KR101405477B1 - A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell - Google Patents

A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 금속지지체, 미세기공 금속층, 연료극층, 고체전해질층 그리고 공기극 층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법에 있어서, 상기 금속지지체의 한쪽면에 상기 미세기공 금속층과 상기 연료극층 그리고 상기 고체전해질층 중 적어도 어느 하나 이상의 층을 구성하는 원료분말을 테이프 캐스팅하여 제조한 그린 시트를 이용하여 온간등방압프레스 (Warm Isostatic Press; WIP)공정을 이용하여 차례로 적층하여 접합하는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법을 제공한다.
본 발명은 미세기공 금속층 상에 선택적으로 확산방지층을 더욱 형성할 수 있다.
In one embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell having a metal support, a microporous metal layer, a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer and a cathode layer, (WIP) process using a green sheet prepared by tape-casting a raw material powder constituting at least one of a metal layer, the anode layer and the solid electrolyte layer, and then laminating the green sheet in this order by using a warm isostatic press Wherein the metal-supported solid oxide fuel cell is manufactured by a method of manufacturing a solid oxide fuel cell.
The present invention can further form a diffusion preventing layer selectively on the micropore metal layer.

Description

금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법 및 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀{A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell, and a metal support type solid oxide fuel cell,

본 발명은 고체 산화물 연료 전지용 셀 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속지체형 고체산화물 연료전지 셀 및 이의 제조 방법 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cell for a solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a metal pellet type solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same.

고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 고체전해질층과, 고체전해질층의 일면에 위치하는 연료극(음극)과, 고체전해질층 (막)의 다른 일면에 위치하는 공기극(양극)을 포함한다.A solid oxide fuel cell (SOFC) has a structure in which a plurality of electricity generating units each comprising a unit cell and a separator plate are stacked. The unit cell includes a solid electrolyte layer, a fuel electrode (cathode) located on one side of the solid electrolyte layer, and an air electrode (anode) located on the other side of the solid electrolyte layer (membrane).

공기극에 산소를 공급하고 연료극에 수소를 공급해주면, 공기극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 고체전해질층을 통해서 연료극으로 이동한 후 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다. 따라서 고체전해질층은 가스가 직접 통과할 수 없는 치밀한 이온전도성층으로 이루어지고, 공기극 및 연료극은 가스투과가 용이한 다공성 구조와 혼합전도(전자 및 이온전도)성을 나타내어야 한다.When oxygen is supplied to the air electrode and hydrogen is supplied to the fuel electrode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen in the air electrode move to the fuel electrode through the solid electrolyte layer, and then water reacts with hydrogen supplied to the fuel electrode. At this time, the electrons generated in the anode are transferred to the cathode and consumed, and electrons flow to the external circuit, and the unit cell generates electric energy using the electron flow. Therefore, the solid electrolyte layer is formed of a dense ion conductive layer which can not directly pass through the gas, and the air electrode and the fuel electrode should exhibit a porous structure that facilitates gas permeation and mixed conduction (electron and ion conductivity).

고체산화물 연료전지로는 전해질 지지체형 셀(Electrolyte-Supported Cell(ESC)형과, 공기극 지지체형 셀형 또는 연료극 지지체형 셀형이 있다. 이 중에 서 전해질 지지체형 셀형(ESC)은 기계적 지지체 역할을 하는 두꺼운 전해질층과 얇은 연료극층 및 공기극층으로 구성된다. 전해질 지지체형 셀의 경우 기계적 지지체 역할에 필요한 100~500 um 두께의 고체전해질을 사용할 경우, 고체전해질의 오옴(Ohmic)저항이 크기 때문에 일정 수준의 단전지 성능을 얻기 위해서는 연료전지를 850~1000℃ 의 고온에서 운전해야 한다. 이 경우 스택과 주변장치(balance-of plant, BOP)에 고가의 내열, 내 산화성 소재를 사용해야 하기 때문에 SOFC 제작 단가가 상승한다는 문제점이 있다.As the solid oxide fuel cell, there are an electrolyte support-type cell (ESC) type and an air electrode support type cell type or an anode support type cell type. Among them, the electrolyte support type cell type (ESC) Electrolyte layer, and a thin anode layer and a cathode layer. When a solid electrolyte having a thickness of 100 to 500 μm is used as a mechanical support for an electrolyte-supported cell, the ohmic resistance of the solid electrolyte is large. To achieve single-cell performance, the fuel cell must be operated at a high temperature of 850 to 1000 ° C. In this case, since expensive expensive heat-resistant and oxidation-resistant materials must be used for the stack and peripheral equipment (BOP) .

연료극 지지체형 셀은 300~1,000 um 두께의 연료극층 위에 5 ~ 30um 두께의 얇은 고체전해질층을 형성하여 전해질의 오옴(Ohmic)을 줄임으로써 800℃ 미만의 중온으로 SOFC 작도온도를 온도를 낮출 수 있어 경제성이 개선되었지만, 세라믹 특유의 취성 파괴 문제를 극복해야만 상기 SOFC 스택의 신뢰성 확보가 가능하다.The anode support type cell can reduce the temperature of the SOFC operation temperature to a middle temperature of less than 800 ° C. by reducing the Ohmic of the electrolyte by forming a thin solid electrolyte layer of 5 to 30 μm thickness on the anode layer of 300 to 1,000 μm thickness Although economical efficiency is improved, reliability of the SOFC stack can be secured only if the brittle fracture problem unique to ceramics is overcome.

이에 반하여 금속지지체형 셀 (MSC)은 금속을 지지체로 사용하기 때문에 셀 제조 비용이 저렴 할 뿐만 아니라 매우 우수한 강도와 유연성을 갖는다.On the other hand, since the metal support cell (MSC) uses a metal as a support, it is not only inexpensive to manufacture a cell, but also has excellent strength and flexibility.

이러한 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 그 셀 구조가 금속지지체/연료극/고체전해질의 순서로 적층된 형태로 이루어진다.Such a metal-supported solid oxide fuel cell has a cell structure in which a metal support / an anode / a solid electrolyte are stacked in this order.

이러한 적층 구조에서 금속지지체층과 연료극층은 가스투과가 용이한 다공체 구조로하고, 고체전해질층은 가스를 투과하지 않는 치밀 구조로 하는 것이 바람직하다.In such a laminated structure, it is preferable that the metal support layer and the anode layer have a porous structure that permits easy permeation of gas, and the solid electrolyte layer has a dense structure that does not permeate gas.

또한 고체전해질층은 금속지지체 및 연료극층에 비하여 저항이 크기 때문에 가스 투과가 되지 않는 범위 내에서 가능한 두께가 얇은 것이 바람직하다.Further, since the solid electrolyte layer has a resistance higher than that of the metal support and the anode layer, it is preferable that the thickness of the solid electrolyte layer is as small as possible within a range where gas permeation does not occur.

금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조 방법으로는 다공성 금속소결체 위에 연료극층, 고체전해질 층 및 공기극 층을 플라즈마 용사 공정으로 형성하는 방법이 있다. 플라즈만 용사 공정에 의한 고체전해질 층은 치밀도가 낮기 때문에 고체 전해질 ?을 약 50~70um 수준으로 두텁게 제조해야 한다. 이로 인하여 플라즈마 용사법으로 제조한 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀은 작동온도가 높아야 하기 때문에 셀 성능의 열화가 빠르다.As a method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell, there is a method of forming an anode layer, a solid electrolyte layer and a cathode layer on a porous metal sintered body by a plasma spraying process. Since the solid electrolyte layer formed by the Plasma spraying process is low in density, the solid electrolyte should be thickened to about 50 to 70 μm. Therefore, the cell for the metal support type solid oxide fuel cell manufactured by the plasma spraying method must have a high operating temperature, so that the deterioration of the cell performance is fast.

또한, 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법으로는 금속지지체와 연료극층 그리고 고체전해질층을 형성하는 분말을 각각 테이프캐스팅하여 제조한 그린 시트를 적층(lamination) 후에 환원분위기에서 동시소성(co-firing) 하는 방법이 있다. As a method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell, a green sheet prepared by tape-casting a metal support, an anode layer, and a powder forming a solid electrolyte layer is laminated, followed by co- firing.

그러나 상기의 방법은 고체전해질층과, 연료극층, 금속 지지체층 각각의 열팽창 계수, 소결 수축률 등을 정밀하게 제어하고, 금속 지지체가 고온 동시소성 후에도 충분한 기공률을 갖도록 금속의 조성, 입자크기, 표면 거칠기 및 소성 분위기를 정밀하게 제어하여야만 한다는 문제점이 있다. 또한 이러한 제조방법은 셀을 대면적화 할 경우 각 층 간의 미세한 소결 수축률 및 열팽창 계수 차이로 인하여 셀에 핀 홀(pin-hole)이나 휨이 발생할 확률이 커지는 단점이 있다.However, in the above method, the composition of the metal, the particle size, the surface roughness and the surface roughness are controlled so that the solid electrolyte layer, the thermal expansion coefficient of each of the anode layer and the metal support layer, and the sintering shrinkage ratio are precisely controlled and the metal support has a sufficient porosity even after high- And the firing atmosphere must be precisely controlled. Also, this manufacturing method is disadvantageous in that, when the cell is large-sized, the probability of occurrence of pin-holes or warping is increased due to the difference in the sintering shrinkage ratio and the thermal expansion coefficient between the respective layers.

또한 상기 방법에서는 동시 소성 과정에서 금속 지지체의 산화를 막기 위해 환원 분위기 소결을 하는데, 이때 연료극 구성 물질인 NiO가 Ni로 환원되어, 급격한 입자 성장 현상이 발생하여 연료극의 전기화학적 활성이 감소하여 셀 성능이 저하되는 문제점이 있다.In addition, in the above method, the reducing atmosphere sintering is performed in order to prevent the oxidation of the metal support in the co-firing process. At this time, NiO, which is a fuel electrode material, is reduced to Ni and abrupt particle growth phenomenon occurs, Is lowered.

금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀을 제조하는데 있어서, 가스 투과에 필요한 다수의 홀을 형성한 금속박판을 지지체로 사용하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀을 제조하는 방법을 제공한다. There is provided a method of manufacturing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell using a thin metal plate having a plurality of holes required for gas permeation as a support in manufacturing a cell for a metal support type solid oxide fuel cell.

우선, 상기 금속 박판 위에 형성된 다수의 홀 위에 고체산화물 연료전지용 셀 구성에 필요한 확산방지층, 연료극 층, 고체전해질 층을 형성하기 수월하도록, 상기 다수의 홀 및 그 상층부를 미세기공을 갖는 금속층으로 메꿈하는 방법을 통하여 이중 구조의 금속박판 지지체를 제공한다.First, the plurality of holes and upper layer portions thereof are covered with a metal layer having micropores to facilitate formation of a diffusion preventing layer, a fuel electrode layer, and a solid electrolyte layer necessary for forming a cell for a solid oxide fuel cell on a plurality of holes formed on the metal thin plate Thereby providing a metal foil support having a dual structure.

또한 상기 금속박판 지지체 위에 확산방지층, 연료극 층, 고체전해질 층을 형성하는 방법으로서, 각 구성층 분말을 테이프 캐스팅하여 제조한 그린시트를 상기 금속지지체 위에 온간등방압프레스(Warm Isostatic Press)로 적층하는 방법을 통하여 슬러리 코팅이나, 전기영동법등 기존 방법에 층간 밀착성과 양산성이 우수한 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀 제조 방법을 제공한다. As a method of forming the diffusion preventing layer, the anode layer and the solid electrolyte layer on the metal thin plate support, a green sheet prepared by tape-casting each constituent layer powder is laminated on the metal support with a warm isostatic press The present invention provides a method for manufacturing a metal support solid oxide fuel cell having excellent interlayer adhesion and mass productivity in conventional methods such as slurry coating and electrophoresis.

그리고, 상기 금속박판지지체/확산방지층/연료극층/고체전해질 적층체의 바인더를 제거하고 이를 다시 냉간정수압프레스(Cold Isostaic Press) 한후 각 층들을 동시에 소결함으로써 고체전해질 층의 일반적 소결온도 보다 낮은 온도 조건에서 소결하여 금속지지체의 산화와 연료극 층의 Ni 성분의 입자성장을 최소화하면서 각 구성 층간의 충분한 밀착성과 치밀한 고체전해질 층을 얻을 수 있을 분만 아니라 소결 횟수를 줄여 경제성이 우수한, 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀 제조 방법을 제공한다.Then, the binder of the metal thin plate supporter / diffusion preventing layer / fuel electrode layer / solid electrolyte laminate is removed and cold isostatic pressed, and the layers are sintered at the same time, so that the temperature is lower than the general sintering temperature of the solid electrolyte layer , A metal support solid oxide fuel having excellent adhesion and a solid solid electrolyte layer between each constituent layer and minimizing the number of times of sintering and reducing the number of times of sintering while minimizing the oxidation of the metal support and the grain growth of the Ni component of the anode layer, A method for manufacturing a battery cell is provided.

본 발명의 일 실시예는 금속지지체, 미세기공 금속층, 연료극층, 고체전해질층 그리고 공기극층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법에 있어서, 상기 금속지지체에 복수 개의 홀을 형성하거나 상기 홀이 형성된 금속지지체의 상기 홀에 금속분말 페이스트를 채우고, 상기 금속지지체 상에 미세기공 금속층을 구성하는 그린 시트를 적층한 후, 불활성 분위기에서 소결 결합하는 것을 특징으로 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법을 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell having a metal support, a microporous metal layer, a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer and a cathode layer, A hole for forming a hole in the metal support, filling the hole with a metal powder paste, laminating a green sheet constituting a micropore metal layer on the metal support, and sintering bonding in an inert atmosphere. A method of manufacturing a cell is provided.

상기 금속분말 페이스트 또는 상기 미세기공 금속층을 구성하는 그린 시트는 상기 금속지지체와 동일한 소재로 이루어질 수 있으며, 상기 금속분말 페이스트는 Fe-Cr계 합금 또는 페라이트계 스테인리스 합금으로 이루어질 수 있다. The green sheet constituting the metal powder paste or the microporous metal layer may be made of the same material as the metal support, and the metal powder paste may be made of an Fe-Cr alloy or a ferritic stainless steel alloy.

또한 상기 금속지지체, 상기 금속분말 페이스트 및 상기 미세기공 금속층을 구성하는 그린 시트 중 어느 하나 또는 모두는 Crofer22APU, Crofer22H 또는 ZMG232L 중 어느 하나이거나, 상기 Fe-Cr계 스테인리스 합금은 Fe-26Cr-(Mo, Ti, Y2O3)합금 또는 Fe-Cr-Mx 합금(Mx=Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y, Al) 인 것이 바람직하다. And the green sheet constituting the microporous metal layer may be one of Crofer22APU, Crofer22H or ZMG232L, or the Fe-Cr-based stainless steel alloy may be Fe-26Cr- (Mo, Ti, Y 2 O 3 ) alloy or an Fe-Cr-Mx alloy (Mx = Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y and Al).

그리고 이러한 미세기공 금속층은 소결후의 두께가 50~70um인 것이 바람직하다.The thickness of the microporous metal layer after sintering is preferably 50 to 70 mu m.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면 상기 미세기공 금속층과 상기 연료극층 사이에 확산방지층이 더욱 형성할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a diffusion preventing layer may be further formed between the micropore metal layer and the anode layer.

이러한 확산방지층은 CeO2, Ce1 - xLnxO2 , (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0 ~ 0.2) (La1 - xAx)Cr1 - yByO3 ±δ(A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5, δ=0~0.3), (La 1-x Ax)s Ti 1-y ByO3 ±δ(A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.6; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3), (Sr1 - xAx)sTi1 -yNbyO3±δ(A= Y, La, Gd, Sm 혹은 그 혼합물, x = 0.05~0.2; y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3) 중에서 단독 또는 하나 이상이 선택된 복합체인 것이 바람직하다.The diffusion barrier layer is CeO 2, Ce 1 - x Ln x O 2 -δ, (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) (La 1 - x A x) Cr 1 - y B y O 3 ± δ ( A = Sr, Ca, or mixtures thereof x = 0.1 ~ 0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru or mixtures thereof, y = 0 ~ 0.5, δ = 0 ~ 0.3) , (1-x A x La) s Ti 1-y B y O 3 ± δ (A = Sr, Ca, or mixtures thereof x = 0.1 ~ 0.6; B = Mn, Co, Ti, Ce, Ru or a mixture thereof, y = 0 to 0.5, s = 0.9 to 1.0, and? = 0 to 0.3), (Sr 1 - x A x ) s Ti 1 - y Nb y O 3 ± δ (A = Y, La, Gd, Sm or a mixture thereof, x = 0.05 to 0.2; y = 0 to 0.5; s = 0.9 to 1.0 and δ = 0 to 0.3) Complex.

그리고 이러한 확산방지층은 Ce0 .9 Gd0 .1 O1 .95 조성 또는 상기 조성에 Co3O4를 0.2~0.8 wt% 첨가한 조성인 것이 바람직하며, 상기 확산방지층은 소결 후의 평균 두께가 1~10 um 인 것이 바람직하다.The diffusion preventive layer preferably has a composition of Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 .95 or a composition containing 0.2 to 0.8 wt% of Co 3 O 4 in the composition. The diffusion preventive layer has an average thickness after sintering of 1 To 10 [mu] m.

또한 상기 연료극층은 NiO 와 (ZrO2)1-x(Y2O3)x(x=0.08~0.1)의 복합체, NiO와 (ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1-x(Yb2O3)x (x=0~0.06) 복합체, 그리고 NiO 와 Ce1 - xLnxO2 , (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2) 의 복합체 중 어느 하나의 복합체 또는 그 혼합물인 것이 바람직하다.In addition, the fuel electrode layer is NiO and (ZrO 2) 1-x ( Y 2 O 3) composite of x (x = 0.08 ~ 0.1) , NiO and (ZrO 2) 0.90 (Sc 2 O 3) 0.1-x (Yb 2 O 3 ) x (x = 0 to 0.06) of Complex, and NiO Ce 1 - to x Ln x O 2 -δ, ( Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) of any one of the complex or mixture of complexes is preferable.

이러한 상기 연료극층은 NiO와 Ce0 .9Gd0 .1O2 (δ=0~0.2) 계 고체전해질 분말의 복합체인 것이 바람직하고, 여기서 상기 복합체 중의 NiO 의 함량은 50~75 wt % 범위인 것이 바람직하다.The anode layer is preferably a composite of NiO and Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 2 (δ = 0 to 0.2) solid electrolyte powder, wherein the content of NiO is 50 to 75 wt% .

그리고 상기 연료극층은 소결 후의 평균 두께가 10um ~ 50 um 인 것이 바람직하다. The anode layer preferably has an average thickness after sintering of 10 mu m to 50 mu m.

또한 상기 고체전해질층은 Ce1 - xLnxO2 (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2)계 산화물인 것이 바람직하다.In addition, the solid electrolyte layer is Ce 1 - preferably x Ln x O 2 -δ (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) of oxide.

이러한 상기 고체전해질층은 상기 산화물에 Co3O4, CoO, CuO, MnO, MnO2 의 전이금속 산화물 중 적어도 어느 하나 이상을 상기 고체전해질 분말에 대하여 0.2~2 wt% 범위에서 첨가한 혼합물인 것이 바람직하다.The solid electrolyte layer is a mixture in which at least any one or more of transition metal oxides of Co 3 O 4 , CoO, CuO, MnO and MnO 2 is added to the solid oxide electrolyte in an amount of 0.2 to 2 wt% desirable.

그리고 상기 고체전해질층은 Ce0 .9 Gd0 .1 O1 .95 조성 또는 상기 조성에 Co3O4를 0.2~0.8 wt% 첨가한 조성이며, 상기 고체전해질층은 소결 후의 평균 두께가 5 um ~ 30 um 인 것이 바람직하다. The solid electrolyte layer has a composition of Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 .95 or a composition containing 0.2-0.8 wt% of Co 3 O 4 in the composition. The solid electrolyte layer has an average thickness after sintering of 5 μm To 30 [micro] m.

또한 상기 공기극층은 (A1- xBx)sFe1 - yCoyO3 (A = La, Gd, Y, Sm, Ln 혹은 그 혼합물, B = Ba, Sr, Ca 및 그 혼합물, Ln=lanthanides) 및 (La1 - xSrx)sMnO3 같은 전기 전도성 산화물, 또는 상기 전기전도성 산화물에 고체전해질 조성의 분말을 0 ~ 50 vol% 범위로 첨가한 복합체로 이루어진 것이 바람직하다.Also, the air electrode layer (A 1- x B x) s Fe 1 - y Co y O 3 -δ (A = La, Gd, Y, Sm, Ln or mixtures thereof, B = Ba, Sr, Ca, and mixtures thereof , Ln = lanthanides) and (La 1 - x Sr x) s MnO 3 -δ preferably made of the same electrically conductive oxide, or a powder of a solid electrolyte composition on the electrically conductive oxide as the complex was added to a 0 ~ 50 vol% range Do.

이러한 상기 공기극층은 (La0 .6,Sr0 .4)(Co0 .2,Fe0 .8)O3에 40~60 wt% 의 Ce0.9Gd0.1O1.95 를 혼합한 것이 바람직하다.This layer is the air electrode (La 0 .6, Sr 0 .4 ) (Co 0 .2, Fe 0 .8) O 3 is preferably in a mixture of Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 of 40 ~ 60 wt%.

그리고 상기 공기극층은 소결 후의 평균 두께가 10um~50um인 것이 바람직하다. The average thickness of the cathode layer after sintering is preferably in the range of 10 [mu] m to 50 [mu] m.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법은A method of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention includes:

ⅰ) 상기 금속지지체를 준비하는 제1단계; I) a first step of preparing the metal support;

ⅱ) 상기 금속지지체에 형성된 복수 개의 홀에 금속분말 페이스트를 채우는 제2 단계;Ii) filling a plurality of holes formed in the metal support with metal powder paste;

ⅲ) 상기 금속지지체의 어느 한쪽 면에 상기 온간등방압프레스(WIP) 공정을 이용하여 상기 미세기공 금속층을 이루는 그린 시트를 적층하는 제3 단계;Iii) a third step of laminating a green sheet constituting the micropore metal layer on one surface of the metal support using the warm isostatic pressing (WIP) process;

ⅳ) 상기 미세기공 금속층을 소결 접합하는 제4 단계;Iv) a fourth step of sintering and bonding the micropore metal layer;

ⅴ) 상기 미세기공 금속층 상에 상기 연료극층의 그린 시트를 적층하는 제5단계;V) laminating the green sheet of the anode layer on the micropore metal layer;

ⅵ) 상기 연료극층 위에 상기 고체전해질층의 그린 시트를 적층하는 제6단계;Vi) a sixth step of laminating the green sheet of the solid electrolyte layer on the anode layer;

ⅶ) 상기 고체전해질층 그린 시트를 소결하는 제7단계; 및(7) a seventh step of sintering the solid electrolyte layer green sheet; And

ⅷ) 상기 소결된 고체전해질층 위에 상기 공기극층을 스크린 인쇄하는 제8단계; 를 포함하여 이루어진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법을 제공한다.(E) screen printing the cathode layer on the sintered solid electrolyte layer; The present invention also provides a method of manufacturing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell.

여기서 상기 제4단계와 상기 제5단계 사이에 상기 미세기공 금속층 상에 확산방지층의 그린시트를 적층하는 제4-1단계를 더욱 포함할 수 있다.The method may further include a fourth step of laminating a diffusion preventing green sheet on the micropore metal layer between the fourth step and the fifth step.

상기 제3단계, 제4-1단계, 제5단계, 및 제6 단계에서 상기 각 그린시트는 테이프 캐스팅에 의하여 형성할 수 있다.In each of the third, fourth, fifth, and sixth steps, each green sheet may be formed by tape casting.

그리고 상기 제4-1단계, 제5단계, 및 제6 단계에서의 상기 각 그린시트를 차례로 배치하고 온간등방압프레스(WIP) 공정을 이용하여 상기 각층을 이루는 그린 시트를 적층하는 것이 바람직하다.It is preferable to arrange the green sheets in the 4-1st, 5th, and 6th steps in order and laminate the green sheets constituting each layer using a warm isostatic press (WIP) process.

또한, 상기 각 온간등방압프레스(WIP) 공정은 형성된 각 그린시트를 진공포장하고 상기 진공포장된 상기 적층체를 실린더 내부의 물 온도가 60~80℃로 유지되는 온간등방압프레스 장치에 넣고 100~300kgf/cm2 의 압력을 10~40 분간 인가하여 실시할 수 있다.Each of the formed green sheets was vacuum packed, and the vacuum packed laminate was placed in a warm isostatic pressing apparatus in which the water temperature inside the cylinder was maintained at 60 to 80 DEG C, To 300 kgf / cm < 2 > for 10 to 40 minutes.

그리고 상기 온간등방압프레스(WIP) 공정 이후에, 상기 적층체에서 결합제와 가소제를 제거하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.The method may further include removing the binder and the plasticizer from the laminate after the warm isostatic pressing (WIP) process.

여기서 상기 결합제와 가소제를 제거하는 단계는 공기중에서 분당 1~3℃의 승온 속도로 승온하면서 200℃, 350℃, 500℃ 에서 각각 2~5 시간 이상 유지하는 것이 바람직하다.Here, the step of removing the binder and the plasticizer is preferably carried out at 200 ° C, 350 ° C, and 500 ° C for 2 to 5 hours or more, respectively, while the temperature is raised at a rate of 1 ° C to 3 ° C per minute in air.

또한 상기 결합제와 가소제를 제거한 적층체에 대하여 냉간등방압프레스 (CIP)공정으로 상기 확산방지층과 상기 연료극층 그리고 상기 고체전해질층을 압축 성형하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. The method may further include a step of compressing the diffusion preventing layer, the anode layer and the solid electrolyte layer by a cold isostatic press (CIP) process on the laminate from which the binder and the plasticizer have been removed.

이때 상기 냉간등방압프레스 (CIP)공정은 상기 적층체를 진공으로 포장한 다음 냉간등방압프레스기에 투입한 상태에서 냉간등방압프레스기에서 1,000~5,000kgf/cm2 의 등방압을 5~30분간 인가하여 실시하는 것이 바람직하다. At this time, in the cold isostatic press (CIP) process, the laminate is packed in a vacuum and then is put in a cold isostatic press, and isotropic pressure of 1,000 to 5,000 kgf / cm 2 is applied for 5 to 30 minutes in a cold isostatic press .

또한 상기 냉간등방압프레스 (CIP)공정으로 성형체에 대하여 아르곤 분위기의 소결로에서 1000~1070℃ 범위에서 1~5 시간 열처리하여 소결하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. Further, the shaped body may be further subjected to a heat treatment in a sintering furnace in an argon atmosphere at a temperature in the range of 1000 to 1070 ° C for 1 to 5 hours by the cold isostatic press (CIP) process.

본 발명의 다른 일 실시예에서는 상기 제4단계에서, 상기 소결은 수소 분위기의 소결로에서 1,100~1,200℃ 범위에서 1~5 시간 열처리할 수 있다.In another embodiment of the present invention, in the fourth step, the sintering may be performed in a sintering furnace in a hydrogen atmosphere for 1 to 5 hours at 1,100 to 1,200 ° C.

상기 공기극층을 소결하는 제9단계를 더 포함하고, 제9단계는 셀 제조 과정에서는 별도의 열처리를 하지 않고, 스택 또는 셀 평가시 밀봉재의 접합온도인 750~850℃ 에서 소결 되는 것이 바람직하다.The ninth step further preferably includes a step of sintering the cathode layer. The ninth step is preferably performed at a temperature of 750 to 850 ° C, which is a bonding temperature of the sealing material during stacking or cell evaluation, without performing any heat treatment in the cell manufacturing process.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀은 복수 개의 홀을 갖는 금속지지체와, 상기 금속지지체 상에 형성된 미세기공 금속층과, 상기 미세기공 금속층 상에 형성된 연료극층과, 상기 연료극층 상에 형성된 고체전해질층, 및 상기 고체전해질층 상에 형성된 공기극층을 포함하고, 상기 홀에는 금속분말 페이스트가 소결되어 채워진 구조로 이루어질 수 있다.A cell for a metal-supported solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention includes a metal support having a plurality of holes, a micropore metal layer formed on the metal support, an anode layer formed on the micropore metal layer, A solid electrolyte layer formed on the anode layer, and a cathode layer formed on the solid electrolyte layer, wherein the hole is filled with a sintered metal powder paste.

상기 금속분말 페이스트는 상기 금속지지체 및/또는 상기 미세기공 금속층과 동일한 소재로 이루어질 수 있다.The metal powder paste may be made of the same material as the metal support and / or the micropore metal layer.

그리고 상기 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀은 상기 미세기공 금속층 상에 확산방지층이 더욱 형성될 수 있다. The cell for a metal-supported solid oxide fuel cell may further include a diffusion barrier layer on the micropore metal layer.

또한 상기 금속분말 페이스트는 Fe-Cr계 스테인리스 합금 또는 폐라이트계 스테인리스 합금으로 이루어진 것이 바람직하다. The metal powder paste is preferably made of an Fe-Cr-based stainless steel alloy or a waste-light-based stainless steel alloy.

그리고 상기 금속지지체, 상기 금속분말 페이스트 및 상기 미세기공 금속층을 구성하는 그린 시트 중 어느 하나 또는 모두는 Crofer22APU, Crofer22H 또는 ZMG232L 중 어느 하나이거나, 상기 Fe-Cr계 스테인리스 합금은 Fe-26Cr-(Mo, Ti, Y2O3)합금 또는 Fe-Cr-Mx 합금(Mx=Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y, Al) 인 것이 바람직하다. And the green sheet composing the metal support, the metal powder paste and the microporous metal layer may be any one of Crofer22APU, Crofer22H and ZMG232L, or the Fe-Cr alloy may be Fe-26Cr- (Mo, Ti, Y 2 O 3 ) alloy or an Fe-Cr-Mx alloy (Mx = Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y and Al).

또한, 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀은 상기 미세기공 금속층 및 상기 금속분말 페이스트층에 복수 개의 기공 형성될 수 있다.Also, a cell for a metal support type solid oxide fuel cell may be formed with a plurality of pores in the micropore metal layer and the metal powder paste layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조 방법은 금속지지체를 가스 투과를 위하여 금속지지체 전체를 다공 구조로 제조하는 종래의 방법과는 달리, 필요한 전극반응에 필요한 영역에만 가스투과를 위한 다수의 홀을 형성할 수 있다. The method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention is different from the conventional method of manufacturing a metal support as a whole porous structure for gas permeation, A plurality of holes for transmission can be formed.

그러므로 셀의 가장자리는 금속박판이 남아 있기 때문에 이 부분을 금속 분리판과 용접 혹은 브레이징 함으로써 종래의 유리계의 셀 씰의 역할을 수행 할 수 있기 때문에 스택의 기계적 내구성이 향상된다는 효과가 있다.Therefore, since the metal foil is left on the edge of the cell, the mechanical durability of the stack can be improved because it can serve as a conventional glass-based cell seal by welding or brazing the metal separator with the metal separator.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법은 금속박판지지체에 화학 에칭에 의하여 형성된 홀에 금속분말 페이스트가 채워지고 미세기공 금속층이 소결 접합되므로 에칭에 의하여 형성된 기공에 비하여 매우 작은 크기의 기공을 형성할 수 있으며, 이에 따라 가스 투과 경로를 확실히 확보함과 동시에 연속적이고 치밀한 고체전해질층을 형성할 수 있다. In the method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, a metal powder paste is filled in a hole formed by chemical etching on a metal thin plate support, and a micropore metal layer is sintered and bonded. Pores having a very small size can be formed, thereby ensuring a gas permeation path and forming a continuous and dense solid electrolyte layer.

그러므로, 레이저 가공에 의해 금속박판상에 매우 작은 홀을 형성하는 경우에 비하여 동일 효과를 저렴한 비용으로 구현 할 수 있다.Therefore, the same effect can be realized at a low cost as compared with a case where a very small hole is formed on a metal foil plate by laser machining.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 고체산화물 연료전지용 셀을 제조하는 경우 각 구성층의 그린 테이프를 온간등방압 프레스로 적층하는 방법을 사용하기 때문에, 금속박판지지체 위에 우수한 밀착성을 갖는 다양한 구성층을 편리하고 경제적인 방법으로 적층 할 수 있다. Further, in the case of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention, a method of laminating a green tape of each constituent layer with a warm isostatic press is used. Therefore, The constituent layers can be laminated in a convenient and economical manner.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 연료전지를 제조할 경우 적층과 소결공정의 수를 줄일 수 있어서 전체 제조 비용을 낮출 수 있다는 효과도 있다.Further, when the fuel cell is manufactured by the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, the number of stacking and sintering processes can be reduced, thereby reducing the overall manufacturing cost.

그리고, 상기 금속박판지지체/확산방지층/연료극층/고체전해질 적층체의 바인더를 제거하고 이를 다시 냉간정수압프레스(Cold Isostaic Press)하여 고체전해질 층의 일반적 소결온도 보다 낮은 온도 조건에서 소결하여 각 구성 층간의 충분한 밀착성과 치밀한 고체전해질 층을 얻을 수 있으며, 연료극 층의 Ni 성분의 입자 성장을 억제하고 금속지지체의 산화를 최소화 시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.Then, the binder of the metal thin plate supporter / diffusion preventing layer / fuel electrode layer / solid electrolyte multilayer body is removed, and the resultant is sintered at a temperature lower than the general sintering temperature of the solid electrolyte layer by cold isostatic pressing, And a dense solid electrolyte layer can be obtained, and there is a technical effect that particle growth of the Ni component of the anode layer can be suppressed and oxidation of the metal support can be minimized.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 연료전지를 제조할 경우 적층과 소결공정의 수를 줄일 수 있어서 전체 제조 비용을 낮출 수 있다는 효과도 있다.Further, when the fuel cell is manufactured by the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, the number of stacking and sintering processes can be reduced, thereby reducing the overall manufacturing cost.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 연료전지를 제조할 경우 금속지지체를 사용하므로 세라믹 지지체형 고체산화물 연료전지에 비하여 제조 단가가 저렴 할 뿐만 아니라, 매우 우수한 강도와 유연성을 갖는다는 기술적 효과가 있다.In addition, since a metal support is used in manufacturing a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the manufacturing cost is lower than that of a ceramic support type solid oxide fuel cell, and a technical effect .

이로 인하여 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀을 이용한 연료전지 스택 (Fuel Cell Stack) 및 연료전지 발전 시스템(Fuel Cell Power Generation System)은 열적, 기계적 충격과 진동에 강하고 급속 열 싸이클이 가능하다는 기술적 효과가 있다.Accordingly, the fuel cell stack and the fuel cell power generation system using the metal-supported solid oxide fuel cell fabricated according to an embodiment of the present invention can be applied to thermal and mechanical shock and vibration There is a technical effect that strong and rapid thermal cycling is possible.

또한 제조된 연료전지 셀을 이용할 경우 운송기기, 이동기기, 휴대용기기 등의 전원분야에서 기존의 세라믹 지지체형 SOFC 스택의 약점인 열적, 기계적 신뢰성을 향상시킬 수 있어서 고체산화물 연료전지의 상용화를 기대할 수 있다.In addition, the use of the manufactured fuel cell can improve the thermal and mechanical reliability, which is a weak point of the conventional ceramic support type SOFC stack in the field of power sources such as transportation equipment, mobile equipment, and portable equipment, and commercialization of the solid oxide fuel cell can be expected have.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀을 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 표면을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 단면을 나타낸 사진이다.
도 6는 본 발명의 실시예2에 따라 제조한 이중 구조 금속지지체/확산반응 방지층/연료극층/고체전해질층의 적층체가 형성된 FIB 및 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예3에 따라 제조한 SOFC셀의 개회로 전압과 전압-출력 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 유용성을 설명하기 위한 종래 셀과의 비교 도면이다.
1 is a cross-sectional view illustrating a cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2A to 2F are views for explaining a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph showing a surface of a cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
5 is a photograph showing a cross section of a cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a FIB and SEM image of a laminate of a dual structure metal support / diffusion-preventing layer / fuel electrode layer / solid electrolyte layer prepared according to Example 2 of the present invention.
7 is a graph showing an open circuit voltage and a voltage-output curve of an SOFC cell manufactured according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a comparative diagram of a conventional cell for explaining usefulness of a cell for a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. The singular forms as used herein include plural forms as long as the phrases do not expressly express the opposite meaning thereto. Means that a particular feature, region, integer, step, operation, element and / or component is specified, and that other specific features, regions, integers, steps, operations, elements, components, and / And the like.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Commonly used predefined terms are further interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure, and are not to be construed as ideal or very formal meanings unless defined otherwise.

이하에서는 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. These embodiments are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀은 금속지지체(11)와 금속지지체(11) 상에 형성된 미세기공 금속층(14), 미세기공 금속층(14) 상에 형성된 연료극층(16), 연료극층(16) 상에 형성된 고체전해질층(17), 고체전해질층(17) 상에 형성된 공기극층(18) 을 포함한다. A cell for a metal support type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a metal support 11 and a micropore metal layer 14 formed on the metal support 11, a fuel electrode layer 14 formed on the micropore metal layer 14 16, a solid electrolyte layer 17 formed on the anode layer 16, and a cathode layer 18 formed on the solid electrolyte layer 17.

또한, 선택적으로 미세기공 금속층(14)과 연료극층 사이에는 확산방지층(15)이 형성될 수 있다.Alternatively, a diffusion prevention layer 15 may be optionally formed between the micropore metal layer 14 and the anode layer.

그리고 금속지지체(11)에는 두께 방향으로 다수의 홀(11a)이 형성되며, 이 홀(11a)에는 금속분말 페이스트(12)가 채워져 질 수 있다. 이 때 금속지지체에 형성된 다수의 홀(11a)은 이미 다수의 홀이 형성된 금속지지체를 사용할 수도 있고 금속지지체에 다수의 홀을 직접 형성할 수도 있다. A plurality of holes 11a are formed in the metal support 11 in the thickness direction and the metal powder paste 12 can be filled in the holes 11a. At this time, the plurality of holes 11a formed in the metal support may use a metal support already formed with a plurality of holes, or may directly form a plurality of holes in the metal support.

그리고 소결된 금속분말 페이스트와 미세기공 금속층에는 미세한 기공들이 형성될 수 있다.Fine pores may be formed in the sintered metal powder paste and the micropore metal layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀을 제조하는 방법은 A method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes:

ⅰ) 금속지지체(11)를 준비하는 제1단계(S1);I) a first step (Sl) of preparing a metal support (11);

ⅱ) 금속지지체(11)에 형성된 복수 개의 홀(11a)에 금속분말 페이스트(12)를 채우는 제2 단계(S2); Ii) a second step (S2) of filling the metal powder paste (12) into the plurality of holes (11a) formed in the metal support (11);

ⅲ) 금속지지체(11)의 어느 한쪽 면에 테이프 캐스팅에 의하여 제조한 금속분말의 그린시트를 온간등방압프레스(WIP) 공정을 이용하여 적층하여 미세기공 금속층(14)을 형성하는 제3 단계(S3); (Iii) a third step of laminating a green sheet of metal powder produced by tape casting on one side of the metal support 11 using a warm isostatic press (WIP) process to form a micropore metal layer 14 S3);

ⅳ) 금속지지체(11) 및 미세기공 금속층(14)을 소결하는 제4 단계(S4);Iv) a fourth step (S4) of sintering the metal support (11) and the micropore metal layer (14);

ⅴ) 소결 후 미세 기공을 갖는 미세기공 금속층(14) 상에 연료극층(16)의 그린 시트를 적층하는 제5단계(S5);V) a fifth step (S5) of laminating a green sheet of the anode layer (16) on the micropore metal layer (14) having fine pores after sintering;

ⅵ) 연료극층(16) 위에 고체전해질층(17)의 그린 시트를 적층하는 제6단계(S6);Vi) sixth step (S6) of laminating the green sheet of the solid electrolyte layer (17) on the anode layer (16);

ⅶ) 고체전해질층(17)과 연료극층(16)을 소결하는 제7단계(S7);(7) seventh step (S7) of sintering the solid electrolyte layer 17 and the anode layer 16;

ⅷ) 소결된 고체전해질층(17) 위에 공기극층(18)을 스크린 인쇄하는 제8단계(S8); 및 (E) an eighth step (S8) of screen printing the cathode layer 18 on the sintered solid electrolyte layer 17; And

ⅸ) 공기극층(18)을 소결하는 제9단계(S9)로 이루어진다.(E) sintering the cathode layer 18 in the ninth step (S9).

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀을 제조하는 방법의 각 세부 공정에 대하여 순차적으로 설명한다.Hereinafter, each detailed process of a method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in sequence.

먼저 도 2a를 참조하여 ⅰ) 금속지지체(11)를 준비하는 제1단계(S1)에 대하여 설명한다. First, referring to FIG. 2A, a first step S1 of preparing the metal support 11 will be described.

금속지지체(11)는 후속 열처리 공정에서 수축이 일어나지 않는 금속분말의 소결체 또는 금속박판을 기판으로 이용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 금속지지체(11)에는 가스 유로를 형성하는 다수의 홀(11a)이 형성되어 있으며, 이 홀(11a)은 화학적 에칭에 의하여 형성될 수 있다. 여기서 금속지지체(11)는 0.2mm의 두께를 갖도록 형성될 수 있으며, 가스 유로를 형성하는 다수의 홀(11a)은 250um 이하의 직경을 갖도록 형성될 수 있다.It is preferable that the metal support 11 be a sintered body of metal powder or a metal thin plate which is not shrunk in the subsequent heat treatment step as a substrate. The metal support 11 is provided with a plurality of holes 11a for forming gas flow paths, and the holes 11a may be formed by chemical etching. Here, the metal support 11 may be formed to have a thickness of 0.2 mm, and the plurality of holes 11a forming the gas flow path may be formed to have a diameter of 250um or less.

금속지지체(11)는 연료 가스를 통과 시키기 위하여 3차원적인 연속기공 구조, 또는 다수의 관통 홀이 형성된 구조, 보다 바람직하게는 상기 두 구조가 융합된 구조를 갖는 것이 바람직하다. The metal support 11 preferably has a three-dimensional continuous pore structure or a structure in which a plurality of through holes are formed, more preferably, a structure in which the two structures are fused, in order to pass the fuel gas.

금속지지체용 소재는 고온 산화에 의한 전기 전도도 감소가 작고, 산화-환원 안정성 (redox stability)이 있으며, 열팽창계수가 10~13 x10-6/ 정도의 소재가 바람직하다. 이와 같이 금속지지체(11)의 열팽창계수를 한정하는 이유는 금속지지체와 그 위에 적층되는 각 세라믹 기능층 간에 열팽창 계수 차이를 적게하여 각 구성 요소간 열팽창 계수 차이로 인한 기능층의 박리나 셀의 휨을 방지하기 위함이다.The material for the metal support is preferably a material having a small decrease in electrical conductivity due to high-temperature oxidation, a redox stability, and a thermal expansion coefficient of about 10 to 13 x 10 -6 / ° C. The reason for limiting the coefficient of thermal expansion of the metal support 11 is that the difference in thermal expansion coefficient between the metal support and each of the ceramic functional layers stacked thereon is reduced so that the functional layer is peeled off due to the difference in thermal expansion coefficient between the components, .

이와 같은 특성을 갖는 금속지지체용 소재로는 페라이트계 스테인리스 (Ferritic Stainless Steel)와 독일의 티센크룹(Tyssenkrupp)사의 제품명 Crofer22APU와 Crofer22H그리고 일본의 히타치 금속(Hitachi Metal)사의 제품명ZMG232L이 있다.Ferrite-based stainless steel, Crofer 22 APU and Crofer 22H from Tyssenkrupp, Germany, and ZMG232L from Hitachi Metal, Japan, are examples of materials for the metal support having such characteristics.

또한 이와 같은 특성을 갖는, Fe-Cr 합금으로는 Fe-26Cr-(Mo, Ti, Y2O3)과 및 Fe-Cr-Mx 합금 (Mx=Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y, Al)이 있다. 이와 같은 Fe-Cr계 합금의 경우 이러한 합금에 0 ~ 50 vol% 의 금속산화물 (doped-Zirconia, doped-Ceria, MgO, CaO, SrO, CoOx, ZnO, VOx, Cr2O3, FeO, MoOx, WOx, Ga2O3, Al2O3, TiO2 및 그 혼합물)을 혼합한 혼합물을 사용할 수도 있다. In addition, Fe - Cr - (Mo, Ti, Y 2 O 3 ) and Fe - Cr - M x alloy (M x = Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y, Al). In the case of such an Fe-Cr alloy, 0 to 50 vol% of a metal oxide (doped-zirconia, doped-ceria, MgO, CaO, SrO, CoO x , ZnO, VO x , Cr 2 O 3 , FeO, MoO x , WO x , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 and mixtures thereof) may be used.

다음은 도 2b를 참조하여 ⅱ) 금속지지체(11)에 형성된 복수 개의 홀(11a)에 금속분말 페이스트(12)를 채우는 제2 단계(S2)에 대하여 설명한다. Next, referring to FIG. 2B, a second step S2 of filling the metal powder paste 12 into the plurality of holes 11a formed in the metal support 11 will be described.

제2단계에서는 가스 유로를 형성하는 다수의 홀(11a)을 금속분말 페이스트(12)로 채우는 바, 금속분말 페이스트(12)는 Fe-Cr계 페라이트 스테인리스 스틸 또는 상기 금속지지체용 소재와 동일한 금속 또는 합금의 분말로 이루어질 수 있다. 금속분말 페이스트(12)를 금속지지체(11) 표면에 올려놓고 스크레이퍼를 이용하여 금속분말의 페이스트를 금속지지체(11) 상에 형성된 구멍에 삽입한다.In the second step, the metal powder paste 12 is filled with Fe-Cr ferritic stainless steel or the same metal as the material for the metal support Alloy powder. The metal powder paste 12 is placed on the surface of the metal support 11 and the metal powder paste is inserted into the hole formed on the metal support 11 using a scraper.

다음은 도 2c를 참조하여 ⅲ) 금속지지체(11)의 어느 한쪽 면에 테이프 캐스팅으로 제조한 금속분말의 그린시트를 온간등방압프레스(WIP) 공정을 이용하여 적층하여 미세기공 금속층(14)을 형성하는 제3 단계(S3)에 대하여 설명한다.Next, referring to FIG. 2C, iii) a green sheet of metal powder produced by tape casting is laminated on either side of the metal support 11 using a warm isostatic press (WIP) process to form a micro pore metal layer 14 The third step (S3) of forming the film is described below.

제3 단계에서는 미세기공 금속층(14)을 테이프 캐스팅에 의하여 제조하여 금속지지체(11)와 연료극층(16) 사이에 배치한다. 미세기공 금속층(14)은 Fe-Cr계 합금인 페라이트 스테인리스 스틸 또는 상기 금속지지체용 소재와 동일한 금속 또는 합금의 분말로 이루어질 수 있는 바, 미세기공 금속층(14)은 금속분말 페이스트 및 금속지지체(11)와 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 미세기공 금속층(14)은 50~70um의 두께를 갖도록 이루어질 수 있다.In the third step, the micropore metal layer 14 is formed by tape casting and disposed between the metal support 11 and the anode layer 16. The fine pore metal layer 14 may be made of ferrite stainless steel, which is an Fe-Cr alloy, or a powder of the same metal or alloy as the material for the metal support. The fine pore metal layer 14 is composed of a metal powder paste and a metal support 11 ). ≪ / RTI > The micropore metal layer 14 may be formed to have a thickness of 50 to 70 um.

제3 단계에서는 미세기공 금속층(14)을 온간등방압프레스(WIP) 공정으로 적층한다. 이때 테이프 캐스팅에 의해 형성된 미세기공 금속층(14)의 그린시트의 평균 두께가 50~70um 이고, 여기서 온간등방압프레스(WIP) 공정은 준비된 금속지지체(11)의 한 쪽면에 금속분말의 그린시트로 이루어진 미세기공 금속층(14)을 배치하고 진공 포장을 한 다음, 이를 실린더 내부의 물 온도가 60~80℃로 유지되는 온간등방압프레스 장치에 넣고 100~300kgf/cm2 의 압력을 10~40분간, 보다 바람직하게는 250~300kgf/cm2 의 압력을 15~30 분간, 더욱 바람직하게는 280kgf/cm2 의 압력을 30분간 인가하여 그린 시트를 적층 할 수 있다. In the third step, the micro pore metal layer 14 is laminated by a warm isostatic pressing (WIP) process. In this case, the average thickness of the green sheet of the micropore metal layer 14 formed by tape casting is 50 to 70 um. In the warm isostatic pressing (WIP) process, the green sheet of metal powder is coated on one side of the prepared metal support 11 and then, put into a warm, such as bangap press apparatus in which the water temperature in the cylinder kept at 60 ~ 80 ℃ 100 ~ 300kgf / cm 2 pressure of 10 to 40 minutes of the fine pore metal layer 14 is disposed, and a vacuum packing consisting of , More preferably 250 to 300 kgf / cm 2 for 15 to 30 minutes, more preferably 280 kgf / cm 2 for 30 minutes to laminate the green sheet.

이러한 온간등방압프레스(WIP) 방법은 동종 혹은 이종의 그린 시트뿐만 아니라 소결이 완료된 다공성 금속 지지체 또는 가스채널이 형성된 금속박판상에 연료전지용 셀을 구성하는 각 구성요소를 적층하여 접합시키는데 유용한 공정이다.Such a warm isostatic pressing (WIP) method is a process useful for laminating and joining not only the same or different types of green sheets but also various components constituting a cell for fuel cells on a sintered porous metal support or a metal foil plate on which gas channels are formed.

다음은 다음은 도 2c를 참조하여 ⅳ)미세기공 금속층(14)을 소결하는 제4 단계(S4)에 대하여 설명한다.Next, referring to FIG. 2C, the following will describe iv) a fourth step (S4) of sintering the micropore metal layer 14. FIG.

소결과정은 불활성 분위기 보다 바람직하게는 수소 분위기의 소결로에서 1,100~1180℃ 범위에서 1~5 시간 범위로, 보다 바람직하게는 1,160℃ 에서 3 시간 범위로 열처리하는 것이다.The sintering process is preferably performed in a hydrogen atmosphere sintering furnace at a temperature in the range of 1,100 to 1,180 ° C for 1 to 5 hours, more preferably at 1,160 ° C for 3 hours.

제4단계에서는 소결로 인하여 금속분말 페이스트(12) 및 금속분말의 그린시트층으로 이루어진 미세기공 금속층(14) 및 소결되어 금속지지체 표면에 미세기공을 갖는 금속층이 형성된다. In the fourth step, a micropore metal layer 14 composed of a green sheet layer of a metal powder paste 12 and a metal powder and a metal layer having micropores on the surface of the metal support are formed by sintering.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 표면을 나타낸 사진이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 단면을 나타낸 사진이다.FIG. 4 is a photograph showing a surface of a cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view of a cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 금속지지체의 표면에 금속분말 페이스트(12)와 미세기공 금속층(14)이 형성된 것을 확인할 수 있다. 금속분말 페이스트(12)로 구멍을 채우고 또 그 표면에 금속분말의 그린시트를 적층하고 소결함으로써 미세한 기공을 갖는 금속층이 금속지지체 표면에 형성되므로, 금속지지체(11)에 에칭으로 형성된 홀(11a)이 크기 때문에 후속 공정으로 연료극층(16) 및 고체전해질층(17)을 형성하면서 발생하는 균열이나 함몰과 같은 결함이 발생하지 않으면서 연료가스를 연료극층(16) 또는 확산방지층(15)으로 신속하게 이동시킬 수 있는 장점이 있다.As shown in FIGS. 4 and 5, it is confirmed that the metal powder paste 12 and the micropore metal layer 14 are formed on the surface of the metal support. The metal layer 11 having the fine pores is formed on the surface of the metal support by filling the holes with the metal powder paste 12 and laminating and sintering the green sheet of the metal powder on the surface thereof. The size of the fuel electrode layer 16 or the diffusion preventing layer 15 can be increased by the following process without causing defects such as cracks or depressions that are generated while forming the anode layer 16 and the solid electrolyte layer 17 And the like.

다음은 도 2d를 참조하여 ⅴ) 미세기공 금속층(14) 상에 연료극층(16)의 그린 시트를 적층하는 제5단계(S5)에 대하여 설명한다.Next, referring to FIG. 2D, v) step 5 (S5) of stacking the green sheet of the anode layer 16 on the micropore metal layer 14 will be described.

제5단계에서 연료극층(16)은 테이프 캐스팅에 의하여 제조되어 금속지지체(11) 상에 적층된 그린시트로 이루어진다. 이때 연료극층(16)을 이루는 그린시트의 평균 두께는 60~70um 이다.In the fifth step, the anode layer 16 is made of a green sheet prepared by tape casting and laminated on the metal support 11. [ The average thickness of the green sheet constituting the anode layer 16 is 60 to 70 mu.

연료극층(16)은 세라믹 분말로서 NiO 와 (ZrO2)1-x(Y2O3)x(x=0.08~0.1)의 복합체, NiO와 (ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1-x(Yb2O3)x (x=0~0.06) 복합체, 그리고 NiO 와 Ce1 -xLnxO2-δ (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2) 의 복합체 중 어느 하나의 복합체 또는 그 혼합물이 바람직하다. A fuel electrode layer 16 is a ceramic powder NiO and (ZrO 2) 1-x ( Y 2 O 3) x (x = 0.08 ~ 0.1) of the composite, NiO and (ZrO 2) 0.90 (Sc 2 O 3) 0.1- x (Yb 2 O 3) x (x = 0 ~ 0.06) of Complex, and NiO A complex of any one of Ce 1 -x Ln x O 2 -δ (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 to 0.3, and δ = 0 to 0.2) or a mixture thereof is preferable.

더욱 바람직하게는 연료극층(16)을 이루는 세라믹 분말은 NiO와 (ZrO2)0.92(Y2O3)0.08 고체전해질 분말의 복합체 또는 NiO와 Ce0 .9Gd0 .1O2 (δ=0~0.2) 고체전해질 분말의 복합체이다. 여기서 이러한 복합체 중의 NiO의 함량은 50~75 wt %, 보다 바랍직하게는 60wt% 범위가 바람직하다. 이러한 연료극층은 소결 후의 평균 두께가 10um ~ 50 um, 보다 바람직하게는 30 ~ 40 um 인 것이 바람직하다. More preferably, the ceramic powder constituting the anode layer 16 is a composite of NiO and (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 solid electrolyte powder or NiO and Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 2 = 0 ~ 0.2) solid electrolyte powder. Here, the content of NiO in such a composite is preferably in the range of 50 to 75 wt%, and more desirably in the range of 60 wt%. The anode layer preferably has an average thickness after sintering of 10 탆 to 50 탆, more preferably 30 to 40 탆.

다음은 도 2e를 참조하여 ⅵ) 연료극층(16) 위에 고체전해질층(17)의 그린 시트를 적층하는 제6단계(S6)를 설명한다. Next, the sixth step (S6) of laminating the green sheet of the solid electrolyte layer 17 on the anode layer 16 will be described with reference to FIG. 2 (e).

제6단계에서 고체전해질층(17)은 테이프 캐스팅에 의하여 제조되어 연료극층(16) 상에 적층된 그린시트로 이루어진다. 고체전해질층(17)을 이루는 그린 시트의 평균두께는 25~35 um 범위이다. 고체전해질층(17)의 최종 두께는 그린 시트의 두께 조절 및 적층 수를 변경하여 조절 할 수 있다.In the sixth step, the solid electrolyte layer 17 is made of a green sheet prepared by tape casting and laminated on the anode layer 16. The average thickness of the green sheet constituting the solid electrolyte layer 17 is in the range of 25 to 35 μm. The final thickness of the solid electrolyte layer 17 can be adjusted by changing the thickness of the green sheet and changing the number of layers.

제6단계에서는 적층공정을 통하여 금속지지체(기판) / 미세기공 금속층(소결체) / 연료극층(그린시트) / 고체전해질층(그린시트)으로 구성된 적층체가 제조된다. In the sixth step, a laminate composed of a metal support (substrate) / micropore metal layer (sintered body) / anode layer (green sheet) / solid electrolyte layer (green sheet) is produced through a lamination process.

제6단계에서 적층하는 고체전해질층(17)은 Ce1 - xLnxO2 Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2)계 산화물일 수 있다. 여기서 고체전해질은 그 소결성을 더욱 향상 시키기 위하여 Co3O4, CoO, CuO, MnO 그리고 MnO2 와 같은 전이금속 산화물 중 적어도 어느 하나 이상을 상기 고체전해질 분말에 대하여 0.2 ~ 2 wt%, 보다 바람직하게는 Co3O4 를 0.8 ~ 1.2 wt %, 더욱 바람직하게는 1 wt% 범위에서 첨가한 혼합물인 것이 바람직하다. The solid electrolyte layer 17 to be laminated in the step 6 is Ce 1 - may be x Ln x O 2 -δ Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) based oxide. Here, in order to further improve the sinterability of the solid electrolyte, Co 3 O 4 , CoO, CuO, MnO and MnO 2 Is added in an amount of 0.2 to 2 wt%, more preferably 0.8 to 1.2 wt%, and still more preferably 1 wt% of Co 3 O 4 based on the solid electrolyte powder .

소결 조제로 첨가하는 전이금속 산화물은 소결 온도 부근에서 일시적인 액상을 형성하여 물질이동을 통한 치밀화 및 입계 이동에 도움을 주어 치밀화를 돕는 역할을 하는데, 첨가량이 너무 작으면 소결 촉진 효과가 작으며, 과량인 경우에는 소결 후 잔류하는 전이금속에 의한 전자전도성으로 인하여 개회로 전압을 감소 시킬 수 있으므로 최적량을 첨가하는 것이 필요하다.Transition metal oxides added as a sintering aid act as a temporary liquid phase near the sintering temperature to aid densification by helping densification and grain boundary movement through mass transfer. When the addition amount is too small, the effect of promoting sintering is small. , It is necessary to add the optimum amount since the open circuit voltage can be reduced due to the electronic conductivity due to the residual transition metal after sintering.

이와 같이 형성되는 고체전해질층(17)의 평균 두께는 소결 후에 5 um ~ 30 um, 보다 바람직하게는 10~20um의 범위이다. SOFC 셀의 성능은 고체전해질층(17)의 두께가 얇을 수록 이온전도 저항이 줄어들기 때문에 증가하지만, 너무 얇으면 기판의 조도에 의한 고체전해질층(17)의 국부적인 결함을 통하여 연료가스와 공기가 직접 만나는 크로스 오버(cross-over) 현상이 생기면 기전력이 감소할 뿐만 아니라, 그 부분을 중심으로 핫 스폿(hot spot)이 발생하여 셀의 성능 열화를 일으키기 때문에 크로스 오버(cross-over) 현상이 발생하지 않는 수준의 적정 두께가 요구된다.The average thickness of the solid electrolyte layer 17 thus formed is in the range of 5 to 30 [mu] m, more preferably 10 to 20 [mu] m after sintering. The performance of the SOFC cell increases as the thickness of the solid electrolyte layer 17 decreases as the ionic conduction resistance decreases. When the thickness of the SOFC cell is too thin, the performance of the SOFC cell is degraded by the fuel gas and air A cross-over phenomenon occurs, which causes a decrease in electromotive force. In addition, a hot spot is generated around the portion, causing deterioration of the cell performance. Therefore, a cross-over phenomenon It is required to have a proper thickness at a level that does not occur.

다음은 도 2e를 참조하여 ⅶ) 고체전해질층(17)을 소결하는 제7단계(S7)에 대하여 설명한다.Next, the seventh step (S7) of sintering the solid electrolyte layer 17 will be described with reference to FIG. 2E.

제7단계(S7)에서 고체전해질층(17)을 소결하는 과정은 불활성 분위기 보다 바람직하게는 아르곤 분위기의 소결로에서 1,000~1,070℃ 범위에서 1~5 시간 범위로, 보다 바람직하게는 1,050℃ 에서 3 시간, 범위로 열처리하는 것이다. In the seventh step S7, the solid electrolyte layer 17 is sintered in an inert atmosphere, preferably in an argon atmosphere in a sintering furnace at 1,000 to 1,070 DEG C for 1 to 5 hours, more preferably at 1,050 DEG C 3 hours. ≪ / RTI >

이러한 열처리 온도 범위는 1,000℃ 이하에서는 고체전해질층(17)의 치밀성과 밀착력이 부족하고, 1,070℃ 이상에서는 금속지지체(11)의 산화가 심하게 발생하기 때문이다. 이와 같이 소결을 실시하면 금속지지체(11)의 산화를 막을 수 있으면서 아울러층간의 밀착력과 고체전해질의 치밀화를 동시에 달성할 수 있다. This heat treatment temperature range is insufficient for the denseness and adhesiveness of the solid electrolyte layer 17 at a temperature of 1,000 DEG C or lower, and the oxidation of the metal support 11 is severely generated at 1,070 DEG C or higher. When sintering is performed in this manner, the oxidation of the metal support 11 can be prevented, and the adhesion between layers and the densification of the solid electrolyte can be simultaneously achieved.

예를 들어 고체전해질층(17)의 세라믹 재료로 Ce0 .9Gd0 .1O1 .95 와 같은 세리아(Ceria)계 고체전해질은 통상 가스 타이트(tight)한 치밀화를 위한 소결온도가 1,350~1,400℃의 비교적 높은 온도이지만, 상기 고체전해질 분말에 대하여 Co3O4 를 0.2 ~ 2 wt%, 보다 바람직하게는 0.8 ~ 1.2 wt %, 더욱 바람직하게는 1 wt% 범위에서 첨가한 혼합물을, 본 발명에서 제시한 공정을 사용하여 적용하는 경우에, 1,000~1,070℃ 부근의 비교적 저온 소결만으로 고체전해질층(17)의 기공이 충분히 제거되어 잔류기공을 통하여 연료가스와 공기가 직접 만나서 연소반응을 일으킬 수 없을 정도로 충분히 치밀하게 소결 할 수 있다. For example, as a ceramic material of the solid electrolyte layer 17, a ceria-based solid electrolyte such as Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 .95 is usually sintered at a sintering temperature of 1,350 ~ A mixture obtained by adding Co 3 O 4 to the solid electrolyte powder in the range of 0.2 to 2 wt%, more preferably 0.8 to 1.2 wt%, further preferably 1 wt% The pores of the solid electrolyte layer 17 are sufficiently removed only by relatively low-temperature sintering at about 1,000 to 1,070 DEG C to cause the fuel gas and air to directly contact with each other through the residual pores to cause a combustion reaction It can be sintered sufficiently densely.

또한, 지금까지 알려진 종래의 방법에서는 금속박판이나 소결이 금속지지체와 같이 후속 열처리 공정시 소결 수축이 동반될 수 없는 기판위에 형성된 세라믹층은 수축하지 않는 상기 기판이 적층된 세라믹층의 수축 거동을 방해하는 제한소결 현상(constrained sintering phenomenon)에 의하여 충분한 치밀화가 불가능 한 반면, 상기와 같이 제7단계에 의하여 고체전해질층을 형성할 경우 금속지지체와의 밀착력과 성형밀도를 극대화하여 치밀화에 필요한 수축량을 크게 감소시켜, 1,000~1,070℃범위에서 연료극층의 연료가스와 공기극층의 공기가 직접 만나서 연소반응을 일으킬 수 없을 정도로 충분히 치밀한 고체전해질층을 얻을 수 있다.In addition, in the conventional methods known heretofore, the ceramic layer formed on the substrate such as the metal thin plate or the sintering metal support, which can not be accompanied by the sintering shrinkage during the subsequent heat treatment step, hinders the shrinkage behavior of the laminated ceramic layer However, when the solid electrolyte layer is formed by the seventh step as described above, the adhesion force with respect to the metal support and the molding density are maximized, and the amount of shrinkage required for densification is increased to a large extent So that the solid electrolyte layer is sufficiently dense that the fuel gas in the fuel electrode layer and the air in the air electrode layer meet directly in the range of 1,000 to 1,070 ° C and can not cause the combustion reaction.

이상에서는 제4단계 공정에 의하여 미세기공 금속층(14)을 형성한 다음 순차적으로 연료극층(제5단계)과 고체전해질층(제6단계)을 적층하는 과정을 설명하였으나, 본 발명은 이에 국한되지 않고 미세기공 금속층(제4단계)을 형성한 다음 연료극층(제5단계)을 형성하기 이전에 확산방지층을 형성하는 제4-1단계를 선택적으로 추가 할 수 있다.Although the process of forming the micropore metal layer 14 by the fourth step process and sequentially stacking the fuel electrode layer (fifth step) and the solid electrolyte layer (sixth step) has been described above, the present invention is not limited thereto A fourth step of forming a micropore metal layer (fourth step) and then forming a diffusion barrier layer before forming the anode layer (fifth step) may be selectively added.

제4-1단계는 확산방지층(15)을 적층하는 공정으로 이러한 확산방지층(15)은 가스와 전기는 통과시키면서, 금속지지체의 Fe, Cr 성분과 Ni 계 연료극의 Ni 사이의 상호 확산반응을 막는 기능을 한다. Step 4-1 is a step of laminating the diffusion preventive layer 15. The diffusion preventive layer 15 prevents diffusion of the Fe and Cr components of the metal support and Ni of the Ni-based anode while allowing gas and electricity to pass therethrough. Function.

이를 위해 확산방지층(15)으로 사용 가능한 소재는 CeO2, Ce1 - xLnxO2 , (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0 ~ 0.2) (La1 - xAx)Cr1 - yByO3 ±δ(A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5, δ=0~0.3), (La 1-x Ax)s Ti 1-y ByO3 ±δ(A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.6; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3), (Sr1 - xAx)sTi1 - yNbyO3 ±δ(A= Y, La, Gd, Sm 혹은 그 혼합물, x = 0.05~0.2; y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3) 중에서 단독 또는 하나 이상이 선택된 복합체가 바람직하다. To this end, use as diffusion barrier layer 15. The material is available CeO 2, Ce 1 - x Ln x O 2 -δ, (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) (La 1 - x A x ) Cr 1 - y B y O 3 ± δ (A = Sr, Ca or a mixture thereof x = 0.1 to 0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, (A = Sr, Ca, or a mixture thereof, x = 0.1 to 0.3), (La 1-x A x ) s Ti 1-y B y O 3 + 0 to 0.5; s = 0.9 to 1.0;? = 0 to 0.3), (Sr 1 - x A x) s Ti 1 - y Nb y O 3 ± δ (A = y, La, Gd, Sm or mixtures thereof, x = 0.05 ~ 0.2; y = 0 ~ 0.5; s = 0.9 ~ 1.0, δ = 0 ~ 0.3 ) Are preferably used alone or in combination.

확산방지층(15)으로 사용되는 소재는 더욱 바람직하게는 Ce0 .9 Gd0 .1 O1 .95 조성 또는 이러한 조성에 Co3O4를 0.2~0.8 wt%, 보다 바람직하게는 0.3 ~ 0.6 wt% , 더욱 바람직하게는 0.5wt% 범위로 첨가한 조성이 적합하다. Co3O4 의 첨가는 Ce0 .9 Gd0 .1 O1.95 의 소결을 촉진하여 기판 및 연료극 층과의 밀착성을 향상 시킬 수 있지만, 첨가량이 증가하면 확산방지층의 치밀성이 증가하여 연료가스의 통과를 방해하여 셀 성능을 감소시킨다. 소결 후의 평균두께는 1~10um, 보다 바람직하게는 3 ~ 6um, 더욱 바람직하게는 3 ~ 4um 범위인 것이 적합하다.The material used as the diffusion preventing layer 15 is more preferably a Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 .95 composition or a composition containing 0.2 to 0.8 wt% of Co 3 O 4 , more preferably 0.3 to 0.6 wt% %, More preferably 0.5 wt%. The addition of Co 3 O 4 promotes the sintering of Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1.95 to improve adhesion between the substrate and the anode layer. However, as the amount of addition increases, the density of the diffusion barrier increases, Thereby reducing cell performance. The average thickness after sintering is preferably in the range of 1 to 10 μm, more preferably in the range of 3 to 6 μm, and still more preferably in the range of 3 to 4 μm.

그리고 이러한 확산방지층은 소결 후의 평균두께는 1~10um, 보다 바람직하게는 2~6um, 더욱 바람직하게는 3~4um 범위인 것이 적합하다. The diffusion preventing layer preferably has an average thickness after sintering of 1 to 10 μm, more preferably 2 to 6 μm, and still more preferably 3 to 4 μm.

확산방지층의 두께가 너무 얇으면 금속지지체의 표면조도의 영향으로 일부분 연료극과 금속지지체가 직접 접촉하는 부분이 발생하여 부분적으로 확산반응이 일어날 가능성이 높고, 너무 두꺼워지면 전기저항이 증가 할 수 있다.If the thickness of the diffusion preventing layer is too small, there is a possibility that a diffusion reaction partially occurs due to a part where the fuel electrode and the metal support come in direct contact with each other due to the influence of the surface roughness of the metal support.

제4-1단계에서 확산방지층(15)은 테이프 캐스팅에 의하여 제조되어 미세기공 금속층(14) 상에 적층된 그린시트로 이루어 진다. 이와 같이 제4-1단계에 의하여 확산방지층(15) 그린시트를 적층한 다음에는 앞서 설명한 연료극층(16)과 고체전해질층(17)의 그린시트를 순차적으로 적층한다. In step 4-1, the diffusion preventing layer 15 is made of a green sheet prepared by tape casting and laminated on the micropore metal layer 14. After the green sheets of the diffusion preventing layer 15 are stacked in the step 4-1, the green sheets of the anode layer 16 and the solid electrolyte layer 17 described above are sequentially laminated.

이와 같이 제4-1단계의 적층공정을 통하여 금속지지체(기판) / 미세기공 금속층(소결체) / 확산방지층(그린 시트) / 연료극층(그린 시트) / 고체전해질층(그린 시트)으로 구성된 적층체가 제조된다.Thus, a laminate composed of a metal support (substrate), a micropore metal layer (sintered body), a diffusion preventing layer (green sheet), an anode layer (green sheet), and a solid electrolyte layer .

여기서 금속지지체(기판) 상부에 미세기공 금속층(소결체)가 형성된 상부에 확산방지층(그린 시트)와 연료극층(그린 시트) 그리고 고체전해질 (그린시트)를 적층할 때 온간등방압프레스(Warm Isostatic Press)로 적층하는 방법으로 적층할 수 있다.Here, when a diffusion preventing layer (green sheet), a fuel electrode layer (green sheet) and a solid electrolyte (green sheet) are stacked on an upper portion where a micropore metal layer (sintered body) is formed on a metal support (substrate), a warm isostatic press ). ≪ / RTI >

이와 같이 3가지 그린 시트를 온간등방압프레스(WIP)를 이용하여 적층할 경우 온간등방압프레스(WIP) 공정은 앞서 설명한 미세기공 금속층(14)을 온간등방압프레스(WIP) 공정으로 형성하는 방법과 조건과 동일하게 실시할 수 있으므로 온간등방압프레스(WIP) 공정에 대한 자세한 설명은 생략한다.When the three green sheets are laminated using a warm isostatic press (WIP) as described above, the warm isostatic press (WIP) process is a method in which the above-described micropore metal layer 14 is formed by a warm isostatic pressing (WIP) And therefore the detailed description of the warm isostatic press (WIP) process will be omitted.

이와 같이 온간등방압프레스(WIP) 공정으로 확산방지층(그린 시트)와 연료극층(그린 시트) 그리고 고체전해질 (그린시트)을 적층한 다음에는 상기 3개층으로 적층된 그린시트에서 결합제와 가소제를 제거한다. After the diffusion barrier layer (green sheet), the anode layer (green sheet) and the solid electrolyte (green sheet) are laminated by the warm isostatic pressing (WIP) process, the binder and the plasticizer are removed do.

그 다음 상기 결합제를 제거한 적층체를 냉간등방압프레스(CIP)공정으로 상기 확산방지층과 상기 연료극층 그리고 상기 고체전해질층을 압축 성형할 수 있다.Then, the diffusion preventing layer, the anode layer and the solid electrolyte layer can be compression-molded by a cold isostatic pressing (CIP) process.

이때 3개 그린시트 적층체에서 결합제와 가소제를 제거하는 방법은 공기중에서 분당 1~3℃ 의 승온 속도로 승온하면서 200℃, 350℃, 500℃ 에서 각각 2~5 시간 이상 유지하는 것이 바람직하다.In this case, the method of removing the binder and the plasticizer from the three green sheet laminate is preferably carried out at 200 ° C, 350 ° C, and 500 ° C for 2 to 5 hours or more while raising the temperature at a rate of 1 ° C to 3 ° C per minute in air.

그리고 결합제를 제거한 적층체에 대하여 냉간등방압프레스(CIP)하는 공정은 상기 적층체를 진공으로 포장한 다음 냉간등방압프레스기에 투입한 상태에서 냉간등방압프레스기에서 1,000~5,000kgf/cm2의 등방압을 5~30분간 인가하여 실시하는 것이 바람직하다. And a step for cold-like bangap press (CIP) with respect to the laminated body to remove the binder is packing the laminate in a vacuum, and then cold pressing machine, such as an isotropic state of bangap 1,000 ~ 5,000kgf / cm 2 in a press machine such as a cold in bangap In the It is preferable that the pressure is applied for 5 to 30 minutes.

이상과 같이 적층체를 냉간등방압프레스 한 다음에는 불활성 분위기 보다 바람직하게는 아르곤 분위기의 소결로에 장입한 다음 소결을 한다.After the laminate is subjected to cold isostatic pressing as described above, it is sintered after being charged into a sintering furnace preferably in an argon atmosphere rather than an inert atmosphere.

이때의 소결 방법은 상기 제7단계(S7)에서 고체전해질층(17)을 소결하는 과정과 동일하므로 그 자세한 설명은 생략한다. Here, the sintering method is the same as the sintering process of the solid electrolyte layer 17 in the seventh step S7, and thus a detailed description thereof will be omitted.

따라서 이하에서 설명하는 공기극층(18)을 형성하는 제8단계 이후의 공정은 확산방지층(15)이 형성된 적층체(도 2g 참조)와 확산방지층(15)이 형성되지 않은 적층체(도 2f)에 대하여 모두 적용이 가능하다.2F) in which the diffusion preventing layer 15 is formed and the laminate (FIG. 2F) in which the diffusion preventing layer 15 is not formed, Can be applied to all of them.

다음은 도 2f를 참조하여 ⅷ) 고체전해질층(17) 상에 공기극층(18)을 스크린인쇄하는 제8단계에 대하여 설명한다.Next, the eighth step of screen printing the cathode layer 18 on the solid electrolyte layer 17 will be described with reference to FIG. 2F.

제8단계는 스크린인쇄 공정에 의하여 고체전해질층(17) 상에 공기극층(18)을 형성한다. 제8단계에서 형성하는 공기극층(18)의 조성은 (A1- xBx)sFe1 - yCoyO3 (A = La, Gd, Y, Sm, Ln 혹은 그 혼합물, B = Ba, Sr, Ca 및 그 혼합물, Ln=lanthanides) 및 (La1 - xSrx)sMnO3 같은 전기 전도성 산화물, 또는 상기 전기전도성 산화물에 고체전해질 조성의 분말을 0 ~ 50 vol% 범위로 첨가한 복합체로 이루어진 것이 바람직하다. 이와 같은 공기극층은 (La0 .6,Sr0 .4)(Co0 .2,Fe0 .8)O3에 40~60wt%, 보다 바람직하게는 50wt% 의 Ce0 .9Gd0 .1O1 . 95 를 혼합한 분말을 사용할 수 있다.In the eighth step, the cathode layer 18 is formed on the solid electrolyte layer 17 by a screen printing process. The composition of the air electrode layer 18, formed from the eighth stage (A 1- x B x) s Fe 1 - y Co y O 3 -δ (A = La, Gd, Y, Sm, Ln or mixtures thereof, B = Ba, Sr, Ca and mixtures thereof, Ln = lanthanides) and (La 1 - x Sr x) s MnO 3 as An electrically conductive oxide, or a composite in which a powder of a solid electrolyte composition is added to the electrically conductive oxide in a range of 0 to 50 vol%. Such an air electrode layer (La 0 .6, Sr 0 .4 ) (Co 0 .2, Fe 0 .8) of 40 ~ 60wt% to the O 3, and more preferably 50wt% Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 . 95 may be used.

또한 공기극층의 평균 두께는 10um~50um 범위가 바람직하다.The average thickness of the air electrode layer is preferably in the range of 10um to 50um.

마지막으로 ⅸ) 공기극층(18)을 소결하는 제9단계(S9)에 대해서 설명한다.Finally, the ninth step (S9) of sintering the cathode layer 18 will be described.

제9단계(S9)에서 공기극층(18)의 소결은 셀 제조 과정에서는 별도의 열처리 없이 스택 또는 셀 평가 과정에서 밀봉재를 접합하는 온도인 750~850℃, 보다 바람직하게는 800℃에서 소결됨으로써 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀을 완성하게 된다.In the ninth step S9, the cathode layer 18 is sintered at a temperature of 750 to 850 deg. C, more preferably 800 deg. C, which is a temperature at which the sealing material is bonded in the stack or cell evaluation process without a separate heat treatment in the cell manufacturing process, Thereby completing a support-type solid oxide fuel cell.

이하 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, a specific embodiment of the present invention will be described.

(실시 예 1) 이중구조 금속 지지체의 제조(Example 1) Preparation of a double structure metal support

두께 0.2mm, 직경 27mm 의 금속박판(Crofer 22APU 합금)에 대하여 금속박판 중심부에 지름 14mm 동심원 영역을 화학 에칭하여, 직경 0.25mm, 중심간 거리 0.5mm의 홀이 격자 형태로 배열된 구조의 천공된 금속기판을 제조하였다. A 14 mm diameter concentric circle area was chemically etched in the center of a thin metal plate with a thickness of 0.2 mm and a diameter of 27 mm to form a hole having a diameter of 0.25 mm and a center distance of 0.5 mm arranged in a lattice form To prepare a metal substrate.

이러한 금속 기판 위에 확산방지 층, 연료극 층, 고체전해질 층을 구현하는 경우 홀 위에 형성되는 세라믹 층에 균열이 발생할 가능성이 높기 때문에, 기판과 동일 조성의 Crofer22APU 합금 분말을 에틸셀룰로스 바인더와 Buthyl Carbitol Acetate를 혼합한 금속분말 페이스트를 제조하여, 이 페이스트를 금속기판에 형성된 홀에 압입한 후에 100℃ 에서 건조하여 화학 에칭으로 형성된 홀을 메꿈 처리하였다.When a diffusion barrier layer, an anode layer, and a solid electrolyte layer are formed on such a metal substrate, there is a high possibility that cracks will occur in the ceramic layer formed on the hole. Therefore, Crofer 22APU alloy powder having the same composition as the substrate is mixed with ethyl cellulose binder and Buthyl Carbitol Acetate The mixed metal powder paste was prepared, the paste was press-fitted into a hole formed in a metal substrate, and then dried at 100 ° C to fabricate a hole formed by chemical etching.

다음 공정으로, 기판표면과 홀을 메꿈처리한 부분의 높이 차이로 인하여 그 위에 형성되는 세라믹 층의 균열 발생을 방지하기 위하여, 기판과 동일 조성의 Crofer22APU 합금 분말을 테이프 캐스팅하여 50~60um 급의 그린시트를 제조하고, 메꿈 처리된 기판 위에 상기 그린 시트를 배치하고 이를 진공 비닐 포장 후, 70℃, 200kgf/cm2 에서 20분간 열간등방압프레스(WIP)하여 상기 금속 기판위에 금속분말 그린시트를 적층 하였다. In the next step, a Crofer 22APU alloy powder having the same composition as the substrate is cast by tape casting to prevent cracks in the ceramic layer formed thereon due to the height difference between the substrate surface and the portion of the hole-processed portion, place and this then vacuum plastic wrap, 70 ℃, 200kgf / cm 2, such as in hot 20 minutes bangap pressing (WIP) by laminating a green sheet metal powder on said metal substrate, the green sheet on the produced sheet, and the plugging substrate Respectively.

상기 적층체의 바인더, 가소제 등을 공기 중 200℃, 350℃, 500℃ 에서 2시간 유지하여 제거하고, 1,180℃ 수소 분위기에서 3시간 동안 열처리 하여 금속 기판과, 메꿈 처리한 금속 분말 페이스트, 그리고 금속 분말의 그린시트를 접합하였다. The binder and the plasticizer of the laminate were kept in air at 200 ° C, 350 ° C, and 500 ° C for 2 hours to be removed, and heat treated in a hydrogen atmosphere at 1,180 ° C for 3 hours to form a metal substrate, The green sheet of the powder was bonded.

이때 메꿈 처리한 Crofer 22APU 합금 분말 페이스트와 WIP로 적층한 Crofer 22APU 합금 분말의 그린시트는 열처리 후에 "미세기공 금속층" 되어, 연료가스의 확산 및 전자의 통로 역할은 물론 확산 방지층, 연료극 층, 고체전해질 층과 같은 세라믹 층이 결함 없이 천공된 금속 기판 위에 안정적으로 구현 될 수 있는 cover layer (도4 참조) 역할을 한다. The green sheets of the Crofer 22APU alloy powder pasted with WIP and the Crofer 22APU alloy powder after the heat treatment are "microporous metal layers" after the heat treatment, and serve as a diffusion barrier for the fuel gas and a conduction path for electrons as well as for diffusion prevention layer, fuel electrode layer, Layer serves as a cover layer (see FIG. 4) that can be stably implemented on a perforated metal substrate without defect.

도5와 같은 이중구조의 금속지지체를 이용하면, 홀이 형성되지 않은 기판의 외각부분을 이용하여 금속지지체형 셀과 금속 분리판의 기밀 용접에 의한 고온 가스밀봉이 가능하여 기존의 유리계 고온 밀봉에 비하여 접합부의 강건성이 크게 향상되고, 작은 셀을 여러 개 용접하여 스택의 용량을 증가시키는 것이 가능하게 되는 장점이 있다.The use of a metal support having a double structure as shown in FIG. 5 enables high-temperature gas sealing by airtight welding of the metal support-type cells and the metal separator using the outer portion of the substrate on which the holes are not formed, It is possible to increase the capacity of the stack by welding several small cells.

(실시 예 2) (Example 2) 금속지지체Metal support /확산 반응 방지층// Diffusion reaction prevention layer / 연료극Anode 층/ layer/ 고체전해질Solid electrolyte 적층체The laminate 제조 Produce

확산방지층용 그린시트는 Ce0 .9Gd0 .1O1 .95 (Anan Kasei)분말에 0.5 wt% 의 Co3O4를 첨가하고 이를 테이프 캐스팅하여 6um 두께의 그린시트를 제조하였다.The green sheet for the diffusion barrier layer was prepared by adding 0.5 wt% of Co 3 O 4 to Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 .95 (Anan Kasei) powder and tape casting it to prepare a green sheet having a thickness of 6 μm.

연료극층용 그린 시트로는 NiO 에 60wt% 의 Ce0 .9Gd0 .1O1 .95를 혼합하고, 이를 테이프 캐스팅하여 60um 두께의 그린 시트를 제조하였다. 그리고 고체전해질층용 그린시트는 Ce0 .9Gd0 .1O1 .95 (Anan Kasei) 분말에 0.5 wt% 의 Co3O4를 첨가하고 이를 테이프 캐스팅하여 30um 두께의 그린시트를 제조하였다. As the green sheet for the anode layer, 60 wt% of Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 .95 was mixed with NiO and tape cast to prepare a green sheet having a thickness of 60 탆. The green sheet for the solid electrolyte layer was prepared by adding 0.5 wt% of Co 3 O 4 to Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 .95 (Anan Kasei) powder and tape casting it to prepare a green sheet having a thickness of 30 μm.

다음 공정으로 실시예 1 에서 제조된 이중 구조 금속지지체 위에 상기 확산방지층, 연료극층, 고체전해질층용의 그린시트를 차례로 배치 하고, 진공 비닐 포장 후, 70℃, 200kgf/cm2 에서 20분간 열간 등방압프레스 (WIP)하여 확산방지층, 연료극층, 고체전해질층의 그린시트를 차례로 적층 하였다. The diffusion preventing layer, the fuel electrode layer, a solid place the green sheet of the electrolyte layer, and then, after the vacuum plastic wrap, 70 ℃, 20 bungan hot isostatic pressure from 200kgf / cm 2 on the double structure metal support prepared in Example 1 with the following step The green sheets of the diffusion preventing layer, the anode layer, and the solid electrolyte layer were laminated in order by pressing (WIP).

상기 적층체의 바인더 및 가소제 성분을 공기 중 200℃, 350℃, 500℃ 에서 2 시간 유지하여 제거하고 나서, 재차 진공 비닐포장 후 2,000kgf/cm2 에서 10분간 냉간 등방압 프레스(CIP) 처리 후, 아르곤(Ar)가스 분위기에서 1,070℃ 에서 3시간 동안 열처리하여 이중 구조 금속지지체/확산방지층/연료극층/고체전해질층의 적층체를 완성하였다. The binder and the plasticizer component of the laminate were maintained at 200 ° C, 350 ° C, and 500 ° C in the air for 2 hours to remove them. After vacuum vinyl packaging, they were subjected to cold isostatic pressing (CIP) treatment at 2,000kgf / cm 2 for 10 minutes , And then heat-treated at 1,070 ° C for 3 hours in an argon (Ar) gas atmosphere to complete a laminate of a dual structure metal support / diffusion preventing layer / anode layer / solid electrolyte layer.

이중 구조 금속지지체/확산반응 방지층/연료극층/고체전해질층의 적층체의 미세구조를 FIB 와 SEM 을 통하여 관찰한 결과, 도6의 (a) 내지 (d)에서 알 수 있듯이, 미세기공 금속층이 형성된 이중구조 금속지지체 위에 다공성의 확산방지층과 연료극층이 형성되고, 그 위에 저온에서 제한 소결이 되었음에도 불구하고, 치밀한 고체전해질 막아 형성되었음을 확인할 수 있었다. 6 (a) to 6 (d), the microstructure of the laminate of the dual structure metal support / diffusion preventing layer / fuel electrode layer / solid electrolyte layer was observed through FIB and SEM. As a result, It was confirmed that a dense solid electrolyte membrane was formed even though the porous diffusion preventing layer and the anode layer were formed on the formed dual structure metal support and the limited sintering was performed thereon at a low temperature.

그리고 도6의 (c)에서와 같이 확산방지층과 이중구조 금속 지지체의 계면에는 0.5um 수준의 Cr2O3 계 산화물 상이 형성되어 있었다. 도6에서 (b)는 도6(a)의 점선원을 확대한 것이고, (c)는 도6(b)의 점선원을 확대한 것이다.As shown in FIG. 6 (c), a Cr 2 O 3 -based oxide phase of 0.5 μm level was formed at the interface between the diffusion barrier layer and the dual structure metal support. 6 (b) is an enlarged circle of the dotted line in FIG. 6 (a), and FIG. 6 (c) is an enlarged circle of the dotted line in FIG. 6 (b).

(( 실시예Example 3) 금속 지지체 / 확산방지 층 /  3) Metal support / diffusion prevention layer / 연료극Anode 층 /  Floor / 고체전해질Solid electrolyte 층 /  Floor / 공기극으로To the air pole 구성된 금속지지체형  Configured metal support body SOFCSOFC 셀 개발 및 성능평가. Cell development and performance evaluation.

실시예 2 에서 제조된 이중 구조 금속지지체 / 확산방지층 / 연료극층 / 고체전해질층 위에 공기극층을 제조하기 위하여 (La0 .6,Sr0 .4)(Co0 .2,Fe0 .8)O3에 50 wt% 의 Ce0 .9Gd0 .1O1 . 95 를 혼합한 공기극 분말의 페이스트를 스크린 인쇄를 통하여 공기극 층을 형성하였다.(La 0 .6 , Sr 0 .4 ) (Co 0 .2 , Fe 0 .8 ) O 2 (Fe 0 .8 ) were used to prepare the cathode layer on the dual structure metal support / diffusion barrier layer / anode layer / solid electrolyte layer prepared in Example 2 3 to 50 wt% Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 . 95 was mixed with a paste of the cathode powder to form a cathode layer through screen printing.

공기극층은 별도의 열처리 없이, 셀 성능 평가 과정에서 밀봉재를 접합하는 온도인 800℃에서 2 시간 유지하는 과정에서 열처리 되도록 하였다. The cathode layer was heat treated in a process of maintaining the cell at 800 ° C for 2 hours at the temperature of bonding the sealant in the cell performance evaluation process without any heat treatment.

공기극 스크린 인쇄후 건조가 완료된 셀을 버튼 셀 측정 지그에 장착하여 성능 측정을 실시하였다. After the air cathode screen printing, the cells which had been dried were mounted on the button cell measuring jig and the performance was measured.

성능 측정 시에는 공기극에 Air (500sccm)를 연료극에는 4 vol% H2O를 함유한 H2(250sccm)와 N2(250sccm)를 동시에 흘리면서, 개회로 전압과 전압-출력 곡선을 측정하여, 500~550℃ 의 중저온 영역에서 아래 표1과 도7에서 나타난 것과 같은 우수한 셀 성능의 얻을 수 있었다.Performance at the time of measurement, the anode-to Air (500sccm) to the air electrode 4 vol% H sloppy the 2 O H 2 (250sccm) and N 2 (250sccm) containing at the same time, the voltage and the open circuit voltage-measured output curve 500 Excellent cell performance as shown in Table 1 and FIG. 7 below was obtained in the middle and low temperature range of ~ 550 ° C.

측정온도 Measuring temperature 개회로 전압 Open circuit voltage Pmax (W/cm2)P max (W / cm 2 ) P (W/cm2) @0.7VP (W / cm 2 ) @ 0.7 V 500℃ 500 ℃ 0.941V0.941V 0.32 (0.64A, 0.5V)0.32 (0.64A, 0.5V) 0.24 (0.34A)0.24 (0.34 A) 550℃ 550 ℃ 0.911V0.911V 0.50 (1.00A, 0.5V)0.50 (1.00 A, 0.5 V) 0.39 (0.56A) 0.39 (0.56A)

도8 에는 홀이 천공된 금속박판 위에 고체산화물 연료전지를 구성함으로써 구현하고자 하는 SOFC 스택에 적용 될 때의 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀의 일례를 표현한 것이다. FIG. 8 illustrates an example of a metal-supported solid oxide fuel cell when applied to an SOFC stack to be implemented by forming a solid oxide fuel cell on a thin metal plate having holes.

금속지지체가 전체적으로 다공성인 기존의 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀은 금속지지체가 다공성이라서 금속분리판과 직접 용접이나 브레이징과 같은 강건한 기밀접합을 하기 어렵기 때문에 치밀층은 고체전해질 층과 금속분리판 사이를 유리를 사용하여 밀봉해야 한다. Since the conventional metal-supported solid oxide fuel cell having a porous metal support as a whole is porous, it is difficult to provide a strong airtight joint such as direct welding or brazing with the metal separator because the metal support is porous. Therefore, Seal between them using glass.

그러나, 본 발명의 실시예로서 추구하고자 하는 금속박판을 출발점으로 하는 금속지지체형 셀은 금속박판의 전극반응에 필요한 부분만 선택적으로 천공하고, 셀의 가장자리의 금속지지체는 금속판의 상태를 유지하므로 상기 이미지와 같이 용접이나 금속간 브레이징과 같이 강건하고 신뢰도가 높은 방법으로 금속분리판과의 기밀접합이 가능하기 때문에 SOFC 스택을 구성하는데 있어서 셀 자체의 강건성뿐만 아니라, 기밀접합부의 강건성을 포함한 스택 전체의 의 강건성을 개선 시킬 수 있는 장점이 있다.However, as a preferred embodiment of the present invention, the metal supporting body cell starting from the metal thin plate to be sought starts to selectively perforate only a portion necessary for the electrode reaction of the metal thin plate, and the metal supporting body at the edge of the cell maintains the state of the metal plate. Since the airtight connection with the metal separator is possible by a robust and reliable method such as welding or intermetallic brazing as in the image, it is necessary to improve the stability of the entire stack including the robustness of the gas- It is possible to improve the robustness of the apparatus.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예를 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the following claims. Those who do it will easily understand.

11: 금속지지체 11a: 홀
12: 금속분말 페이스트 14: 미세기공 금속층
15: 확산방치층 16: 연료극층
17: 고체전해질층 18: 공기극층
11: metal support 11a: hole
12: metal powder paste 14: fine pore metal layer
15: diffusion-permitting layer 16: fuel electrode layer
17: solid electrolyte layer 18: cathode layer

Claims (38)

금속지지체, 미세기공 금속층, 연료극층, 고체전해질층 그리고 공기극층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법에 있어서,
상기 금속지지체에 복수 개의 홀이 형성되고, 상기 금속지지체의 상기 홀에 금속분말 페이스트를 채운 다음, 상기 금속지지체 상에 미세기공 금속층을 구성하는 그린 시트를 적층한 후, 불활성 분위기에서 소결 결합하는 것을 특징으로 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법.
A method of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell comprising a metal support, a microporous metal layer, an anode layer, a solid electrolyte layer and a cathode layer,
A plurality of holes are formed in the metal support, a green powder paste is filled in the holes of the metal support, a green sheet constituting a micropore metal layer is laminated on the metal support, and sintering is performed in an inert atmosphere A method of manufacturing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 금속분말 페이스트 또는 상기 미세기공 금속층을 구성하는 그린 시트는 상기 금속지지체와 동일한 소재로 이루어진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal powder paste or the green sheet constituting the micropore metal layer is made of the same material as the metal support.
제2항에 있어서,
상기 금속분말 페이스트 또는 상기 미세기공 금속층을 구성하는 그린 시트는 Fe-Cr계 스테인리스 합금 또는 폐라이트계 스테인리스 합금으로 이루어진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the green sheet constituting the metal powder paste or the micropore metal layer comprises an Fe-Cr-based stainless steel alloy or a waste-light-based stainless steel alloy.
제3항에 있어서,
상기 금속지지체, 상기 금속분말 페이스트 및 상기 미세기공 금속층을 구성하는 그린 시트 중 어느 하나 또는 모두는 Crofer22APU, Crofer22H 또는 ZMG232L 중 어느 하나이거나, 상기 Fe-Cr계 스테인리스 합금은 Fe-26Cr-(Mo, Ti, Y2O3)합금 또는 Fe-Cr-Mx 합금(Mx=Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y, Al) 인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein at least one of Crofer22APU, Crofer22H, and ZMG232L is selected from the group consisting of Fe-26Cr- (Mo, Ti, Ti) and the green sheet constituting the metal support, the metal powder paste and the micro- , Y 2 O 3 ) alloy or Fe-Cr-Mx alloy (Mx = Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y, Al).
제4항에 있어서,
상기 미세기공 금속층의 소결후 두께는 50~70um 인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the thickness of the microporous metal layer after sintering is 50 to 70 um.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세기공 금속층과 상기 연료극층 사이에 확산방지층이 더욱 형성되어진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
And a diffusion barrier layer is further formed between the micropore metal layer and the anode layer.
제6항에 있어서,
상기 확산방지층은 CeO2, Ce1 - xLnxO2 , (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0 ~ 0.2) (La1 - xAx)Cr1 - yByO3 ±δ(A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5, δ=0~0.3), (La 1-x Ax)s Ti 1-y ByO3±δ(A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.6; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3), (Sr1 - xAx)sTi1 - yNbyO3 ±δ(A= Y, La, Gd, Sm 혹은 그 혼합물, x = 0.05~0.2; y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3) 중에서 단독 또는 하나 이상이 선택된 복합체인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
The method according to claim 6,
The diffusion barrier layer is CeO 2, Ce 1 - x Ln x O 2 -δ, (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) (La 1 - x A x) Cr 1 - y B y O 3 ± δ ( A = Sr, Ca, or mixtures thereof x = 0.1 ~ 0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru or mixtures thereof, y = 0 ~ 0.5, δ = 0 ~ 0.3) , (1-x A x La) s Ti 1-y B y O 3 ± δ (A = Sr, Ca, or mixtures thereof x = 0.1 ~ 0.6; B = Mn, Co, (Sr 1 - x A x ) s Ti 1 - y Nb (where n is an integer from 0 to 3) y O 3 ± δ (A = Y, La, Gd, Sm or a mixture thereof, x = 0.05 to 0.2; y = 0 to 0.5; s = 0.9 to 1.0 and δ = 0 to 0.3) Wherein said solid support is a composite metal supported solid oxide fuel cell.
제7항에 있어서,
상기 확산방지층은 Ce0 .9 Gd0 .1 O1 .95 조성 또는 상기 조성에 Co3O4를 0.2~0.8 wt% 첨가한 조성인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the diffusion preventive layer has a composition of Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 .95 or a composition comprising 0.2 to 0.8 wt% of Co 3 O 4 in the composition.
제8항에 있어서,
상기 확산방지층은 소결 후의 평균 두께가 1~10 um 인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the diffusion preventing layer has an average thickness after sintering of 1 to 10 μm.
제7항에 있어서,
상기 연료극층은 NiO 와 (ZrO2)1-x(Y2O3)x(x=0.08~0.1)의 복합체, NiO와 (ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1-x(Yb2O3)x (x=0~0.06) 복합체, 그리고 NiO 와 Ce1 - xLnxO2 , (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2) 의 복합체 중 어느 하나의 복합체 또는 그 혼합물인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The fuel electrode layer is NiO and (ZrO 2) 1-x ( Y 2 O 3) x (x = 0.08 ~ 0.1) of the composite, NiO and (ZrO 2) 0.90 (Sc 2 O 3) 0.1-x (Yb 2 O 3 ) x (x = 0 to 0.06) of Complex, and NiO A composite of any one of Ce 1 - x Ln x O 2 - δ , (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 to 0.3 and δ = 0 to 0.2) or a mixture thereof. ≪ / RTI >
제10항에 있어서,
상기 연료극층은 NiO와 Ce0 .9Gd0 .1O2 (δ=0~0.2) 계 고체전해질 분말의 복합체인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the anode layer is a composite of NiO and Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 2 (δ = 0 to 0.2) solid electrolyte powder.
제11항에 있어서,
상기 복합체 중의 NiO 의 함량은 50~75 wt% 범위인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the NiO content in the composite is in the range of 50 to 75 wt%.
제12항에 있어서, 상기 연료극층은 소결 후의 평균 두께가 10um~50um 인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.13. The method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to claim 12, wherein the anode layer has an average thickness of 10 [mu] m to 50 [mu] m after sintering. 제10항에 있어서,
상기 고체전해질층은 Ce1 - xLnxO2 (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2)계 산화물인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the solid electrolyte layer is a system oxide of Ce 1 - x Ln x O 2 -? (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 to 0.3,? = 0 to 0.2) .
제14항에 있어서,
상기 고체전해질층은 상기 산화물에 Co3O4, CoO, CuO, MnO, MnO2 의 전이금속 산화물 중 적어도 어느 하나 이상을 상기 고체전해질 분말에 대하여 0.2~2 wt% 범위에서 첨가한 혼합물인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
15. The method of claim 14,
The solid electrolyte layer may be formed of a metal support which is a mixture obtained by adding at least one of Co 3 O 4 , CoO, CuO, MnO, and MnO 2 transition metal oxide to the solid oxide electrolyte in the range of 0.2 to 2 wt% A method of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell.
제15항에서 있어서,
상기 고체전해질층은 Ce0 .9 Gd0 .1 O1 .95 조성 또는 상기 조성에 Co3O4를 0.2~0.8 wt% 첨가한 조성인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the solid electrolyte layer has a composition of Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1 .95 or a composition containing 0.2 to 0.8 wt% of Co 3 O 4 in the composition.
제16항에서 있어서,
상기 고체전해질층은 소결 후의 평균 두께가 5um~30um 인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the solid electrolyte layer has an average thickness after sintering of 5 占 퐉 to 30 占 퐉.
제15항에서 있어서,
상기 공기극층은 (A1-xBx)sFe1-yCoyO3-δ(A = La, Gd, Y, Sm, Ln 혹은 그 혼합물, B = Ba, Sr, Ca 및 그 혼합물, Ln=lanthanides) 및 (La1-xSrx)sMnO3-δ으로 이루어진 전기 전도성 산화물, 또는 상기 전기전도성 산화물에 고체전해질 조성의 분말을 0 ~ 50 vol% 범위로 첨가한 복합체로 이루어진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the air electrode layer comprises a material selected from the group consisting of (A 1-x B x ) s Fe 1 -y Co y O 3 -δ (A = La, Gd, Y, Sm, Ln or a mixture thereof, B = Ba, Sr, Ca, Ln = lanthanides) and (1-x Sr x La) s MnO 3-δ electroconductive oxide comprising, or metal support consisting of a powder of a solid electrolyte composition on the electrically conductive oxide as the complex was added to a 0 ~ 50 vol% range A method of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell.
제18항에서 있어서,
상기 공기극층은 (La0 .6,Sr0 .4)(Co0 .2,Fe0 .8)O3에 40~60 wt% 의 Ce0 .9Gd0 .1O1 . 95 를 혼합한 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
19. The method of claim 18,
The air electrode layer (La 0 .6, Sr 0 .4 ) (Co 0 .2, Fe 0 .8) O 3 in the 40 ~ 60 wt% Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 1. 95. A method of manufacturing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell,
제19항에서 있어서,
상기 공기극층은 소결 후의 평균 두께가 10um~50um인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the cathode layer has an average thickness after sintering of 10 [mu] m to 50 [mu] m.
제1항에 있어서,
상기 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법은
상기 금속지지체를 준비하는 제1단계;
상기 금속지지체에 형성된복수 개의 홀에 금속분말 페이스트를 채우는 제2 단계;
상기 금속지지체의 어느 한쪽 면에 온간등방압프레스(WIP) 공정을 이용하여 상기 미세기공 금속층을 이루는 그린 시트를 적층하는 제3 단계;
상기 미세기공 금속층을 소결 접합하는 제4 단계;
상기 미세기공 금속층 상에 상기 연료극층의 그린 시트를 적층하는 제5단계;
상기 연료극층 위에 상기 고체전해질층의 그린 시트를 적층하는 제6단계;
상기 고체전해질층 그린 시트를 소결하는 제7단계; 및
상기 소결된 고체전해질층 위에 상기 공기극층을 스크린 인쇄하는 제8단계;
를 포함하여 이루어진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
The method according to claim 1,
The method for manufacturing the solid oxide fuel cell
A first step of preparing the metal support;
A second step of filling a metal powder paste in a plurality of holes formed in the metal support;
A third step of laminating a green sheet constituting the micropore metal layer on one surface of the metal support using a warm isostatic pressing (WIP) process;
A fourth step of sintering and bonding the micropore metal layer;
A fifth step of laminating the green sheet of the anode layer on the micropore metal layer;
A sixth step of laminating the green sheet of the solid electrolyte layer on the anode layer;
A seventh step of sintering the solid electrolyte layer green sheet; And
An eighth step of screen-printing the cathode layer on the sintered solid electrolyte layer;
Wherein the solid oxide fuel cell comprises a metal-supported solid oxide fuel cell.
제21항에 있어서,
상기 제4단계와 상기 제5단계 사이의 상기 미세기공 금속층 상에 확산방지층의 그린시트를 적층하는 제4-1단계를 더욱 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
22. The method of claim 21,
Further comprising a fourth step of laminating a green sheet of a diffusion preventing layer on the micropore metal layer between the fourth step and the fifth step.
제22항에 있어서,
상기 제3단계, 제4-1단계, 제5단계, 및 제6 단계에서 상기 각 그린시트는 테이프 캐스팅에 의하여 형성하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
23. The method of claim 22,
Wherein each of the green sheets is formed by tape casting in the third, fourth, fifth, and sixth steps.
제23항에 있어서,
상기 제4-1단계, 제5단계, 및 제6 단계에서의 상기 각 그린시트를 차례로 배치하고 온간등방압프레스(WIP) 공정을 이용하여 상기 각층을 이루는 그린 시트를 적층하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
24. The method of claim 23,
Wherein the green sheets in the 4-1st, 5th, and 6th steps are arranged in order and the green sheets constituting the respective layers are laminated using a warm isostatic press (WIP) process, A method of manufacturing a fuel cell cell.
제24항에 있어서,
상기 온간등방압프레스(WIP) 공정은 형성된 각 그린시트를 진공포장하고 상기 진공포장된 상기 적층체를 실린더 내부의 물 온도가 60~80℃로 유지되는 온간등방압프레스 장치에 넣고 100~300kgf/cm2 의 압력을 10~40분간 인가하여 실시하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
25. The method of claim 24,
In the warm isostatic pressing (WIP) process, each formed green sheet is vacuum packed, and the vacuum packed laminate is placed in a warm isostatic pressing apparatus in which the water temperature inside the cylinder is maintained at 60 to 80 DEG C, cm < 2 > for 10 to 40 minutes. The method of manufacturing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell according to claim 1,
제25항에 있어서,
상기 온간등방압프레스(WIP) 공정이후에, 상기 적층체에서 결합제와 가소제를 제거하는 단계를 더욱 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
26. The method of claim 25,
Further comprising the step of removing the binder and the plasticizer from the laminate after the warm isostatic pressing (WIP) process.
제26항에 있어서,
상기 결합제와 가소제를 제거하는 단계는 공기중에서 분당 1~3℃ 의 승온 속도로 승온하면서 200℃, 350℃, 500℃ 에서 각각 2~5 시간 이상 유지하는 것인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
27. The method of claim 26,
Wherein the step of removing the binder and the plasticizer is carried out at 200 ° C, 350 ° C, and 500 ° C for 2 to 5 hours or more at a temperature rising rate of 1 to 3 ° C per minute in air, Gt;
제27항에 있어서,
상기 결합제와 가소제를 제거한 적층체에 대하여 냉간등방압프레스 (CIP)공정으로 상기 확산방지층과 상기 연료극층 그리고 상기 고체전해질층을 압축 성형하는 단계를 더욱 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
28. The method of claim 27,
Further comprising the step of compression-molding the diffusion preventing layer, the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer by a cold isostatic press (CIP) process on the laminate from which the binder and the plasticizer have been removed, to manufacture a metal support solid oxide fuel cell Way.
제28항에 있어서,
상기 냉간등방압프레스 (CIP)공정은 상기 적층체를 진공으로 포장한 다음 냉간등방압프레스기에 투입한 상태에서 냉간등방압프레스기에서 1,000~5,000kgf/cm2 의 등방압을 5~30분간 인가하여 실시하는 것인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
29. The method of claim 28,
In the cold isostatic press (CIP) process, the laminate is packed in a vacuum, and then is put in a cold isostatic press, and isotropic pressure of 1,000 to 5,000 kgf / cm 2 is applied for 5 to 30 minutes in a cold isostatic press Wherein the metal-supported solid oxide fuel cell is a metal-supported solid oxide fuel cell.
제29항에 있어서,
상기 냉간등방압프레스 (CIP)공정으로 처리한 성형체에 대하여 아르곤 분위기의 소결로에서 1,000~1,070℃ 범위에서 1~5시간 열처리하여 소결하는 단계를 더욱 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
30. The method of claim 29,
(CIP) process and then sintering in a sintering furnace in an argon atmosphere for 1 to 5 hours at a temperature in the range of 1,000 to 1,070 ° C to manufacture a metal support solid oxide fuel cell Way.
제25항에 있어서,
상기 제4단계에서, 상기 소결은 수소 분위기의 소결로에서 1,100~1,180℃ 범위에서 1~5 시간 열처리하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
26. The method of claim 25,
In the fourth step, the sintering is performed in a sintering furnace in a hydrogen atmosphere at a temperature of 1,100 to 1,180 ° C for 1 to 5 hours, thereby producing a cell for a solid oxide fuel cell.
제21항 내지 31항 중 어느 한항에 있어서,
고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법은 상기 공기극층을 소결하는 제9단계를 더 포함하고,
상기 제9단계는 셀 제조 과정에서는 별도의 열처리를 하지 않고, 스택 또는 셀 평가시 밀봉재의 접합온도인 750~850℃ 에서 소결 되는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
31. The method according to any one of claims 21 to 31,
The method for producing a cell for a solid oxide fuel cell further comprises a ninth step of sintering the cathode layer,
Wherein the ninth step is sintered at 750-850 ° C, which is a bonding temperature of the sealing material at the time of stack or cell evaluation, without performing any heat treatment in the cell manufacturing process.
복수 개의 홀을 갖는 금속지지체;
상기 금속지지체 상에 형성된 미세기공 금속층;
상기 미세기공 금속층 상에 형성된 연료극층;
상기 연료극층 상에 형성된 고체전해질층; 및
상기 고체전해질층 상에 형성된 공기극층;
을 포함하고,
상기 홀에는 금속분말 페이스트가 소결되어 채워진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀.
A metal support having a plurality of holes;
A micropore metal layer formed on the metal support;
A fuel electrode layer formed on the micropore metal layer;
A solid electrolyte layer formed on the anode layer; And
A cathode layer formed on the solid electrolyte layer;
/ RTI >
And a metal powder paste is sintered and filled in the hole.
제33항에 있어서,
상기 금속분말 페이스트는 상기 금속지지체 또는/및 상기 미세기공 금속층과 동일한 소재로 이루어진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀.
34. The method of claim 33,
Wherein the metal powder paste is made of the same material as the metal support and / or the micropore metal layer.
제34항에 있어서,
상기 미세기공 금속층 상에 확산방지층이 더욱 형성된 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀.
35. The method of claim 34,
And a diffusion barrier layer further formed on the micropore metal layer.
제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속분말 페이스트는 Fe-Cr계 스테인리스 합금 또는 폐라이트계 스테인리스 합금으로 이루어진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀.
37. The method according to any one of claims 33 to 35,
Wherein the metal powder paste comprises an Fe-Cr-based stainless steel alloy or a waste-light-based stainless steel alloy.
제36항에 있어서,
상기 금속지지체, 상기 금속분말 페이스트 및 상기 미세기공 금속층을 구성하는 그린 시트 중 어느 하나 또는 모두는 Crofer22APU, Crofer22H 또는 ZMG232L 중 어느 하나이거나, 상기 Fe-Cr계 스테인리스 합금은 Fe-26Cr-(Mo, Ti, Y2O3)합금 또는 Fe-Cr-Mx 합금(Mx=Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y, Al) 인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀.
37. The method of claim 36,
Wherein at least one of Crofer22APU, Crofer22H, and ZMG232L is selected from the group consisting of Fe-26Cr- (Mo, Ti, Ti) and the green sheet constituting the metal support, the metal powder paste and the micro- , Y 2 O 3 ) alloy or Fe-Cr-Mx alloy (Mx = Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y, Al).
제37항에 있어서,
상기 미세기공 금속층 및 소결된 상기 금속분말 페이스트에는 복수 개의 기공이 형성된 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀.
39. The method of claim 37,
Wherein the microporous metal layer and the sintered metal powder paste have a plurality of pores formed therein.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170138292A (en) 2016-06-07 2017-12-15 한국과학기술원 Method for fabricating metal-supported solid oxide fuel cell using in-situ bonding and metal-supported solid oxide fuel cell fabricated by the same
US10897056B2 (en) 2015-02-06 2021-01-19 Ceres Intellectual Property Company Limited Electrolyte forming process
US10978727B2 (en) 2015-02-06 2021-04-13 Ceres Intellectual Property Company Limited Electrolyte forming process for a metal-supported solid-oxide fuel cell

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101595221B1 (en) * 2013-12-24 2016-02-19 주식회사 포스코 Solid oxide fuel cell using metal support having array structure and method for manufacturing the same
US20160093910A1 (en) * 2014-09-30 2016-03-31 Toto Ltd. Solid oxide fuel cell stack
TWI558568B (en) * 2015-11-03 2016-11-21 行政院原子能委員會核能研究所 Permeable metal substrate, metal-supported solid oxide fuel cell and their manufacturing methods thereof
JP6560478B1 (en) * 2017-12-18 2019-08-14 日本碍子株式会社 Solid alkaline fuel cell
CN110048139B (en) * 2019-05-20 2020-10-16 哈尔滨工业大学(深圳) Preparation method of metal support type solid oxide fuel cell support body
KR102305771B1 (en) * 2020-03-24 2021-09-30 한국과학기술원 Method for manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell using the alnico magnet

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080107948A1 (en) 2004-12-21 2008-05-08 United Technologies Corporation High Specific Power Solid Oxide Fuel Cell Stack
WO2008143555A1 (en) 2007-05-22 2008-11-27 Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennost'yu 'natsional'naya Innovatsionnaya Kompaniya 'novye Energeticheskie Proekty' Tubular solid oxide fuel cell with a metal support, a tubular metal porous support layer and methods for the production thereof
KR20110046441A (en) * 2008-06-13 2011-05-04 케레스 인텔렉츄얼 프로퍼티 컴퍼니 리미티드 Deposition Method of Ceramic Film
US20110275006A1 (en) 2009-01-22 2011-11-10 Hawkes Justin R Solid oxide fuel cell having metal support with a compliant porous nickel layer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080107948A1 (en) 2004-12-21 2008-05-08 United Technologies Corporation High Specific Power Solid Oxide Fuel Cell Stack
WO2008143555A1 (en) 2007-05-22 2008-11-27 Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennost'yu 'natsional'naya Innovatsionnaya Kompaniya 'novye Energeticheskie Proekty' Tubular solid oxide fuel cell with a metal support, a tubular metal porous support layer and methods for the production thereof
KR20110046441A (en) * 2008-06-13 2011-05-04 케레스 인텔렉츄얼 프로퍼티 컴퍼니 리미티드 Deposition Method of Ceramic Film
US20110275006A1 (en) 2009-01-22 2011-11-10 Hawkes Justin R Solid oxide fuel cell having metal support with a compliant porous nickel layer

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10897056B2 (en) 2015-02-06 2021-01-19 Ceres Intellectual Property Company Limited Electrolyte forming process
US10978727B2 (en) 2015-02-06 2021-04-13 Ceres Intellectual Property Company Limited Electrolyte forming process for a metal-supported solid-oxide fuel cell
KR20170138292A (en) 2016-06-07 2017-12-15 한국과학기술원 Method for fabricating metal-supported solid oxide fuel cell using in-situ bonding and metal-supported solid oxide fuel cell fabricated by the same

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