 대칭 구조를 갖기 때문에, 단전지(100)를 균일하고 용이하게 제조할 수 있는 장점도 있다.
또한, 단전지(100)를 복수개 사용하여 스택으로 적층할 경우에도 공간 활용성이 높기 때문에, 스택의 출력이 크면서도 스택의 부피가 작아지는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100 : 단전지
110 : 연료가스통로
120 : 연료극 지지체
122, 226 : 연료극기능성층
124, 224 : 전해질 막
126, 222 : 공기극기능성층
128 : 공기극 층
130 : 전기 전도성 세라믹 접속자
220 : 공기극 지지체
228 : 연료극 층
230 : 금속 접속자

Claims (30)

  1. 상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출된 돌출부분 중앙에 각각 연료가스통로(110)를 구비하는 복수개의 연료극 지지체(120)를 구비하며, 상기 연료극 지지체(120)의 상부 표면에 전해질 막(124)과 공기극 층(128)이 연속적으로 코팅되되,
    상기 연료극 지지체(120)의 상부 표면과 상기 전해질 막(124) 사이에 5um 내지 30um 두께로 형성된 다공성 연료극기능성층(122); 및
    상기 전해질 막(124)과 상기 공기극 층(128) 사이에 5um 내지 30um 두께로 형성된 다공성 공기극기능성층(126); 를 포함하고,
    상기 전해질 막(124), 연료극기능성층(122), 및 공기극기능성층(126) 중 어느 하나에 사용되는 전해질 재료는 6mol% 이터비아(Yb2O3) 및 4mol% 스칸티아(Sc2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(6Yb4ScSZ), 10mol% 스칸디아 및 1mol% 세리아(CeO2)가 안정화제로 사용된 지르코니아(10Sc1CeSZ), La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3의 조성을 갖는 세라믹, 및 8mol% 이트리아(Y2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(YSZ) 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌출부분은 사각형, 사다리꼴, 및 삼각형 형태 중에 어느 한 형태이며,
    상기 돌출부분이 사다리꼴 형태인 경우 해당 사다리꼴의 한 쌍의 대변 중 짧은 변이 인접하는 변과 이루는 내각(a)이 90° 내지 150°이고,
    상기 돌출부분이 삼각형 형태일 경우 해당 삼각형에서 인접하는 돌출부분이 없는 바깥쪽 부분의 내각이 35° 내지 150°인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단전지(100)의 단부 모서리는 둥글거나 각진 형태인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단전지(100)의 너비(W)는 2cm 내지 100cm이고 상기 단전지(100)의 길이(L)는 10cm 내지 200cm이며, 상기 단전지(100)의 높이(H)는 0.5cm 내지 5cm인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료가스통로(110)는 2개 내지 100개인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지.
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  10. 상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출된 돌출부분 중앙에 각각 연료가스통로(110)를 구비하는 복수개의 연료극 지지체(120)를 구비하며, 상기 연료극 지지체(120)의 상부 표면에 전해질 막(124)과 공기극 층(128)이 연속적으로 코팅된 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지(100) 복수개가 적층되어 이루어지되,
    상기 복수개의 단전지(100)는 전기 전도성 세라믹 접속자(130)에 의해 연결되어 적층되며,
    상기 연료극 지지체(120)의 상부 표면과 상기 전해질 막(124) 사이에 5um 내지 30um 두께로 형성된 다공성 연료극기능성층(122); 및
    상기 전해질 막(124)과 상기 공기극 층(128) 사이에 5um 내지 30um 두께로 형성된 다공성 공기극기능성층(126); 을 포함하고,
    상기 전해질 막(124), 연료극기능성층(122), 및 공기극기능성층(126) 중 어느 하나에 사용되는 전해질 재료는 6mol% 이터비아(Yb2O3) 및 4mol% 스칸티아(Sc2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(6Yb4ScSZ), 10mol% 스칸디아 및 1mol% 세리아(CeO2)가 안정화제로 사용된 지르코니아(10Sc1CeSZ), La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3의 조성을 갖는 세라믹, 및 8mol% 이트리아(Y2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(YSZ) 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지를 이용한 스택.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 돌출부분은 사각형, 사다리꼴, 및 삼각형 형태 중에 어느 한 형태이며,
    상기 돌출부분이 사다리꼴 형태인 경우 해당 사다리꼴의 한 쌍의 대변 중 짧은 변이 인접하는 변과 이루는 내각(a)이 90° 내지 150°이고,
    상기 돌출부분이 삼각형 형태일 경우 해당 삼각형에서 인접하는 돌출부분이 없는 바깥쪽 부분의 내각이 35° 내지 150°인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지를 이용한 스택.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 단전지(100)의 단부 모서리는 둥글거나 각진 형태인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지를 이용한 스택.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 단전지(100)의 너비(W)는 2cm 내지 100cm이고 상기 단전지(100)의 길이(L)는 10cm 내지 200cm이며, 상기 단전지(100)의 높이(H)는 0.5cm 내지 5cm인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지를 이용한 스택.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 전기 전도성 세라믹 접속자(130)는 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)이 치환 고용된 란타늄 크롬 산화물계(Ca or Sr doped LaCrO3) 물질 또는, 망간(Mn)과 코발트(Co)로 구성되어지는 스피넬계 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지를 이용한 스택.
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  19. 연료극 지지체형 단전지를 제조하는 방법으로서,
    배합된 원료를 세라믹 압출기를 이용하여, 상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 연료가스통로(110)를 구비하는 복수개의 연료극 지지체(120)를 성형하는 제1단계;
    상기 압출 성형된 연료극 지지체(120)를 50℃에서 건조하고 1000℃에서 2시간 동안 열처리하여, 탄소 분말과 유기 바인더를 연소시킨 연녹색 다공성 NiO+YSZ 연료극 지지체(120)를 구현하는 제2단계;
    상기 구현한 연녹색 다공성 NiO+YSZ 연료극 지지체(120) 상부표면에 담금법을 이용하여 연료극기능성층(122)을 코팅하는 제3단계;
    상기 연료극기능성층(122) 코팅이 이루어진 연료극 지지체(120)를 1100℃에서 2시간 동안 열처리하여 최종 연료극기능성층(122)을 형성하는 제4단계;
    상기 연료극기능성층(122)의 표면에 전해질 막(124)을 코팅하는 제5단계;
    상기 전해질 막(124)/연료극기능성층(122)/연료극 지지체(120)를 1400℃에서 3시간 동안 소결하는 제6단계;
    담금법 처리를 통해 상기 전해질 막(124)의 표면에 공기극기능성층(126)을 코팅하는 제7단계;
    상기 공기극기능성층(126)의 표면에 공기극 층(128)을 코팅하는 제8단계; 및
    상기 공기극기능성층(126) 및 공기극 층(128)을 코팅한 시편을 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여, 공기극 층(128)/공기극기능성층(126)/전해질 막(124)/연료극기능성층(122)/연료극 지지체(120)로 구성된 최종 단전지(100)를 제조하는 제9단계; 를 포함하되,
    상기 제8단계의 공기극 층(128)용 코팅액은 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 LSM 분말로 제조되는 것을 특징으로 하는 연료극 지지체형 단전지 제조방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제1단계의 배합된 원료는 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 이트리아 안정화 지르코니아(8YSZ) 분말과 비표면적이 10m2/g 내지 15m2/g인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말을 질량비로 50 : 50 %로 혼합하고 여기에 비표면적이 2m2/g 내지 4m2/g인 산화니켈(NiO) 분말을 전체 YSZ : NiO = 57 : 43 % 질량비로 혼합하고 YSZ+NiO 혼합분말에 기공 형성제인 탄소 분말과 유기 바인더를 물과 함께 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 연료극 지지체형 단전지 제조방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 제3단계의 연료극기능성층(122)용 코팅액은 비표면적이 10m2/g 내지 15m2/g인 NiO 분말과 6mol% 이터비아(Yb2O3) 및 4mol% 스칸티아(Sc2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 57 : 43 중량비로 배합한 분말을 에탄올 용매에 혼합하여 제조되는 20% 분체 고형량을 갖는 코팅액인 것을 특징으로 하는 연료극 지지체형 단전지 제조방법.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 제5단계의 전해질 막(124)용 코팅액은 6mol% 이터비아(Yb2O3) 및 4mol% 스칸티아(Sc2O3)가 안정화제로 사용된 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말이 20% 분체 고형량을 갖는 코팅액인 것을 특징으로 하는 연료극 지지체형 단전지 제조방법.
  23. 청구항 19에 있어서,
    상기 제7단계의 공기극기능성층(126)용 코팅액은 각각 비표면적이 10m2/g 내지 15m2/g인 LSM(La0 .8Sr0 .2Mn1 .02O3) 분말과 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 60 : 40 % 중량비로 배합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 연료극 지지체형 단전지 제조방법.
  24. 삭제
  25. 공기극 지지체형 단전지를 제조하는 방법으로서,
    배합된 분말을 세라믹 압출기를 이용하여, 상부 및 하부에 교대로 일체형으로 연속 돌출되어 중앙에 각각 공기가스통로를 구비하는 복수개의 공기극 지지체(220)를 성형하는 제1단계;
    상기 압출 성형된 공기극 지지체(220)를 50℃에서 건조하고 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여, 탄소 분말과 유기 바인더를 연소시킨 검정색 다공성 LSF+YSZ 공기극 지지체(220)를 구현하는 제2단계;
    상기 구현한 공기극 지지체(220)의 상부표면에 담금법을 이용하여 공기극기능성층(222) 코팅하는 제3단계;
    상기 공기극기능성층(222) 코팅이 이루어진 공기극 지지체(220)를 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여, 최종 공기극 지지체(220)/공기극기능성층(222) 시편을 형성하는 제4단계;
    상기 공기극기능성층(222)의 표면에 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 이용하여 담금법에 의해 전해질 막(224)을 코팅하는 제5단계;
    상기 전해질 막(224)이 코팅된 시편을 1400℃에서 3시간 동안 소결하여 최종 전해질 막(224)이 형성된 공기극 지지체(220)/공기극기능성층(222)/전해질 막(224) 시편을 제조하는 제6단계;
    상기 전해질 막(224)의 표면에 연료극기능성층(226) 및 연료극 층(228)을 연속으로 코팅하는 제7단계; 및
    상기 연료극기능성층(226) 및 연료극 층(228)을 연속 코팅한 시편을 1250℃에서 2시간 동안 열처리하여, 최종 공기극 지지체(220)/공기극기능성층(222)/전해질 막(224)/연료극기능성층(226)/연료극 층(228)으로 구성된 단전지를 제조하는 제8단계; 를 포함하되,
    상기 제5단계의 전해질 막(224)용 코팅액은 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말이 20% 고형량을 갖도록 제조되는 것을 특징으로 하는 공기극 지지체형 단전지 제조방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 제1단계의 배합된 분말은 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 LSF(La0.8Sr0.2Fe1.02O3) 분말과 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 YSZ 분말을 60 : 40 %의 중량비로 혼합하고 기공 형성제로서 비표면적이 1m2/g 내지 5m2/g인 구상 흑연 분말을 LSF+YSZ 복합 분말과 다시 부피 비율로 40 : 60 %로 균일 혼합한 후 다시 유기 바인더를 물과 함께 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 공기극 지지체형 단전지 제조방법.
  27. 청구항 25에 있어서,
    상기 제3단계의 공기극기능성층(222)용 코팅액은 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 공기극 지지체(220)에 사용된 동일한 조성의 LSF 분말과 비표면적이 5m2/g 내지 10m2/g인 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 60 : 40 % 중량비로 배합한 후 전체 대비 동일한 부피비율로 구상 흑연 분말을 첨가한 후 에탄올 용매에 혼합하여 LSF+지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말이 20% 고형량을 갖도록 제조되는 것을 특징으로 하는 공기극 지지체형 단전지 제조방법.
  28. 삭제
  29. 청구항 25에 있어서,
    상기 제7단계의 연료극기능성층(226)용 코팅액은 비표면적이 7m2/g 내지 10m2/g인 NiO 분말과 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 57 : 43 % 중량비로 배합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 공기극 지지체형 단전지 제조방법.
  30. 청구항 25에 있어서,
    상기 제7단계의 연료극 층(228)용 코팅액은 비표면적이 2m2/g 내지 4m2/g인 NiO 분말과 지르코니아(6Yb4ScSZ) 분말을 동일한 중량으로 배합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 공기극 지지체형 단전지 제조방법.
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