KR101685386B1 - Anode Supported Solid Oxide Fuel Cell by using low temperature co-firing and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소결 수축률이 큰 연료극 기판층과 층간 응력차이를 완화시켜 주는 혼합층을 포함하는 적층체를 동시소결하여 전해질층의 치밀도를 향상시킨 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 셀 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 저온에서 동시에 소결이 이루어져 단전지 제조공정을 단순화시킬 수 있고, 연료극 조성의 유연성을 확보하여 수축률이 높은 연료극 기판의 사용이 가능하도록 함으로써, 전해질층의 치밀도를 향상시킬 수 있으며, 혼합층의 도입으로 계면의 열응력 집중현상을 완화시켜 동시소결 후 셀의 휨현상, 균열 및 셀의 파괴를 방지할 수 있으므로, 전기화학적 성능 향상 및 장기안정성이 확보된 연료극 지지형 고체산화물 셀의 제공 및 상용화를 가능하게 한다.The present invention relates to an anode-supported solid oxide cell and a method for manufacturing the same, wherein an oxide layer having a large sintering shrinkage ratio and a laminate including a mixed layer for alleviating a difference in stress between layers are simultaneously sintered to improve the density of the electrolyte layer According to the present invention, it is possible to simplify the process of manufacturing a single cell by simultaneously sintering at a low temperature, to ensure the flexibility of the fuel electrode composition and to enable the use of the fuel electrode substrate having a high shrinkage ratio, And it is possible to prevent the thermal stress concentration phenomenon at the interface by the introduction of the mixed layer to prevent the warping of the cell and the destruction of the cell after the simultaneous sintering so that the anode supporting solid body having improved electrochemical performance and long- Oxide cell can be provided and commercialized.

Description

저온 동시소결에 의한 연료극 지지형 고체산화물 셀 및 그 제조방법{Anode Supported Solid Oxide Fuel Cell by using low temperature co-firing and manufacturing method thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to an anode-supported solid oxide cell and a method for manufacturing the anode-supported solid oxide cell by low-temperature co-

본 발명은 저온 동시소결에 의한 연료극 지지형 고체산화물 셀 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소결 수축률이 큰 연료극 기판층과 층간 응력차이를 완화시켜 주는 혼합층을 포함하는 적층체를 동시소결하여 전해질층의 치밀도를 향상시킨 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 셀 및 그 제조방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a fuel electrode substrate layer having a high sintering shrinkage ratio and a multilayer body including a mixed layer for alleviating the difference in stress between the anode and the cathode, Thereby improving the denseness of the electrolyte layer, and a method of manufacturing the solid oxide fuel cell.

고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 연료 가스의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 고효율의 친환경적인 전기화학식 발전 기술로, 이온전도성을 가지는 고체산화물을 전해질로 사용한다.A solid oxide fuel cell (SOFC) is a highly efficient, environmentally friendly electrochemical power generation technology that directly converts the chemical energy of a fuel gas into electrical energy. The solid oxide fuel cell uses an ionic conductive solid oxide as an electrolyte.

SOFC에는 다양한 형태의 디자인이 존재하는데, 그 중 연료극 지지형 디자인의 경우 여러 구성요소 중 전기전도도가 가장 낮은 전해질층의 두께를 낮추어 셀 전체의 저항을 감소시킴으로써, 높은 성능을 가지는바, 가장 많은 연구가 이루어지고 있다.There are various types of designs in SOFC. Among them, in the anode-supported design, by decreasing the thickness of the electrolyte layer having the lowest electrical conductivity among the various components, the resistance of the whole cell is reduced. .

연료극 지지형 단전지(Single cell)는 산소이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면에 구비된 연료극, 공기극으로 구성되고, 이들을 구성하는 기본요소인 전해질 및 전극은 모두 내열성이 우수한 세라믹으로 구성되어 있으며 고온에서 작동하기 때문에 저온형 연료전지 및 전기분해 셀에 비해 우수한 효율 및 성능을 가진다. 그러나, 단전지의 제조 및 운전 시 장시간 고온에 노출됨에 따라 발생하는 각종 열화 현상 즉, 공기극층과 전해질층 간의 화학반응으로 부도체 반응물을 계면에 형성하여 저항이 증가하고 셀의 성능을 감소시키는 문제가 있어 상용화에 어려움이 있었다. 이러한 화학반응을 억제하기 위하여 전해질층과 공기극층 사이에 가돌리니아 도핑 세리아(GDC), 사마리아 도핑 세리아(SDC) 등 세리아 계열의 반응방지층이 도입되어 사용되고 있다(특허문헌 1).The single cell is composed of an electrolyte having oxygen ion conductivity, and a fuel electrode and an air electrode provided on both sides of the electrolyte. The electrolyte and the electrode, which are the basic elements constituting the electrolyte, and the electrode are all made of ceramics having excellent heat resistance. It has superior efficiency and performance as compared with the low temperature type fuel cell and the electrolytic cell. However, there is a problem that various deterioration phenomena which are caused by exposure to a high temperature for a long time during the manufacture and operation of a unit cell, that is, a chemical reaction between a cathode layer and an electrolyte layer forms an insulator reactant at the interface to increase the resistance and decrease the performance of the cell There was a difficulty in commercialization. In order to suppress such a chemical reaction, a ceria-based reaction preventing layer such as Gadolinia doped ceria (GDC) and Samaria doping ceria (SDC) is introduced between the electrolyte layer and the air electrode layer (Patent Document 1).

종래 일반적인 연료극 지지형 단전지의 제조공정에서는 산화니켈-이트리아 안정화 지르코니아(NiO-YSZ) 연료극 기판 위에 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ) 전해질 층을 코팅한 뒤 약 1400 ℃의 고온에서 연료극과 전해질층을 동시에 소결한 후, 전해질 층 위에 세리아 계열의 반응방지층을 코팅하여 1200-1250 ℃에서 후소결 하여 반응방지층을 형성하였다.In a conventional process for manufacturing an anode-supported single cell, a Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ) electrolyte layer is coated on a nickel oxide-yttria stabilized zirconia (NiO-YSZ) The anode and the electrolyte layer were simultaneously sintered, and then the cerium-based reaction-preventing layer was coated on the electrolyte layer, and the reaction-preventing layer was formed by post-sintering at 1200-1250 ° C.

그러나, 상술한 제조공정은 다수의 소결공정을 거치게 되어 공정이 복잡하고, 공정비용이 높으며 단전지 제조에 많은 시간이 소모된다는 단점이 있다.However, the above-described manufacturing process has a disadvantage in that a plurality of sintering processes are performed, which complicates the process, increases the process cost, and consumes a lot of time for manufacturing a single cell.

또한, 연료극과 전해질이 고온에서 동시에 소결되기 때문에 연료극 조성을 변화시키는 것이 어려운 문제 즉, 기존의 NiO-YSZ 조성 대신 전기화학적 성능이 향상되고 탄소침적, 황 피독 등에 대한 저항성을 증가시킬수 있는 조성인 NiO-GDC, NiO-SDC 등의 세리아 계열의 소재는 1250 ℃ 이상의 고온에서는 YSZ 전해질과 반응하여 전기적 저항이 큰 반응물을 형성하기 때문에 기존의 1400 ℃의 고온 공소결 공정에서는 연료극 소재로 활용하는 것이 불가능하다는 문제점이 있다.In addition, since the fuel electrode and the electrolyte are sintered simultaneously at a high temperature, it is difficult to change the anode composition, that is, the NiO-YSZ composition, which is a composition that can improve the electrochemical performance and increase resistance to carbon deposition, sulfur poisoning, GDC and NiO-SDC react with YSZ electrolyte at high temperature of 1250 ℃ or higher to form a reactant with high electrical resistance. Therefore, it is impossible to utilize it as an anode material in a high-temperature sintering process at 1400 ° C. .

따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위하여 연료극, 전해질층 및 반응방지막층을 동시에 소결하여 제조공정을 단순화하고, 연료극 조성에 유연성을 확보하기 위한 저온 동시소결 기술의 개발이 필요하다.Accordingly, in order to solve the above-mentioned problems, it is necessary to develop a low-temperature co-sintering technique for simplifying the manufacturing process and ensuring flexibility in fuel electrode composition by simultaneously sintering the fuel electrode, the electrolyte layer and the reaction-

대한민국 공개 특허 제10-2013-0099704호Korean Patent Publication No. 10-2013-0099704

본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 저온 동시소결이 가능하며 소결 수축률인 큰 연료극 기판 및 혼합층을 도입하여 층간의 응력차이를 완화시킴과 동시에 전해질층의 치밀도를 향상시킨 연료극 지지형 고체산화물 셀을 제공하는 것이다. The first problem to be solved by the present invention is to provide a fuel electrode supporting solid oxide cell which can reduce the stress difference between layers by introducing a large anode substrate and a mixed layer capable of sintering at a low temperature simultaneously and improving the density of the electrolyte layer .

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 연료극 지지형 고체산화물 셀의 제조방법을 제공하는 것이다.A second problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing the anode-supported solid oxide cell.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the first problem,

연료극 기판층, 연료극 기능층, 전해질층 및 반응방지층 순으로 형성된 적층체로 이루어진 반전지를 포함하는 연료극 지지형 고체산화물 셀에 있어서, 상기 적층체는 연료극 기능층과 전해질층 사이에 형성되어 층간의 응력차이를 완화시켜 주는 제1 혼합층; 및 전해질층과 반응방지층 사이에 형성되어 층간의 응력차이를 완화시켜 주는 제2 혼합층;을 더 포함하고, 동시소결에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 셀을 제공한다.A fuel cell-supported solid oxide cell comprising a fuel electrode substrate layer, a fuel electrode functional layer, an electrolyte layer, and a reaction layer formed in this order, wherein the stack is formed between the anode functional layer and the electrolyte layer, A first mixed layer for alleviating the first mixed layer; And a second mixed layer formed between the electrolyte layer and the reaction preventive layer to alleviate the stress difference between the layers, and is formed by simultaneous sintering.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연료극 기판층과 연료극 기능층은 각각 산화니켈(NiO)과 가돌리니아 도핑 세리아(GDC)의 혼합물로 형성될 수 있고, 상기 연료극 기판층은 형성시 기공전구체를 더 포함할 수 있으며, 테이프 캐스팅법에 의해 형성된 것일 수 있다. 이때, 상기 기공전구체는 카본블랙, 흑연 또는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fuel electrode substrate layer and the anode electrode functional layer may be respectively formed of a mixture of nickel oxide (NiO) and gadolinia doping ceria (GDC) And may be formed by a tape casting method. The pore precursor may be carbon black, graphite or polymethylmethacrylate (PMMA).

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 연료극 기판층과 연료극 기능층은 각각 산화니켈(NiO)과 사마리아 도핑 세리아(SDC)의 혼합물로 형성될 수 있고, 상기 연료극 기판층은 기공전구체를 더 포함할 수 있으며, 테이프 캐스팅법에 의해 형성된 것일 수 있다. 이때, 상기 기공전구체는 카본블랙, 흑연 또는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the fuel electrode substrate layer and the anode electrode functional layer may each be formed of a mixture of nickel oxide (NiO) and samarium doped ceria (SDC), and the anode electrode layer further includes a pore precursor And may be formed by a tape casting method. The pore precursor may be carbon black, graphite or polymethylmethacrylate (PMMA).

본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 전해질층은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)로 형성된 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the electrolyte layer may be formed of yttria-stabilized zirconia (YSZ).

본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 반응방지층은 가돌리니아 도핑 세리아(GDC), 사마리아 도핑 세리아(SDC) 또는 이들의 혼합물로 형성된 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the reaction preventing layer may be formed of Gadolinia doping ceria (GDC), Samaria doped ceria (SDC), or a mixture thereof.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 혼합층 및 제2 혼합층은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 가돌리니아 도핑 세리아(GDC)의 혼합물로 형성된 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first mixed layer and the second mixed layer may be formed of a mixture of yttria-stabilized zirconia (YSZ) and gadolinia doped ceria (GDC).

본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 제1 혼합층 및 제2 혼합층은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 사마리아 도핑 세리아(SDC)의 혼합물로 형성된 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first mixed layer and the second mixed layer may be formed of a mixture of yttria stabilized zirconia (YSZ) and samarium doped ceria (SDC).

본 발명에 따른 상기 전해질층은 적층체의 동시소결시에 수축률이 큰 하부의 연료극 기판층과 상부의 반응방지층으로부터 압축응력을 받아 소결이 촉진됨과 동시에 제1 혼합층 및 제 2 혼합층에 의해 층간의 수축률 차이에 따른 열응력이 완화되는 것을 특징으로 한다.The electrolyte layer according to the present invention promotes sintering under a compressive stress from the lower fuel electrode substrate layer and the upper reaction preventive layer having a high degree of shrinkage during the simultaneous sintering of the layered product and at the same time the shrinkage ratio And the thermal stress due to the difference is alleviated.

본 발명은 상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the second problem,

(a) 테이프 캐스팅법으로 연료극 기판층을 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 연료극 기판층 위에 연료극 기능층, 제1 혼합층, 전해질층, 제2 혼합층, 반응방지층 순으로 코팅한 적층체를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 적층체를 동시소결하여 연료극 지지형 반전지를 제조하는 단계;를 포함하는 연료극 지지형 고체산화물 셀의 제조방법을 제공한다.(a) fabricating a fuel electrode substrate layer by tape casting; (b) forming a layered product in which the anode functional layer, the first mixed layer, the electrolyte layer, the second mixed layer, and the anti-reaction layer are coated in this order on the prepared fuel electrode substrate layer; And (c) simultaneously sintering the laminate to produce a fuel electrode-supported type of reversed biosensor.

본 발명의 상기 (c) 단계에서 동시소결시에 전해질층은 수축률이 큰 하부의 연료극 기판층과 상부의 반응방지층으로부터 압축응력을 받아 소결이 촉진됨과 동시에 제1 혼합층 및 제 2 혼합층에 의해 층간의 수축률 차이에 따른 열응력이 완화되는 것을 특징으로 한다.During the simultaneous sintering in the step (c) of the present invention, the electrolyte layer is subjected to compressive stress from the lower fuel electrode substrate layer and the upper reaction preventive layer having a large shrinkage rate, and sintering is promoted, and the first and second mixed layers And the thermal stress due to the difference in shrinkage percentage is alleviated.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (c) 단계는 (ⅰ) 150-250 ℃에서 1-7시간 동안, 300-400 ℃에서 3-4시간 동안 및 500-700 ℃에서 3-4시간 동안 각각 열처리하는 단계; (ⅱ) 800-900 ℃에서 1-2시간 동안 열처리하는 단계; 및 (ⅲ) 1150-1250 ℃에서 4-5시간 동안 열처리하는 단계;를 포함하는 동시소결일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step (c) comprises the steps of: (i) heating at 150-250 ° C for 1-7 hours, at 300-400 ° C for 3-4 hours and at 500-700 ° C for 3-4 hours Respectively; (Ii) heat treatment at 800-900 占 폚 for 1-2 hours; And (iii) annealing at 1150-1250 ° C for 4-5 hours.

본 발명에 따르면, 저온에서 동시에 소결이 이루어져 단전지 제조공정을 단순화시킬 수 있고, 연료극 조성의 유연성을 확보하여 수축률이 높은 연료극 기판의 사용이 가능하도록 함으로써, 전해질층의 치밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 혼합층의 도입으로 계면의 열응력 집중현상을 완화시켜 동시소결 후 셀의 휨현상, 균열 및 셀의 파괴를 방지할 수 있으므로, 전기화학적 성능 향상 및 장기안정성이 확보된 연료극 지지형 고체산화물 셀의 제공 및 상용화를 가능하게 한다.According to the present invention, it is possible to simplify the process of manufacturing a single cell by simultaneously sintering at a low temperature, to secure flexibility of fuel electrode composition and to enable use of a fuel electrode substrate having a high shrinkage ratio, thereby improving the density of the electrolyte layer . In addition, since the introduction of the mixed layer can relieve the thermal stress concentration phenomenon at the interface and prevent the flexural appearance, crack and cell breakage of the cell after the simultaneous sintering, it is possible to improve the electrochemical performance and long- And commercialization.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 실험예 1에 따른 YSZ, GDC, 테이프 캐스팅법에 의해 제조된 NiO-GDC 및 컴팩션 몰딩으로 제조된 NiO-GDC의 소결수축 거동을 비교한 그래프이다.
도 3은 비교예에 따라 제조된 고체산화물 셀의 소결 후 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 고체산화물 셀의 소결 후 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 셀을 제조하는 방법에 있어서, 최적화(온도 및 시간)된 동시소결 공정 조건을 설계한 그래프이다.
1 is a view showing a structure of a half-cell fabricated according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph comparing sintering shrinkage behaviors of NiO-GDC produced by YSZ, GDC, tape casting method and NiO-GDC produced by compaction molding according to Experimental Example 1. FIG.
3 is a photograph of the sintered solid oxide cell produced according to the comparative example.
4 is a photograph of a solid oxide cell manufactured according to an embodiment of the present invention after sintering.
5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a cross section of a cell fabricated in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph plotting the conditions of the simultaneous sintering process optimized (temperature and time) in the method of producing the solid oxide cell according to the present invention.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

일반적인 연료극 지지형 단전지의 제조공정에서는 산화니켈-이트리아 안정화 지르코니아(NiO-YSZ) 연료극 기판 위에 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ) 전해질 층을 코팅한 뒤 약 1400 ℃의 고온에서 연료극과 전해질층을 동시에 소결한 후, 전해질 층 위에 세리아 계열의 반응방지층을 코팅하여 1200-1250 ℃에서 후소결 하여 반응방지층을 형성하였다.In a general anode-supported single cell manufacturing process, a Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ) electrolyte layer is coated on a nickel oxide-yttria stabilized zirconia (NiO-YSZ) fuel electrode substrate, And an electrolyte layer were simultaneously sintered. Then, a ceria-based reaction preventive layer was coated on the electrolyte layer, and the reaction inhibition layer was formed by sintering at 1200-1250 ° C.

그러나, 상술한 제조공정은 다수의 소결공정을 거치게 되어 공정이 복잡하고, 공정비용이 높으며 단전지 제조에 많은 시간이 소모된다는 단점이 있다.However, the above-described manufacturing process has a disadvantage in that a plurality of sintering processes are performed, which complicates the process, increases the process cost, and consumes a lot of time for manufacturing a single cell.

또한, 연료극과 전해질이 고온에서 동시에 소결되기 때문에 연료극 조성을 변화시키는 것이 어려운 문제 즉, 기존의 NiO-YSZ 조성 대신 전기화학적 성능이 향상되고 탄소침적, 황 피독 등에 대한 저항성을 증가시킬수 있는 조성인 NiO-GDC, NiO-SDC 등의 세리아 계열의 소재는 1250 ℃ 이상의 고온에서는 YSZ 전해질과 반응하여 전기적 저항이 큰 반응물을 형성하기 때문에 기존의 1400 ℃의 고온 공소결 공정에서는 연료극 소재로 활용하는 것이 불가능하다는 문제점이 있다.In addition, since the fuel electrode and the electrolyte are sintered simultaneously at a high temperature, it is difficult to change the anode composition, that is, the NiO-YSZ composition, which is a composition that can improve the electrochemical performance and increase resistance to carbon deposition, sulfur poisoning, GDC and NiO-SDC react with YSZ electrolyte at high temperature of 1250 ℃ or higher to form a reactant with high electrical resistance. Therefore, it is impossible to utilize it as an anode material in a high-temperature sintering process at 1400 ° C. .

이에 본 발명의 발명자는 저온에서 소결이 가능하며, 소결 수축률이 높은 연료극 기판층을 도입하여 연료극, 전해질층 및 반응방지층을 동시에 소결할 수 있도록 하고, 동시소결 공정에서 전해질층의 치밀도 향상 및 층간 수축율 차이로 인한 열응력의 집중을 완화하기 위해 혼합층을 도입하면서, 각 층의 조성과 공정조건을 최적화하여 본 발명을 도출하였다.Accordingly, the inventors of the present invention have made it possible to simultaneously sinter the fuel electrode, the electrolyte layer, and the reaction preventive layer by introducing a fuel electrode substrate layer capable of sintering at a low temperature and having a high sintering shrinkage ratio, In order to alleviate the concentration of thermal stress due to the difference in shrinkage ratio, the present invention was derived by optimizing the composition and process conditions of each layer while introducing a mixed layer.

본 발명에 따른 연료극 지지형 고체산화물 셀은 연료극 기판층, 연료극 기능층, 전해질층 및 반응방지층 순으로 형성된 적층체로 이루어진 반전지를 포함하고, 상부 반응방지층 상에 형성된 공기극층을 포함하여 구성된다.The anode-supported solid oxide cell according to the present invention includes a cathode layer formed on the upper reaction preventing layer and including a half-cell made of a laminate formed in the order of a fuel electrode substrate layer, an anode functional layer, an electrolyte layer, and an anti-reaction layer.

또한, 상기 적층체는 동시소결에 의해 형성된 것으로서, 연료극 기능층과 전해질층 사이에 형성되어 층간의 응력차이를 완화시켜 주는 제1 혼합층 및 전해질층과 반응방지층 사이에 형성되어 층간의 응력차이를 완화시켜 주는 제2 혼합층을 더 포함하여 구성된다.The laminate is formed by simultaneous sintering and is formed between the electrolyte layer and the reaction prevention layer formed between the anode functional layer and the electrolyte layer to alleviate the stress difference between the layers and mitigates the stress difference between the layers And a second mixed layer for providing a second mixed layer.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반전지의 구조를 나타낸 도면으로, 이를 참고하면 본 발명의 연료극 지지형 고체산화물 셀을 구성하는 반전지(100)는 연료극 기판층(10), 연료극 기능층(20), 전해질층(40), 반응방지층(60)으로 구성되며, 상술한 바와 같이 연료극 기능층(20)과 전해질층(40) 사이에 제1 혼합층(30)이 더 포함되며, 전해질층(40)과 반응방지층(60) 사이에 제2 혼합층(50)이 더 포함되어 구성된다.FIG. 1 is a view illustrating a structure of a half cell fabricated according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a half cell 100 constituting an anode-supported solid oxide cell of the present invention includes a fuel electrode substrate layer 10, The functional layer 20, the electrolyte layer 40 and the reaction preventing layer 60. The first mixed layer 30 is further provided between the anode functional layer 20 and the electrolyte layer 40 as described above, And a second mixed layer 50 is further formed between the electrolyte layer 40 and the reaction preventing layer 60.

상기 연료극 기판층(10)과 연료극 기능층(20)은 연료의 전지화학반응 및 반응촉진과 전하의 전달 역할을 하며, 전해질층(40)을 형성하는 재료와 화학적으로 안정하고 열팽창 계수가 유사한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 종래 연료극 지지형 고체산화물 셀에서는 연료극 기판층(10)과 연료극 기능층(20)의 재료로서 산화니켈(NiO)과 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)의 혼합물(NiO-YSZ)이 널리 이용되었으나, 본 발명에서는 향상된 전기화학적 성능을 가지며, 탄소침적, 황 피독 등에 대한 저항성이 향상된 재료로서 산화니켈(NiO)과 가돌리니아 도핑 세리아(GDC)의 혼합물(NiO-GDC) 또는 산화니켈(NiO)과 사마리아 도핑 세리아(SDC)의 혼합물(NiO-SDC)을 연료극 기판층(10)과 연료극 기능층(20)의 재료로 대체하였다. 이때, 연료극 기판층(10)과 연료극 기능층(20)은 용매, 가소제 및 분산제 등을 더 포함하여 형성될 수 있으며, 이들의 조성은 동일하나, 연료극 기판층(10)은 소결수축률의 향상을 위해 테이프 캐스팅법에 의해 제조하며, 형성시 기공전구체를 더 포함하도록 하여 소결 후에 연료극 내부의 가스 반응이 충분히 일어날 수 있도록 하였다. 이때, 상기 기공전구체는 카본블랙, 흑연 또는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)인 것이 바람직하다.The fuel electrode substrate layer 10 and the anode electrode functional layer 20 serve to facilitate the battery chemical reaction and the reaction of the fuel and to transfer the charge and are chemically stable and have a thermal expansion coefficient similar to that of the material forming the electrolyte layer 40 Is preferably used. In a conventional anode-supported solid oxide cell, a mixture (NiO-YSZ) of nickel oxide (NiO) and yttria-stabilized zirconia (YSZ) as a material of the fuel electrode substrate layer 10 and the anode function layer 20 (NiO-GDC) or nickel oxide (NiO) as a material having enhanced electrochemical performance and improved resistance to carbon deposition, sulfur poisoning, etc. as a material of nickel oxide (NiO) and gadolinia doped ceria (NiO-SDC) of NiO and Samarium Doped Ceria (SDC) was replaced with a material of the anode substrate layer 10 and the anode electrode functional layer 20. At this time, the fuel electrode substrate layer 10 and the anode electrode functional layer 20 may further include a solvent, a plasticizer, a dispersant, and the like, and the composition thereof is the same. However, And a pore precursor was formed at the time of formation so that the gas reaction inside the fuel electrode could sufficiently occur after sintering. At this time, it is preferable that the pore precursor is carbon black, graphite or polymethylmethacrylate (PMMA).

상기 전해질층(40)은 공기와 연료가 혼합되지 않도록 치밀성이 높아야 하며, 산소 이온 전도도가 높고, 전자 전도도가 낮아야 하는데, 전해질층의 양쪽에 매우 큰 산소 분압차가 존재하므로 넓은 산소분압 영역에서 위의 물성을 유지할 필요가 있다. 이를 위해 상기 전해질층(40)을 구성하는 물질은 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 지르코니아계 금속산화물인 것이 바람직하며, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)인 것이 더욱 바람직하다.The electrolyte layer 40 should have a high density so that air and fuel are not mixed with each other, have high oxygen ion conductivity and low electron conductivity. Since there is a very large oxygen partial pressure difference on both sides of the electrolyte layer, It is necessary to maintain physical properties. For this, the material constituting the electrolyte layer 40 is preferably a zirconia-based metal oxide generally used in the related art, and more preferably is yttria-stabilized zirconia (YSZ).

상기 반응방지층(60)은 전해질층(40)과 공기극층의 접촉시 생기는 화학 반응을 억제하여 단전지의 성능과 열기계적 안정성의 저하를 방지하기 위한 것으로서, 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 세리아계 금속산화물인 것이 바람직하며, 가돌리니아 도핑 세리아(GDC), 사마리아 도핑 세리아(SDC) 또는 이들의 혼합물인 것이 더욱 바람직하다.The reaction preventive layer 60 prevents the chemical reaction occurring when the electrolyte layer 40 and the cathode layer are in contact with each other to prevent deterioration of performance and thermomechanical stability of the unit cell. It is preferable that the metal oxide is Gadolinia doped ceria (GDC), Samaria doped ceria (SDC), or a mixture thereof.

상기 제1 혼합층(30) 및 제2 혼합층(50)은 전해질층(40) 상부 및 하부 층간의 수축률 차이로 인한 열응력의 집중을 최소화하기 위해 도입된 것으로서, 연료극 기능층(20)과 전해질층(40), 전해질층(40)과 반응방지층(60) 사이의 완충(buffer) 역할을 하여 급격하게 수축률이 차이 나는 것을 방지해줌으로써 계면에 열응력이 집중되는 것을 막아준다. 이때, 상기 제1 혼합층(30) 및 제2 혼합층(50)을 구성하는 물질은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 가돌리니아 도핑 세리아(GDC)의 혼합물 또는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 사마리아 도핑 세리아(SDC)의 혼합물인 것이 바람직하며, 완충 역할의 극대화를 위해서는 상기 조성 비율이 1: 1인 것이 가장 바람직하다.The first mixed layer 30 and the second mixed layer 50 are introduced to minimize the concentration of thermal stress due to the difference in shrinkage ratio between the upper and lower layers of the electrolyte layer 40, And serves as a buffer between the electrolyte layer 40 and the reaction preventive layer 60 to prevent the shrinkage rate from rapidly varying, thereby preventing thermal stress from concentrating on the interface. At this time, the material constituting the first mixed layer 30 and the second mixed layer 50 may be a mixture of yttria stabilized zirconia (YSZ) and gadolinia doped ceria (GDC) or yttria stabilized zirconia (YSZ) Ceria (SDC). In order to maximize the buffering function, it is most preferable that the composition ratio is 1: 1.

상술한 구성이 순차적으로 형성된 적층체를 포함하는 반전지에 있어서, 상기 적층체는 1250 ℃이하의 저온에서 동시소결 공정에 의해 형성되어 공정을 단순화 시킬수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 테이프캐스팅법에 의해 제조되어 소결 수축률이 높은 연료극 기판층을 사용하여, 동시소결 시 전해질층 하부의 연료극 기판과 상부의 반응방지층으로부터 압축응력이 가해지도록 함으로써 소결이 촉진되고 전해질층의 치밀도가 향상된 것을 특징으로 한다. 또한, 층간에 큰 열응력 구배로 인해 셀의 휨 현상과 균열 및 파괴를 방지하기 위하여 상술한 바와 같이 혼합층을 도입하였다.In the case of a half-cell including the stacked body in which the above-described constitution is sequentially formed, the stacked body is formed by the simultaneous sintering process at a low temperature of 1250 캜 or less, which simplifies the process. In addition, the present invention uses a fuel electrode substrate layer produced by a tape casting method, which has a high sintering shrinkage ratio, to cause compressive stress to be applied from the anode electrode substrate and the reaction preventive layer above the electrolyte layer in the simultaneous sintering, Is improved. Also, a mixed layer was introduced as described above in order to prevent warpage and cracking and destruction of the cell due to a large thermal stress gradient between the layers.

즉, 본 발명에 따른 상기 전해질층(40)은 적층체의 동시소결시에 수축률이 큰 하부의 연료극 기판층(10)과 상부의 반응방지층(60)으로부터 압축응력을 받아 소결이 촉진됨과 동시에 제1 혼합층(30) 및 제2 혼합층(50)에 의해 층간의 수축률 차이에 따른 열응력이 완화되는 것을 특징으로 한다.That is, the electrolyte layer 40 according to the present invention is subjected to compressive stress from the lower fuel electrode substrate layer 10 and the upper reaction preventing layer 60 having a large shrinkage ratio during simultaneous sintering of the laminate, The first mixed layer 30 and the second mixed layer 50 are characterized in that the thermal stress due to the difference in shrinkage ratio between layers is relaxed.

또한, 본 발명에 따른 연료극 지지형 산화물 셀은 상술한 반전지(100)를 구성하는 반응방지층(60)위에 공기극층을 도포하고 후소결함으로써 제조된다.Further, the anode-supported oxide cell according to the present invention is manufactured by applying a cathode layer on the reaction preventing layer 60 constituting the above-described reversal paper 100 and then sintering it.

이때, 상기 공기극층의 재료로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 페로브스카이트 구조를 갖는 금속산화물을 사용할 수 있다. 상기 페로브스카이트 구조의 금속산화물은 이온전도성과 전자전도성을 동시에 가지는 혼합전도체 물질로, 높은 산소 확산계수와 전하 교환반응 속도계수를 가지고 있어, 삼상계면 뿐만 아니라 전극 전체의 표면에서 전기화학 반응이 일어날 수 있기 때문에, 저온에서의 전극 활성이 뛰어나 고체산화물 셀의 작동온도를 낮추는데 기여할 수 있다. 본 발명에 따른 연료극 지지형 고체산화물 셀은 공기극층의 재료로서 란탄(La), 코발트(Co) 및 철(Fe)을 포함하는 페로브스카이트형 금속산화물을 사용할 수 있으며, 산소가스가 잘 확산될 수 있도록 다공성을 가지는 것이 바람직하다.At this time, the material of the cathode layer is not particularly limited as long as it can be generally used in the related art, for example, a metal oxide having a perovskite structure can be used. The metal oxide of the perovskite structure is a mixed conductor material having both ionic conductivity and electron conductivity and has a high oxygen diffusion coefficient and a charge exchange rate coefficient so that the electrochemical reaction occurs not only at the three- The electrode activity at low temperature is excellent and can contribute to lowering the operating temperature of the solid oxide cell. The anode-supported solid oxide cell according to the present invention can use a perovskite-type metal oxide containing lanthanum (La), cobalt (Co) and iron (Fe) as a material of the cathode layer, It is preferable to have porosity.

또한, 본 발명은 상술한 연료극 지지형 고체산화물 셀의 제조방법에 관한 것으로서, 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention also relates to a method of manufacturing the anode-supported solid oxide cell described above, which comprises the following steps.

(a) 테이프 캐스팅법으로 연료극 기판층을 제조하는 단계,(a) manufacturing an anode substrate layer by a tape casting method,

(b) 상기 제조된 연료극 기판층 위에 연료극 기능층, 제1 혼합층, 전해질층, 제2 혼합층, 반응방지층 순으로 코팅한 적층체를 제조하는 단계,(b) fabricating a layered product in which the anode functional layer, the first mixed layer, the electrolyte layer, the second mixed layer, and the reaction inhibiting layer are coated in this order on the prepared fuel electrode substrate layer,

(c) 상기 적층체를 동시소결하여 연료극 지지형 반전지를 제조하는 단계,(c) simultaneously sintering the laminate to produce anode supporting type reversed semi-

(d) 상기 연료극 지지형 반전지의 상부 반응방지층 상에 공기극을 도포하고 후소결하는 단계.(d) applying an air electrode on the upper reaction preventing layer of the anode supporting type of the reverse electrode and then sintering.

상기 연료극 기판층은 소결 수축률의 향상을 위해 테이프 캐스팅법에 의해 제조되며, 상기 적층체는 연료극 기판층 위에 연료극 기능층, 제1 혼합층, 전해질층 및 반응방지층 순으로 코팅된 후 약 50 내지 70 ℃에서 건조되어 형성된다.The fuel electrode substrate layer is prepared by a tape casting method to improve the sintering shrinkage ratio. The stacked body is coated on the anode substrate layer in the order of the anode functional layer, the first mixed layer, the electrolyte layer and the reaction preventive layer, .

이때, 상기 코팅은 스크린 프린팅, 화학기상증착, 전기화학기상증착 및 스피터링 중에서 선택되는 박막코팅 방법으로 이루어지며, 연료극 기판층부터 공기극층까지 코팅과 건조를 위한 열처리로 이루어진 일련의 작업을 순차적으로 진행한다.At this time, the coating is performed by a thin film coating method selected from among screen printing, chemical vapor deposition, electrochemical vapor deposition and sputtering, and a series of operations consisting of coating and drying from the anode substrate layer to the air electrode layer are successively performed Go ahead.

또한, 상기 적층체는 동시소결 공정을 거치며, 동시소결시에 전해질층은 수축률이 큰 하부의 연료극 기판층과 상부의 반응방지층으로부터 압축응력을 받아 소결이 촉진됨과 동시에 제1 혼합층 및 제 2 혼합층에 의해 층간의 수축률 차이에 따른 열응력이 완화되는 것을 특징으로 한다.In the simultaneous sintering, the laminate is sintered, and the electrolyte layer is subjected to compressive stress from the lower fuel electrode substrate layer and the upper reaction preventive layer having a large shrinkage ratio, and sintering is promoted. At the same time, the first mixture layer and the second mixture layer The thermal stress due to the difference in shrinkage rate between the layers is relaxed.

구체적으로 상기 동시소결 공정은 (ⅰ) 150-250 ℃에서 1-7시간 동안, 300-400 ℃에서 3-4시간 동안 및 500-700 ℃에서 3-4시간 동안 각각 열처리하는 단계; (ⅱ) 800-900 ℃에서 1-2시간 동안 열처리하는 단계; 및 (ⅲ) 1150-1250 ℃에서 4-5시간 동안 열처리하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.Specifically, the simultaneous sintering process includes: (i) heat-treating at 150-250 ° C for 1-7 hours, at 300-400 ° C for 3-4 hours, and at 500-700 ° C for 3-4 hours; (Ii) heat treatment at 800-900 占 폚 for 1-2 hours; And (iii) heat treatment at 1150-1250 ° C for 4-5 hours.

이때, (ⅰ) 단계를 통해 반전지에 포함된 유기물을 제거한 후, 테이프캐스팅 법에 의해 제조된 연료극 기판층의 최초 수축이 일어나는 800 ℃ 부근에서 (ⅱ) 단계를 통해 1-2 시간 동안 열처리하여 구성층 간의 계면스트레스를 환화하고 계면박리가 일어나는 것을 방지해준다. 이후 (ⅲ) 1150-1250 ℃에서 4-5시간 동안 열처리하게 되는데 최종 소결 온도는 1230 ℃로 설정하였으며, 이는 1250 ℃이상의 온도에서 YSZ와 GDC간의 계면 반응으로 인해 성능 및 열기계적 안정성이 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다.At this time, the organic material contained in the half-cell is removed through step (i), and heat treatment is performed for about 1-2 hours through step (ii) in the vicinity of 800 ° C where initial shrinkage of the fuel electrode substrate layer produced by the tape- It can circulate interfacial stress between layers and prevent interfacial peeling. The final sintering temperature is set at 1230 ° C, which is the result of the interfacial reaction between YSZ and GDC at a temperature of 1250 ° C or higher, impairing performance and thermomechanical stability. .

또한, 상기의 각 층간의 계면이 충분한 결합력을 가져야 인접한 층간에 발생하는 응력이 쉽게 전달될 수 있으므로 계면에서 인접한 층의 분말입자의 상호침투가 일어날 수 있도록 하기 위하여 추가적인 압착공정을 거치는 것이 바람직하다.In addition, since the interface between the respective layers must have a sufficient bonding force, the stress generated between the adjacent layers can be easily transferred, so that it is preferable to perform an additional pressing process so that mutual penetration of the powder particles in the adjacent layer can occur.

따라서, 후술하는 실시예의 다양한 조건을 만족하는 경우에 본 발명이 구현하고자 하는 효과가 도출될 수 있다.
Therefore, when various conditions of the embodiments to be described later are satisfied, the effect to be realized by the present invention can be derived.

이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments and the like. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided for further illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1. 본 발명에 따른  1. According to the invention 연료극Anode 지지형 고체산화물 셀의  Of the support type solid oxide cell 반전지Half 제조 Produce

우선, 단위전지의 기계적 지지체 역할을 하면서 전자전도성이 우수하며, 소결 수축률이 높은 연료극 기판을 제조하기 위하여 테이프 캐스팅 공정을 이용하였으며, 연료극 기판층의 조성은 하기 표 1에 나타내었다. 먼저, 슬러리 제조시 산화니켈(NiO) 분말과 가돌리니아 도핑 세리아(GDC) 분말 및 기공전구체(PMMA 5 ㎛) 분말을 사용하였으며, 각 분말들 간의 응집현상을 방지하기 위하여 상대적으로 입자가 작은 GDC 부터 NiO, PMMA순으로 분말을 투입한 후 볼밀하였다. 이때, 기공전구체ㅔ는 가스 이동을 원활하게 해주는 기공을 상기 연료극 기판층 내에 형성하기 위해 첨가되었다. 또한, 입자의 크기가 다른 분말이 투입될 때마다 입자의 크기에 따라 그 양을 달리하면서 분산제를 함께 첨가하여 24시간 동안 볼밀과정을 거친 후, 가소제 및 바인더를 첨가하여 24시간 동안 추가 믹싱 과정을 시행하였다. 상기 과정을 통해 충분히 혼합된 슬러리를 이용하여 두께 약 120 ㎛의 테잎을 제조한 후 적층하여 최종적으로 약 1.2 ㎜의 두께로 만든다. 적층시에는 80 ℃에서 15 ㎫로 약 3분간 압착하였다.First, a tape casting process was used to produce a fuel electrode substrate having a high electron conductivity and high sintering shrinkage ratio while serving as a mechanical support for a unit cell. The composition of the anode substrate layer is shown in Table 1 below. NiO powder, Gadolinium doped ceria powder and pore precursor powder (PMMA 5 탆) were used for slurry preparation. In order to prevent agglomeration between powders, relatively small GDC NiO, and PMMA, and then ball milled. At this time, the pore precursor was added to form pores in the fuel electrode substrate layer to facilitate gas movement. In addition, the dispersant was added together with different amounts of the particles according to the size of the particles, and the mixture was subjected to ball milling for 24 hours, followed by addition of a plasticizer and a binder, followed by further mixing for 24 hours Respectively. Using the slurry thoroughly mixed through the above process, a tape having a thickness of about 120 탆 is prepared and laminated to finally have a thickness of about 1.2 mm. For lamination, they were pressed at 80 캜 and 15 MPa for about 3 minutes.

이후, 상술한 과정을 통해 최종 생성된 연료극 기판층 상에 연료극 기능층(NiO-GDC), 제1 혼합층(YSZ-GDC), 전해질층(YSZ), 제2 혼합층(YSZ-GDC) 및 반응방지층(GDC)을 스크린 프린팅 공정으로 순서대로 코팅하는데, 이들의 조성은 하기 표 2 내지 표 5에 나타난 바와 같다(표 2는 연료극 기능층, 표 3은 제1 및 제 2혼합층, 표 4는 전해질층, 표 5는 반응방지층).Then, the anode active layer (NiO-GDC), the first mixed layer (YSZ-GDC), the electrolyte layer (YSZ), the second mixed layer (YSZ-GDC) (GDC) are sequentially coated by a screen printing process. The compositions are shown in the following Tables 2 to 5 (Table 2 shows the anode functional layer, Table 3 shows the first and second mixed layers, and Table 4 shows the electrolyte layer , Table 5 shows the reaction inhibition layer).

하기 표 2 내지 표 5의 조성의 연료극 기능층, 전해질층, 반응방지층 및 혼합층의 페이스트 제조시 우선 솔벤트와 분산제만 넣고 1시간 밀링을 하여 분말 상태의 분산제를 용매(solvent)에 용해시킨다. 이때, 용매로는 α-terpineol을 사용하였고, 분산제의 양은 분말의 입자사이즈를 고려하여 결정하는데 분말 대비 2-3 중량%를 넣어주었다. 상기 분산제가 녹은 용매가 완성되면, 분말을 넣어주는데, 분말의 응집을 방지하기 위하여 처음에는 전체양의 50%를 넣어주고, 2시간 간격으로 25%씩 넣어준다. 이렇게 만든 용액을 12시간 동안 충분히 혼합시켜준 후 바인더와 가소제를 첨가하여 24 시간 동안 충분히 혼합시켜준다. In preparing the pastes of the anode function layer, the electrolyte layer, the reaction preventive layer and the mixed layer having the compositions shown in Tables 2 to 5, only the solvent and the dispersant are added first and then milled for one hour to dissolve the powdery dispersant in the solvent. At this time, α-terpineol was used as a solvent, and the amount of the dispersant was determined based on the particle size of the powder, and 2-3 wt% of the powder was added. When the solvent in which the dispersant is melted is completely dissolved, the powder is added. To prevent agglomeration of the powder, initially 50% of the total amount is added and 25% is added at intervals of 2 hours. The resulting solution is thoroughly mixed for 12 hours, then the binder and plasticizer are added and mixed thoroughly for 24 hours.

상기의 방법을 통해 제조된 페이스트를 이용하여 연료극 기판층 상에 순서대로 스크린 프린팅하였으며 스크린 프린팅이 완료된 셀은 60 ℃의 오븐에서 건조하였다.The paste prepared by the above method was screen-printed on the anode substrate layer in order, and the cells that had been screen-printed were dried in an oven at 60 ° C.

다음으로 상기의 순서대로 형성된 적층체를 하기 도 6과 같이 설계된 동시 소결 공정에 의해 소결하였다. Next, the laminate formed in the above order was sintered by the simultaneous sintering process designed as shown in Fig.

먼저 반전지에 포함된 유기물을 제거하기 위하여, 200 ℃, 350 ℃, 600 ℃에서 6시간, 3시간, 3시간 동안 각각 열처리 하였다.First, heat treatment was performed at 200 ° C, 350 ° C, and 600 ° C for 6 hours, 3 hours, and 3 hours, respectively, in order to remove the organic substances contained in the secondary battery.

다음으로, 하기 도 2에서 보는 바와 같이 테이프 캐스팅 법에 의해 제조된 연료극 기판층의 최초 수축이 약 800 ℃ 부근에서 시작하므로, 구성층 간의 계면스트레스를 완화하고 계면 박리가 일어나는 것을 방지하기 위하여 800 ℃에서 1시간 동안 홀딩시켜 서서히 수축이 일어나도록 하였다.Next, as shown in FIG. 2, since the initial shrinkage of the anode substrate layer produced by the tape casting method starts at about 800 DEG C, in order to alleviate the interface stress between the constituent layers and prevent the interface delamination from occurring, Lt; / RTI > for 1 hour to allow slow shrinkage to occur.

다음으로, 1250 ℃ 이상의 고온에서는 YSZ와 GDC간 계면 반응으로 인한 성능 및 열기계적 안정성ㅇ의 저하가 일어날수 있으므로 1230 ℃를 최종 소결온도로 설정하였으며, 소결에 의해 인가되는 전해질층의 상부와 하부층의 압축응력을 이용하여 전해질층의 치밀화를 촉진시키기 위해 4시간 동안 홀딩 시간을 주었으며, 냉각시에는 각 계면간의 열팽창계수 차이로 인한 마이크로 크렉이나 열충격을 최소화하기 위해 서냉을 실시하였다. Next, at a high temperature of 1250 ° C. or higher, the performance and thermomechanical stability owing to the interfacial reaction between YSZ and GDC may be lowered. Therefore, the final sintering temperature is set at 1230 ° C. and the upper and lower layers of the electrolyte layer In order to accelerate the densification of the electrolyte layer by using compressive stress, the holding time was given for 4 hours. During cooling, slow cooling was performed to minimize microcracks and thermal shock due to difference in thermal expansion coefficient between the respective interfaces.

슬러리 조성Slurry composition 함량(g)Content (g) NiONiO 69.5069.50 GDCGDC 65.3565.35 PMMAPMMA 15.1615.16 EthanolEthanol 51.8351.83 TolueneToluene 37.9237.92 분산제Dispersant 3.683.68 가소제Plasticizer 1212 결합제Binder 13.513.5

전극 조성Electrode composition 함량(g)Content (g) NiONiO 25.725.7 GDCGDC 24.324.3 α-terpineolalpha-terpineol 2525 분산제Dispersant 1One 가소제Plasticizer 22 바인더bookbinder 1One

전극 조성Electrode composition 함량(g)Content (g) YSZYSZ 1010 GDCGDC 12.0112.01 α-terpineolalpha-terpineol 1616 분산제Dispersant 0.440.44 가소제Plasticizer 0.880.88 바인더bookbinder 0.440.44

전극 조성Electrode composition 함량(g)Content (g) YSZYSZ 9797 Nano YSZNano YSZ 33 α-terpineolalpha-terpineol 7575 분산제Dispersant 33 가소제Plasticizer 88 바인더bookbinder 4.54.5

전극 조성Electrode composition 함량(g)Content (g) GDCGDC 5050 α-terpineolalpha-terpineol 36.1536.15 분산제Dispersant 22 가소제Plasticizer 44 바인더bookbinder 22

실시예Example 2. 본 발명에 따른  2. According to the present invention 연료극Anode 지지형 고체산화물 셀의 제조 Preparation of Supported Solid Oxide Cells

상기 실시예 1에서 제조된 반전지의 상부 반응방지층 상에 공기극을 스크린 인쇄한 다음에 열처리하여 본 발명에 따른 연료극 지지형 고체산화물 셀을 제조하였다.
An anode was screen-printed on the upper reaction preventing layer of the semi-conductive paper prepared in Example 1, and then heat-treated to prepare the anode-supported solid oxide cell according to the present invention.

비교예Comparative Example . 혼합층이 제외된 . Excluding the mixed layer 연료극Anode 지지형 고체산화물 셀의 제조 Preparation of Supported Solid Oxide Cells

제1 혼합층 및 제2 혼합층을 도입하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1 및 2와 동일한 방법과 소결 조건으로 연료극 지지형 고체산화물 셀을 제조하였다.
An anode-supported solid oxide cell was produced by the same method and sintering conditions as in Examples 1 and 2, except that the first mixed layer and the second mixed layer were not introduced.

실험예Experimental Example 1.  One. YSZYSZ , , GDCGDC , 테이프 캐스팅법에 의해 제조된 , A tape casting method NiONiO -- GDCGDC  And 컴팩션Compaction 몰딩으로 제조된  Molded NiONiO -- GDCGDC 의 소결수축 거동 확인Confirmation of sintering shrinkage behavior of

도 2는 YSZ, GDC, 테이프 캐스팅법에 의해 제조된 NiO-GDC 및 컴팩션 몰딩으로 제조된 NiO-GDC의 소결수축 거동을 비교한 그래프이다.2 is a graph comparing sintering shrinkage behavior of NiO-GDC produced by YSZ, GDC, tape casting method and NiO-GDC produced by compaction molding.

이를 통해, NiO-GDC 연료극 기판은 컴팩션 몰딩으로 제조될 때 보다 테이프 캐스팅법에 의해 제조될 때 소결 수축률이 크게 상승한다는 것을 알 수 있다. 또한, YSZ 전해질층 상부에 형성되는 GDC 반응방지층의 수축률도 YSZ 전해질층 보다 높다는 것을 확인할 수 있다.As a result, it can be seen that the sintering shrinkage ratio of the NiO-GDC anode substrate is significantly increased when the NiO-GDC anode substrate is produced by the tape casting method, rather than when it is produced by the compaction molding. Also, it can be seen that the shrinkage ratio of the GDC reaction preventing layer formed on the YSZ electrolyte layer is higher than that of the YSZ electrolyte layer.

따라서, 테이프 캐스팅법에 의해 제조된 NiO-GDC 연료극 기판을 사용하여 본 발명에 따른 반전지를 동시소결하면, YSZ 전해질층에 수축률이 큰 하부의 NiO-GDC 연료극 기판과 상부의 GDC 반응방지층으로부터 압축응력이 가해져서 소결이 촉진되고, 전해질층의 치밀도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
Therefore, when the NiO-GDC anode substrate manufactured by the tape casting method is used to simultaneously sinter the electrode according to the present invention, the NiO-GDC anode substrate and the upper GDC reaction preventive layer having a large shrinkage ratio in the YSZ electrolyte layer generate compressive stress The sintering is promoted and the density of the electrolyte layer can be improved.

시험예Test Example 2.  2. 실시예Example 2 및  2 and 비교예에In Comparative Example 따른 고체산화물 셀의 이미지 측정 Image measurement of solid oxide cell

도 3은 비교예에 따라 제조된 고체산화물 셀의 소결 후 사진이다. 이를 통해, 실험예 1의 결과와 같이 상부와 하부 층간의 수축률 차이가 심할 경우 YSZ 전해질층에 큰 압축응력이 가해져서 전해질층의 치밀화는 촉진되지만, 이로 인하여 층간에 큰 열응력 구배가 발생하여 셀의 휨 현상, 균열이 발생할 수 있고 심할경우 도 3과 같이 셀의 파괴가 일어난다는 것을 알 수 있다.3 is a photograph of the sintered solid oxide cell produced according to the comparative example. As a result of Experimental Example 1, when the shrinkage difference between the upper and lower layers is large, a large compressive stress is applied to the YSZ electrolyte layer to promote the densification of the electrolyte layer. However, It can be seen that the cell is broken as shown in FIG.

본 발명은 상기 비교예와 달리, 소결공정에서 YSZ 전해질에 인가되는 압축응력을 유지하여 소결을 촉진함과 동시에 층간의 수축률 차이로 인한 열응력을 최소화하기 위하여 상술한 바와 같이 연료극 기판층과 전해질층 사이 및 전해질층과 반응방지막층 사이에 각각 제1 혼합층 및 제2 혼합층을 도입하였다. 도 4는 실시예 2에 따라 제조된 고체산화물 셀의 소결 후 사진이다. 이를 통해, 본 발명에서 도입된 혼합층으로 인하여, 연료극과 전해질층, 전해질층과 반응방지층 사이의 완충(buffer) 역할을 통해 급격하게 수축률의 차이가 발생하는 것을 방지해주면서, 계면에 열응력이 집중되는 것을 완화 시켜줌을 알 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따르면 동시소결 후 셀의 휨을 최소화하고 파괴가 일어나는 것을 방지하여 성공적인 단전지를 제작할 수 있음을 알 수 있다.
The present invention differs from the above comparative example in that the sintering is promoted by maintaining the compressive stress applied to the YSZ electrolyte in the sintering process and the thermal stress due to the difference in shrinkage ratio between the layers is minimized, And the first mixed layer and the second mixed layer were introduced between the electrolyte layer and the reaction preventive film layer, respectively. 4 is a photograph of the solid oxide cell produced according to Example 2 after sintering. Accordingly, due to the mixed layer introduced in the present invention, it is possible to prevent a sharp difference in shrinkage rate by acting as a buffer between the anode and the electrolyte layer and between the electrolyte layer and the reaction prevention layer, It can be seen that it alleviates. As a result, according to the present invention, it can be seen that after the simultaneous sintering, the warpage of the cell is minimized and the destruction is prevented, and a successful cell can be fabricated.

실험예Experimental Example 3. 본 발명에 따른  3. According to the present invention 연료극Anode 지지형 고체산화물 셀의 단면 구조 확인 Identification of cross-sectional structure of supported solid oxide cell

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a cross section of a cell fabricated in accordance with an embodiment of the present invention.

도 5에서 보는 바와 같이 전해질층 내에 존재하는 일부 기공들은 모두 고립되어 있는 폐기공이기 때문에 본 발명에 따른 저온 소결공정을 통하여 가스 누설을 방지할 수 있는 치밀한 전해질층이 효과적으로 형성되었음을 알 수 있다. 또한, 혼합층의 도입으로 층간의 열응력 차이가 완화되어 계면의 결함이 발견되지 않았으며 동시소결의 결과로서 강한 결합력을 지닌 계면이 성공적으로 형성된 것을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 5, it can be seen that a dense electrolyte layer capable of preventing gas leakage was effectively formed through the low-temperature sintering process according to the present invention because some of the pores existing in the electrolyte layer were all isolated. In addition, the introduction of the mixed layer relaxes the difference in the thermal stress between the layers, so that the interface defect is not found, and as a result of the simultaneous sintering, the interface with strong bonding force is successfully formed.

10: 연료극 기판층 20: 연료극 기능층
30: 제1 혼합층 40: 전해질층
50: 제2 혼합층 60: 반응방지층
100: 반전지
10: fuel electrode substrate layer 20: anode electrode functional layer
30: first mixed layer 40: electrolyte layer
50: second mixed layer 60: reaction preventing layer
100: Reverse polarity

Claims (19)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (a) 테이프 캐스팅법으로 연료극 기판층을 제조하는 단계,
(b) 상기 제조된 연료극 기판층 위에 연료극 기능층, 제1 혼합층, 전해질층, 제2 혼합층, 반응방지층 순으로 코팅한 적층체를 제조하는 단계, 및
(c) 상기 적층체를 동시 소결하여 연료극 지지형 반전지를 제조하는 단계;를 포함하는 연료극 지지형 고체산화물 셀의 제조방법으로서;
상기 연료극 기판층은 (i) 산화니켈(NiO)과 가돌리니아 도핑 세리아(GDC)의 혼합물 또는 산화니켈(NiO)과 사마리아 도핑 세리아(SDC)의 혼합물과 (ii) 기공 전구체을 포함하고,
상기 연료극 기능층은 산화니켈(NiO)과 가돌리니아 도핑 세리아(GDC)의 혼합물 또는 산화니켈(NiO)과 사마리아 도핑 세리아(SDC)의 혼합물을 포함하며,
상기 전해질층은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)로 형성되고,상기 반응방지층은 가돌리니아 도핑 세리아(GDC), 사마리아 도핑 세리아(SDC) 또는 이들의 혼합물을 포함하고,
상기 제1 혼합층 및 제2 혼합층은 각각 (i) 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 가돌리니아 도핑 세리아(GDC)의 혼합물 또는 (ii) 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 사마리아 도핑 세리아(SDC)의 혼합물을 포함하며,
상기 (c) 단계는
(ⅰ) 150-250 ℃에서 1-7시간 동안, 300-400 ℃에서 3-4시간 동안 및 500-700 ℃에서 3-4시간 동안 각각 열처리하는 단계;
(ⅱ) 800-900 ℃에서 1-2시간 동안 열처리하는 단계; 및
(ⅲ) 1150-1250 ℃에서 4-5시간 동안 열처리하는 단계;를 포함하는 동시소결인 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 셀의 제조방법.
(a) manufacturing an anode substrate layer by a tape casting method,
(b) fabricating a layered product in which the anode functional layer, the first mixed layer, the electrolyte layer, the second mixed layer, and the reaction preventive layer are coated in this order on the prepared fuel electrode substrate layer, and
(c) simultaneously sintering the laminate to produce a fuel electrode supporting type of semi-conductive material;
Wherein the anode substrate layer comprises (i) a mixture of nickel oxide (NiO) and gadolinia doped ceria (GDC) or a mixture of nickel oxide (NiO) and samarium doped ceria (SDC)
Wherein the anode functional layer comprises a mixture of nickel oxide (NiO) and gadolinia doped ceria (GDC) or a mixture of nickel oxide (NiO) and samarium doped ceria (SDC)
Wherein the electrolyte layer is formed of yttria stabilized zirconia (YSZ) and the reaction inhibition layer comprises gadolinia doped ceria (GDC), samaria doped ceria (SDC), or mixtures thereof,
(I) a mixture of yttria stabilized zirconia (YSZ) and gadolinia doped ceria (GDC) or (ii) yttria stabilized zirconia (YSZ) and samarium doped ceria (SDC). ≪ / RTI >
The step (c)
(I) heat treating at 150-250 ° C for 1-7 hours, at 300-400 ° C for 3-4 hours and at 500-700 ° C for 3-4 hours, respectively;
(Ii) heat treatment at 800-900 占 폚 for 1-2 hours; And
(Iii) heat treatment at 1150-1250 ° C for 4-5 hours. The method of manufacturing a fuel electrode-supported solid oxide cell according to claim 1,
삭제delete 삭제delete 제10항에 있어서,
상기 기공전구체는 카본블랙, 흑연 또는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)인 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체산화물 셀의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the pore precursor is carbon black, graphite, or polymethylmethacrylate (PMMA).
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