KR101788553B1 - The Fabrication Method for Eletrode Device Comprising Anode Supporter and Electrolyte for Anode-supported SOFC by Using Sintering Additive and Co-firing - Google Patents

The Fabrication Method for Eletrode Device Comprising Anode Supporter and Electrolyte for Anode-supported SOFC by Using Sintering Additive and Co-firing Download PDF

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Abstract

본 발명은 소결 첨가물 및 동시소결 기술을 이용하여 연료극 지지형 세라믹 연료전지용 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 전극 소자를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 연료전지 음극소자의 제조방법은, 음극 지지체, 전해질 또는 이 둘 모두에 소결 첨가물을 첨가하고 소결하는 단계를 포함하고, 하기 화학식 1의 ABO3계 수소이온 전도성 세라믹을 포함하는 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 연료전지 음극소자의 제조방법이다. 상기 화학식은 Ba(Zr1 -x-yYxMy)O3-δ이고, 여기서, M은 전이금속, Cu 및 Zn으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나이고, x는 0<x≤0.2, y는 0<y≤0.1이고,δ는 0<δ<0.3이다.
상기 소결은 음극 지지체와 전해질을 동시 소결하는 것일 수 있고, 상기 소결 첨가물은 ZnO 또는 CuO일 수 있고, 상기 음극 지지체는 액상 응결법으로 형성하고, 상기 전해질은 스크린 인쇄법으로 형성하는 것일 수 있다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of manufacturing an electrode element including an anode support and an electrolyte for anode-supported ceramic fuel cells using a sintering additive and a simultaneous sintering technique, A manufacturing method includes: a step of adding and sintering a sintering additive to a cathode support, an electrolyte, or both, and a cathode support including an ABO 3 -based proton conductive ceramic of Formula 1 and a cathode . The formula is Ba (Zr 1 -xy Y x M y) O 3-δ, where, M is at least one selected from the transition metals, the group consisting of Cu and Zn, x is 0 <x≤0.2, y 0 < y? 0.1 and? Is 0 &lt;?&Lt; 0.3.
The sintering may be simultaneous sintering of the cathode support and the electrolyte, the sintering additive may be ZnO or CuO, the cathode support may be formed by a liquid phase condensation method, and the electrolyte may be formed by a screen printing method.

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Figure 112010059458534-pat00001

Description

소결 첨가물 및 동시소결을 이용하는 연료극 지지형 세라믹 연료전지용 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 전극 소자의 제조방법 {The Fabrication Method for Eletrode Device Comprising Anode Supporter and Electrolyte for Anode-supported SOFC by Using Sintering Additive and Co-firing}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a cathode support for an anode-supported ceramic fuel cell using a sintering additive and a co-sintering method, and a method for manufacturing an electrode element including an electrolyte }

본 발명은 연료극 지지형 세라믹 연료전지용 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 전극 소자의 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 소결 첨가물 및 동시소결 기술을 이용하여 연료극 지지형 세라믹 연료전지용 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 전극 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a cathode support for an anode-supported ceramic fuel cell and an electrode assembly including the anode, and more particularly, to a cathode support for an anode support type ceramic fuel cell and an electrolyte using the sintering additive and the co- To a method of manufacturing an electrode element.

연료전지는 산화제와 연료의 전기화학반응을 이용한 발전 장치로서, 연료의 화학에너지를 열·기계적인 에너지로 전환되는 과정을 거치지 않아 기존 장치에 비하여 발전 효율이 높고, 환경 보존성이 우수하다. The fuel cell is an electric power generation system that uses an electrochemical reaction between an oxidizer and a fuel. Since the chemical energy of the fuel is not converted into heat and mechanical energy, the power generation efficiency is high and the environment preservation is excellent.

연료전지는 사용되는 전해질에 따라 인산형 연료전지(PAFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등으로 나눌 수 있다. 이들 연료전지는 PEMFC가 약 80℃ 부근, PAFC가 약 200℃ 부근, MCFC는 약 650℃ 부근, 고체산화물 연료전지는 800℃ 부근의 동작 범위를 갖는다. 이중에서 구성소재가 모두 세라믹과 금속의 고체로 이루어진 SOFC는 효율이 가장 높을 뿐 만 아니라, 연료선택의 다양성 및 폐열의 사용에도 장점을 가지고 있어, 1-5KW의 가정용 연료전지 및 200KW급 이상의 가스터빈과의 열병합발전에 적용될 수 있다. Fuel cells can be classified into phosphoric acid fuel cells (PAFC), polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel cells (SOFC) depending on the electrolyte used. These fuel cells have operating ranges of about 80 ° C for the PEMFC, about 200 ° C for the PAFC, about 650 ° C for the MCFC, and about 800 ° C for the solid oxide fuel cell. Of these, SOFCs, which consist of ceramic and metal solids, are the most efficient, and have a variety of fuel choices and use of waste heat. They can be used for domestic fuel cells of 1-5 KW and gas turbines of 200 KW or higher And can be applied to cogeneration power generation.

고체산화물 연료전지는 전해질로 이트리아(Y2O3)를 도핑한 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconi, YSZ)로 대표되는 산소이온 전도성 세라믹이 주로 많이 사용되고 있으며, 최근에는 보다 작동온도를 낮춰 고체산화물 연료전지의 내구성을 향상시킨 수소이온 전도성 세라믹을 전해질로 사용하고 있는 연료전지가 주목받고 있다. 고체산화물 연료전지 단전지는 구조적 지지체에 따라 전해질 지지형 및 전극지지형으로 구분되는데 전해질의 두께를 최소화 할 수 있는 전극지지형 SOFC, 그중에서도 연료극을 지지체로 하는 연료극 지지형 SOFC가 가장 높은 성능을 나타낸다.Oxide-ion conductive ceramics such as Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) doped with yttria (Y 2 O 3 ) as an electrolyte are mainly used in the solid oxide fuel cell, and in recent years, BACKGROUND ART [0002] Fuel cells using hydrogen-ion conductive ceramics which improve the durability of batteries as an electrolyte have attracted attention. The solid oxide fuel cell unit cell is classified into an electrolyte supporting type and an electrode supporting type according to a structural support. An electrode supporting type SOFC capable of minimizing the thickness of the electrolyte, among which an anode supporting type SOFC having a fuel electrode as a support, exhibits the highest performance.

연료극 지지형 단전지는 연료극 기판에 연료극 기능성층, 전해질층 및 공기극층을 순차적으로 형성한 구조를 갖고 있다. 이러한 다층 구조의 연료극 지지형 단전지는 제조과정에서 구성성분간 열기계적 정합성이 다른 경우 구성성분이 파괴되거나 성분간 분리가 일어나게 되어 생산수율이 떨어지는 경우가 많다. The anode-supported type single cell has a structure in which an anode functional layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are sequentially formed on a fuel electrode substrate. When the thermo-mechanical matching between the constituent components of the anode electrode-supported type single cell having such a multi-layered structure is different, the constituent components are broken or the components are separated from each other.

연료극 지지형 단전지는 연료극 기판에 연료극 기능성층, 전해질층 및 공기극층을 순차적으로 형성한 구조를 갖고 있다. 이때 단전지의 전극은 다공성 구조를 가져야 하며 전해질은 치밀한 구조를 가져야 하는 등 매우 복잡한 다층구조를 가지게 된다. 이러한 다층 구조의 연료극 지지형 단전지는 제조과정에서 구성성분간 열기계적 정합성이 다른 경우 구성성분이 파괴되거나 구성층간 분리가 일어나기 쉽다. 구성층 사이에서 발생하는 박리나 균열 등 계면결함은 단전지의 저항을 증가시켜 성능을 급격히 저하시킬 뿐만 아니라 열응력에 대하여 현저히 취약한 저항성을 가진다. 이와 같은 계면결함은 구성층간의 소결 수축율 차이나 열팽창계수 차이에 의하여 발생하며, 계면 강도가 약할 경우에는 결함의 크기가 증가하여 제조 수율을 저하시키고 동작 시 단전지의 성능이 저하되고 열응력이 주어질 경우 단전지의 수명이 현저히 줄어드는 원인이 된다. 따라서 구성성분 별로 최적구조가 유지되며 다층구조 층간결함 없이 단전지를 제조되기 위해서는 성분간 소결수축률의 제어가 필수적이다. The anode-supported type single cell has a structure in which an anode functional layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are sequentially formed on a fuel electrode substrate. At this time, the electrode of the unit cell must have a porous structure and the electrolyte must have a dense structure. Such a multi-layered anode-supported type single cell is liable to break down constituents or to cause interlayer separation when the thermomechanical compatibility between the constituents is different. Interfacial defects such as peeling and cracks occurring between the constituent layers increase the resistance of the unit cells and not only dramatically deteriorate the performance but also have a resistance to thermal stress which is remarkably weak. Such interfacial defects are caused by differences in the sintering shrinkage ratio between the constituent layers or by the difference in thermal expansion coefficient, and when the interfacial strength is weak, the defect size is increased to lower the production yield, The life of the single cell is remarkably reduced. Therefore, it is essential to control the sintering shrinkage ratio between the components in order to maintain the optimum structure for each component and to manufacture the unit cell without the multi-layer structure layer.

다층구조 세라믹적층체를 제조하기 위해서는 필요에 따라 매층마다 열처리를 통해 층간 접합을 유도하게 되는데 이러한 열처리 공정이 많아지면 많아질수록 공정비용 및 공정시간 상 많은 손해를 보게된다. 따라서 저비용 고효율 공정조건을 확립하기 위해 열처리 공정횟수를 최소화하기 위한 동시소결 공정이 필요하다. 지금까지의 동시소결 기술은 구성성분별로 분말크기, 조성의 배합비 조절 등 복잡한 경로를 거쳐 동시소결 하는 경우가 일반적이다. 특히 음극지지형 SOFC의 경우 지지체가 전체적인 소결수축률을 주도하기에 구성성분들에 대한 매우 복잡한 설계가 필요하다. 일반적으로 음극 지지체는 음극으로 작용하는 NiO 등의 성분과 산소이온전도체나 수소이온전도성을 가지는 전해질 성분(YSZ, BZY등)의 복합체로 구성이 된다. 이때 일반적으로 전해질 성분보다는 음극성분의 소결도가 훨씬 높기 때문에 지지체 위에 치밀한 전해질층을 동시소결 공정을 통해 얻기 위해서는 두 성분간 배합비율이 매우 중요하다. 또한 음극 지지체는 전극으로의 역할을 수행하기 위해 다공성 구조를 가져야 하는바 일반적으로 기공 형성제를 추가하게 되는데 이러한 기공형성제가 기판의 수축률에 미치는 영향도 잘 파악이 되어야 한다. 그러나 지금까지의 경우처럼 음극 지지체를 구성하는 구성성분간 분말크기나 조성이 복잡하면 복잡할수록 동시소결 공정을 디자인 하기는 점점 더 어려워져 보다 간단한 방법으로 음극 지지체와 전해질 간 수축률을 조절할 수 있는 기술개발이 필요하다.In order to fabricate a multilayer ceramic laminate, interlayer bonding is induced through heat treatment every layer as necessary. As the number of the heat treatment processes increases, the process cost and the process time are greatly damaged. Therefore, a simultaneous sintering process is required to minimize the number of heat treatment processes in order to establish low-cost, high-efficiency process conditions. Conventional sintering techniques are generally sintered simultaneously through complicated paths such as controlling the powder size and the composition ratio of the constituents. Particularly, in the case of a cathode supported SOFC, a very complicated design is required for the constituents because the support leads the overall sintering shrinkage ratio. In general, the anode support is composed of a composite of NiO or the like acting as a cathode and an electrolyte component (YSZ, BZY, etc.) having an oxygen ion conductor or hydrogen ion conductivity. In this case, since the sintering degree of the negative electrode component is generally higher than that of the electrolyte component, the mixing ratio between the two components is very important in order to obtain a dense electrolyte layer on the support through the simultaneous sintering process. In addition, since the cathode support has a porous structure in order to serve as an electrode, a pore-forming agent is generally added. It is also necessary to grasp the influence of the pore-forming agent on the shrinkage of the substrate. However, as in the case of the prior art, it becomes more and more difficult to design the simultaneous sintering process as the complexity of the powder size and composition of the components constituting the cathode support becomes complicated, so that the technique of controlling the shrinkage ratio between the anode support and the electrolyte by a simpler method Is required.

본 발명의 목적은 고체산화물 연료전지의 각 구성층의 구조적 결함 및 제조 공정시 발생하는 구성층간의 박리나 계면 결함 등을 억제하며 특히 얇고 치밀한 구조의 전해질층을 결함 없이 제조하여, 단전지의 열기계적 특성은 물론 전기화학적 특성을 극대화시키는 것이다.It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell capable of suppressing structural defects of each constituent layer of a solid oxide fuel cell and detachment or interfacial defects between constituent layers occurring in the manufacturing process and in particular to produce an electrolyte layer having a thin and dense structure without defects, Maximizing the mechanical properties as well as the electrochemical properties.

보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 연료극 지지형 고체산화물 연료전지에 있어서, 단전지의 지지 기판인 연료극 지지체 위에 치밀한 박막전해질을 보다 결함 없이 제조할 수 있도록 동시소결 공정기술을 개발하는 것이다. More specifically, it is an object of the present invention to develop a co-sintering process technology so as to make a dense thin-film electrolyte on a fuel electrode support which is a supporting substrate of a unit cell, without defect, in an anode-supported solid oxide fuel cell.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연료극 지지형 고체산화물 연료전지에 있어서, 동시소결 공정을 통해 보다 경제성 있게 단전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a unit cell more economically through a simultaneous sintering process in a fuel electrode supporting solid oxide fuel cell.

본 발명의 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 연료전지 음극소자의 제조방법은, 음극 지지체, 전해질 또는 이 둘 모두에 소결 첨가물을 첨가하고 소결하는 단계를 포함하고, 하기 화학식 1의 ABO3계 수소이온 전도성 세라믹을 포함하는 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 연료전지 음극소자의 제조방법이다.A method of manufacturing a fuel cell cathode element comprising a cathode support and an electrolyte according to the present invention comprises the steps of adding and sintering a sintering additive to an anode support, an electrolyte, or both, wherein the composition has an ABO 3 -based hydrogen ion conductivity A method for producing a fuel cell cathode element comprising a cathode support comprising a ceramic and an electrolyte.

상기 화학식은 Ba(Zr1 -x- yYxMy)O3-δ이고, 여기서, M은 전이금속, Cu 및 Zn으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나이고, x는 0<x≤0.2, y는 0<y≤0.1이고,δ는 0<δ<0.3이다.The formula is Ba (Zr 1 -x- y Y x M y) O 3-δ, where, M is at least one selected from the transition metals, the group consisting of Cu and Zn, x is 0 <x≤0.2 , y is 0 < y? 0.1, and? is 0 <

상기 소결은 음극 지지체와 전해질을 동시 소결하는 것일 수 있고, 상기 소결 첨가물은 ZnO 또는 CuO일 수 있고, 상기 음극 지지체는 액상 응결법으로 형성하고, 상기 전해질은 스크린 인쇄법으로 형성하는 것일 수 있다.The sintering may be simultaneous sintering of the cathode support and the electrolyte, the sintering additive may be ZnO or CuO, the cathode support may be formed by a liquid phase condensation method, and the electrolyte may be formed by a screen printing method.

본 발명에 의하면 전해질의 수축률 및 소결도를 조정하여 대면적의 고체산화물 연료전지를 결함없이 경제적으로 제조할 수 있다. 특히, 첨가제를 통한 전해질 조성을 조절하여 소결도를 향상시키고, 동시소결을 통하여 전해질층에 주어지는 제한 소결 효과를 최소화하고 충분한 수축률을 확보해 줌으로써 제조 공정 시 발생되는 전해질층의 결함, 구성층 간의 계면 결함을 줄이고 계면강도를 증대시킬 수 있다.According to the present invention, a large-area solid oxide fuel cell can be economically manufactured without defects by adjusting the shrinkage ratio and sintering degree of the electrolyte. Particularly, it is possible to improve the sintering degree by controlling the composition of the electrolyte through the additive, minimize the sintering effect on the electrolyte layer through simultaneous sintering and ensure a sufficient shrinkage ratio, thereby causing defects in the electrolyte layer, And the interfacial strength can be increased.

도 1은 소결 첨가물을 첨가하지 않은 15 mol%의 Y가 첨가된 BaZr0 .85Y0 .15O3와 소결 첨가물 ZnO, CuO가 첨가된 15 mol%의 Y가 첨가된 BaZr0 .81Zn0 .04Y0 .15O3 와 BaZr0.84Cu0.01Y0.15O3-δ의 딜라토메트릭 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 소결 첨가물 ZnO가 첨가된 15 mol%의 Y가 첨가된 BaZr0 .81Zn0 .04Y0 .15O3 의 미세구조 SEM사진이다.
도 3은 소결 첨가물 CuO가 첨가된 15 mol%의 Y가 첨가된 BaZr0 .84Cu0 .01Y0 .15O3 의 미세구조 SEM사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 얻은 음극 지지체와 전해질의 소결수축곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 얻은 음극 지지체와 전해질 막의 단면 미세구조의 SEM 사진이다.
FIG. 1 is a graph showing the results of a comparison between BaZr 0 .85 Y 0 .15 O 3 with 15 mol% of Y added with sintering additive and BaZr 0 .81 Zn 0 with 15 mol% Y added with sintering additive ZnO and CuO .04 Y 0 .15 O 3 and BaZr 0.84 Cu 0.01 Y 0.15 O is a graph showing the Dilatometer metric analysis of the 3-δ.
FIG. 2 is a microstructure SEM photograph of BaZr 0 .81 Zn 0 .04 Y 0 .15 O 3 with 15 mol% of Y added with sintering additive ZnO.
Fig. 3 is a microstructure SEM photograph of BaZr 0 .84 Cu 0 .01 Y 0 .15 O 3 with 15 mol% of Y added with sintering additive CuO.
4 is a graph showing sintering shrinkage curves of an anode support and an electrolyte obtained in an embodiment of the present invention.
5 is a SEM photograph of the cross-sectional microstructure of the anode support and the electrolyte membrane obtained in the embodiment of the present invention.

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본 발명은 치밀한 전해질층을 얻기 위해 전해질에 첨가제를 추가하여 소결도를 향상시키는 기술과 음극 지지체 위에 전해질층을 코팅한 후 이를 동시 소결함으로써 전해질층이 충분히 수축할 수 있도록 하는 동시소결 기술로 구성된다. 본 발명에 따르면, 얇은 두께의 전해질층을 가진 고성능 고출력 고체산화물 연료전지를 경제적으로 제조할 수 있으며, 제조된 단전지는 내구성과 신뢰성이 크게 향상된다.
본 발명의 핵심은 단전지를 구성하는 여러 구성층들의 계면결함을 억제하는 것이며, 특히 얇고 치밀한 구조를 가져야 하는 전해질층의 결함을 억제하는 것이다.
The present invention consists of a technique for improving the degree of sintering by adding an additive to an electrolyte to obtain a dense electrolyte layer and a simultaneous sintering technique for sufficiently shrinking the electrolyte layer by coating the electrolyte layer on the anode support and then sintering the same . INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to economically produce a high-performance high-output solid oxide fuel cell having a thin electrolyte layer, and the manufactured single cell is greatly improved in durability and reliability.
The core of the present invention is to suppress interface defects of various constituent layers constituting a unit cell, and in particular to suppress defects of an electrolyte layer having a thin and dense structure.

일반적으로 제조과정 중 전해질층의 치밀화 여부나 결함 생성은 음극 지지체에 의해 큰 영향을 받는다. 특히 전해질층의 수축률은 음극 지지체의 수축률에 의해 제한받기 때문에 치밀화가 어렵게 된다. 따라서 다공성 음극 지지체 위에 치밀한 전해질층을 형성하기 위해서는 소결시 전해질층의 충분한 수축률을 보장해 주어야 한다. 이를 위하여 음극 지지체의 수축률을 최대한 확보하여 전해질층의 소결도를 제한하는 constraining effect (제한소결효과)를 최소화하거나 소결도가 낮은 전해질의 소결도를 높이기 위한 소결 첨가제를 추가함으로써 자체 소결도를 높이는 방법을 사용할 수 있다. 상기 두 방법은 병행하여 사용하면 효과가 더 상승할 수 있다. Generally, whether the electrolyte layer is densified or defect formation during the manufacturing process is greatly affected by the negative electrode support. In particular, since the shrinkage ratio of the electrolyte layer is limited by the shrinkage ratio of the negative electrode support, densification becomes difficult. Therefore, in order to form a dense electrolyte layer on the porous cathode support, a sufficient shrinkage ratio of the electrolyte layer should be ensured in sintering. For this purpose, a sintering additive is added to minimize the constraining effect (limiting sintering effect) which limits the sintering degree of the electrolyte layer by securing the shrinkage ratio of the negative electrode support, or to increase the sintering degree of the electrolyte having a low sintering degree. Can be used. The above two methods can be more effective when used in parallel.

음극 지지체에 의한 소결제한효과를 최소화하는 방법은, 지지체의 수축률을 최대한 확보한 상태에서 전해질층과 동시 소결하는 방법이 있으며 이때 전해질층 형성 시 지지체가 파손되지 않는 충분한 강도를 얻게 하여야 한다. 또한 음극 지지체와의 동시 소결 시 전해질 자체의 소결도를 높이기 위해 소결 첨가물을 넣어 전해질층의 치밀화를 돕는 것이 필요하다. 구체적으로 본 발명의 실시예에서는 소결 첨가물로서 15 mol%의 Y가 첨가된 BaZrO3에 소결 첨가물 4 mol%의 ZnO 또는 1 mol%의 CuO를 첨가하여 소결도를 향상시켰다.A method of minimizing the effect of sintering by the negative electrode support is to simultaneously sinter the electrolyte layer with the shrinkage ratio of the support being maximized. At this time, sufficient strength should be obtained so that the support is not damaged when the electrolyte layer is formed. Also, in order to increase the sintering degree of the electrolyte itself during simultaneous sintering with the anode support, it is necessary to add a sintering additive to help densify the electrolyte layer. Specifically, in the embodiment of the present invention, sintering degree is improved by adding 4 mol% ZnO or 1 mol% CuO to BaZrO 3 containing 15 mol% Y as a sintering additive.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠으나, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to the examples.

실시예Example

소결 첨가물 Sintering additive CuOCuO Wow ZnOZnO 가 첨가된 Added BaZrBaZr 00 .85.85 YY 00 .15.15 OO 33 소결체의 제조 단계 Production step of sintered body

BaCO3, ZrO2, 15 mol%의 Y, 소결 첨가물로서 4 mol%의 ZnO를 혼합한 후, 1300 ℃에서 소결하였으며, 이때 BaZrO3 결정 구조에서 Zr 자리를 ZnO가 치환된다. 이를 아르키메데스 법으로 밀도를 측정한 바, 상대밀도가 97 %였다.BaCO 3 , ZrO 2 , 15 mol% Y, and 4 mol% ZnO as a sintering additive were mixed and sintered at 1300 ° C. At this time, ZnO was substituted for Zr in the BaZrO 3 crystal structure. The density was measured by the Archimedes method, and the relative density was 97%.

BaCO3, ZrO2, 15 mol%의 Y, 소결 첨가물로서 1 mol%의 CuO를 혼합한 후, 1500 ℃에서 소결하였으며, 이때, BaZrO3 결정 구조에서 Zr 자리를 CuO가 치환된다. 이를 아르키메데스 법으로 밀도를 측정한 바, 상대밀도가 99 %였다.BaCO 3 , ZrO 2 , 15 mol% Y, and 1 mol% CuO as sintering additive were mixed and sintered at 1500 ° C. At this time, CuO was substituted for Zr in the BaZrO 3 crystal structure. The density was measured by the Archimedes method, and the relative density was 99%.

이렇게 하여 얻은 세라믹 조성물의 화학식은 각각 BaZr0 .81Zn0 .04Y0 .15O3 와 BaZr0.84Cu0.01Y0.15O3-δ이다. The chemical formulas of the ceramic composition thus obtained are BaZr 0 .81 Zn 0 .04 Y 0 .15 O 3 and BaZr 0.84 Cu 0.01 Y 0.15 O 3 .

도 1은 소결 첨가물을 첨가하지 않은 15 mol%의 Y가 첨가된 BaZrO3와 소결 첨가물 ZnO, CuO가 첨가된 15 mol%의 Y가 첨가된 BaZr0 .81Zn0 .04Y0 .15O3 와 BaZr0.84Cu0.01Y0.15O3-δ의 딜라토메트릭 분석 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a graph showing the results of a comparison between BaZrO 3 with 15 mol% of Y added without sintering additive and BaZr 0 .81 Zn 0 .04 Y 0 .15 O 3 with 15 mol% Y added with sintering additive ZnO and CuO and BaZr 0.84 Cu 0.01 Y 0.15 O 3 .

도 2는 소결 첨가물 ZnO가 첨가된 15 mol%의 Y가 첨가된 BaZr0 .81Zn0 .04Y0 .15O3 의 미세구조 SEM사진이고, 도 3은 소결 첨가물 CuO가 첨가된 15 mol%의 Y가 첨가된 BaZr0.84Cu0.01Y0.15O3-δ의 미세구조 SEM사진이다.FIG. 2 is a SEM micrograph of BaZr 0 .81 Zn 0 .04 Y 0 .15 O 3 with 15 mol% Y added with sintering additive ZnO. FIG. mol% Y added BaZr 0.84 Cu 0.01 Y 0.15 O 3-隆.

음극 지지체 및 전해질을 포함하는 연료전지 음극소자의 제조 단계Production steps of a fuel cell cathode element comprising a cathode support and an electrolyte

음극 지지체의 분말은 NiO와, 상기 소결 첨가물 ZnO가 첨가된 15 mol%의 Y 첨가된 BaZr0 .81Zn0 .04Y0 .15O3 를 40 : 60 vol%로 혼합하여 액상 응결법으로 제조하였다. 이 분말을 열간 가압성형한 후 강도확보를 위하여 1100 ℃에서 가소결하였다. The powder of the anode support was prepared by mixing NiO with 15 mol% of Y-added BaZr 0 .81 Zn 0 .04 Y 0 .15 O 3 added with the sintering additive ZnO at 40: 60 vol% . The powder was hot-pressed and plasticized at 1100 ° C to secure strength.

전해질은 상기 CuO가 첨가된 15 mol%의 Y 첨가 BaZr0 .84Cu0 .01Y0 .15O3 분말을 사용하여 스크린 인쇄를 위한 페이스트를 제조하고, 스크린 인쇄법으로 전해질 페이스트를 음극 기판에 2회 스크린 인쇄한 후 1500 ℃에서 동시소결하였다.A paste for screen printing was prepared using the 15 mol% Y-added BaZr 0 .84 Cu 0 .01 Y 0 .15 O 3 powder to which the CuO was added, and the electrolyte paste was applied to the cathode Screen-printed on the substrate twice, and sintered simultaneously at 1500 ° C.

소결 첨가물이 첨가되지 않은 Y 첨가 BaZrO3는 소결온도가 1700 ℃ 이상이어야 하나, 음극 지지체와 전해질에 소결 첨가물을 첨가함으로 동시소결 온도를 1500 ℃로 낮췄다. 도 4는 본 발명의 실시예에서 얻은 음극 지지체와 전해질의 소결수축곡선을 나타낸 그래프이다. 음극 지지체와 전해질에 서로 다른 소결 첨가물을 첨가하여 유사한 소결 거동을 얻을 수 있었다.The sintering temperature of BaZrO 3 added without sintering additive should be higher than 1700 ℃, but the sintering temperature was lowered to 1500 ℃ by adding sintering additive to cathode support and electrolyte. 4 is a graph showing sintering shrinkage curves of an anode support and an electrolyte obtained in an embodiment of the present invention. Similar sintering behavior could be obtained by adding different sintering additives to the anode support and the electrolyte.

도 5는 본 발명의 실시예에서 얻은 음극 지지체와 전해질 막의 단면 미세구조의 SEM 사진이다. 다공성의 음극 지지체와, 얇고 치밀한 전해질 막이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.5 is a SEM photograph of the cross-sectional microstructure of the anode support and the electrolyte membrane obtained in the embodiment of the present invention. It can be confirmed that a porous cathode support and a thin and dense electrolyte membrane are formed.

Claims (4)

음극 지지체, 전해질 또는 이 둘 모두에 소결 첨가물을 첨가하고 소결하여, 하기 화학식의 ABO3계 수소이온 전도성 세라믹을 포함하는 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 연료전지 음극소자를 제조하는 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 연료전지 음극소자의 제조방법.
화학식
Ba(Zr1-x-yYxMy)O3
여기서,
M은 Cu 및 Zn 중 적어도 어느 하나이고,
x는 0<x≤0.2, y는 0<y≤0.1이다.
And a cathode support and an electrolyte for producing a fuel cell cathode element comprising an anode support comprising an ABO 3 -based proton conductive ceramic of the following formula and an electrolyte by adding and sintering a sintering additive to the anode support, the electrolyte, or both Wherein the fuel cell is a cathode.
The
Ba (Zr 1-xy Y x M y) O 3
here,
M is at least one of Cu and Zn,
x is 0 < x? 0.2 and y is 0 < y? 0.1.
제1항에 있어서, 상기 소결은,
음극 지지체와 전해질을 동시 소결하는 것인 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 연료전지 음극소자의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cathode support and the electrolyte are co-sintered together, and an electrolyte.
제1항에 있어서, 상기 소결 첨가물은 ZnO 또는 CuO인 것인 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 연료전지 음극소자의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the sintering additive is ZnO or CuO, and an electrolyte. 제1항에 있어서, 상기 음극 지지체는 액상 응결법으로 형성하고, 상기 전해질은 스크린 인쇄법으로 형성하는 것인 음극 지지체 및 전해질을 포함하는 연료전지 음극소자의 제조방법.The method of manufacturing a fuel cell cathode element according to claim 1, wherein the cathode support is formed by a liquid phase coagulation method, and the electrolyte is formed by a screen printing method.
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Cheng Peng et al. ZnO-doped BaZr<sub>0.85</sub>Y<sub>0.15</sub>O<sub>3-δ</sub> proton-conducting electrolytes: Characterization and fabrication of thin films. Journal of Power Sources. 2009.01.20, 190, pp.447-452 1부.*
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