KR101960136B1 - Fuel cell and method for manufacturing same - Google Patents

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Abstract

연료 전지의 제조 방법이 제공된다. 상기 연료 전지의 제조 방법은, 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화(physical mixing)하여, 베이스 결합체를 형성하는 단계, 상기 베이스 결합체를 박막(thin layer) 형태의 예비 전극 지지체(preliminary electrode support)로 제조하는 단계, 및 상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑(doping)하여, 전극 지지체(electrode support)를 제조하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a fuel cell is provided. The method for manufacturing a fuel cell includes the steps of: physically mixing a first metal oxide and a second metal oxide to form a base combination; forming the base combination in a thin layer type preliminary electrode support electrode support, and doping the preliminary electrode support with gadolinium (Gd) to produce an electrode support.

Description

연료 전지 및 그 제조 방법{Fuel cell and method for manufacturing same}[0001] Fuel cell and method for manufacturing same [0001]

본 발명은 연료 전지 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 가돌리늄(Gd)이 도핑된 음극 지지체, 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 음극 및 전해질막을 포함하는 연료전지 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.The present invention relates to a fuel cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a fuel cell including a cathode support doped with gadolinium (Gd), a cathode and an electrolyte membrane further doped with gadolinium (Gd) .

연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응하는 자유에너지의 변화를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 이온전도성 산화물을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지는 약 600 ~1000의 고온에서 작동되어 전기에너지와 열에너지를 생산하는, 현재까지 개발되어 있는 연료전지 중 가장 에너지 변환효율이 가장 좋다. 고온에서의 작동으로 인해 천연가스, 석탄가스 등과 같은 다양한 원료를 연료로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 고체전해질과 고체전극을 사용함으로써 재료의 부식 및 손실 등과 같은 문제가 없어 장기간 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한 수소를 연료로 사용할 경우, 순수한 물만이 배출이 되어 미래의 청정에너지원으로 사용될 수 있는 장점으로 많은 관심을 받고 있다. Fuel cells are devices that convert the change of free energy electrochemically reacting fuel and oxygen into electric energy. A solid oxide fuel cell using an ion conductive oxide as an electrolyte has the highest energy conversion efficiency among the fuel cells that have been developed up to now to produce electric energy and thermal energy at a high temperature of about 600 to 1000. It has the advantage of using various raw materials such as natural gas and coal gas as a fuel due to operation at high temperature and it has advantages such as corrosion and loss of materials by using solid electrolyte and solid electrode, have. In addition, when hydrogen is used as fuel, only pure water is discharged and it is attracting much attention because it can be used as a future clean energy source.

고체산화물 연료전지는 치밀한 구조의 산소이온전도성 전해질과 공기 중의 산소와 반응하여 산소이온으로 반응하게 하는 공기극 (Cathode)과 산소이온 전해질을 통해 이동한 산소이온을 수소 혹은 탄소와 반응하여 물 혹은 이산화탄소로 반응하며 전자를 내어 놓게 하는 연료극 혹은 음극(Anode)로 구성되어 있다. 이렇게 공기극/전해질/연료극으로 구성된 전지를 단전지라고 부르며, 이렇게 공기극과 연료극에서의 반응을 일어나게 하는 구동력은 공기극과 연료극에의 산소분압 차이에 의해 나타나기 때문에 양극으로 흘러가는 공기 혹은 연료가 서로 혼입되지 않게 하는 것이 매우 중요하게 된다. 단전지의 형태는 원통형(Tubular type)과 평판형(Planar type)으로 나눌 수 있으며, 원통형의 경우 가스의 분리를 쉽게 하는 장점이 있으나, 단전지와 단전지를 이어주는 전류집전체의 형태에 의해 저항이 높아져 에너지의 손실이 많은 단점이 있다. 평판형은 전극의 전체를 전류집전체와 쉽게 연결할 수 있는 구조상 특성 때문에 에너지의 손실이 적은 특성을 보여준다. The solid oxide fuel cell has a cathode structure that reacts with an oxygen ion conductive electrolyte and oxygen in the air to react with oxygen ions and oxygen ions moved through the oxygen ion electrolyte to hydrogen or carbon to form water or carbon dioxide And an anode or anode that reacts and emits electrons. The battery composed of the air electrode / electrolyte / fuel electrode is called a single cell. Since the driving force for causing the reaction between the air electrode and the fuel electrode is represented by the difference in oxygen partial pressure between the air electrode and the fuel electrode, air or fuel flowing into the anode is not mixed It becomes very important not to. The shape of a single cell can be divided into a tubular type and a planar type. In the case of a cylindrical type, there is an advantage of facilitating the gas separation. However, the shape of the current collector connecting the unit cell and the unit cell, There is a drawback that the energy loss is large. The flat plate type exhibits low energy loss characteristics due to its structural characteristics that can easily connect the entire electrode with the current collector.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 제조 비용이 감소된 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a fuel cell with reduced manufacturing cost and a method of manufacturing the fuel cell.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전자전도성이 향상된 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a fuel cell having improved electronic conductivity and a method of manufacturing the fuel cell.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 이온전도성이 향상된 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another aspect of the present invention is to provide a fuel cell having improved ion conductivity and a method of manufacturing the fuel cell.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 연료에 의한 발전 효율이 향상된 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.  It is another object of the present invention to provide a fuel cell having improved power generation efficiency by fuel and a method of manufacturing the fuel cell.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.

상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.In order to solve the above-mentioned technical problems, the present invention provides a method of manufacturing a fuel cell.

일 실시 예에 따르면, 연료 전지의 제조 방법은, 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화(physical mixing)하여, 베이스 결합체를 형성하는 단계, 상기 베이스 결합체를 박막(thin layer) 형태의 예비 전극 지지체(preliminary electrode support)로 제조하는 단계, 및 상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑(doping)하여, 전극 지지체(electrode support)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, a method of manufacturing a fuel cell includes the steps of: physically mixing a first metal oxide and a second metal oxide to form a base combination; forming the base combination in a thin layer form Preparing a preliminary electrode support, and doping the preliminary electrode support with gadolinium (Gd) to produce an electrode support.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물은 세륨(Ce) 산화물을 포함하고, 상기 제2 금속 산화물은 니켈(Ni) 산화물을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the first metal oxide comprises cerium (Ce) oxide and the second metal oxide may comprise nickel (Ni) oxide.

일 실시 예에 따르면, 연료 전지의 제조 방법은, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하기 전, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 소결조제(sintering aid)를 첨가하여 혼합하는 것을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, a method of manufacturing a fuel cell includes the steps of: sintering a sintering aid to the first metal oxide and the second metal oxide before physically mixing the first metal oxide and the second metal oxide And then adding and mixing.

일 실시 예에 따르면, 상기 소결조제는, 2가 혹은 3가의 금속 산화물을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the sintering aids may include divalent or trivalent metal oxides.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하는 것은, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 용매 및 분산제(dispersant)를 공급하여 수행되는 제1 물리적 혼합화 공정(first physical mixing), 및 상기 제1 물리적 혼합화 공정이 수행된 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 결합제(bonding agent) 및 가소제(plasticizer)를 공급하여 수행되는 제2 물리적 혼합화 공정(second physical mixing)을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the physical mixing of the first metal oxide and the second metal oxide is performed by supplying a solvent and a dispersant to the first metal oxide and the second metal oxide, A first physical mixing and a second physical mixing performed by supplying a bonding agent and a plasticizer to the first metal oxide and the second metal oxide on which the first physical mixing process has been performed, And may include a second physical mixing.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하는 것은, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 볼 밀링(Ball milling) 하는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the physical mixing of the first metal oxide and the second metal oxide may include ball milling the first metal oxide and the second metal oxide.

일 실시 예에 따르면, 연료 전지의 제조 방법은, 상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하기 전, 상기 예비 전극 지지체 상에 음극(anode) 및 전해질막(electrolyte layer)을 차례로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, a method of manufacturing a fuel cell includes forming an anode and an electrolyte layer on the preliminary electrode support in order before doping the preliminary electrode support with gadolinium (Gd) .

일 실시 예에 따르면, 연료 전지의 제조 방법은, 상기 예비 전극 지지체 상에 상기 음극 및 상기 전해질막을 형성한 후, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막에 열 및 압력을 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, a method of manufacturing a fuel cell further comprises providing the cathode and the electrolyte membrane on the preliminary electrode support, and then providing heat and pressure to the preliminary electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane .

일 실시 예에 따르면, 상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하는 단계는, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을, 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액에 침지하는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of doping the preliminary electrode support with gadolinium (Gd) may comprise immersing the preliminary electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane in a solution comprising gadolinium (Gd) .

일 실시 예에 따르면, 상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하는 단계는, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액에 침지한 후, 열 처리(thermal treatment)하는 것을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of doping the preliminary electrode support with gadolinium (Gd) may include dipping the preliminary electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane in a solution containing gadolinium (Gd) treatment may be further included.

일 실시 예에 따르면, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을 열 처리하는 단계는, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막에 가돌리늄(Gd)이 도핑되는 것을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of heat-treating the preliminary electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane may include doping gadolinium (Gd) on the preliminary electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료 전지를 제공한다.In order to solve the above technical problems, the present invention provides a fuel cell.

일 실시 예에 따르면, 연료 전지는, 니켈 산화물 및 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물 화합물을 포함하는 음극 지지체(anode support), 니켈 산화물 및 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 GDC(Gd-doped Ceria) 화합물을 포함하는 음극(anode), 및 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 GDC를 포함하는 전해질막(electrolyte layer)을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the fuel cell comprises an anode support comprising a nickel oxide and a cerium oxide compound doped with gadolinium (Gd), a nickel oxide and a gadolinium doped with gadolinium (Gd) Ceria) compound, and an electrolyte layer comprising a GDC additionally doped with gadolinium (Gd).

일 실시 예에 따르면, 상기 음극 지지체는, 2가 혹은 3가의 금속 산화물을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the cathode support may comprise a divalent or trivalent metal oxide.

본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하여 형성된 베이스 결합체를 박막 형태의 예비 전극 지지체로 제조한 후, 상기 예비 전극 지지체를 상기 가돌리늄(Gd)이 포함된 용액에 침지시켜 가돌리늄(Gd)이 도핑된 전극 지지체를 제조, 연료 전지에 적용될 수 있다. 이에 따라, 고가의 분말 형태인 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물의 사용이 최소화되어, 연료 전지의 제작 비용이 감소될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a base joint formed by physically mixing a first metal oxide and a second metal oxide is formed into a thin-film preliminary electrode support, and then the preliminary electrode support is divided into a plurality of (Gd) -doped electrode support, which can be applied to a fuel cell. As a result, the use of gadolinium (Gd) -doped cerium oxide, which is in the form of expensive powder, is minimized, and the production cost of the fuel cell can be reduced.

또한, 상기 예비 전극 지지체 상에 상기 음극, 및 상기 전해질막이 형성된 후, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막이 상기 가돌리늄(Gd)이 포함된 용액에 함께 침지될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막에 가돌리늄(Gd)이 도핑되어, 상기 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막의 이온전도특성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막 사이의 계면 특성이 향상되어, 고신뢰성 및 고에너지 효율을 갖는 연료 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.Also, after the cathode and the electrolyte membrane are formed on the preliminary electrode support, the preliminary electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane may be immersed together in the solution containing gadolinium (Gd). Accordingly, gadolinium (Gd) is doped in the electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane, so that ion conduction characteristics of the electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane can be improved. Further, a fuel cell having improved interfacial characteristics between the electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane and having high reliability and high energy efficiency, and a method of manufacturing the fuel cell can be provided.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법에 포함된 베이스 결합체를 형성하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법에 포함된 예비 전극 지지체를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법에 포함된 전극 지지체를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료 전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 전극 지지체의 A를 확대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 변형 예에 따른 예비 전극 지지체에 가돌리늄(Gd)이 도핑되어 전극 지지체를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 변형 예에 따른 예비 전극 지지체 및 음극에 가돌리늄(Gd)이 도핑되어, 전극 지지체 및 가돌리늄이 추가로 도핑된 음극을 형성하는 것을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 음극 지지체를 촬영한 SEM 사진들이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 음극 지지체의 XPS data를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 연료 전지의 전기적 특성을 평가한 그래프들이다.
도 13은 본 발명의 실시 예 및 변형 예들에 따라 제조된 연료 전지를 사용하는 발전용 연료 전지 시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a step of forming a base combination included in a method of manufacturing a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a preliminary electrode support included in a method of manufacturing a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view illustrating a step of forming an electrode support included in a method of manufacturing a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
6 is an enlarged view of A of an electrode support manufactured according to an embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view illustrating a step of forming an electrode support by doping gadolinium (Gd) on a preliminary electrode support according to a first modification of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining that a preliminary electrode support and a cathode according to a second modification of the present invention are doped with gadolinium (Gd) to form a cathode in which an electrode support and gadolinium are additionally doped.
9 and 10 are SEM photographs of a cathode support included in a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing XPS data of a cathode support included in a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing electrical characteristics of a fuel cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
13 is a view for explaining an example of a fuel cell system for power generation using the fuel cell manufactured according to the embodiment of the present invention and modifications thereof.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Further, in the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective explanation of the technical content.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.Also, while the terms first, second, third, etc. in the various embodiments of the present disclosure are used to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in any one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and exemplified herein also includes its complementary embodiment. Also, in this specification, 'and / or' are used to include at least one of the front and rear components.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.The singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms such as " comprises "or" having "are intended to specify the presence of stated features, integers, Should not be understood to exclude the presence or addition of one or more other elements, elements, or combinations thereof.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이고, 도 6은 도 4의 A를 확대한 도면이다. FIG. 1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIGS. 2 to 5 are views for explaining a method of manufacturing a fuel cell according to an embodiment of the present invention, Fig. 4 is an enlarged view of Fig.

도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 금속 산화물(10) 및 제2 금속 산화물(20)이 물리적 혼합화(physical mixing)되어, 베이스 결합체(30)가 형성된다(S100). 상기 베이스 결합체(30)는, 상기 제1 금속 산화물(10)과 상기 제2 금속 산화물(20)이 상기 물리적 혼합화에 의해 물리적으로 결합되어 형성될 수 있다. 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)은, 세륨(Ce) 산화물 및 니켈(Ni) 산화물일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물(10)은 산화세륨(CeO2)일 수 있고, 상기 제2 금속 산화물(20)은 산화니켈(NiO)일 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, the first metal oxide 10 and the second metal oxide 20 are physically mixed to form a base combination 30 (S100). The base coupling body 30 may be formed by physically coupling the first metal oxide 10 and the second metal oxide 20 by the physical mixing. The first metal oxide 10 and the second metal oxide 20 may be cerium (Ce) oxide and nickel (Ni) oxide. For example, the first metal oxide 10 may be cerium oxide (CeO 2 ), and the second metal oxide 20 may be nickel oxide (NiO).

상기 물리적 혼합화는, 제 1 물리적 혼합화 공정(first physical mixing process) 및 제2 물리적 혼합화 공정(second physical mixing process)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 물리적 혼합화는, 볼 밀링(ball milling) 공정일 수 있다.The physical mixing may include a first physical mixing process and a second physical mixing process. For example, the physical mixing may be a ball milling process.

상기 제1 물리적 혼합화 공정은, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 용매 및 분산제(dispersant)를 혼합하여 볼 밀링 하는 것을 포함할 수 있다. 상기 용매는, 유기 용매일 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는, 에틸알콜(ethyl alcohol) 또는 톨루엔(toluene)일 수 있다. 또한, 상기 분산제는, 맨하든 피쉬오일(manhattan fish oil)일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 상기 용매인 상기 에틸알콜 및/또는 상기 톨루엔과 상기 분산제인 상기 맨하든 피쉬오일이 혼합된 후, 24시간 동안 볼 밀링이 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 분산제는 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)의 1wt%로 공급될 수 있다.The first physical mixing step may include ball milling a mixture of a solvent and a dispersant in the first metal oxide 10 and the second metal oxide 20. The solvent may be organic solvents. For example, the solvent may be ethyl alcohol or toluene. In addition, the dispersing agent may be manhattan fish oil. For example, the ethyl alcohol and / or the toluene as the solvent and the manhaden fish oil as the dispersant are mixed in the first metal oxide 10 and the second metal oxide 20, Ball milling can be performed. For example, the dispersant may be supplied at 1 wt% of the first metal oxide 10 and the second metal oxide 20.

상기 제2 물리적 혼합화 공정은, 상기 제1 물리적 혼합화 공정이 수행된 후, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 결합제(bonding agent) 및 가소제(plasticizer)를 공급하여 볼 밀링하는 것을 포함할 수 있다. 상기 결합제는 비닐(vinyl)계 결합제일 수 있고, 상기 가소제는 프탈레이트(phthalate)계 가소제일 수 있다. 예를 들어, 상기 결합제는 PVB(polyvinyl butyral) 또는 PVA(polyvinyl alcohol)일 수 있고, 상기 가소제는 BBP(Butylbenzyl phthalate), DBP(Dibutyl phthalate), 또는 DEHP(Di-(2-ethylene)phthalate)) 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 물리적 혼합화 공정이 수행된 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 상기 가소제인 BBP 및 상기 결합제인 PVB가 혼합된 후, 24시간 동안 볼 밀링이 수행될 수 있다.The second physical mixing process may be performed by bonding a bonding agent and a plasticizer to the first metal oxide 10 and the second metal oxide 20 after the first physical mixing process is performed And ball milling. The binder may be a vinyl based binder, and the plasticizer may be a phthalate plasticizer. For example, the binder may be PVB (polyvinyl butyral) or PVA (polyvinyl alcohol), and the plasticizer may be selected from the group consisting of Butylbenzyl phthalate (BBP), Dibutyl phthalate (DBP) or Di- . ≪ / RTI > For example, after BBP, which is the plasticizer, and PVB, which is the binder, are mixed with the first metal oxide 10 and the second metal oxide 20 on which the first physical mixing process has been performed, Milling can be performed.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)을 상기 물리적 혼합화하기 전, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 소결조제(sintering aid)가 첨가되어 혼합될 수 있다. 상기 소결조제는, 2가 혹은 3가의 금속 산화물일 수 있다. 예를 들어, 상기 소결조제는, 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화망간(MnO) 또는 산화철(Fe2O3) 중 어느 하나일 수 있다.According to one embodiment, before the first metal oxide 10 and the second metal oxide 20 are physically mixed, the first metal oxide 10 and the second metal oxide 20 are sintered A sintering aid may be added and mixed. The sintering aid may be a divalent or trivalent metal oxide. For example, the sintering aid may be any one of magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), manganese oxide (MnO), and iron oxide (Fe 2 O 3 ).

도 1 및 도 3를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 베이스 결합체(30)가 박막(thin layer) 형태의 예비 전극 지지체(preliminary electrode support, 100)로 제조될 수 있다(S200). 상기 예비 전극 지지체(100)는, 상기 베이스 결합체(30)가 테이프 캐스팅 공정(Tape casting process) 처리되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 테이프 캐스팅에 의해 제조된 상기 예비 전극 지지체는, 500㎛ 내지 1000㎛의 두께의 박막 형태일 수 있다.1 and 3, the base assembly 30 manufactured according to the embodiment of the present invention may be manufactured as a thin layer type preliminary electrode support 100 (S200) . The preliminary electrode support 100 may be formed by subjecting the base assembly 30 to a tape casting process. For example, the spare electrode support produced by the tape casting may be in the form of a thin film having a thickness of 500 탆 to 1000 탆.

도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 예비 전극 지지체(100)에 가돌리늄(Gd)이 도핑(doping)되어 전극 지지체(electrode support)(120)가 제조될 수 있다(S300). 상기 예비 전극 지지체(100)에 가돌리늄(Gd)이 도핑되는 방법은, 상기 예비 전극 지지체(100)가 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지되는 단계 및 열 처리(thermal treatment)되는 단계가 차례로 수행되는 것을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 4, an electrode support 120 may be manufactured by doping gadolinium (Gd) on the spare electrode support 100 manufactured according to an embodiment of the present invention (S300). The method of doping gadolinium (Gd) in the preliminary electrode support 100 may include a step of immersing the preliminary electrode support 100 in a solution 500 containing gadolinium (Gd) and a thermal treatment May be performed in order.

상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지되는 단계는, 상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500), 예를 들어, 질산 가돌리늄 용액(Gadolinium nitrate solution)에 침지되는 것일 수 있다. 상기 질산 가돌리늄 용액의 농도는 0.1 내지 1.0M일 수 있고, Gd-nitrate hexahydrate가 Ethyl alcohol에 용해되어 제조될 수 있다.The step of immersing the preliminary electrode support 100 in the solution 500 containing gadolinium (Gd) may be performed by immersing the preliminary electrode support 100 in a solution 500 containing gadolinium (Gd), for example, , Or in a Gadolinium nitrate solution. The concentration of the gadolinium nitrate solution may be 0.1 to 1.0 M, and Gd-nitrate hexahydrate may be dissolved in Ethyl alcohol.

또한, 상기 예비 전극 지지체(100)가 열 처리 되는 단계는, 상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지된 후, 건조되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지된 후, 1400℃ 내지 1500℃에서 4시간 동안 열 처리 될 수 있다. 또한, 상기 열 처리에 사용되는 가열기의 형태로는, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 가열기는, 히터(heater), 핫 플레이트(hot plate) 또는 가열 코일(heating coil) 중에서 어느 하나일 수 있다.Also, the preliminary electrode support 100 may be heat treated by immersing the preliminary electrode support 100 in the solution 500 containing gadolinium (Gd), followed by drying. For example, after the preliminary electrode support 100 is immersed in the solution 500 containing gadolinium (Gd), the preliminary electrode support 100 may be heat-treated at 1400 ° C to 1500 ° C for 4 hours. The type of the heater used in the heat treatment is not particularly limited. For example, the heater may be any one of a heater, a hot plate, and a heating coil.

일 실시 예에 따르면, 상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지되기 전, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 음극(anode, 200) 및 전해질막(electrolyte layer, 300)이 차례로 형성될 수 있다.According to one embodiment, the anode 200 and the electrolyte membrane (not shown) are formed on the preliminary electrode support 100 before the preliminary electrode support 100 is immersed in the solution 500 containing gadolinium (Gd) an electrolyte layer 300 may be formed in this order.

상기 음극(200)은, 상기 제2 금속 산화물(20) 및 GDC(Gd-doped Ceria) 화합물을 포함할 수 있고, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 같이, 상기 물리적 혼합화(제1 물리적 혼합화, 제2 물리적 혼합화) 된 후, 상기 테이프 캐스팅 공정 처리되어 박막 형태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 음극(200)은, 상기 제2 금속 산화물인 산화니켈(NiO) 및 GDC(Gd-doped Ceria)가 상기 물리적 혼합화(제1 물리적 혼합화, 제2 물리적 혼합화) 된 후, 상기 테이프 캐스팅 공정 처리되어 5 내지 20㎛ 두께의 박막형태로 제조될 수 있다.The cathode 200 may comprise the second metal oxide 20 and a GdC (Gd-doped Ceria) compound, and as described with reference to FIGS. 1 and 2, the physical mixing Mixing, and second physical mixing), and then subjected to the tape casting process to produce a thin film. For example, the cathode 200 may be formed by performing physical mixing (first physical mixing, second physical mixing) of the second metal oxide NiO and GdC , The tape casting process may be performed to produce a thin film having a thickness of 5 to 20 占 퐉.

또한, 상기 전해질막(300)은, GDC(Gd-doped Ceria)를 포함할 수 있고, 상기 음극(200)과 마찬가지로, GDC(Gd-doped Ceria)가, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 같이, 상기 물리적 혼합화(제1 물리적 혼합화, 제2 물리적 혼합화) 된 후, 상기 테이프 캐스팅 공정 처리되어 박막 형태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질막(300)은, GDC(Gd-doped Ceria)가 상기 물리적 혼합화(제1 물리적 혼합화, 제2 물리적 혼합화) 된 후, 상기 테이프 캐스팅 공정 처리되어 5 내지 20㎛ 두께의 박막형태로 제조될 수 있다.The electrolyte membrane 300 may include a GDC (Gd-doped Ceria), and the GDC (Gd-doped Ceria) as described with reference to FIGS. 1 and 2 Likewise, after the physical mixing (first physical mixing, second physical mixing), the tape casting process can be processed to form a thin film. For example, the electrolyte membrane 300 may be formed by subjecting GDC (Gd-doped ceria) to physical mixing (first physical mixing, second physical mixing) Thin-film < / RTI >

상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 차례로 적층된 후, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열 및 압력이 제공될 수 있다. 예를 들어, 차례로 적층된 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)이 가열된 금속판들 사이에 배치되고, 상기 가열된 금속판들로부터 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열 및 압력이 제공될 수 있다.The anode 200 and the electrolyte membrane 300 are sequentially stacked on the preliminary electrode support 100 and then the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300 are heat- And pressure can be provided. For example, the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300 stacked in this order are disposed between the heated metal plates, and the preliminary electrode support 100 ), The cathode 200, and the electrolyte membrane 300 may be provided with heat and pressure.

또한, 차례로 적층된 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열 및 압력이 제공된 후, 프리신터링(Pre-sintering)이 수행될 수 있다. 상기 프리신터링은, 1차 프리신터링(first pre-sintering) 및 2차 프리신터링(second pre-sintering)이 포함될 수 있고, 상기 1차 프리신터링 및 상기 2차 프리신터링은, 차례로 수행될 수 있다. Pre-sintering may also be performed after heat and pressure are applied to the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300, which are sequentially stacked. The pre-sintering may include a first pre-sintering and a second pre-sintering, wherein the first pre-sintering and the second pre-sintering are sequentially .

상기 1차 프리신터링은, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열이 제공되는 것일 수 있다. 상기 1차 프리신터링에 의해, 상기 예비 전극 지지체(100)에 포함된 상기 가소제 및 상기 결합제를 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 1차 프리신터링은, 150도, 300도, 및 550도에서 각각 1시간 동안 수행될 수 있다. The primary pre-sintering may be such that heat is supplied to the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300. By the above primary sintering, the plasticizer and the binder contained in the preliminary electrode support 100 can be removed. For example, the primary pre-sintering may be performed for one hour at 150, 300, and 550 degrees, respectively.

상기 2차 프리신터링은, 상기 1차 프리신터링과 마찬가지로, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열이 제공되는 것일 수 있다. 상기 2차 프리신터링에 의해, 상기 예비 전극 지지체(100)의 기계적 강도가 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 2차 프리신터링은, 900도에서 2시간 동안 수행될 수 있다.The secondary pre-sintering may be such that heat is supplied to the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300, similarly to the primary pre-sintering. By the secondary pre-sintering, the mechanical strength of the preliminary electrode support 100 can be improved. For example, the secondary pre-sintering may be performed at 900 degrees for 2 hours.

상술된 바와 같이, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)은, 상기 예비 전극 지지체(100)의 화학적/물리적 특성의 향상을 위해, 상기 1차 프리신터링 및 상기 2차 프리신터링이 수행 될 수 있다. 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)이 상기 1차 프리신터링 및 상기 2차 프리신터링되는 방법은, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)이 다공성의 세라믹 지지체들 사이에 배치되고, 상기 다공성의 세라믹 지지체들로부터 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열이 제공되는 것일 수 있다. 상기 다공성의 세라믹 지지체들을 통해 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열을 공급하는 가열기의 형태로는, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 가열기는, 히터(heater), 핫 플레이트(hot plate) 또는 가열 코일(heating coil) 중에서 어느 하나일 수 있다.As described above, the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300 are formed in the same manner as the preliminary electrode support 100 in order to improve the chemical / physical characteristics of the preliminary electrode support 100, And the second pre-sintering may be performed. The pre-sintering process and the secondary pre-sintering process of the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300 may be performed by using the preliminary electrode support 100, And the electrolyte membrane 300 are disposed between the porous ceramic supports and the porous ceramic supports are attached to the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300 Heat may be provided. The type of the heater that supplies heat to the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300 through the porous ceramic supports is not particularly limited. For example, the heater may be any one of a heater, a hot plate, and a heating coil.

상술된 바와 같이, 상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지되기 전, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 차례로 형성되는 경우, 상기 예비 전극 지지체(100) 뿐만 아니라, 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 함께 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지될 수 있다. 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 함께 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지되면, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)의 표면이 가돌리늄(Gd)으로 코팅될 수 있다. 이후, 열 처리에 의해 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)의 표면에 코팅된 가돌리늄(Gd)이 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)에 도핑될 수 있다. The cathode 200 and the electrolyte membrane 300 are formed on the preliminary electrode support 100 before the preliminary electrode support 100 is immersed in the solution 500 containing gadolinium (Gd) The negative electrode 200 and the electrolyte membrane 300 as well as the spare electrode support 100 may be immersed in the solution 500 containing gadolinium (Gd). When the preliminary electrode support 100, the cathode 200 and the electrolyte membrane 300 are immersed in the solution 500 containing gadolinium (Gd), the preliminary electrode support 100, the cathode 200 And the surface of the electrolyte membrane 300 may be coated with gadolinium (Gd). Thereafter, gadolinium (Gd) coated on the surfaces of the preliminary electrode support 100, the cathode 200 and the electrolyte membrane 300 is heat-treated to separate the preliminary electrode support 100, the cathode 200, And may be doped in the electrolyte membrane 300.

도 5을 참조하면, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 가돌리늄(Gd)으로 도핑된 후, 상기 전해질막(300) 상에 양극(cathode, 400)이 형성되어, 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지가 제작될 수 있다. 상기 양극(400)은, 상기 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물(Gd-doped Ceria)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극(400)은, 스크린프린팅 공정(screen printing process) 후, 열 처리에 의해 박막의 형태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 양극(400)은, LSCF-GDC(Lanthanum-Strontium-Cobalt-Ferric Oxide-Gd doped Ceria) 페이스트가 상기 스크린프린팅 공정 처리되어 박막의 형태로 제조될 수 있고, 1000℃ 내지 1500℃에서 2시간 동안 열 처리될 수 있다.5, a cathode 400 is formed on the electrolyte membrane 300 after the preliminary electrode support 100, the cathode 200 and the electrolyte membrane 300 are doped with gadolinium (Gd) So that the fuel cell according to the embodiment of the present invention can be manufactured. The anode 400 may include a Gd-doped ceria doped with gadolinium (Gd). In addition, the anode 400 may be manufactured in the form of a thin film by a heat treatment after a screen printing process. For example, the anode 400 may be manufactured by a screen printing process to form a thin film of LSCF-GDC (Lanthanum-Strontium-Cobalt-Ferric Oxide-Gd doped Ceria) paste, Lt; / RTI > for 2 hours.

상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)에 대한 가돌리늄(Gd)의 도핑은, 상기 예비 전극 지지체(100)에 포함된 상기 제1 금속 산화물(10)과 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)에 포함된 GDC(Gd-doped Ceria)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)과 반응하여 일어날 수 있다. 다시 말해서, 상기 예비 전극 지지체(100)에 포함된 상기 제1 금속 산화물(10)과 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)에 포함된 GDC(Gd-doped Ceria)에, 가돌리늄(Gd)이 도핑될 수 있다.The doping of gadolinium (Gd) with respect to the preliminary electrode support 100, the cathode 200 and the electrolyte membrane 300 can be carried out by using the first metal oxide 10 included in the preliminary electrode support 100, GdC (GdC) contained in the cathode 200 and the electrolyte membrane 300 can be caused to react with the solution 500 containing gadolinium (Gd). In other words, gadolinium (Gd) is added to GDC (Gd-doped ceria) contained in the first metal oxide 10, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300 included in the preliminary electrode support 100, Can be doped.

니켈 산화물 및 GDC(Gd-doped Ceria) 화합물을 포함하는 상기 음극(200)은, 가돌리늄(Gd)으로 추가로 도핑되어, 니켈 산화물 및 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 GDC(Gd-doped Ceria)를 포함할 수 있다. 또한, GDC(Gd-doped Ceria) 화합물을 포함하는 상기 전해질막(300)은, 가돌리늄(Gd)으로 추가로 도핑되어, 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 GDC(Gd-doped Ceria)를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 가돌리늄(Gd)이 이미 도핑되어 있는 화합물인 GDC(Gd-doped Ceria)를 포함하는 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)은, 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지된 후, 열 처리되면서, 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑될 수 있다.The cathode 200 comprising nickel oxide and a GdC (Gd-doped Ceria) compound is further doped with gadolinium (Gd) to form a Gd-doped Ceria doped with nickel oxide and gadolinium (Gd) . ≪ / RTI > In addition, the electrolyte membrane 300 including a GdC (Gd-doped ceria) compound may be further doped with gadolinium (Gd) to include GdC (Gd-doped Ceria) further doped with gadolinium . In other words, the cathode 200 and the electrolyte membrane 300 including GdC (Gd-doped Ceria), which is a compound already doped with gadolinium (Gd), can be formed in the solution 500 containing the gadolinium (Gd) And then heat-treated, gadolinium (Gd) can be further doped.

도 6에 도시된 것과 같이, 가돌리늄(Gd) 도핑에 의해, 상기 전극 지지체(120)는, 가돌리늄(50)이 도핑된 상기 제1 금속 산화물(15), 및 상기 제2 금속 산화물(20)를 포함할 수 있다.6, by the Gd doping, the electrode support 120 includes the first metal oxide 15 doped with gadolinium 50, and the second metal oxide 20 .

상술된 바와 같이, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)에 상기 가돌리늄(Gd)이 도핑되면, 상기 전극 지지체(120), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)의 이온전도특성이 향상될 수 있다.As described above, when the preliminary electrode support 100, the cathode 200 and the electrolyte membrane 300 are doped with gadolinium (Gd), the electrode support 120, the cathode 200, and the electrolyte The ion conduction characteristics of the film 300 can be improved.

또한, 상기 열 처리하는 단계에서, 상기 예비 전극 지지체(100)에 가돌리늄(Gd)이 도핑될 뿐만 아니라, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 베이스 결합체(30) 형성을 위한 상기 물리적 혼합화하기 전, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 첨가되어 혼합되었던 상기 소결조제(예를 들어, 2가 및 3가 금속 산화물)가 가돌리늄(Gd)과 함께 상기 예비 전극 지지체(100)에 도핑될 수 있다. 상기 예비 전극 지지체(100)에 도핑된 상기 소결조제는, 상기 예비 전극 지지체(100)에 도핑된 가돌리늄(Gd)와 마찬가지로, 상기 예비 전극 지지체(100)의 이온전도특성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 소결소제는 가돌리늄(Gd) 대비 가격이 저렴하기 때문에, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료 전지의 제작 비용을 감소시킬 수 있다.1 and 2, the preliminary electrode supporting body 100 may be formed of a material having a high thermal conductivity and a high thermal conductivity. In addition, the preliminary electrode supporting body 100 may be doped with gadolinium (Gd) The sintering aids (for example, divalent and trivalent metal oxides) added to and mixed with the first metal oxide 10 and the second metal oxide 20 before the physical mixing are mixed with gadolinium (Gd) and May be doped together with the spare electrode support 100. The sintering auxiliary doped in the preliminary electrode support 100 can improve the ion conduction characteristics of the preliminary electrode support 100 as well as gadolinium (Gd) doped in the preliminary electrode support 100. In addition, since the cost of the sintering agent is lower than that of gadolinium (Gd), the manufacturing cost of the fuel cell manufactured according to the embodiment of the present invention can be reduced.

또한, 상기 열 처리에 의해 상기 전해질막(300)의 구조가 치밀해 질 수 있고, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300) 사이의 계면 특성이 향상될 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료 전지의 에너지 효율이 향상될 수 있다.In addition, the structure of the electrolyte membrane 300 can be dense by the heat treatment, and the interface characteristics between the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300 can be improved have. Thus, the energy efficiency of the fuel cell manufactured according to the embodiment of the present invention can be improved.

상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 기존 연료 전지의 경우, 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물, 예를 들어, Gd-doped Ceria를 사용하여 제조된 전극지지체 상에 음극 및 전해질막을 형성하여 연료전지를 제조한다. 이와 같이, 가돌리늄(Gd)이 이미 도핑된 세륨 산화물을 사용하여 전극 지지체를 제조한 후, 연료 전지 제작에 사용하는 경우, 고가의 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물 분말의 사용에 의해, 연료 전지의 제작 비용이 증가하며, 대량 생산에 한계가 존재한다.Unlike the embodiments of the present invention described above, in the case of conventional fuel cells, a negative electrode and an electrolyte membrane are formed on an electrode support manufactured using gadolinium (Gd) -doped cerium oxide, for example, Gd- A battery is manufactured. As described above, when the electrode support is prepared by using the cerium oxide already doped with gadolinium (Gd) and then used for manufacturing a fuel cell, by using the cadmium oxide powder doped with the expensive gadolinium (Gd) The manufacturing cost of the device increases, and there is a limit to the mass production.

하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 예비 전극 지지체(100)를 제조한 후, 상기 예비 전극 지지체(100)를 상기 가돌리늄(Gd)이 포함된 용액(500)에 침지시켜 가돌리늄(Gd)이 도핑된 상기 전극 지지체(120)를 포함하는 연료 전지가 제조될 수 있다. 이에 따라, 고가의 분말 형태인 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물의 사용이 최소화되어, 연료 전지의 제작 비용이 감소될 수 있다. However, as described above, according to the embodiment of the present invention, after the preliminary electrode support 100 is manufactured, the preliminary electrode support 100 is immersed in the solution 500 containing gadolinium (Gd) A fuel cell including the electrode support 120 doped with gadolinium (Gd) may be manufactured. As a result, the use of gadolinium (Gd) -doped cerium oxide, which is in the form of expensive powder, is minimized, and the production cost of the fuel cell can be reduced.

또한, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)이 형성된 후, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)이 상기 가돌리늄(Gd)이 포함된 용액에 함께 침지되면, 상기 전극 지지체(120), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 가돌리늄(Gd)이 도핑되어, 상기 전극 지지체(120), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)의 이온전도특성이 향상되고, 뿐만 아니라, 상기 전극 지지체(120), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300) 사이의 계면 특성이 향상되어, 고신뢰성 및 고에너지 효율을 갖는 연료 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다. After the cathode 200 and the electrolyte membrane 300 are formed on the preliminary electrode support 100, the preliminary electrode support 100, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300 Gd is doped into the electrode support 120, the cathode 200 and the electrolyte membrane 300 when the electrolyte is immersed in the solution containing gadolinium (Gd), so that the electrode support 120, The ion conductivity characteristics of the cathode 200 and the electrolyte membrane 300 are improved and the interface characteristics between the electrode support 120, the cathode 200, and the electrolyte membrane 300 are improved A fuel cell having high reliability and high energy efficiency, and a manufacturing method thereof can be provided.

도 7은 본 발명의 실시 예의 제1 변형 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 7 is a view for explaining a method of manufacturing a fuel cell according to a first modification of the embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 방법으로, 상기 예비 전극 지지체(100)가 제조될 수 있다. 도 4를 참조하여 설명된 것과 달리, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 형성되지 않고, 상기 예비 전극 지지체(100)가 가돌리늄(Gd)으로 도핑되어, 상기 전극 지지체(120)가 제조될 수 있다. 다시 말해서, 상기 예비 전극 지지체(100) 단독으로 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지된 후, 상기 열 처리되어, 상기 예비 전극 지지체(100)에 가돌리늄(Gd)이 도핑될 수 있다. 이후, 도 7을 참조하여 설명된 방법으로 제조된 상기 전극 지지체(120) 상에, 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 음극(200), 상기 전해질막(300), 및 상기 양극(400)이 형성될 수 있다.In the method described with reference to Figs. 1 to 3, the spare electrode support 100 can be manufactured. The negative electrode 200 and the electrolyte membrane 300 are not formed on the spare electrode support 100 and the spare electrode support 100 is doped with gadolinium Gd, So that the electrode support 120 can be manufactured. In other words, after the preliminary electrode support 100 is immersed in the solution 500 containing gadolinium (Gd) alone, the preliminary electrode support 100 may be heat-treated to be doped with gadolinium (Gd) have. 4 to 5, the negative electrode 200, the electrolyte membrane 300, and the negative electrode layer 300 are formed on the electrode support 120 manufactured by the method described with reference to FIG. 7, The anode 400 may be formed.

도 8은 본 발명의 실시 예의 제2 변형 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.8 is a view for explaining a method of manufacturing a fuel cell according to a second modification of the embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 방법으로, 상기 예비 전극 지지체(100) 및 상기 음극(200)이 제조될 수 있다. 도 4를 참조하여 설명된 것과 달리, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200)은 형성하되, 상기 전해질막(300)은 형성되지 않고, 상기 예비 전극 지지체(100) 및 상기 음극(200)이 가돌리늄(Gd)으로 도핑되어, 상기 전극 지지체(100) 및 가돌리늄이 추가로 도핑된 음극(200)이 제조될 수 있다. 다시 말해서, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200)이 형성된 후, 상기 예비 전극 지지체(100) 및 상기 음극(200)은 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지된 후, 상기 열 처리되어, 상기 예비 전극 지지체(100) 및 상기 음극(200)에 가돌리늄(Gd)이 도핑될 수 있다. 이후, 도 8을 참조하여 설명된 방법으로 제조된 상기 전극 지지체(120) 및 상기 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 음극(200) 상에, 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 전해질막(300) 및 상기 양극(400)이 형성될 수 있다.In the method described with reference to Figs. 1 to 4, the spare electrode support 100 and the cathode 200 can be manufactured. 4, the cathode 200 is formed on the preliminary electrode support 100, but the electrolyte membrane 300 is not formed, and the preliminary electrode support 100 and the cathode (not shown) 200 are doped with gadolinium (Gd), so that the electrode support 100 and the cathode 200 doped with gadolinium can be manufactured. In other words, after the cathode 200 is formed on the preliminary electrode support 100, the preliminary electrode support 100 and the cathode 200 are immersed in the solution 500 containing gadolinium (Gd) The preliminary electrode support 100 and the cathode 200 may be doped with gadolinium (Gd). Thereafter, on the cathode 200 further doped with the electrode support 120 and the gadolinium (Gd) produced by the method described with reference to Fig. 8, as described with reference to Figs. 4 to 5, The electrolyte membrane 300 and the anode 400 may be formed.

이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법에 따른 구체적인 실험 예가 설명된다. Hereinafter, a specific experimental example according to the method of manufacturing a fuel cell according to the above-described embodiment of the present invention will be described.

아래 [표 1]은 NiO-GDC를 음극지지체로 사용하는 연료전지 셀의 각 재료의 구성비와 현재의 재료의 가격을 이용하여 분석한 원가구성비를 나타낸다. NiO-GDC의 음극지지체 상에 NiO-GDC 음극막과 GDC 전해질이 형성된 반쪽 셀의 경우, NiO-GDC의 구성비는 약 95wt%, 그 중 반쪽 셀에 들어가는 GDC의 양은 약 47wt% 가 넘는 것으로 확인된다. 현재, Ceria(CeO2)의 분말을 가공하여 형성시킨 GDC의 경우 그의 재료비는 CeO2에 비해 약 9배 정도의 시장 가격이 형성되어 있다. GDC 분말을 음극지지체에 사용할 경우, 음극지지체의 GDC가 차지하는 재료비의 분율이 약 78%를 차지하게 된다. 하지만, 상술된 본 발명의 실시 예와 같이, 음극지지체의 GDC를 CeO2로 치환하는 경우, [표 1]에서 알 수 있듯이, GDC를 사용했을 때에 비해 약 1/3로 재료비가 감소될 것으로 예상된다. Table 1 below shows the cost component ratio analyzed using the composition ratio of each material of the fuel cell using NiO-GDC as a cathode support and the current material price. NiO-GDC cathode The half-cell with NiO-GDC cathode layer and GDC electrolyte on the anode support is composed of about 95 wt% of NiO-GDC, and the amount of GDC in half cell is more than 47 wt% . At present, the material cost of GDC formed by processing Ceria (CeO 2 ) powder is about 9 times that of CeO 2 . When the GDC powder is used for the cathode support, the fraction of the material cost occupied by the GDC of the cathode support is about 78%. However, as shown in Table 1, when the GDC of the cathode support is replaced with CeO 2 , as in the embodiment of the present invention described above, it is expected that the material cost is reduced by about 1/3 as compared with the case of using GDC do.

LayerLayer ThicknessThickness ProcessProcess GDC/NiO-GDC/NiO-GDCGDC / NiO-GDC / NiO-GDC GDC/NiO-GDC/NiO-CeO2 GDC / NiO-GDC / NiO-CeO 2 MaterialMaterial Wt%Wt% Material cost% Material cost% MaterialMaterial Wt%Wt% Material cost%Material cost% ElectrolyteElectrolyte ~20㎛~ 20㎛ Dip coatingDip coating GDCGDC 4.4%4.4% 7.3%7.3% GDCGDC 4.4%4.4% 23.6%23.6% Anode functional LayerAnode functional Layer ~20㎛~ 20㎛ Dip coatingDip coating GDCGDC GDCGDC NiONiO 52.6%52.6% 15%15% NiONiO 52.6%52.6% 48.5%48.5% Anode supportAnode support ~700㎛~ 700 μm Tape castingTape casting NiONiO NiONiO GDCGDC 43%43% 77.7%77.7% CeO2 CeO 2 43%43% 27.8%27.8%

실시 예에 따른 연료 전지 제조The fuel cell fabrication according to the embodiment

테이프 케스팅 법을 이용하여 NiO-CeO2 음극지지체의 그린테이프를 형성하였다. 구체적으로, NiO와 CeO2를 55:45의 질량비로 하여 Ethyl alcohol과 toluene을 용매로 사용하여 분산제를 첨가하여 24시간 1차 볼밀링을 하였다. 결합제로 Polyvinyl butyral과 가소제로 Bi-butyl phthalate를 첨가하여 추가적으로 24시간 동안 볼 밀링을 진행하여 슬러리를 형성하고, 슬러리 내의 기포를 제거한 후 케스팅 및 건조하여 약 250μm의 두께의 NiO-CeO2 음극지지체 그린테이프를 제조하였다. 형성된 그린테이프는 원하는 두께를 형성하기 위하여 열가압법을 이용하여 3겹으로 적층하였다. 적층된 NiO-CeO2 음극지지체의 그린 테이프는 900℃ 의 온도에서 열처리하여 후 공정을 진행할 수 있는 기계적 특성을 확보하였다. 부분 소성된 NiO-CeO2 음극지지체 상에 기능성 음극막과 전해질을 콜로이달 용액으로 형성하여 딥코팅의 방법으로 형성하였다. 구체적으로, 기능성 음극막의 콜로이달 용액은 NiO와 GDC 분말을 50대 50의 질량비로 섞은 분말을 Ethyl alcohol과 Terpineol을 일정비로 혼합한 용매에 넣고 이에 다시 결합제, 가소제, 그리고 분산제를 첨가하여 48시간동안 볼밀링을 하여 형성하였다. 또한, 전해질의 콜로이달 용액은 GDC 분말을 Ethyl alcohol과 Terpineol을 일정비로 혼합한 용매에 넣고 이에 다시 결합제, 가소제, 그리고 분산제를 첨가하여 48시간동안 볼밀링을 하여 형성하였다.A green tape of a NiO-CeO 2 cathode support was formed by tape casting. Specifically, NiO and CeO 2 were mixed at a mass ratio of 55:45, using a solvent of ethyl alcohol and toluene as a solvent, and subjected to primary ball milling for 24 hours. Bi-butyl phthalate as a binder and Bi-butyl phthalate as a plasticizer were added to perform ball milling for an additional 24 hours to form a slurry. After the bubbles in the slurry were removed, casting and drying were carried out to obtain a NiO-CeO 2 anode support green A tape was prepared. The formed green tapes were laminated in three layers using a heat press method to form a desired thickness. The green tape of the laminated NiO-CeO 2 anode support was heat-treated at a temperature of 900 ° C to ensure mechanical properties for the post-processing. A functional cathode layer and an electrolyte were formed of a colloidal solution on a partially baked NiO-CeO 2 cathode support and formed by a dip coating method. Specifically, the colloidal solution of the functional cathode layer was prepared by mixing a mixture of NiO and GDC powder in a mass ratio of 50:50 into a mixed solvent of Ethyl alcohol and Terpineol at a constant ratio, and then adding a binder, a plasticizer, and a dispersant, Followed by ball milling. The colloidal solution of the electrolyte was prepared by mixing GDC powder with Ethyl alcohol and Terpineol at a constant ratio, and then adding a binder, a plasticizer, and a dispersant to the solution, and ball milling for 48 hours.

NiO-CeO2 음극지지체를 NiO-GDC 콜로이달 용액과 GDC 콜로이달 용액에 담가 딥코팅법을 이용하여 NiO-GDC 기능성 음극막과 GDC 전해질막을 순차적으로 형성하였다. 이후, 900℃ 에서 열처리 한 후 Gd-nitrate를 ethyl alcohol에 용해시킨 용액에 담근 후 건조하고, 1450℃ 의 온도에서 소결하여 반쪽 셀을 형성하였다. 반쪽 셀 위에 공기극으로 LSCF-GDC 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅을 한 후 1050℃ 의 온도에서 열처리하여 실시 예에 따른 연료 전지를 형성하였다.The NiO-CeO 2 cathode support was immersed in a NiO-GDC colloidal solution and a GDC colloidal solution to form a NiO-GDC functional cathode and a GDC electrolyte membrane sequentially by dip coating. After heat treatment at 900 ° C, it was immersed in a solution of Gd-nitrate dissolved in ethyl alcohol, dried, and sintered at 1450 ° C to form half cells. Screen printing was performed using LSCF-GDC paste as an air electrode on the half cell, followed by heat treatment at a temperature of 1050 ° C to form the fuel cell according to the embodiment.

비교 예에 따른 연료 전지 제조Production of fuel cell according to Comparative Example

NiO와 CeO2를 이용하여 음극 지지체를 제조하는 대신, NiO 및 GDC를 이용하여, NiO-GDC 음극 지지체를, 상술된 실시 예와 동일한 방법으로 제조하였다. Instead of preparing the anode support using NiO and CeO 2 , the NiO-GDC cathode support was prepared using NiO and GDC in the same manner as the above-described embodiment.

이후, 상술된 실시 예와 동일한 방법으로, NiO-GDC 음극 지지체를 NiO-GDC 콜로이달 용액과 GDC 콜로이달 용액에 담그는 딥코팅법을 이용하여 NiO-GDC 기능성 음극막과 GDC 전해질막을 순차적으로 형성하였다. 이후, 약 900℃ 의 온도에서 부분열처리를 한 후, 1450℃ 의 온도에서 소결하여, 반쪽 셀을 형성하고, 반쪽 셀 위에 공기극으로 LSCF-GDC 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅을 한 후 1050℃ 의 온도에서 열처리 하여 비교 예에 따른 연료 전지를 형성하였다.Thereafter, a NiO-GDC functional cathode and a GDC electrolyte membrane were sequentially formed using a dip coating method in which a NiO-GDC cathode support was immersed in a NiO-GDC colloidal solution and a GDC colloidal solution in the same manner as in the above- . Subsequently, the substrate was partially heat-treated at a temperature of about 900 ° C and then sintered at a temperature of 1450 ° C to form half cells. Screen printing was performed on the half cells using an LSCF-GDC paste as an air electrode at a temperature of 1050 ° C Followed by heat treatment to form a fuel cell according to a comparative example.

도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 음극 지지체를 촬영한 SEM 사진들이다. 구체적으로, 도 9의 (a)는 900℃에서 열처리된 NiO-CeO2 음극지지체를 촬영한 SEM 사진이고, 도 9의 (b)는 Gd-nitrate가 수행된 NiO-CeO2 음극지지체를 촬영한 SEM 사진이고, 도 10의 (a)는 1450℃에서 열처리된 NiO-CeO2 음극지지체를 촬영한 SEM 사진이고, 도 10의 (b)는 1450℃에서 열처리된 NiO-CeO2 음극지지체에 Gd-nitrate를 수행하고, 900℃에서 열처리한 후 촬영한 SEM 사진이고, 도 10의 (c)는 도 10의 (b)를 1450℃에서 열처리한 후 촬영한 SEM 사진이다. 9 and 10 are SEM photographs of a cathode support included in a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 9 (a) is an SEM photograph of a NiO-CeO 2 cathode support thermally treated at 900 ° C., and FIG. 9 (b) is a SEM photograph of a NiO-CeO 2 cathode support on which Gd- SEM image, and FIG. 10 (a) is an SEM photo photographed the heat-treated-CeO 2 NiO cathode support at 1450 ℃, 10 of (b) is Gd- the NiO-CeO 2 cathode substrate subjected to heat treatment at 1450 ℃ FIG. 10 (c) is a SEM photograph taken after heat treatment at 1450 ° C. FIG. 10 (c) is a SEM photograph taken after heat treatment at 900 ° C.

도 9 및 도 10을 참조하면, 900℃에서 열처리한 GDC 전해질, NiO-GDC 기능성 음극막, 및 NiO-CeO2 음극 지지체를 Gd-nitrate solution에 담근 후 100℃의 오븐에서 열처리 하는 것을 3회에 걸쳐 반복하여 최종 질량의 변화를 측정하여 NiO-CeO2 음극지지체 내에 infiltration 되는 양을 계산하였다. 12cm x 12cm 크기의 900℃에서 열처리한 기판 위에 Gd-nitrate를 침적시킨 후 질량을 측정한 결과 약 0.03~0.05g 정도의 질량변화가 나타났으며, Gd-nitrate가 기판에 일정한 분포로 침적되었다고 가정하여 계산하면, 약 50ppm 이하의 양이 NiO-CeO2 음극지지체내의 CeO2 표면에 흡착된 것으로 예상된다. 9 and 10, the GDC electrolyte annealed at 900 ° C., the NiO-GDC functional cathode layer, and the NiO-CeO 2 cathode support were immersed in a Gd-nitrate solution and then heat-treated in an oven at 100 ° C. for 3 times And the amount of infiltration in the NiO-CeO 2 cathode support was calculated. The mass of Gd-nitrate was measured on a 12cm x 12cm substrate heated at 900 ℃, and the mass change was about 0.03 ~ 0.05g. It was assumed that the Gd-nitrate was deposited in a uniform distribution on the substrate , It is expected that an amount of about 50 ppm or less is adsorbed on the CeO 2 surface in the NiO-CeO 2 cathode support.

1450℃에서 열처리한 음극지지체의 경우 입자의 표면이 매우 깨끗한 형태를 보여주고 있다. 그러나 도 10의 (b)에 도시된 것과 같이 Gd-nitrate를 침적한 후 900℃에서 열처리 한 입자 표면은 거친 형태를 보여주는 것을 확인할 수 있었다. 거칠게 나타난 표면이 Gd-nitrate가 입자의 표면에 침작한 후 저온에서의 열처리 과정에 Gd2O3가 형성된 것으로 확인된다. 이를 다시 1450℃에서 열처리를 하게 되면, 그 거친 표면이 다시 깨끗해지는 것을 확인할 수 있으며, 이는 표면에 침적되어 형성된 Gd2O3가 열처리가 진행됨에 따라 음극지지체의 입자에 diffusion되어 doping되는 것으로 확인된다.In the case of the anode support heat treated at 1450 ° C, the surface of the particles is very clean. However, as shown in FIG. 10 (b), it was confirmed that the surface of the particles annealed at 900 ° C. after depositing Gd-nitrate showed a rough shape. Gd 2 O 3 was formed on the roughened surface by heat treatment at low temperature after Gd-nitrate precipitated on the surface of the particles. It is confirmed that the rough surface is again cleaned by heat treatment at 1450 ° C. It is confirmed that the Gd 2 O 3 formed on the surface is doped to the particles of the anode support by the heat treatment .

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 음극 지지체의 XPS data를 나타내는 그래프이다. 구체적으로 도 11의 (a), (b), 및 (c)는 1450℃에서 열처리된 NiO-CeO2의 음극지지체를 파쇄하여 XPS 분석한 결과이고, 도 11의 (d), (e) 및 (f)는 Gd-nitrate infiltration 수행 후 1450℃에서 열처리 한 NiO-CeO2의 음극지지체를 파쇄하여 XPS 분석한 결과이다. 11 is a graph showing XPS data of a cathode support included in a fuel cell according to an embodiment of the present invention. Specifically, Figs. 11 (a), 11 (b) and 11 (c) show the result of XPS analysis of the negative electrode support of NiO-CeO 2 heat- (f) shows the results of XPS analysis of the anode support of NiO-CeO 2 annealed at 1450 ° C after Gd-nitrate infiltration.

도 11을 참조하면, 각 성분에 의해 나타나는 peak의 intensity를 normalization 하여 분석해보면, Gd infiltration된 음극지지체의 Gd에 의한 peak의 경우 oxygen이나 cerium에 의한 peak에 비해 약간 증가한 것으로 보여지고 있다. Referring to FIG. 11, when the intensity of a peak represented by each component is normalized, it is seen that the peak due to Gd of the Gd infiltrated cathode support is slightly increased compared to the peak due to oxygen or cerium.

도 12는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 연료 전지의 전기적 특성을 평가한 그래프들이다. 12 is a graph showing electrical characteristics of a fuel cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

도 12를 참조하면, NiO-CeO2 음극지지체, Gd-nitrate infiltration이 수행된 NiO-CeO2 음극지지체, 및 NiO-GDC 음극 지지체를 포함하는 연료 전지의 IVP와 impedance를 측정하였다. 600℃에서 측정한 IVP를 비교해보면, Ni-GDC 음극지지체를 사용한 전지와 Gd-nitrate infiltration이 수행된 Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 전지는 실질적으로 동일한 IVP특성을 보여주는 반면, Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 전지의 경우, 상대적으로 낮은 IVP 특성을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. Impedance의 결과를 보면, 전극에 의한 ASR 값은 0.13~0.15 Ωcm2으로 큰 차이를 보이지 않으나, ohmic ASR의 경우 Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 전지가 Ni-GDC 음극지지체를 사용한 전지와 Gd-nitrate infiltration이 수행된 Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 전지와 비교하여, 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 12, the negative electrode was measured NiO-CeO 2 support, Gd-nitrate infiltration is performed a NiO-CeO 2 cathode support, and IVP with the impedance of a fuel cell comprising a NiO-GDC anode support. A comparison of the one IVP measured at 600 ℃, battery using the Ni-GDC cathode cell with Gd-nitrate infiltration is carried out with Ni-CeO 2 anode support with the support is shown substantially the same IVP properties, while, Ni-CeO 2 cathode In the case of the battery using the support, it was confirmed that the IVP characteristics were relatively low. The results of the Impedance, ASR obtained from the electrodes is 0.13 ~ 0.15 Ωcm, but no significant difference in two, in the case of the ohmic ASR Ni-CeO 2 is the battery using the cathode support Ni-GDC anode support cell and Gd-nitrate with it can be confirmed that it is higher than that of the battery using the Ni-CeO 2 cathode support subjected to the infiltration.

900℃에서 열처리된 다공성의 GDC 전해질, NiO-GDC 기능성 음극막, 및 NiO-CeO2 음극지지체에 Gd-nitrate를 침적시킬 경우, Gd은 전해질, 기능성 음극막, 그리고 음극지지체의 모든 입자의 표면에 침적되며, 특히 전해질과 기능성 음극막 계면의 삼상영역이 형성되는 부분에서 소결성에 영향을 줄 수 있다. 그러나, NiO-GDC를 음극지지체로 사용한 셀과, Gd을 침적시키지 않은 NiO-CeO2를 음극지지체로 사용한 셀의 경우 GDC 전해질과 NiO-GDC기능성 음극막의 미세구조적인 특성은 동일할 것으로 판단된다. 그러나 impedance의 결과부터, 각 전지의 ohmic ASR의 차이는 음극지지체의 소결특성에 의해 영향을 받는 것으로 , CeO2를 사용한 전지에 비해 Gd이 doping된 CeO2의 소결특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 따라서 GDC 혹은 Gd을 침적시킨 CeO2를 음극지지체의 재료로 사용한 경우, 소결 공정시 수축이 더 일어나게 되며, 이에 의해 GDC전해질 층의 치밀도는 증가하게 되고, 이에 의해 결정되는 Open Circuit Voltage (OCV)의 값이 600℃의 IVP결과로부터 살펴보면 Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 셀의 경우에 비해, Ni-GDC와 Gd-infiltration Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 셀이 높은 값을 보여주는 것으로 확인할 수 있다.When Gd-nitrate is immersed in a porous GDC electrolyte, a NiO-GDC functional cathode film, and a NiO-CeO 2 cathode support heat treated at 900 ° C., Gd is deposited on the surface of all the particles of the electrolyte, the functional cathode film, And can affect the sintering property particularly at the portion where the electrolyte and the three-phase region of the functional cathode layer interface are formed. However, the microstructural characteristics of the GDC electrolyte and the NiO-GDC functional cathode membrane are considered to be the same for a cell using NiO-GDC as a cathode support and a cell using NiO-CeO2 as a cathode support without Gd deposition. However, from the result of the impedance, it can be confirmed that the difference in the ohmic ASR of each cell is influenced by the sintering property of the anode support, and that the sintering property of CeO 2 doped with Gd is superior to that of the cell using CeO 2 . Therefore, when CeO 2 doped with GDC or Gd is used as the material of the anode support, shrinkage occurs more in the sintering process, thereby increasing the density of the GDC electrolyte layer, and the OCV (Open Circuit Voltage) this value is looking from the IVP result of 600 ℃ Ni-CeO 2 than that of the cell using a negative electrode substrate, using the Ni-GDC, and Gd-infiltration Ni-CeO 2 cathode support cells can be confirmed by showing a high value.

결론적으로, Ni-CeO2를 음극지지체로 사용하였을 경우, Ni-GDC를 음극지지체로 사용한 전지에 비해 발전 특성은 낮으나, Ni-CeO2에 Gd-nitrate를 침적시킨 후 열처리를 하게 되면, Ni-GDC와 실질적으로 동일한 발전특성을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, CeO2를 음극지지체의 원료로 사용하되, Gd-nitrate를 침적시켜 도핑하는 공정을 수행함으로써, 전지의 효율 특성을 개선함과 동시에 제조 비용을 현저하게 감소할 수 있음을 알 수 있다. As a result, when Ni-CeO 2 is used as a negative electrode support, the power generation characteristics are lower than those of a battery using Ni-GDC as an anode support. However, when Ni-CeO 2 is immersed in Gd- It is confirmed that the power generation characteristics substantially the same as the GDC. Thus, it can be seen that by performing the step of doping Gd-nitrate by using CeO 2 as a raw material for the anode support, the efficiency of the cell can be improved and the manufacturing cost can be significantly reduced.

도 13은 본 발명의 실시 예 및 변형 예에 따라 제조된 연료 전지를 사용하는 발전용 연료 전지 시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 13 is a view for explaining an example of a fuel cell system for power generation using a fuel cell manufactured according to an embodiment and a modified example of the present invention.

도 13을 참조하면, 상기 발전용 연료전지 시스템은 본 발명의 실시 예 및 변형 예들에 따라 제조된 연료전지(700) 및 상기 연료전지(700)로부터 전력을 공급받아 외부로 송출하는 전력 제어장치(800)를 포함할 수 있다. 상기 전력제어장치(800)는 출력장치(810), 축전장치(820), 충방전 제어장치(830), 시스템제어장치(840)를 포함할 수 있다. 상기 출력장치(810)는 전력변환장치(812)를 포함할 수 있다.13, the power generation fuel cell system includes a fuel cell 700 manufactured according to an embodiment of the present invention and modifications thereof, and a power control device 800). The power control device 800 may include an output device 810, a power storage device 820, a charge / discharge control device 830, and a system control device 840. The output device 810 may include a power inverter 812.

상기 전력변환장치(Power Conditioning System: PCS, 812)는 상기 연료전지(700)로부터의 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터일 수 있다. 상기 충방전 제어장치(830)는 상기 연료전지(700)로부터의 전력을 상기 축전장치(820)에 저장하거나, 상기 축전장치(820)에 저장된 전기를 상기 출력장치(810)로 출력할 수 있다. 상기 시스템제어장치(840)는 상기 출력장치(810), 상기 축전장치(820) 및 상기 충방전 제어장치(830)를 제어할 수 있다.The power conditioning system (PCS) 812 may be an inverter that converts a direct current from the fuel cell 700 into an alternating current. The charge and discharge control device 830 may store the power from the fuel cell 700 in the power storage device 820 or output the electricity stored in the power storage device 820 to the output device 810 . The system controller 840 may control the output device 810, the power storage device 820, and the charge / discharge control device 830.

전술한 바와 같이, 변환된 교류전류는 자동차, 가정과 같은 다양한 AC 부하(910)로 공급되어 사용될 수 있다. 나아가, 상기 출력장치(810)는 계통연계장치(grid connect system, 814)를 더 포함할 수 있다. 상기 계통연계장치(814)는 다른 전력계통(920)과의 접속을 매개하여, 전력을 외부로 송출할 수 있다.As described above, the converted alternating current can be supplied to various AC loads 910 such as an automobile, a home, and the like. Furthermore, the output device 810 may further include a grid connect system 814. The grid connection device 814 can transmit power to the outside through a connection with another power system 920.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지는, 가돌리늄(Gd)이 포함된 용액을 이용하여, 용액 도핑 방식으로 전극 지지체, 음극, 및/또는 전해질막에 가돌리늄(Gd)을 도핑하고, 가돌리늄(Gd) 뿐만 아니라 소결조제인 금속 산화물이 함께 도핑된 전극 지지체의 제조 방법을 제공함으로써, 연료 전지의 제조 비용을 감소시키고, 이온전도특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 지지체, 음극, 및 전해질막 사이의 계면 특성이 향상되어, 에너지 효율이 개선된 연료 전지가 제공될 수 있다.As described above, in the fuel cell according to the embodiment of the present invention, gadolinium (Gd) is doped in an electrode support, a cathode, and / or an electrolyte membrane by a solution doping method using a solution containing gadolinium (Gd) (Gd) as well as a metal oxide which is a sintering aid are doped together, it is possible to reduce the manufacturing cost of the fuel cell and improve the ion conduction characteristics. Further, the interfacial characteristics between the electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane are improved, and a fuel cell with improved energy efficiency can be provided.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will also be appreciated that many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.

10: 제1 금속 산화물
15: 가돌리늄(Gd)이 도핑된 제1 금속 산화물
20: 제2 금속 산화물
30: 베이스 결합체
50: 가돌리늄(Gd)
100: 예비 전극 지지체
120: 전극 지지체
200: 음극
300: 전해질막
400: 음극
500: 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액
700: 연료전지
800: 전력제어장치
810: 출력장치
812: 전력변환장치
814: 계통연계장치
820: 축전장치
830: 충방전 제어장치
840: 시스템제어장치
910: AC 부하
920: 다른 전력계통
1000: 발전용 연료전지 시스템
10: First metal oxide
15: a first metal oxide doped with gadolinium (Gd)
20: Second metal oxide
30: base combination
50: Gadolinium (Gd)
100: spare electrode support
120: Electrode support
200: cathode
300: electrolyte membrane
400: cathode
500: solution containing gadolinium (Gd)
700: Fuel cell
800: Power control device
810: Output device
812: Power conversion device
814: Grid connection
820: Power storage device
830: charge / discharge control device
840: System control device
910: AC load
920: Other power systems
1000: Fuel cell system for power generation

Claims (13)

제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화(physical mixing)하여, 베이스 결합체를 형성하는 단계;
상기 베이스 결합체를 박막(thin layer) 형태의 예비 전극 지지체(preliminary electrode support)로 제조하는 단계; 및
상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑(doping)하여, 전극 지지체(electrode support)를 제조하는 단계를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
Physically mixing the first metal oxide and the second metal oxide to form a base combination;
Fabricating the base combination as a preliminary electrode support in the form of a thin layer; And
And doping the preliminary electrode support with gadolinium (Gd) to produce an electrode support.
제1 항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물은 세륨(Ce) 산화물을 포함하고,
상기 제2 금속 산화물은 니켈(Ni) 산화물을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first metal oxide comprises a cerium (Ce) oxide,
Wherein the second metal oxide comprises nickel (Ni) oxide.
제1 항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하기 전,
상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 소결조제(sintering aid)를 첨가하여 혼합하는 것을 더 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Before physically mixing the first metal oxide and the second metal oxide,
Further comprising adding and mixing a sintering aid to the first metal oxide and the second metal oxide.
제3 항에 있어서,
상기 소결조제는, 2가 혹은 3가의 금속 산화물을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
The method of claim 3,
Wherein the sintering assistant comprises a divalent or trivalent metal oxide.
제1 항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화 하는 것은,
상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 용매 및 분산제(dispersant)를 공급하여 수행되는 제1 물리적 혼합화 공정(first physical mixing process); 및
상기 제1 물리적 혼합화 공정이 수행된 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 결합제(bonding agent) 및 가소제(plasticizer)를 공급하여 수행되는 제2 물리적 혼합화 공정(second physical mixing process)을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The physical mixing of the first metal oxide and the second metal oxide,
A first physical mixing process performed by supplying a solvent and a dispersant to the first metal oxide and the second metal oxide; And
A second physical mixing process is performed by supplying a bonding agent and a plasticizer to the first metal oxide and the second metal oxide on which the first physical mixing process has been performed, Wherein the method comprises the steps of:
제1항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하는 것은,
상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 볼 밀링(Ball milling) 하는 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The physical mixing of the first metal oxide and the second metal oxide,
And ball milling the first metal oxide and the second metal oxide.
제1 항에 있어서,
상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하기 전,
상기 예비 전극 지지체 상에 음극(anode) 및 전해질막(electrolyte layer)을 차례로 형성하는 단계를 더 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Before doping the preliminary electrode support with gadolinium (Gd)
And forming an anode and an electrolyte layer on the preliminary electrode support in this order.
제7 항에 있어서,
상기 예비 전극 지지체 상에 상기 음극 및 상기 전해질막을 형성한 후,
상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막에 열 및 압력을 제공하는 것을 더 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
After the cathode and the electrolyte membrane are formed on the preliminary electrode support,
Further comprising providing heat and pressure to the preliminary electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane.
제7 항에 있어서,
상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하는 단계는,
상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을, 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액에 침지하는 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The step of doping the preliminary electrode support with gadolinium (Gd)
Wherein the preliminary electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane are immersed in a solution containing gadolinium (Gd).
제9 항에 있어서,
상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하는 단계는,
상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액에 침지한 후, 열 처리(thermal treatment)하는 것을 더 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The step of doping the preliminary electrode support with gadolinium (Gd)
Further comprising performing a thermal treatment after immersing the preliminary electrode support, the negative electrode, and the electrolyte membrane in a solution containing gadolinium (Gd).
제10 항에 있어서,
상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을 열 처리하는 단계는,
상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막에 가돌리늄(Gd)이 도핑되는 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The step of heat-treating the preliminary electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane,
Wherein the preliminary electrode support, the cathode, and the electrolyte membrane are doped with gadolinium (Gd).
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