KR101969767B1 - Interconnect layer having stable conducting behavior in solid oxide fuel cell stack and fabrication method of the unit cell using the same - Google Patents

Interconnect layer having stable conducting behavior in solid oxide fuel cell stack and fabrication method of the unit cell using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 스텍에서 안정적인 전도특성을 가지는 연결재층 및 상기 층의 단위 셀 내 형성 방법에 관한 것으로, 단위셀 내 음극 노출면 또는 음극 면 쪽에는 산화 및 환원분위기에서 공히 전도성을 가지는 Perovskite 계 연결재층을 사용하고 양극 노출 면 또는 양극 면에는 산화분위기에서만 전도성을 가지는 p-type 연결재층을 사용하되 상기 두 연결재층과 양극 또는 음극 노출면 쪽은 서로 접합되어 최종적으로 치밀막으로 형성된 연결재를 부착한 단위셀을 제작하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 제시된 연결재층은 단위 셀 내 음극면의 수소 농도 및 양극 면의 산소 농도의 변화에 관계없이 안정적인 전도성을 나타내어 단위 셀을 적층 한 스텍 내 입구 또는 출구 쪽 위치에 상관 없이 균일하고 안정적인 성능이 기대된다. The present invention relates to a connecting material layer having stable conduction characteristics in a solid oxide fuel cell stack and a method of forming the layer in a unit cell, and more particularly, to a cathode- Type connecting material layer is used for the positive electrode exposed surface or the positive electrode surface, and a p-type connecting material layer having conductivity only in the oxidizing atmosphere is used, and the two connecting material layers and the exposed surface of the positive electrode or negative electrode are bonded to each other, And the unit cell is attached. The connecting material layer shown in the present invention exhibits stable conductivity irrespective of changes in the hydrogen concentration of the cathode surface in the unit cell and the oxygen concentration in the anode surface, and the uniform and stable performance is obtained regardless of the position of the inlet or outlet of the stacked unit cell It is expected.

Description

고체산화물 연료전지 스텍에서 안정적인 전도특성을 가지는 연결재층 및 이를 이용한 단위셀 형성 방법{Interconnect layer having stable conducting behavior in solid oxide fuel cell stack and fabrication method of the unit cell using the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a solid oxide fuel cell stack having a stable conductive property and a unit cell forming method using the solid oxide fuel cell stack.

본 발명의 목적은 고체산화물 연료전지의 스텍 제작을 위한 단위셀들의 적층 시 단위셀 사이의 음극과 양극 면을 연결하는 연결재층의 형성에 있어서, 양극면 및 음극면에서의 다양한 농도의 산소 및 수소 분위기에서도 안정적인 성능을 구현하는 연결재층 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. It is an object of the present invention to provide a method for forming a connecting material layer for connecting a cathode and an anode surface between unit cells in the stacking of unit cells for stacking solid oxide fuel cells, And a method for manufacturing the same.

일반적으로 사용되는 고체산화물 연료전지는 대게 700℃ 이상의 고온에서 작동하며, 단위셀의 anode, electrolyte, cathode 층을 통상 Ni/YSZ cermet, YSZ (Yttria Stabilized Zirconia), 및 LSM (La0 . 8Sr0 . 2MnO3) 등의 재료로 각각 구성하여 단위 셀을 제작한다. 이러한 고체산화물 연료전지 단위셀은 1V 이상의 Open circuit voltage를 만들어 내지만 복수의 단위셀을 전기적으로 연결하여 Stack을 제작함으로써 전압을 증가시켜 더 대용량화 할 수 있다. 따라서 스텍은 하나의 단위셀의 음극과 인접한 이웃한 단위셀의 양극을 전기적으로 연결시켜야 하며, 이때 음극 또는 양극의 노출면에 치밀막으로 접합 형성하여 가스 간 혼입을 막는 동시에 셀 간 전기적 연결을 하는 것이 연결재 (Interconnect)이다. Generally the solid oxide fuel cells operate at high temperatures, usually above 700 ℃, anode, electrolyte, conventional Ni / YSZ the cathode layer cermet, YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) of the unit cell used, and LSM (La 0. 8 Sr 0 . 2 MnO 3) respectively made of a material such as to produce a unit cell. Such a solid oxide fuel cell unit cell produces an open circuit voltage of 1 V or more, but it can increase the capacity by increasing the voltage by fabricating a stack by electrically connecting a plurality of unit cells. Therefore, the stack must electrically connect the anode of one unit cell with the anode of a neighboring unit cell adjacent to the unit cell. In this case, a dense membrane is formed on the exposed surface of the cathode or anode to prevent gas intermixing, It is an interconnect.

이러한 고체산화물 연료전지 시스템에서는 anode와 cathode에 연료가스 (주로 수소)와 공기 (산소가 포함된 혼합가스)가 각각 공급되기 때문에 한 단위셀의 anode과 인접한 단위셀의 cathode를 전기적으로 연결하는 연결재는 연료가스와 공기가 섞이지 않도록 기공이 없는 치밀막으로 형성되어야 한다. In the solid oxide fuel cell system, fuel gas (mainly hydrogen) and air (mixed gas containing oxygen) are supplied to the anode and the cathode, respectively. Therefore, the anode material of the unit cell and the cathode material of the adjacent unit cell are electrically connected to each other It should be formed of dense membrane without pores so that fuel gas and air are not mixed.

또한, 막의 양면이 서로 다른 환경 (산화/환원)에 동시에 노출되기 때문에 양쪽 분위기에서 모두 준수한 전기적 전도 성능을 보여주어야 한다. 연결재로 주로 사용되는 재료는 금속산화물 형태인 세라믹재료가 유리한데 이는 고체산화물 연료전지의 anode, cathode 그리고 전해질 역시 주로 금속산화물 형태이기 때문이고 또한 접착력 및 열적 매칭 면에서 금속에 비해 유리하다. In addition, since both sides of the membrane are simultaneously exposed to different environments (oxidation / reduction), electrical conduction performance must be observed in both the atmospheres. The main material used as the connecting material is a ceramic material in the form of a metal oxide, which is advantageous because the anode, cathode and electrolyte of the solid oxide fuel cell are also mainly in the form of a metal oxide, and also in terms of adhesion and thermal matching.

대표적인 ABO3 페로브스카이트 구조의 세라믹 연결재로 산화 및 환원분위기에서 안정적이고 준수한 전도 특성을 갖으며 다른 구성 물질과의 매칭이 용이한 것으로 LaCrO3계 물질이 알려져 왔다. 하지만 고온에서의 Cr의 휘발성으로 인한 소결성 문제로 얇고 치밀한 박막의 형성이 어려울 뿐만 아니라 p-type 전도 거동으로 인한 환원분위기에서의 낮은 전기전도도 값이 약점으로 작용한다. 한편 La-doped SrTiO3 (LST) 계 물질은 매우 우수한 소결성으로 인해 치밀막 형성이 매우 용이하고 n-type 전도 거동으로 인해 환원분위기에서 우수한 전기전도도를 보여주지만 산화분위기에서의 상대적으로 낮은 전기전도도가 약점으로 작용한다. 산화 및 환원분위기에 동시에 노출이 되는 연결재의 대한 기술개발이 최근 다양한 방향으로 이루어지고 있다.LaCrO 3 -based materials have been known as ceramic interconnecting materials of typical ABO 3 perovskite structure, which have stable and conformal conduction characteristics in oxidation and reduction atmosphere and are easy to match with other constituent materials. However, it is difficult to form a thin and dense thin film due to the sinterability due to the volatility of Cr at high temperature, and the low electric conductivity value in the reducing atmosphere due to the p-type conduction behavior acts as a weak point. On the other hand, the La-doped SrTiO 3 (LST) material is very easy to form a dense film due to its excellent sinterability and exhibits excellent electrical conductivity in a reducing atmosphere due to n-type conduction behavior, It acts as a weak point. Recently, the development of a coupling material which is simultaneously exposed to an oxidizing and reducing atmosphere has been carried out in various directions.

종래의 기술로서 한국 공개특허 10-2013-0040311에서는 n형 전도층과 p형 전도층의 이중층 구조의 연결재를 제안하여 위에서 언급한 단점을 극복한 사례가 있다. 산화분위기에 노출되는 (단위셀의 cathode과 접촉하게 되는) 쪽은 p-type 전도거동을 보이는 박막으로 구성하고 환원분위기에 노출되는 (인접한 또 다른 단위셀의 anode와 접촉하게 되는) 쪽은 n-type 전도거동을 보이는 박막으로 상접된 이중층을 구성하는 것을 특징으로 한다. 하지만, 이러한 이중층 연결재층은 전도성능을 높이기 위해 얇은 박막으로 형성되는 경우, 도 1에서와 같이 경우에 따라 두 가지 형태의 성능 저하를 겪을 수 있다. Korean Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 10-2013-0040311 discloses a double layer structure of an n-type conductive layer and a p-type conductive layer, which overcomes the above drawbacks. The anode exposed to the oxidizing atmosphere (which comes into contact with the cathode of the unit cell) is composed of a thin film exhibiting p-type conduction behavior. The side exposed to the reducing atmosphere (in contact with the anode of another adjacent unit cell) type conduction type thin film is formed as a double layer. However, when the double-layered connecting material layer is formed of a thin film to improve the conduction performance, it may experience two types of performance deterioration as shown in FIG.

첫 번째 경우, cathode와 접합하고 있는 p-type 전도층 쪽으로 공급되는 산소의 농도가 작아져 일정한 분해점(115) 이하로 진입한다면 계면(103)에서부터 p-type 전도층은 환원되기 시작하면서 구조적으로 불안정해지며 이는 연결재 전체적인 전도특성 저하로 이어진다. In the first case, if the concentration of oxygen supplied to the p-type conduction layer that is bonded to the cathode becomes small and enters a certain decomposition point 115 or less, the p-type conduction layer starts to be reduced from the interface 103, Which leads to a deterioration in the overall conductivity of the connecting material.

두 번째 경우, 인접한 단위셀의 anode와 접합하고 있는 n-type 전도층 쪽으로 공급되는 수소의 농도가 작아진다면 n-type 전도층 내부는 상대적으로 높은 산소분압에 노출되고, 이는 낮은 산소분압에서 뛰어난 전도특성을 갖는 n-type 전도층의 전도도 감소와 함께 연결재 전체적인 전도특성 저하로 이어진다. In the second case, if the concentration of hydrogen supplied to the n-type conduction layer connected to the anode of the adjacent unit cell becomes small, the inside of the n-type conduction layer is exposed to a relatively high oxygen partial pressure, The conductivity of the n-type conductive layer having the characteristic is reduced, and the conductive property of the entire conductive layer is lowered.

기존의 n-type 전도층과 p-type 전도층으로 이루어진 이중층의 경우 상기의 조건으로 구성하였을 때, 비교 예 1에서와 같이 공급수소의 농도가 감소함에 따라 저항의 증가가 관찰되었으며 이는 추후 단위셀을 연결하여 스택을 구성하였을 때 연료 농도가 희박한 연료 출구 쪽에서 급격한 성능 저하를 초래할 수 있다. In the case of the double layer consisting of the conventional n-type conductive layer and the p-type conductive layer, resistance was increased as the concentration of supplied hydrogen was decreased as in Comparative Example 1, The stack structure may cause a sudden performance deterioration at the fuel outlet where the fuel concentration is low.

다른 방법은 산화 및 환원조건에서 공히 전도성을 보이는 amphoteric type의 연결재를 사용하는 것이지만, 불행히도 이러한 재료들은 전도도가 지극히 낮아서 아주 얇은 박막의 조건에서 사용되어야 하며 이렇게 박막의 조건에서는 양면의 산화/환원 분위기로 인해 구조적으로 안정하지 못하게 되어 현실적인 적용이 불가능하다.Another method is to use an amphoteric type of conductive material that exhibits conductivity both under oxidizing and reducing conditions. Unfortunately, these materials are extremely low in conductivity and should be used under very thin film conditions. In this thin film condition, It is structurally unstable and thus impossible to be practically applied.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 연결재가 노출되어 있는 양극에 공급되는 산소의 농도나 음극에 공급되는 수소의 농도에 상관없이 일정하고 안정적인 높은 전도성을 구현할 수 있는 새로운 이중층 연결재층 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다. A problem to be solved by the present invention is to provide a novel double-layered connecting layer capable of realizing constant and stable high conductivity irrespective of the concentration of oxygen supplied to the anode in which the connecting material is exposed or the concentration of hydrogen supplied to the anode, and a method for manufacturing the same. .

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 In order to solve the above problems,

산화와 환원 분위기에서 전도성을 가지는 양쪽성 페로브스카이트 전도층; 및An amphoteric perovskite conducting layer having conductivity in an oxidizing and reducing atmosphere; And

산화 분위에서 전도성을 가지는 p-형 페로브스카이트 전도층이 접합되어 이루어지며,And a p-type perovskite conducting layer having conductivity in the oxidized region is bonded,

상기 양쪽성 페로브스카이트 전도층은 단위셀의 음극에 접하며, The amorphous perovskite conducting layer is in contact with the negative electrode of the unit cell,

상기 p-형 페로브스카이트 전도층은 단위셀의 양극에 접하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 이중 전기연결재를 제공한다. And the p-type perovskite conductive layer is in contact with the anode of the unit cell.

본 발명은 일 측면에서,The present invention, in one aspect,

단위셀과 전기 연결재가 교대로 적층되는 고체산화물 연료 전지에 있어서, 1. A solid oxide fuel cell in which unit cells and electrical connecting materials are alternately stacked,

산화와 환원 분위기에서 전도성을 가지는 양쪽성 페로브스카이트 전도층; 및An amphoteric perovskite conducting layer having conductivity in an oxidizing and reducing atmosphere; And

산화 분위에서 전도성을 가지는 p-형 페로브스카이트 전도층이 접합되어 이루어지며,And a p-type perovskite conducting layer having conductivity in the oxidized region is bonded,

상기 양쪽성 페로브스카이트 전도층은 단위셀의 음극에 접하며, The amorphous perovskite conducting layer is in contact with the negative electrode of the unit cell,

상기 p-형 페로브스카이트 전도층은 단위셀의 양극에 접하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지를 제공한다. And the p-type perovskite conducting layer is in contact with the anode of the unit cell.

본 발명은 또 다른 일 측면에서, According to another aspect of the present invention,

본 발명은 산화와 환원분위기에서 공히 전도도를 갖는 amphoteric type의 페로브스카이트 물질로 음극 면 쪽 또는 음극 노출면에 아주 얇은 박막의 연결재층을 형성하는 단계; 및 양극 노출면 또는 양극 면 쪽에는 산화분위에서만 전도성을 가지는 p-type 페로브스카이트 물질을 형성하고 최종적으로 이 두 연결재층과 음극 또는 양극 노출면 사이를 함께 치밀막으로 접합하여 최종적으로 완성된 단위 셀을 제조할 수 있는 이중층 연결재 및 이를 이용한 단위 셀 제작법을 제공하는 것을 포함한다.The present invention relates to an amphoteric type perovskite material having conductivity both in an oxidizing and reducing atmosphere, comprising the steps of: forming a very thin thin film connecting material layer on a cathode side or a cathode exposed side; And a p-type perovskite material having conductivity only in the oxidized region is formed on the anode exposed surface or the anode surface side. Finally, the two connecting material layers and the cathode or anode exposed surface are jointed together with the dense film, And a method for manufacturing a unit cell using the same.

본 발명에 있어서, 상기 페로브스카이트 물질은 금속산화물 세라믹 재료로써 아래와 같이 표현 될 수 있다.In the present invention, the perovskite material may be expressed as a metal oxide ceramic material as follows.

AxA'1-xB1-yB'yO3 A x A ' 1-x B 1 -y B' y O 3

여기서 A는 히토류금속, A'는 알칼리토금속, B와 B'는 전이금속이며 여기서 히토류 금속은 La, Y에서 하나 선택되며 알칼리토금속은 Ca, Sr, Ba에서 하나 선택되며 B와 B'의 전이금속들은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 중에서 각각 선택된다.Wherein A is a halide metal, A 'is an alkaline earth metal, B and B' are transition metals, wherein the metal halide is selected from La and Y, the alkaline earth metal is selected from Ca, Sr and Ba, The transition metals are selected from among Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu.

*본 발명의 바람직한 실시에 있어서 음극 면 또는 음극 노출면에 형성되는 연결재층은 히토류금속 A로 La, 알칼리토금속으로 A`로 Sr, 전이금속으로 B는 Ti, B`는 Mn으로 선택되어 LSTM (LaxSr1 - xTi1 - yMnyO3)으로 명명되며 상기 물질은 산화분위기와 환원분위기에서 동시에 전도특성을 나타낸다.In the preferred embodiment of the present invention, the connecting material layer formed on the cathode surface or the exposed surface of the negative electrode is selected from the group consisting of La as the lead metal A, Sr as the alkaline earth metal A, Sr as the transition metal, Ti as the transition metal, (La x Sr 1 - x Ti 1 - y Mn y O 3 ), and the material exhibits conduction characteristics simultaneously in an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere.

본 발명의 바람직한 실시에 있어서 LSTM 연결재층에 접합되는 p-type 연결재층은 상기의 페로브스카이트계 물질에서 A로 La, A`로 Sr, B의 전이금속으로는 Mn 만이 선택되어 LSM (LaxSr1 - xMnO3, 여기서 x=0.8)으로 명명되며 산화분위기에서 우수한 전도특성을 나타낸다.A p-type layer to be bonded to the consolidated LSTM consolidated layers in a preferred embodiment of the present invention are La, A` by A in teugye perovskite material of the Sr, the transition metals of B is selected, only La Mn (LSM x Sr 1 - x MnO 3 , where x = 0.8) and exhibits excellent conduction properties in an oxidizing atmosphere.

본 발명에 있어서, 이중층 연결재를 구성하는 음극 면 쪽 연결재층 (amphoteric type)의 두께는 50㎛ 이하, 바람직하게는 10㎛ 이하로 피복되며, 양극 면 쪽의 연결재층 (p-type)은 500㎛ 이하, 바람직하게는 50㎛, 보다 바람직하게는 10㎛ 이하로 피복되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the thickness of the cathode-side side amphoteric type layer constituting the double-layer connection material is coated to 50 μm or less, preferably 10 μm or less, and the thickness of the connection layer (p-type) Or less, preferably 50 m, more preferably 10 m or less.

본 발명의 실시에 있어서, 다공성 음극지지체 또는 양극지지체의 노출 표면 위에 해당 연결재층을 형성할 때 딥코팅 (dip coaring) 법과 스프레이 (spray) 코팅법 등의 일반적인 습식 피복법에 의해 손쉽게 형성할 수 있으며 나머지 연결재층을 바로 spray 피복법 등으로 피복한 후 최종 섭씨 1400도 내외에서의 소결로 이중층의 연결재 치밀막이 안정하게 형성될 수 있는 장점이 있다.In the practice of the present invention, it is possible to easily form the connecting material layer on the exposed surface of the porous cathode support or the anode support by a general wet coating method such as a dip coating method and a spray coating method The remaining connecting material layer is directly coated with spray coating or the like, and the sintering furnace of the double layer can be stably formed at a final temperature of about 1400 ° C.

본 발명은 종래의 고체산화물 연료전지 스텍의 단위셀 간 연결에 사용되는 n-type/p-type의 이중층 연결재가 갖고 있는 저 농도 수소 분위기에서의 전도도 저하 문제점을 극복하기 위해, 상기 n-type 대신 산화/환원 분위기에서 공히 전도성이 있는 amphoteric-type의 물질을 얇게 피복하고 여기에 산화분위기 에서만 높은 수치의 전도성이 있는 p-type을 접합하여 구조적으로 안정화되고 고압산소/저압수소 분위기나 저압산소/고압수소 분위기에서도 공히 안정적인 전도성을 나타내는 이중층의 연결재를 치밀막으로 접합하여 사용하는 것이 제안된다. 본 발명에서 제안된 이중층 연결재는 각 층이 10㎛ 이하 두께의 박막으로 제조된 극한 조건에서도 음극 면 및 양극 면에서 각각 97% ~ 2%의 수소 농도 조건과 21% ~ 1% 산소 농도 범위와 800℃의 고온 조건에서도 안정적이고 높은 전도도를 나타내었다. In order to overcome the problem of lowering the conductivity in a low concentration hydrogen atmosphere of an n-type / p-type double-layer connection material used for connecting unit cells of a conventional solid oxide fuel cell stack, In the oxidation / reduction atmosphere, a conductive amphoteric-type material is thinly coated, and a conductive p-type having a high level is bonded only in an oxidizing atmosphere, so that it is structurally stabilized and a high pressure oxygen / low pressure hydrogen atmosphere, It is proposed to use a double-layered connecting material, which exhibits stable conductivity even in a hydrogen atmosphere, with a dense film. In the present invention, the double layer connection material has a hydrogen concentration of 97% to 2%, an oxygen concentration of 21% to 1% and an oxygen concentration of 800 Lt; RTI ID = 0.0 > C, < / RTI >

도 1은 이중충 연결재에서 산화/환원 분위기의 산소농도 또는 수소농도의 변화에 따라 형성되는 산소분압 거동에 대한 그림이다.
도 2는 음극지지체 상에서 본 발명에 의해 개발된 이중층 연결재를 이용한 양극 면 산소농도 또는 음극 면의 수소농도 변화에 따른 비면적 저항값을 보여주는 그림이다.
도 3은 비교 예 1에서 진행한 종래의 n-type 전도층/p-type 전도층의 이중층 연결재를 이용한 양극 면의 산소농도 또는 음극 면의 수소농도 변화에 따른 비면적 저항값을 보여주는 그림이다
FIG. 1 is a graph showing oxygen partial pressure behavior formed in accordance with a change in oxygen concentration or hydrogen concentration in an oxidizing / reducing atmosphere in a double filler. FIG.
FIG. 2 is a graph showing a specific area resistance value according to a change in hydrogen concentration on a cathode surface or an oxygen concentration on a cathode surface using a double layer connection material developed by the present invention on a cathode support.
3 is a graph showing a specific area resistance value according to the oxygen concentration of the anode surface or the hydrogen concentration of the cathode surface using the double layer connection material of the conventional n-type conductive layer / p-type conductive layer conducted in Comparative Example 1

이하, 실시 예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시 예는 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니며, 본 발명을 예시하기 위한 것임을 유념하여야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. It should be noted that the following examples are not intended to limit the invention and are intended to illustrate the invention.

(실시 예 1)(Example 1)

본 발명에서 제안된 산화/환원 분위기 변동의 조건에서도 안정한 이중층 연결재를 평가하기 위하며 먼저 기공성을 갖는 NiO-YSZ anode 지지체를 제작하였다. 우선 NiO (J. T. Baker)과 YSZ (Y2O3 stabilized ZrO2 , Tosho)를 55 wt.% : 45 wt.%로 섞어 준 후 그 혼합물 무게의 25 wt.%에 해당하는 graphite를 기공 형성제로 사용하여 에탄올과 지르코니아 볼과 혼합하여 24시간 가량 ball milling을 진행하였다. 얻어진 샘플을 건조시킨 후 적당량의 분말을 프레스를 이용하여 압축하고 1200℃에서 3시간 소결시킴으로써 버튼 모양의 porous anode 지지체를 만들었다. In order to evaluate stable double-layered joints under the conditions of the oxidation / reduction atmosphere variation proposed in the present invention, a porous NiO-YSZ anode support was first prepared. First, NiTi (YT Baker) and YSZ (Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 , Tosho) were mixed at 55 wt.%: 45 wt.%, And graphite corresponding to 25 wt. The mixture was mixed with ethanol and zirconia balls and ball milling was performed for about 24 hours. After drying the obtained sample, an appropriate amount of powder was pressed using a press and sintered at 1200 ° C for 3 hours to form a button-like porous anode support.

한편 본 발명을 통해 개발된 이중층 연결재 중 기존의 n-type 전도층을 대체하기 위해 LST (La0 . 4Sr0 . 6TiO3)에 적당량의 Mn이 부분 치환된 LSTM (La0.4Sr0.6Ti0.6Mn0.4O3)을 합성하기 위한 쉬운 예로 고상합성법을 이용하였으며, 당량비의 La2O3(Sigma-aldrich, 99.99%), SrCO3 (Sigma-aldrich, 98%), TiO2 (Acros, 98%), 그리고 MnCO3 (Sigma-aldrich, 99.9%) 분말을 에탄올과 지르코니아 볼과 함께 24시간 가량 볼밀링 시켜준 후 건조하고 이를 1400도 3시간의 열처리를 통하여 합성한 후 최종 ball milling하여 적당 크기의 분말을 얻어낸 후, 치밀막 형성을 위한 한 예로 dip coating울 이용하였다. 딥코팅 슬러리 제작을 위하여 합성된 LSTM 분말을 유기용매와 바인더 및 각종 첨가제를 일정 비율로 첨가해 준 후 볼밀링 (ball milling) 해준다. 얻어진 슬러리를 이용해 소결된 anode 지지체의 한쪽 면을 딥코팅 방법을 통해 원하는 두께로 코팅하여 1st 전도층을 형성시켰다. 이후 2nd 전도층의 박막 코팅은 p-type의 LSM ( La0 . 8Sr0 . 2MnO3, Fuel Cell Materials사) 분말을 이용하였다. 이번에는 다른 한 예로 스프레이 방법을 이용한 코팅을 적용하기 위해서 유기용매와 바인더 및 각종 첨가제를 혼합해준 후 스프레이 기기를 통해 1st 전도층 위에 균일하게 코팅을 시켜 주었다. 그다음 소결로를 이용하여 2℃/min의 속도로 승온 시키면서 최종적으로 1400℃ 에서 3시간가량 소결시켜주는 열처리과정을 통해 치밀한 구조와 함께 각각 약 10㎛의 두께를 갖으며 전체 두께는 약 20 ㎛의 두께를 특징으로 하는 본 발명의 이중층 연결재를 형성 시킬 수 있다. In order to replace the double layer existing in the n-type conductive layer of the consolidated developed in the present invention LST (La 0. 4 Sr 0 . 6 TiO 3) a La (LSTM an appropriate amount of Mn is partially substituted for 0.4 Sr 0.6 Ti 0.6 Mn 0.4 O 3 ), solid phase synthesis was used, and an equivalent ratio of La 2 O 3 (Sigma-aldrich, 99.99%), SrCO 3 (Sigma-aldrich, 98%) , TiO 2 (Acros, 98%) and MnCO 3 (Sigma-aldrich, 99.9%) were milled together with ethanol and zirconia balls for 24 hours, dried and heat treated at 1400 ° C for 3 hours, Milling was used to obtain a suitable size of powder, and dip coating was used as an example for dense film formation. For the preparation of the dip coating slurry, the synthesized LSTM powder is added to the organic solvent, the binder and various additives at a predetermined ratio, followed by ball milling. One surface of the sintered anode support was coated with a desired thickness through a dip coating method using the obtained slurry to form a 1st conductive layer. Since the thin film coating of the 2nd conductive layer was used for the p-type of LSM (La 0. 8 Sr 0 . 2 MnO 3, Fuel Cell Materials , Inc.) powder. In this case, organic solvents, binders and various additives were mixed in order to apply a coating using a spray method, and then uniformly coated on the 1st conductive layer through a spray device. The sintering furnace is heated at a rate of 2 ° C / min and finally sintered at 1400 ° C for about 3 hours. The sintered compact has a dense structure and a thickness of about 10 μm and a total thickness of about 20 μm The thickness of the double-layer connection material of the present invention can be formed.

상기 본 발명의 2중층 연결재를 이용하여 전도도를 측정하였다. 음극지지체 면으로는 수소가스가 공급되는 분위기(환원분위기)에 노출되고 p-type 전도층 (또는 2nd 전도층)의 양극 면으로는 산소가스가 공급되는 분위기(산화분위기)에 노출을 시키며 각 가스는 완전한 밀봉을 통해 섞이지 않도록 한다. 800도의 고온과 각 가스가 공급되는 분위기에서 24시간 이상 안정화 과정을 유지 시켜주었으며 ASR (비면적 저항: area specific resistance) 값을 DC 4-probe method를 이용하여 측정하였다. 산화분위기와 환원분위기에 각각 공급되는 산소와 수소의 농도는 질소가스와의 혼합을 통해 조절되었으며 산화분위기의 산소농도는 21% ~ 1%, 환원분위기의 수소농도는 97% ~ 2%로 조절되었다. 공급되는 산소농도가 변화하는 실험에서는 반대편의 수소공급 97%의 농도로 유지가 되었으며, 반대로 공급되는 수소농도가 변화하는 실험에서는 반대편의 산소공급은 21%로 유지를 시켰다. 도 2의 결과에서 첫 번째 그림에서 보는 것처럼 양극 면의 산소농도가 21% ~ 1%의 변화 범위에서는 일정한 전도도 값을 나타내었다. 또한 두 번째 그림에서 보는 것처럼, 양극면에 21%의 산소를 노출시킨 조건에서 수소 농도가 97%에서 2%로 감소 함에도 불구하고 비면적 저항이 0.157 Ω㎠으로 일정하게 유지되었다.The conductivity was measured using the double-layered connector of the present invention. The anode support surface is exposed to an atmosphere in which hydrogen gas is supplied (reducing atmosphere) and an anode surface of the p-type conductive layer (or second conductive layer) is exposed to an atmosphere (oxygen atmosphere) in which oxygen gas is supplied. Should not be mixed through complete sealing. The ASR (area specific resistance) value was measured by the DC 4-probe method. The temperature was maintained at 800 ° C for 24 hours. The concentrations of oxygen and hydrogen supplied to the oxidizing atmosphere and the reducing atmosphere were controlled through mixing with nitrogen gas, and the oxygen concentration in the oxidizing atmosphere was adjusted to 21% to 1% and the hydrogen concentration in the reducing atmosphere was adjusted to 97% to 2% . In experiments where the supplied oxygen concentration was changed, the opposite side of the hydrogen supply was maintained at a concentration of 97%. On the other hand, when the supplied hydrogen concentration was changed, the oxygen supply of the opposite side was maintained at 21%. As shown in the first figure, the oxygen concentration of the anode surface showed a constant conductivity value in the range of 21% to 1%. Also, as shown in the second figure, the specific area resistance was kept constant at 0.157 Ω cm 2 even though the hydrogen concentration was decreased from 97% to 2% under the condition that the anode surface was exposed to 21% oxygen.

(비교 예 1)(Comparative Example 1)

기존의 n-type 전도층 구성을 위하여 대표적으로 n-type 전도특성을 갖는 La0.4Sr0.6TiO3 (LST) 물질을 고상합성법을 통하여 합성하였다. 당량비의 La2O3(Sigma-aldrich, 99.99%), SrCO3 (Sigma-aldrich, 98%) 그리고 TiO2 (Acros, 98%) 분말을 에탄올과 지르코니아 볼과 함께 24시간 가량 볼밀링 시켜준 후 건조하고 이를 1400도 3시간의 열처리를 통하여 LST를 합성할 수 있다. 합성된 LST 분말을 이용하여 치밀한 n-type의 1st 전도층 박막 코팅은 anode 지지체의 한쪽 면에 실시 예 1에서와 같은 방법으로 딥코팅을 통해 코팅해 준다. 이후 p-type 2nd 전도층 역시 실시 예 1에서 같은 LSM 재료와 같은 spray 법을 이용하여 균일하게 코팅을 시켜 주었다. 소결로를 이용하여 실시 예 1에서 처럼 2℃/min의 속도로 승온시켜 최종적으로 1400℃ 에서 3시간가량 소결시켜주는 열처리과정을 함으로써 치밀한 구조와 함께 각각 약 10㎛의 두께를 갖으며 전체 두께는 약 20 ㎛의 두께를 특징으로 하는 이중층 연결재를 형성시킬 수 있다. For the conventional n-type conduction layer structure, La 0.4 Sr 0.6 TiO 3 (LST) material with n-type conductivity is synthesized by solid phase synthesis method. Equivalent ratio of La 2 O 3 (Sigma-aldrich, 99.99%), SrCO 3 (Sigma-aldrich, 98%) and TiO 2 (Acros, 98%) powder was milled together with ethanol and zirconia balls for 24 hours, dried and heat treated at 1400 ° C for 3 hours to form LST. Using the synthesized LST powder, a dense n-type 1st conductive layer thin film coating is coated on one side of the anode support by dip coating in the same manner as in Example 1. [ Then, the p-type second conductive layer was uniformly coated using the same spraying method as that of the LSM material in Example 1. The sintering furnace was heated at a rate of 2 ° C / min as in Example 1, and finally sintered at 1400 ° C for 3 hours to form a dense structure having a thickness of about 10 μm, Lt; RTI ID = 0.0 > 20 um. ≪ / RTI >

전도성 측정 결과 도 3에서 보는 것처럼 산소농도 변화 (21% ~ 1%) 실험에서는 상기 이중층 연결재의 전도특성은 큰 변화가 없었는데 이는 산소의 농도가 21%에서 1%까지 감소하여도 도1에서 언급한 것과 같이 p-type 전도층내에 형성되는 산소분압 환경이 분해점이 도달하지 않았다는 것을 의미한다. p-type 전도층으로 사용된 LSM 물질은 1atm ~ 10-8atm의 환경에서 일정한 전도도를 보이는 연구결과가 있으며, 이는 공급산소의 농도가 21% 에서 1%로 감소한다고 해도 LSM 전도층 내부의 산소분압 환경은 여전히 10-8atm 이상의 환경에 노출이 된다고 판단된다. 한편 두 번째 그림의 수소농도변화 실험에서는 수소농도의 감소에 따라 저항이 증가하다 20%의 농도부근에서 급격하게 저항이 증가하는 것이 관찰되었다. 이는 도 1에서와 같이 공급되는 수소농도의 감소에 따라 1st 전도층 내부가 상대적으로 높은 산소분압 환경에 노출이 되며 계면(103)에서부터 상대적인 산화가 되기 때문이다. n-type 전도층으로 사용된 LST 물질은 일반적으로 산소분압이 높은 환경일수록 낮은 전도도를 보이고, 이 원인으로 연결재의 전체적인 저항 값이 증가하는 것으로 볼 수 있으며, 따라서 종래의 n-type/p-type의 이중층 연결재는 수소 농도가 감소하는 스텍의 출구 쪽에서는 저항 증가로 인한 스텍의 성능 감소가 필연적으로 일어나게 된다. Conductivity measurement results As shown in FIG. 3, in the experiment of oxygen concentration change (21% ~ 1%), the conduction characteristics of the double layer connection material did not change much, which means that the concentration of oxygen decreases from 21% to 1% The oxygen partial pressure environment formed in the p-type conductive layer does not reach the decomposition point. The LSM material used as the p-type conduction layer has a constant conductivity in the range of 1 atm to 10 -8 atm, which means that even if the oxygen concentration is reduced from 21% to 1%, oxygen inside the LSM conduction layer It is considered that the partial pressure environment is still exposed to the environment of 10 -8 atm or more. On the other hand, in the experiment of hydrogen concentration change in the second figure, the resistance increases with the decrease of the hydrogen concentration, and the resistance increases abruptly at the concentration of 20%. This is because the inside of the first conductive layer is exposed to a relatively high oxygen partial pressure environment as the hydrogen concentration is reduced as shown in FIG. 1 and relatively oxidized from the interface 103. The LST material used as the n-type conductive layer generally exhibits low conductivity as the oxygen partial pressure is high, and as a result, the overall resistance value of the connection material increases. Therefore, the conventional n-type / p-type The double layer connection of the stack will inevitably have a decrease in the performance of the stack due to the increase in resistance at the outlet of the stack where the hydrogen concentration is decreased.

101 : p-type 전도층 (2nd 전도층)
102 : n-type 전도층 또는 발명을 통해 개선된 전도층 (또는 1st 전도층)
103 : 이중층 사이 계면
104 : Cathode
105 : Anode
111 : 21% O2/N2
112 : 1% O2/N2
113 : 97% H2/N2
114 : 2% H2/N2
115 : p-type 전도층의 분해 산소분압 (LSM의경우 : 10-8atm)
101: p-type conductive layer (2nd conductive layer)
102: an n-type conductive layer or an improved conductive layer (or 1st conductive layer)
103: Interface between bilayers
104: Cathode
105: Anode
111: 21% O 2 / N 2
112: 1% O 2 / N 2
113: 97% H 2 / N 2
114: 2% H 2 / N 2
115: decomposition oxygen partial pressure of the p-type conductive layer (LSM: 10 -8 atm)

Claims (9)

산화와 환원 분위기에서 전도성을 가지는 양쪽성 페로브스카이트 전도층; 및
산화 분위기에서 전도성을 가지는 p-형 페로브스카이트 전도층이 접합되어 이루어지며,
상기 양쪽성 페로브스카이트 전도층은 단위셀의 음극에 접하며,
상기 p-형 페로브스카이트 전도층은 단위셀의 양극에 접하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 이중 전기연결재.
An amphoteric perovskite conducting layer having conductivity in an oxidizing and reducing atmosphere; And
And a p-type perovskite conducting layer having conductivity in an oxidizing atmosphere are bonded to each other,
The amorphous perovskite conducting layer is in contact with the negative electrode of the unit cell,
And the p-type perovskite conducting layer is in contact with the anode of the unit cell.
제1항에 있어서, 양 페로브스카이트 전도층은 하기 화학식으로 표현될 수 있으며,
AxA'1-xByB'1-yO3
여기서 A는 히토류금속, A'는 알칼리토금속, B와 B'는 전이금속이며,
상기 히토류 금속은 La, Y에서 하나 선택되며,
상기 알칼리토금속은 Ca, Sr, Ba에서 하나 선택되며,
상기 전이금속은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu에서 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 이중 전기연결재.
3. The method of claim 1, wherein the perovskite conductive layer is represented by the following formula:
A x A ' 1-x B y B' 1 -y O 3
Wherein A is a halide metal, A 'is an alkaline earth metal, B and B' are transition metals,
The metal halide is selected from La and Y,
The alkaline earth metal is selected from Ca, Sr and Ba,
Wherein the transition metal is selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu.
제1항에 있어서, 음극에 접하는 양쪽성 페로브스카이트는 LaxSr1 - xTi1 - yMnyO3 이며, 여기서 x 및 y의 값은 0.2-0.8이며,
상기 양극에 접하는 p형 페로브스카이트는 LaxSr1 - xMnO3이며, 여기서 x 값은 0.2-0.8인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 이중 전기 연결재.
The amorphous perovskite material according to claim 1, wherein the amorphous perovskite in contact with the cathode is La x Sr 1 - x Ti 1 - y Mn y O 3 , wherein the values of x and y are 0.2-0.8,
Wherein the p-type perovskite in contact with the anode is La x Sr 1 - x MnO 3 , wherein the x value is 0.2-0.8.
제1항에 있어서, 양쪽성 페로브스카이트 전도층과 p형 페로브스카이트 전도층은 각각 10 ㎛이하의 두께인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 이중 전기 연결재.The double electrical connector according to claim 1, wherein the amorphous perovskite conductive layer and the p-type perovskite conductive layer each have a thickness of 10 mu m or less. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 전기 연결재와 단위셀이 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지.The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the electric connection material and the unit cell are alternately laminated. 고체산화물 연료전지의 스텍 제작에 있어서,
적층되는 단위셀에 산화 및 환원 분위기에서 공히 전도성을 나타내는 amphoteric-type의 연결재층과 산화분위기에서만 전도성을 나타내는 p-type의 연결재층을 이중으로 접합하여 사용하되, 음극 노출면 (음극지지체 경우)에는 산화 및 환원 분위기에서 공히 전도성을 나타내는 amphoteric-type의 연결재층이 접합되고 양극 노출면 (양극지지체 경우)에는 산화분위기에서 전도성을 나타내는 p-type의 연결재층이 접합되도록 완성된 치밀막의 이중 연결재층과 단위셀을 교대로 적층하는 것을 특징으로 하는 방법.
In the production of a stack of solid oxide fuel cells,
The amorphous-type connecting material layer, which exhibits conductivity both in the oxidizing and reducing atmosphere, and the p-type connecting material layer, which exhibits conductivity only in the oxidizing atmosphere, are double-bonded to the stacked unit cells, and the negative electrode exposed surface The amphoteric-type connecting material layer, which exhibits conductivity both in the oxidizing and reducing atmosphere, is bonded, and the double-connecting material layer of the completed dense membrane is bonded to the anode exposed surface (in the case of the anode support) Wherein the unit cells are alternately stacked.
제6항에 있어서, 양극 면 쪽 연결재 층과 음극 면 쪽 연결재 층의 재료는 하기 화학식으로 표현될 수 있으며,
AxA'1-xByB'1-yO3
여기서 A는 히토류금속, A'는 알칼리토금속, B와 B'는 전이금속이며 여기서 히토류 금속은 La, Y에서 하나 선택되며 알칼리토금속은 Ca, Sr, Ba에서 하나 선택되며 전이금속은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu에서 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 6, wherein the material of the anode side facing material layer and the cathode side facing material layer is represented by the following formula:
A x A ' 1-x B y B' 1 -y O 3
Where A is a halide metal, A 'is an alkaline earth metal, B and B' are transition metals, wherein the metal halide is selected from La and Y, the alkaline earth metal is selected from Ca, Sr and Ba, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu.
제6항 또는 제7항에 있어서, 음극 면 쪽 연결재는 페로브스카이트 계 LaxSr1-xTi1-yMnyO3 이며 여기서 x 및 y의 값은 0.2-0.8 이며, 양극 면 쪽 연결재는 페로브스카이트 계 LaxSr1-xMnO3이며 x 값은 0.2-0.8 인 것을 특징으로 하는 방법. The positive electrode material according to claim 6 or 7, wherein the cathode side binder is a perovskite-based La x Sr 1-x Ti 1-y Mn y O 3 wherein x and y are in the range of 0.2-0.8, Wherein the linking material is a perovskite-based La x Sr 1-x MnO 3 and the x value is 0.2-0.8. 제6항에 있어서, 음극 면 쪽 연결재층 (amphoteric type)의 두께는 10㎛ 이하로 피복되며, 양극 면 쪽의 연결재층 (p-type)은 50 ㎛ 이하로 피복되는 것을 특징으로 하는 방법. The method according to claim 6, wherein the thickness of the cathode side side amphoteric type coating layer is 10 μm or less and the thickness of the anode side p-type coating layer is 50 μm or less.
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