KR101222867B1 - Anode support using spherical pore former and solid oxide fuel cell and the fabrication method therefor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체와 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법은 (a) 연료극 지지체 구성 분말 및 구형 기공 전구체를 포함하는 혼합제 또는 슬러리를 준비하는 단계, (b) 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 연료극 지지체를 성형하는 단계 및 (c) 상기 연료극 지지체를 고온 열처리하여 상기 구형 기공 전구체를 제거하여 구형의 기공을 포함하는 다공성 연료극 지지체를 형성하는 단계를 포함하고, 단계 (b)는, (b') 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 분무 건조법, 동결 건조법 또는 액상 응결 공정으로 과립을 형성하고, 이를 이용하여 가압 몰딩법으로 상기 연료극 지지체를 성형하는 단계이거나, (b'') 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 테이프 캐스팅법으로 상기 연료극 지지체를 성형하는 단계인 것일 수 있다.The present invention relates to a fuel cell support for a solid oxide fuel cell, a solid oxide fuel cell including the same, and a method for manufacturing the same. The method for manufacturing a fuel cell support for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes (a) a fuel cell support powder and a spherical pore precursor. (B) forming the anode support using the mixture or slurry; and (c) removing the spherical pore precursor by performing a high temperature heat treatment of the anode support to include spherical pores. Forming a porous anode support, step (b), (b ') using the mixture or slurry to form granules by spray drying, freeze drying or liquid condensation process, using the pressure molding method Forming the anode support, or (b '') mixing the mixture or slurry By using the tape casting process may be a step of forming the anode support.

Description

구형 기공 전구체를 이용한 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체와 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 {Anode support using spherical pore former and solid oxide fuel cell and the fabrication method therefor}Anode support using spherical pore former and solid oxide fuel cell and the fabrication method therefor}

본 발명은 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체와 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구형 기공을 포함하는 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체와 이를 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to an anode support for a solid oxide fuel cell, a solid oxide fuel cell including the same, and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an anode support for a solid oxide fuel cell including spherical pores and a solid oxide fuel cell including the same. will be.

고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 연료의 화학에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 연료전지의 한 종류로서, 고온에서 이온전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 것을 특징으로 한다.Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is a type of fuel cell that converts chemical energy of fuel directly into electrical energy by electrochemical reaction. It is used to use solid oxide which shows ion conductivity at high temperature as electrolyte. It features.

고체산화물 연료전지는 구조적 지지체에 따라 전해질 지지형 및 전극 지지형이 있으며, 전극 지지형은 다시 양극 (cathode, 공기극) 지지형 및 음극 (anode, 연료극) 지지형으로 나누어진다. 연료극 지지형 고체산화물 연료전지는 연료극 기판 상에 연료극 기능성층, 전해질층 및 공기극층이 순차적으로 형성된 구조이다.The solid oxide fuel cell has an electrolyte support type and an electrode support type according to the structural support, and the electrode support type is further divided into a cathode support and a cathode support. The anode supported solid oxide fuel cell has a structure in which a cathode functional layer, an electrolyte layer, and an cathode layer are sequentially formed on an anode substrate.

연료극 지지형 고체산화물 연료전지의 연료극 지지체는 연료전지의 주요 구성으로서 요구되는 구조적인 물성과 함께 전기화학적인 물성을 모두 충족시켜야 한다. 즉, 지지체로서 충분한 기계적 강도를 가지면서 높은 전기전도도 및 전기화학적 활성, 우수한 기체투과성을 지녀야 한다. 이와 더불어 최근에는 연료전지의 성능 향상을 위해 전해질의 두께를 점차 감소시키는 추세이므로 이에 따른 전해질의 결함 발생을 억제할 수 있는 메커니즘이 연료극 지지체에 도입될 필요성이 있다.The anode support of the anode-supported solid oxide fuel cell must satisfy both the electrochemical and structural properties required as the main components of the fuel cell. That is, the support should have sufficient mechanical strength and high electrical conductivity, electrochemical activity, and excellent gas permeability. In addition, in recent years, since the thickness of the electrolyte is gradually decreased to improve the performance of the fuel cell, a mechanism for suppressing the occurrence of a defect in the electrolyte accordingly needs to be introduced to the anode support.

SOFC의 연료극 지지체로는 주로 NiO와 YSZ (Yttria - Stabilized Zirconia)를 혼합하여 소결한 복합체가 사용되는데, 기존의 기술에서는 연료극 지지체의 기공률 조절을 위해서 NiO와 YSZ 분말의 부피 분율을 조절하거나, YSZ의 섬유상/분말 혼합제 조성변화를 통해 기공률을 조절하거나, 탄소 계열의 기공 전구체를 첨가하여 기공률을 확보하는 방법 등이 시도되었다. 하지만 상기 방법들은 분말 조성의 변화로 인해 공정 조건 자체를 조정해야 하는 복잡성이 따르고, 기공의 크기를 임의로 조절할 수 없고 기공의 형상이 불균일하여 연료극 지지체의 기계적인 강도를 떨어뜨릴 수 있다. As the anode support of SOFC, a composite sintered by mixing NiO and YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia) is mainly used. In the conventional technology, the volume fraction of NiO and YSZ powder is controlled to control the porosity of the anode support. A method of controlling the porosity by changing the composition of the fibrous / powder mixture or by adding a carbon-based pore precursor has been attempted. However, the above methods are complicated due to the change in powder composition, and the process conditions themselves may be adjusted, and the size of the pores may not be arbitrarily adjusted, and the shape of the pores may be uneven, thereby lowering the mechanical strength of the anode support.

본 발명은 상술한 바와 같이 연료극 지지체로서 요구되는 다양한 특성을 충족시키는 연료극 지지체 및 그 제조방법을 제시하기 위한 것으로서, 연료극 지지체에 필요한 구조적 물성 및 전기화학적 물성을 충족시키면서도 상부 전해질의 안정성을 크게 향상시킨 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 아울러 고체산화물 연료전지의 응용분야에 따라 달라질 수 있는 연료극 지지체 원료 조성 및 성형체 제조 공정에 대한 본 발명의 적용 방법을 예시함으로써 향후 개량된 원료 및 공정에도 응용 가능한 방법을 제공하고자 한다.The present invention is to provide an anode support that satisfies the various characteristics required as an anode support and a method for manufacturing the same, as described above, while significantly improving the stability of the upper electrolyte while satisfying the structural and electrochemical properties required for the anode support. It is an object of the present invention to provide an anode support for a solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same. In addition, by providing a method of applying the present invention to the anode support raw material composition and the molded article manufacturing process that can vary depending on the application field of the solid oxide fuel cell, it is intended to provide a method that can be applied to the improved raw materials and processes in the future.

본 발명의 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법은 (a) 연료극 지지체 구성 분말 및 구형 기공 전구체를 포함하는 혼합제 또는 슬러리를 준비하는 단계, (b) 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 연료극 지지체를 성형하는 단계 및 (c) 상기 연료극 지지체를 고온 열처리하여 상기 구형 기공 전구체를 제거하여 구형의 기공을 포함하는 다공성 연료극 지지체를 형성하는 단계를 포함하고, 단계 (b)는, (b') 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 분무 건조법, 동결 건조법 또는 액상 응결 공정으로 과립을 형성하고, 이를 이용하여 가압 몰딩법으로 상기 연료극 지지체를 성형하는 단계이거나, (b'') 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 테이프 캐스팅법으로 상기 연료극 지지체를 성형하는 단계인 것일 수 있다.Method for producing a cathode support for a solid oxide fuel cell of the present invention comprises the steps of (a) preparing a mixture or slurry containing the anode support constituent powder and the spherical pore precursor, (b) forming the anode support using the mixture or slurry And (c) hot-heating the anode support to remove the spherical pore precursors to form a porous anode support comprising spherical pores, wherein step (b) comprises: (b ') the admixture or slurry Forming granules by spray drying, freeze drying, or liquid condensation, and molding the anode support by pressure molding, or (b '') by tape casting using the mixture or slurry. It may be a step of forming the anode support.

또한 본 발명의 고체산화물 연료전지의 제조방법은 상기의 방법에 따라 제조된 내부에 구형의 기공을 포함하는 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 상에 연료극 기능성층, 전해질층 및 공기극층을 순차적으로 형성하는 것을 포함하여 이루어지고, 본 발명의 고체산화물 연료전지는 상기의 방법에 따라 제조하여, 내부에 구형의 기공을 포함하는 것이다.In addition, the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of the present invention is to sequentially form the anode functional layer, the electrolyte layer and the cathode layer on the anode support for a solid oxide fuel cell comprising a spherical pore inside prepared according to the above method. The solid oxide fuel cell of the present invention is prepared according to the above method, and includes spherical pores therein.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 제조방법은 구형 형상을 지니면서 크기가 다양한 기공 전구체를 사용하여 기공을 형성하므로 기공의 크기를 자유롭게 조절할 수 있고, 기공의 형태가 구형이므로 지지체의 구조적 안정성을 유지할 수 있다. 또한 기공의 형성을 위하여 지지체 원료 분말의 조성을 바꾸거나 공정 조건을 바꿔야하는 복잡성이 없다. 특히 본 방법을 이용하면 연료극 지지체의 소성 수축율을 증가시키면서도 기공률을 유지할 수가 있으므로 소결 온도의 선택의 자유도를 큰 폭으로 향상시킬 수 있다. 나아가 연료극 지지체의 소성 수축율의 증가가 가능하므로, 연료극 지지체 상부에 형성되는 연료극 기능성층과 전해질의 결함을 크게 감소시킬 수 있다. 이러한 설계 원리 및 제조방법은 새로운 소재, 새로운 공정이 도입되어도 동일한 방법으로 적용가능하며 각 용도별, 온도별 특성에 맞는 고성능의 연료극 지지체 설계 및 제조가 가능하고, 이를 이용한 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공함으로써, 고체산화물 연료전지의 성능 및 안정성 향상에 기여할 수 있다.The method of manufacturing a cathode support for a solid oxide fuel cell according to the present invention has a spherical shape and forms pores using various pore precursors, and thus the pore size can be freely controlled, and the shape of the pores is spherical, thereby improving structural stability of the support. I can keep it. In addition, there is no complexity of changing the composition of the support raw material powder or the process conditions in order to form pores. In particular, by using this method, the porosity can be maintained while increasing the plastic shrinkage rate of the anode support, so that the degree of freedom in selecting the sintering temperature can be greatly improved. Furthermore, since the plastic shrinkage rate of the anode support can be increased, defects between the anode functional layer and the electrolyte formed on the anode support can be greatly reduced. This design principle and manufacturing method can be applied in the same way even if a new material or a new process is introduced, and it is possible to design and manufacture a high-performance anode support for each application and temperature, and a solid oxide fuel cell and a manufacturing method using the same By providing the, it can contribute to the improvement of the performance and stability of the solid oxide fuel cell.

도 1은 실시예 1의 액상 응결 공정 및 가압 몰딩법에 의한 연료극 지지체 제조 방법의 공정 순서도이다.
도 2는 실시예 2의 테이프 캐스팅법에 의한 연료극 지지체 제조 방법의 순서도이다.
도 3은 실시예 1의 액상 응결 공정 및 가압 몰딩법으로 제조된 연료극 지지체의 단면 미세구조 사진이다.
도 4는 실시예 2의 테이프 캐스팅법으로 제조된 연료극 지지체의 단면 미세구조 사진이다.
도 5는 PMMA 고분자 기공 전구체의 적용 유무에 따른 600 ℃에서의 연료전지 성능변화 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따라 구형 기공 전구체를 사용한 연료극 지지체 위에 형성한 전해질 막의 미세구조 사진이다.
도 6b는 비교예에 따라 기공 전구체를 사용하지 않은 연료극 지지체 위에 형성한 전해질 막의 미세구조 사진이다.
1 is a process flowchart of a method for manufacturing a cathode support by the liquid phase condensation step and the pressure molding method of Example 1;
2 is a flowchart of a method of manufacturing an anode support by the tape casting method of Example 2. FIG.
3 is a cross-sectional microstructure photograph of the anode support manufactured by the liquid phase condensation process and the press molding method of Example 1. FIG.
4 is a cross-sectional microstructure photograph of an anode support manufactured by the tape casting method of Example 2. FIG.
5 is a graph showing changes in fuel cell performance at 600 ° C. with or without PMMA polymer pore precursor.
6A is a microstructure photograph of an electrolyte membrane formed on a cathode support using spherical pore precursors according to an embodiment of the present invention.
6B is a microstructure photograph of an electrolyte membrane formed on an anode support without using a pore precursor according to a comparative example.

본 발명의 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법은 (a) 연료극 지지체 구성 분말 및 구형 기공 전구체를 포함하는 혼합제 또는 슬러리를 준비하는 단계, (b) 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 연료극 지지체를 성형하는 단계 및 (c) 상기 연료극 지지체를 고온 열처리하여 상기 구형 기공 전구체를 제거하여 구형의 기공을 포함하는 다공성 연료극 지지체를 형성하는 단계를 포함한다. Method for producing a cathode support for a solid oxide fuel cell of the present invention comprises the steps of (a) preparing a mixture or slurry containing the anode support constituent powder and the spherical pore precursor, (b) forming the anode support using the mixture or slurry And (c) forming the porous anode support including the spherical pores by removing the spherical pore precursor by performing a high temperature heat treatment on the anode support.

단계 (a)의 혼합제 또는 슬러리는 분산제, 가소제 및 결합제로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 첨가제를 더 포함하고, 단계 (c)의 열처리를 통하여, 상기 첨가제를 제거하는 것일 수 있다.The mixture or slurry of step (a) further comprises at least one additive selected from the group consisting of a dispersant, a plasticizer and a binder, and may be to remove the additive through the heat treatment of step (c).

단계 (c) 이전에, (b''') 상기 단계 (b)에서 성형한 연료극 지지체 상에 연료극 기능성층 및 전해질 층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 단계 (c)는 상기 구형 기공 전구체의 제거와 동시에 상기 연료극 기능성층 및 전해질층을 소결하는 동시 소결 과정인 것일 수 있다.Prior to step (c), (b '' ') further comprises forming an anode functional layer and an electrolyte layer on the anode support formed in step (b), wherein step (c) is performed by the spherical pore precursor. It may be a simultaneous sintering process of sintering the anode functional layer and the electrolyte layer simultaneously with removal.

상기 연료극 지지체 구성 분말은 YSZ (yttria stabilized zirconia)나 GDC (Gd doped ceria)와 같은 이온전도성 산화물, Ni 또는 Cu 등의 촉매성을 갖는 금속 및 혼합전도체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것일 수 있고, 상기 구형 기공 전구체는 폴리메틸메타크릴레이트 (poly(methyl methacrylate), 이하 PMMA), 폴리카보네이트 (polycarbonate, 이하 PC) 및 폴리스티렌 (polystyrene, 이하 PS)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 고분자인 것일 수 있다.The anode support constituent powder may be at least one selected from the group consisting of an ion conductive oxide such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or Gd doped ceria (GZ), a metal having catalytic properties such as Ni or Cu, and a mixed conductor. The spherical pore precursor is at least one polymer selected from the group consisting of polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC) and polystyrene (PS). It may be

단계 (b)는, (b') 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 분무 건조법, 동결 건조법 또는 액상 응결 공정으로 과립을 형성하고, 이를 이용하여 가압 몰딩법으로 상기 연료극 지지체를 성형하는 단계이거나, (b'') 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 테이프 캐스팅법으로 상기 연료극 지지체를 성형하는 단계인 것일 수 있다.Step (b) is (b ') forming the granules by spray drying, freeze drying or liquid condensation using the mixture or slurry, and molding the anode support by pressure molding using the mixture or slurry (b'). '') May be the step of forming the anode support by a tape casting method using the mixture or slurry.

상기 구형 기공 전구체는 상기 혼합제 또는 슬러리 중 50 부피% 이하인 것일 수 있고, 상기 혼합제는 NiO, YSZ 및 PMMA를 포함하고, 상기 혼합제 또는 슬러리 중 상기 NiO는 40 ~ 50 질량%, 상기 YSZ는 30 ~ 40 질량%이고, 상기 PMMA는 5 ~ 15 질량%인 것일 수 있다.The spherical pore precursor may be 50 vol% or less in the blend or slurry, the blend includes NiO, YSZ and PMMA, the NiO in the blend or slurry 40 to 50 mass%, the YSZ is 30 to 40 % By mass, and the PMMA may be 5 to 15% by mass.

상기 구형 기공 전구체 입자의 직경은 상기 연료극 지지체 구성 분말의 직경 이상, 상기 연료극 지지체 구성 분말 직경의 10배 이하인 것일 수 있고, 1 ㎛ ~ 50 ㎛일 수 있다.The diameter of the spherical pore precursor particles may be greater than or equal to the diameter of the anode support constituent powder, less than 10 times the diameter of the anode support constituent powder, and may be 1 μm to 50 μm.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예Example

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법의 공정 흐름도이다. 연료극 지지체 구성 분말은 Ni와 YSZ의 복합체를 사용하였다. 연료극 지지체의 초기 원료 구성은 Ni의 산화물 형태인 NiO와 YSZ가 혼합제를 이루게 되며, 연료전지 운전 중 환원 분위기 하에서 실제 연료극 형태인 Ni-YSZ 복합체가 된다. 구형 기공 전구체로는 평균 입경이 5 ㎛인 미립의 구형 고분자 PMMA 분말 (PMMA 비드)을 사용하였다.
1 and 2 are process flowcharts of a method of manufacturing a cathode support for a solid oxide fuel cell according to the present invention. As the anode support constituent powder, a composite of Ni and YSZ was used. The initial raw material of the anode support is NiO and YSZ, which is an oxide of Ni, to form a mixture, and becomes a Ni-YSZ composite, which is an actual anode, under a reducing atmosphere during fuel cell operation. As a spherical pore precursor, a fine spherical polymer PMMA powder (PMMA beads) having an average particle diameter of 5 μm was used.

실시예 1 : 액상 응결 공정 및 가압 몰딩법에 의한 제조Example 1 Preparation by Liquid Condensation Process and Pressure Molding Method

도 1은 액상 응결 공정 및 가압 몰딩법에 의한 연료극 지지체 제조 방법의 공정 순서도이다. 이를 단계별로 설명하면 다음과 같다.1 is a process flowchart of a method of manufacturing a cathode support by a liquid phase condensation step and a pressure molding method. This is explained step by step as follows.

먼저, 연료극 지지체 구성 분말인 NiO 분말과 YSZ 분말, 구형 고분자 기공 전구체인 PMMA 비드, 결합제 및 용매를 혼합하여 슬러리를 형성하고, 응집체를 제거하여 구성 물질들이 균일하게 혼합된 슬러리를 준비한다 (단계 1-1).First, a slurry is formed by mixing NiO powder, an YSZ powder, a spherical polymer pore precursor, PMMA beads, a binder, and a solvent, which are anode support constituent powders, and removing aggregates to prepare a slurry in which components are uniformly mixed (Step 1 -One).

이어서, 상기 슬러리를 결합제에 대한 용해도가 거의 없거나, 부분적인 용해가 가능한 비용매에 적하하여 연료극 지지체 구성 분말, 구형 고분자 기공 전구체 및 결합제가 균일하게 분포하는 과립을 형성한다 (단계 1-2).Subsequently, the slurry is added to a nonsolvent having little or no solubility in the binder to form granules in which the anode support constituent powder, the spherical polymer pore precursor, and the binder are uniformly distributed (step 1-2).

상기 과립을 건조시키고 원하는 형상의 몰드에 채워 열간 가압 성형한다 (단계 1-3).The granules are dried and filled into molds of desired shape for hot press molding (steps 1-3).

상기 성형체는 고온에서 내부에 존재하는 결합제 및 구형 고분자 기공 전구체를 제거하고 소결한다 (단계 1-4).
The molded body is sintered and removed the binder and the spherical polymer pore precursor present therein at a high temperature (steps 1-4).

실시예 2 : 테이프 캐스팅법에 의한 제조Example 2 Preparation by Tape Casting

도 2는 테이프 캐스팅법에 의한 연료극 지지체 제조 방법의 순서도이다. 이를 단계별로 설명하면 다음과 같다.2 is a flowchart of a method of manufacturing an anode support by a tape casting method. This is explained step by step as follows.

먼저, 연료극 지지체 구성 분말인 NiO 분말과 YSZ 분말, 구형 고분자 기공 전구체인 PMMA 비드, 분산제, 가소제, 결합제 및 용매를 혼합하여 슬러리를 형성하고, 응집체를 제거하여 구성 물질들이 균일하게 혼합된 슬러리를 준비한다 (단계 2-1).First, a slurry is formed by mixing NiO powder, an YSZ powder, a spherical polymer pore precursor, PMMA beads, a dispersant, a plasticizer, a binder, and a solvent, forming a slurry, and removing aggregates to prepare a slurry in which the constituent materials are uniformly mixed. (Step 2-1).

이어서, 상기 슬러리를 움직이는 운반 필름 위에 적재한 뒤 일정한 높이의 블레이드를 통과시켜 판상으로 성형한다 (단계 2-2).Subsequently, the slurry is loaded onto a moving conveying film and then formed into a plate by passing a blade of constant height (step 2-2).

상기 성형체는 고온에서 내부에 존재하는 결합제 및 구형 고분자 기공 전구체를 제거하고 소결한다 (단계 2-3).The shaped body is sintered at high temperatures to remove the binder and spherical polymeric pore precursors present therein (step 2-3).

특히, 상기 제조 방법에서 구성 분말인 NiO 분말과 YSZ 분말, 기공 전구체인 PMMA 비드에 따른 분산제, 가소제, 결합제의 비율을 최적으로 조절할 경우 성형 공정이 용이하며 소결 과정에서의 결함 발생을 감소시킬 수 있다. In particular, when the ratio of the constituent powder, NiO powder, YSZ powder, and the dispersant, plasticizer, and binder according to the pore precursor PMMA beads are optimally controlled, the molding process is easy and defects may be reduced in the sintering process. .

상기 실시예 1 및 2에서 사용한 구성 분말 및 첨가제의 비율을 하기의 표 1과 표 2에 나타내었다.The ratios of the constituent powders and the additives used in Examples 1 and 2 are shown in Tables 1 and 2 below.

실시예 1의 슬러리의 원료 조성Raw Material Composition of the Slurry of Example 1 구성 원료Composition of raw material 부피비Volume ratio (%)(%) 질량비(%)Mass ratio (%) NiO 분말NiO powder 42.54 42.54 46.25 46.25 YSZ 분말YSZ powder 37.46 37.46 36.34 36.34 구형 PMMA 분말Spherical PMMA Powder 20.00 20.00 12.39 12.39 페놀phenol 고려 안 함Don't consider 3.78 3.78 ECEC 고려 안 함Don't consider 1.24 1.24 합계Sum 100100 100100

실시예 2의 슬러리의 원료 조성Raw Material Composition of the Slurry of Example 2 구성 원료Composition of raw material 부피비Volume ratio (%)(%) 질량비(%)Mass ratio (%) NiO 분말NiO powder 34.56 34.56 45.12 45.12 YSZ 분말YSZ powder 30.44 30.44 35.45 35.45 구형 PMMA 분말Spherical PMMA Powder 35.00 35.00 8.15 8.15 KD-1KD-1 고려 안 함Don't consider 1.21 1.21 DBPDBP 고려 안 함Don't consider 6.04 6.04 PVB-79PVB-79 고려 안 함Don't consider 4.03 4.03 합계Sum 100 100 100100

상기의 표 1에서 나타난 바와 같이, 가압 몰딩법을 통한 성형체 제조를 위한 결합제로 페놀을 첨가하였으며, PMMA와 원료 분말 간의 접착성을 증가시키고 과립 형성을 용이하게 하기 위하여 에틸셀룰로오스 (EC)가 PMMA 질량 대비 1/10 이 첨가되었다. PMMA의 함량을 증가시킬 경우 PMMA 간 또는 PMMA와 다른 원료 분말 간의 접착성이 떨어져 과립의 크기가 감소하거나 과립 형성이 어렵게 되므로 에틸셀룰로오스나 이와 유사기능을 하는 고분자의 함량을 비례하여 증가시킬 수 있다.As shown in Table 1 above, phenol was added as a binder for the production of a molded body by pressure molding, and ethyl cellulose (EC) was added to the PMMA mass to increase the adhesion between PMMA and the raw material powder and to facilitate the formation of granules. Contrast 1/10 was added. Increasing the content of PMMA can reduce the adhesiveness between PMMA or PMMA and other raw material powders, reducing the size of granules or making granules difficult, so that the content of ethyl cellulose or a polymer having a similar function can be proportionally increased.

또한 상기의 표 2에서 나타난 바와 같이, 테이프 캐스팅 공정을 통한 성형체 제조를 위한 분산제로 KD-1, 가소제로 디부틸프탈레이트 (DBP), 결합제로 폴리비닐부티랄 (PVB)이 사용되었다. 테이프 캐스팅용 슬러리에서 가소제가 부족할 시에는 성형체에 건조 결함이 발생하고 과할 시에는 슬러리의 균일도가 떨어지는데, PMMA의 함량을 증가시킬 경우 PMMA의 증가량에 따라 필요 가소제량이 미량 증가할 수 있다.In addition, as shown in Table 2, as a dispersant for the production of molded articles through a tape casting process KD-1, dibutylphthalate (DBP) as a plasticizer and polyvinyl butyral (PVB) as a binder were used. When the plasticizer is lacking in the slurry for tape casting, dry defects occur in the molded body, and when the excess is inferior to the uniformity of the slurry.

이때 슬러리 내 구형 고분자 기공 전구체는 최종 공정이 끝난 후 그대로 기공으로 치환되므로 음극의 원료 분말과 구형 고분자 기공 전구체의 부피를 합한 총 부피의 50 %을 넘지 않는 양을 도입하는 것이 바람직하며, 이를 초과하게 되면 과도한 기공 형성으로 음극의 기계적 강도를 보장할 수 없다. 또한 구형 고분자 기공 전구체의 입도는 다른 원료의 입도 분포와 유사하거나 더 크더라도 10배를 넘지 않는 것이 성형체 형성 및 연료극 지지체의 열기계적 물성에 문제가 발생하지 않으며, 일반적으로 음극 제조에 사용되는 분말의 입도에 대비하였을 때 구형 고분자 기공 전구체의 입도는 1 ㎛ ~ 50 ㎛ 사이의 것을 사용할 수 있다. 추가적으로 상기 제조 단계 중 소결 이전까지의 공정 온도는 구형 고분자 기공 전구체의 형태가 변형되는 것을 방지하기 위하여 각 고분자의 유리 전이 온도 이하에서 이루어져야 하며, 가압 역시 구형 고분자 기공 전구체의 형태가 변형되지 않는 범위 내에서 이루어져야 한다. 이를 고려하여 본 실시예에서는 열간 가압 몰딩시에 최대 130 ℃의 온도와 최대 30 MPa의 압력으로 공정을 진행하였다.In this case, since the spherical polymer pore precursor in the slurry is replaced with pores as it is after the final process, it is preferable to introduce an amount not exceeding 50% of the total volume of the raw material powder of the negative electrode and the spherical polymer pore precursor. If too large pore formation can not guarantee the mechanical strength of the negative electrode. In addition, even if the particle size of the spherical polymer pore precursor is similar to or larger than the particle size distribution of other raw materials, the particle size does not exceed 10 times, and thus there is no problem in the formation of the molded body and the thermomechanical properties of the anode support. As compared to the particle size, the particle size of the spherical polymer pore precursor may be used between 1 μm and 50 μm. In addition, the process temperature until sintering during the manufacturing step should be made below the glass transition temperature of each polymer to prevent the deformation of the spherical polymer pore precursor, the pressure is also within the range that the shape of the spherical polymer pore precursor is not deformed. Should be done in In consideration of this, in the present embodiment, the process was performed at a temperature of up to 130 ° C. and a pressure of up to 30 MPa during hot press molding.

상기 예시된 공정을 통해 제조된 연료극 지지체의 단면 미세구조 사진을 도 3과 도 4에 도시하였다. 도 3은 실시예 1의 액상 응결 공정 및 가압 몰딩법으로 제조된 연료극 지지체의 단면 미세구조 사진이고, 도 4는 실시예 2의 테이프 캐스팅법으로 제조된 연료극 지지체의 단면 미세구조 사진이다.3 and 4 show cross-sectional microstructure photographs of the anode support prepared through the illustrated process. 3 is a cross-sectional microstructure photograph of the anode support manufactured by the liquid phase condensation process and the press molding method of Example 1, and FIG. 4 is a cross-sectional microstructure photograph of the anode support manufactured by the tape casting method of Example 2. FIG.

도 3과 도 4에서 보듯이 구형 고분자 기공 전구체의 도입을 통하여 연료극 지지체에 구형의 기공을 확보할 수 있으며 이에 따라 지지체가 요구하는 기계적 강도를 유지하면서도 기공률을 향상시키고 또한 전해질의 안정성을 크게 증가시킬 수 있다. As shown in FIGS. 3 and 4, the spherical pores may be secured in the anode support through the introduction of the spherical polymer pore precursor, thereby improving the porosity while maintaining the mechanical strength required by the support and greatly increasing the stability of the electrolyte. Can be.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 제조방법에 있어서 구형 고분자 기공 전구체의 도입은 연료극 지지체의 물성 향상을 위한 다음의 효과를 유도한다.In the method of manufacturing a cathode support for a solid oxide fuel cell according to the present invention, the introduction of a spherical polymer pore precursor induces the following effects for improving physical properties of the anode support.

첫째로, 원료분말 입도 및 소결 온도 선택에 있어 기공률을 고려하지 않고 연료전지의 성능에 맞게 최적화할 수 있다. 특히 연료극 지지체와 기능성층 및 전해질층의 동시소성 공정시 상부층의 소결도를 증가시키고 결함을 감소시키기 위해서는 연료극 지지체에 미세분말을 사용하여 소결 수축률을 높거나 소결시 온도를 높여야 하는데, 이러한 경우 필연적으로 기공률은 감소하게 된다. 따라서 구형 고분자 기공 전구체를 통한 인위적인 기공 조성을 통해 연료극 지지체에 필요한 기공률을 확보할 수 있다.First, it is possible to optimize the performance of the fuel cell without considering the porosity in the raw material powder particle size and sintering temperature selection. In particular, in order to increase the sintering degree of the upper layer and to reduce defects in the simultaneous firing process of the anode support, the functional layer and the electrolyte layer, it is necessary to use the fine powder in the anode support to increase the sinter shrinkage rate or to increase the temperature during sintering. Porosity will decrease. Therefore, it is possible to secure the porosity required for the anode support through artificial pore composition through the spherical polymer pore precursor.

둘째로, 상기의 인위적인 기공 조성에 있어서 기공의 형태를 구형으로 유지함으로써 파괴 응력 또는 미세균열의 집중을 막아 상대적으로 높은 기공률을 가지면서도 지지체에 필요한 기계적 강도를 확보할 수 있다. 보다 구체적으로는 상기와 같은 효과를 통한 기공률 확보로 일차적으로는 연료극 지지체의 기체 투과도를 향상시킬 수 있으며 이에 따라 연료전지 작동시 반응물과 생성물의 이동이 자유로울 수 있다. 그리고 구형 고분자 기공 전구체의 존재와 함께 소성 온도의 조절을 통해 연료극 지지체의 소성 수축을 증가시킬 수가 있어, 연료극 지지체 위에 형성되는 연료극 기능성층과 전해질층의 치밀화를 용이하게 할 수 있다. 또한, 높은 기공률에 의한 연료극 지지체의 탄성계수 감소에 따라 지지체 상부에 형성된 전해질에 작용하는 열응력을 감소시킴으로써 전해질의 안정성을 향상시킬 수 있다. 특히 이러한 효과는 전해질의 두께가 얇아질수록 크게 작용할 수 있다.Second, by maintaining the shape of the pores in the artificial pore composition in the spherical shape to prevent the concentration of fracture stress or micro-cracks can have a relatively high porosity while securing the mechanical strength required for the support. More specifically, the gas permeability of the anode support may be primarily improved by securing the porosity through the above effects, and thus, the movement of reactants and products may be freely performed when the fuel cell is operated. The plastic shrinkage of the anode support can be increased by controlling the firing temperature together with the presence of the spherical polymer pore precursor, thereby facilitating densification of the anode functional layer and the electrolyte layer formed on the anode support. In addition, it is possible to improve the stability of the electrolyte by reducing the thermal stress acting on the electrolyte formed on the support in accordance with the decrease in the elastic modulus of the anode support due to the high porosity. In particular, such an effect may be large as the thickness of the electrolyte becomes thinner.

이에 대한 실험 결과를 나타낸 도 5는 구형 기공 전구체로서 PMMA 비드를 도입하여 내부에 구형 기공을 형성시킨 연료극 지지체와 그렇지 않은 연료극 지지체로 연료전지를 제작하여 운전할 시의 전류-전압 곡선 및 전류-전력 곡선을 600 ℃에서 비교한 그래프이다. 펄스레이저 증착법으로 형성한 1 ㎛의 매우 얇은 전해질 박막을 적용했을 때 PMMA 비드가 도입된 연료전지의 경우 전해질 박막이 안정적으로 유지되어 개회로 전압이 이론값에 가깝게 나타나는 반면, 그렇지 않은 연료전지의 경우 환원시 전해질 박막이 손상되어 개회로 전압이 이론값의 약 80 %에 그치는 것을 확인할 수 있다. 이는 연료극 지지체의 소성 수축이 증가하면서 연료극 기능성층이 소성과정에서 치밀화가 더 잘 진행되어 연료극 기능성층 상부의 결함이 크게 감소하였기 때문으로, 그 상부에 증착되는 박막 전해질이 결함없이 형성되었기 때문이다. 5 shows the results of the experiment. The current-voltage curve and the current-power curve when the fuel cell is manufactured and operated with the anode support having a spherical pore formed therein by introducing PMMA beads as a spherical pore precursor and the anode support not having the same. Is a graph comparing at 600 ℃. In case of fuel cell with PMMA beads, the electrolyte membrane is stable and the open-circuit voltage appears close to the theoretical value when the ultra thin electrolyte thin film formed by pulsed laser deposition is applied. It can be seen that the electrolyte membrane is damaged during reduction, so that the open circuit voltage is only about 80% of the theoretical value. This is because as the plastic shrinkage of the anode support increases, densification of the anode functional layer proceeds better during the firing process, and the defects on the upper portion of the anode functional layer are greatly reduced, and the thin film electrolyte deposited thereon is formed without defects.

기공 전구체를 사용하지 않은 경우는 연료극 기능성층 표면에 다수의 결함이 존재하며, 이로 인해 전해질막이 연속적으로 형성되지 않아 개회로 전압이 제대로 발현되지 않는다. 도 6a에 기공 전구체를 사용한 기판상의 전해질막의 미세구조를, 도 6b에 비교예로서 기공 전구체를 사용하지 않은 기판상의 전해질 막의 미세구조를 보였다. 도 6b의 화살표가 가리키는 부분이 결함이 발생한 부분이다.When the pore precursor is not used, a large number of defects exist on the surface of the anode functional layer. As a result, the electrolyte membrane is not continuously formed and thus the open circuit voltage is not properly expressed. 6A shows the microstructure of the electrolyte membrane on the substrate using the pore precursor, and FIG. 6B shows the microstructure of the electrolyte membrane on the substrate without the pore precursor. The part indicated by the arrow of FIG. 6B is the part which a defect generate | occur | produced.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and the present invention is not limited thereto.

Claims (12)

(a) 연료극 지지체 구성 분말 및 구형 기공 전구체를 포함하는 혼합제 또는 슬러리를 준비하는 단계;
(b) 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 연료극 지지체를 성형하는 단계; 및
(c) 상기 연료극 지지체를 고온 열처리하여 상기 구형 기공 전구체를 제거하여 구형의 기공을 포함하는 다공성 연료극 지지체를 형성하는 단계를 포함하고,
단계 (b)는,
(b') 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 분무 건조법, 동결 건조법 또는 액상 응결 공정으로 과립을 형성하고, 이를 이용하여 가압 몰딩법으로 상기 연료극 지지체를 성형하는 단계이거나,
(b'') 상기 혼합제 또는 슬러리를 이용하여 테이프 캐스팅법으로 상기 연료극 지지체를 성형하는 단계인 것인 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
(a) preparing a mixture or slurry comprising a cathode support constituent powder and a spherical pore precursor;
(b) shaping the anode support using the mixture or slurry; And
(c) forming a porous anode support including spherical pores by removing the spherical pore precursor by performing a high temperature heat treatment on the anode support;
Step (b) is
(b ') forming granules by spray drying, freeze drying, or liquid condensation using the mixture or slurry, and molding the anode support by pressure molding using the same;
(b '') a method of manufacturing a cathode support for a solid oxide fuel cell, wherein the anode support is formed by a tape casting method using the mixture or slurry.
제1항에 있어서,
단계 (a)의 혼합제 또는 슬러리는 분산제, 가소제 및 결합제로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 첨가제를 더 포함하고,
단계 (c)의 열처리를 통하여, 상기 첨가제를 제거하는 것인 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
The method of claim 1,
The mixture or slurry of step (a) further comprises at least one additive selected from the group consisting of dispersants, plasticizers and binders,
The method of manufacturing a cathode support for a solid oxide fuel cell to remove the additive through the heat treatment of step (c).
제1항에 있어서, 단계 (c) 이전에,
(b''') 상기 단계 (b)에서 성형한 연료극 지지체 상에 연료극 기능성층 및 전해질 층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
단계 (c)는 상기 구형 기공 전구체의 제거와 동시에 상기 연료극 기능성층 및 전해질층을 소결하는 동시 소결 과정인 것인 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
The process of claim 1, wherein, prior to step (c),
(b ''') further comprising forming a cathode functional layer and an electrolyte layer on the anode support molded in step (b);
Step (c) is a simultaneous sintering process of sintering the anode functional layer and the electrolyte layer simultaneously with the removal of the spherical pore precursor.
제1항에 있어서, 상기 연료극 지지체 구성 분말은 이온전도성 산화물, 촉매성을 갖는 금속 및 혼합전도체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것인 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.The method of claim 1, wherein the anode support constituent powder is at least one selected from the group consisting of an ion conductive oxide, a metal having a catalytic property, and a mixed conductor. 제1항에 있어서, 상기 구형 기공 전구체는 PMMA, PC 및 PS로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 고분자인 것인 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.The method of claim 1, wherein the spherical pore precursor is at least one polymer selected from the group consisting of PMMA, PC, and PS. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 구형 기공 전구체는 상기 혼합제 또는 슬러리 중 50 부피% 이하인 것인 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
The method of claim 1,
The spherical pore precursor is 50% by volume or less in the mixture or slurry of the anode support for a solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 혼합제는 NiO, YSZ 및 PMMA를 포함하고,
상기 혼합제 또는 슬러리 중 상기 NiO는 40 ~ 50 질량%, 상기 YSZ는 30 ~ 40 질량%이고, 상기 PMMA는 5 ~ 15 질량%인 것인 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
The method of claim 1,
The admixture comprises NiO, YSZ and PMMA,
The NiO is 40 to 50% by mass, the YSZ is 30 to 40% by mass, and the PMMA is 5 to 15% by mass in the mixture or slurry of the method for producing a fuel cell support for a solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 구형 기공 전구체 입자의 직경은 상기 연료극 지지체 구성 분말의 직경 이상, 상기 연료극 지지체 구성 분말 직경의 10배 이하인 것인 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
The method of claim 1,
And a diameter of the spherical pore precursor particles is equal to or larger than the diameter of the anode support component powder and 10 times or less of the diameter of the anode support component powder.
제1항에 있어서,
상기 구형 기공 전구체 입자의 직경은 1 ㎛ ~ 50 ㎛인 것인 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
The method of claim 1,
The diameter of the spherical pore precursor particles is a method of producing a fuel cell support for a solid oxide fuel cell that is 1 ㎛ ~ 50 ㎛.
제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제10항 중 어느 하나의 방법에 따라 제조된 내부에 구형의 기공을 포함하는 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 상에 연료극 기능성층, 전해질층 및 공기극층을 순차적으로 형성하는 것인 고체산화물 연료전지의 제조방법.The anode functional layer, the electrolyte layer, and the cathode layer are formed on a cathode support for a solid oxide fuel cell including spherical pores therein prepared according to any one of claims 1 to 5 and 7 to 10. Method of manufacturing a solid oxide fuel cell that is formed sequentially. 제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제10항 중 어느 하나의 방법에 따라 제조하여, 내부에 구형의 기공을 포함하는 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체.A fuel cell support for a solid oxide fuel cell prepared according to any one of claims 1 to 5 and 7 to 10, and comprising spherical pores therein.
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