KR102001592B1 - Anode supporter for solid oxide fuel cell, method of fabricating the same, and solid oxide fuel cell stack including the same - Google Patents

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Abstract

이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia) 분말; 나노 니켈 분말; 및 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체, 이의 제조 방법, 그리고 이를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택이 제공된다.Yttrium stabilized zirconia powder; Nano nickel powders; And zirconium tungsten phosphate powder, a method for producing the anode support, and a solid oxide fuel cell stack including the cathode support.

Description

고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택{ANODE SUPPORTER FOR SOLID OXIDE FUEL CELL, METHOD OF FABRICATING THE SAME, AND SOLID OXIDE FUEL CELL STACK INCLUDING THE SAME}[0001] The present invention relates to an anode support for a solid oxide fuel cell, a method for manufacturing the same, and a solid oxide fuel cell stack including the anode support, a method for manufacturing the solid oxide fuel cell stack,

고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체, 이의 제조 방법, 그리고 이를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택에 관한 것이다.
An anode support for a solid oxide fuel cell, a method of manufacturing the anode support, and a solid oxide fuel cell stack including the same.

최근 에너지 자원의 고갈 및 환경 문제에 대한 관심이 대두되면서 친환경적인 새로운 에너지원에 대한 개발이 절실히 요구되고 있다. 이와 같은 이유로 연료 전지에 대한 개발이 다양한 국가에서 많은 연구자들에 의해 주목 받고 있다. 연료 전지는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜주는 에너지 변환장치로서 주 연료는 수소를 이용하고 있다. 그러나 이러한 수소는 이상적인 연료이기는 하나 생산비용이 높고 안정적으로 저장하는데 한계가 있어 이에 대한 해결이 선행되어야 한다. 이에 따라 수소뿐만 아니라 탄화수소를 연료로 사용 가능하도록 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell, SOFC)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, there is an urgent need for development of environmentally friendly new energy sources due to the depletion of energy resources and interest in environmental problems. For this reason, the development of fuel cells is attracting much attention by many researchers in various countries. Fuel cells are energy conversion devices that convert chemical energy directly into electrical energy. The main fuel uses hydrogen. However, these hydrogen are ideal fuels, but their production costs are high and they are limited to stable storage. As a result, studies on solid oxide fuel cells (SOFCs) operating at high temperatures have been actively conducted so that hydrocarbons as well as hydrogen can be used as fuel.

고체 산화물 연료 전지의 스택 구성은 크게 단위 셀(unit cell), 전기의 통로와 적층을 위한 분리판, 그리고 가스를 밀봉하는 밀봉부로 구성된다. 이중 단위 셀은 음극('연료극'으로도 불림), 전해질 및 양극('공기극'으로도 불림)으로 구성되어 있다. 산소 이온의 이동을 통해 전기를 생성하는 SOFC는 음극과 양극의 산소 분압차에 의해 양극에서 전해질을 통해 음극으로 산소 이온이 이동하게 되며, 이때 화학적 평형을 이루기 위해서 외부 회로를 통해 음극의 전자가 양극으로 이동하게 되면서 전류를 얻는다.The stack configuration of solid oxide fuel cells consists largely of a unit cell, a separation plate for electrical passage and stacking, and a gas-tight seal. The dual unit cell is composed of a negative electrode (also referred to as an 'anode'), an electrolyte and an anode (also referred to as a 'cathode'). In the SOFC, which generates electricity through the movement of oxygen ions, oxygen ions move from the anode to the cathode through the difference in oxygen partial pressure between the cathode and the anode. In order to achieve chemical equilibrium at this time, And the current is obtained.

현재 고체 산화물 연료 전지의 음극재로는, 니켈(Ni)-이트륨 안정화 지르코니아(YSZ) 서멧(cermet)이 주로 사용되고 있다. Ni-YSZ 서멧은 원료 비용이 저렴하고, 고온의 환원 분위기 하에서 안정하며, SOFC의 작동 온도에서 충분한 전기전도도 및 반응성을 가진다.At present, nickel (Ni) -yttrium stabilized zirconia (YSZ) cermet is mainly used as an anode material of a solid oxide fuel cell. Ni-YSZ cermets are low in raw material cost, stable under high temperature reducing atmosphere, and have sufficient electrical conductivity and reactivity at the operating temperature of the SOFC.

이러한 음극재는 산화니켈 및 YSZ 분말을 사용하여 1400℃ 이상에서 소결하여 기판을 제작하는 방법으로 제조되나, 이는 소결 과정 중 심하게 수축 거동이 일어나 크기의 조절이 어렵고, 추가적인 가공이 필요하며, 대면적화시 뒤틀림이 발생하여 승온 및 냉각 시간을 길게 해줘야 하는 문제가 있다.
This anode material is manufactured by a method of preparing a substrate by sintering at 1400 ° C. or higher using nickel oxide and YSZ powder, but it is difficult to control the size due to severe shrinkage behavior during the sintering process, and further processing is required. There is a problem that warpage occurs and the temperature rise and cooling time must be lengthened.

일 구현예는 운전시 음극 지지체와 전해질 사이의 크랙 및 들뜸 발생을 방지하여 우수한 성능 및 장기적인 신뢰성을 가지는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체를 제공하기 위한 것이다.One embodiment is to provide a negative electrode support for a solid oxide fuel cell having excellent performance and long-term reliability by preventing cracking and floating between the negative electrode support and the electrolyte during operation.

다른 일 구현예는 상기 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.Another embodiment is to provide a method for manufacturing the cathode support for the solid oxide fuel cell.

또 다른 일 구현예는 상기 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하기 위한 것이다.
Another embodiment is to provide a solid oxide fuel cell stack including the cathode support for the solid oxide fuel cell.

일 구현예는 이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia) 분말; 나노 니켈 분말; 및 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체를 제공한다. One embodiment is a yttrium stabilized zirconia powder; Nano nickel powders; And a zirconium tungstate phosphate powder.

상기 음극 지지체는 상기 이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia) 분말 35 내지 60 중량%; 상기 나노 니켈 분말 35 내지 60 중량%; 및 상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말 0.1 내지 5 중량%를 포함할 수 있다. The negative electrode support comprises 35 to 60 wt% of the yttrium stabilized zirconia powder; 35 to 60 wt% of the nano-nickel powder; And 0.1 to 5% by weight of the zirconium tungstate phosphate powder.

상기 이트륨 안정화 지르코니아 분말 및 상기 나노 니켈 분말은 1:3 내지 3:1의 중량비로 포함될 수 있다.The yttrium stabilized zirconia powder and the nano-nickel powder may be contained in a weight ratio of 1: 3 to 3: 1.

상기 나노 니켈 분말은 10 내지 100 nm의 평균입경(D50)을 가질 수 있다.The nano-nickel powder may have an average particle diameter (D50) of 10 to 100 nm.

상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말은 5 내지 20 ㎛의 평균입경(D50)을 가질 수 있다.The zirconium tungstate phosphate powder may have an average particle diameter (D50) of 5 to 20 mu m.

상기 음극 지지체는 분산제, 바인더 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있고, 상기 분산제와 상기 바인더는 서로 다른 종류일 수 있다. 상기 음극 지지체가 상기 분산제 및 상기 바인더를 포함하는 경우, 상기 음극 지지체는 상기 분산제 0.5 내지 2 중량% 및 상기 바인더 0.5 내지 3 중량%를 포함할 수 있다. The negative electrode support may further include a dispersant, a binder, or a combination thereof, and the dispersant and the binder may be of different kinds. When the negative electrode support includes the dispersant and the binder, the negative electrode support may include 0.5 to 2% by weight of the dispersant and 0.5 to 3% by weight of the binder.

다른 일 구현예는 이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia) 분말, 나노 니켈 분말 및 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말을 포함하는 혼합물과 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 분무 건조법으로 건조하여 구형 미립자를 제조하는 단계; 및 상기 구형 미립자를 가압 성형하여 성형체를 제조하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법을 제공한다.Another embodiment provides a method of preparing a slurry comprising mixing a mixture comprising a yttrium stabilized zirconia powder, a nano-nickel powder, and a zirconium tungstophosphate powder with a solvent; Drying the slurry by a spray drying method to prepare spherical fine particles; And a step of press molding the spherical fine particles to produce a molded body.

상기 혼합물은 상기 이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia) 분말 35 내지 60 중량%, 상기 나노 니켈 분말 35 내지 60 중량%, 그리고 상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말 0.1 내지 5 중량%를 포함할 수 있다.The mixture may comprise 35 to 60 wt.% Of the yttrium stabilized zirconia powder, 35 to 60 wt.% Of the nano nickel powder, and 0.1 to 5 wt.% Of the zirconium tungstophosphate powder.

상기 혼합물 및 상기 용매는 1:2 내지 2:1의 중량비로 혼합될 수 있다.The mixture and the solvent may be mixed in a weight ratio of 1: 2 to 2: 1.

상기 혼합물은 분산제, 바인더 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있고, 상기 분산제와 상기 바인더는 서로 다른 종류일 수 있다. 상기 혼합물이 상기 분산제 및 상기 바인더를 포함하는 경우, 상기 혼합물은 상기 분산제 0.5 내지 2 중량% 및 상기 바인더 0.5 내지 3 중량%를 포함할 수 있다.The mixture may further comprise a dispersant, a binder or a combination thereof, and the dispersant and the binder may be of different kinds. When the mixture comprises the dispersant and the binder, the mixture may comprise from 0.5 to 2% by weight of the dispersant and from 0.5 to 3% by weight of the binder.

상기 혼합은 습식 밀링 공정에 의해 수행될 수 있고, 상기 습식 밀링 공정은 바스켓 밀링(basket milling) 공정, 볼 밀링(ball milling) 공정 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The mixing can be performed by a wet milling process, which may include a basket milling process, a ball milling process, or a combination thereof.

상기 구형 미립자는 10 내지 100 ㎛의 평균입경(D50)을 가질 수 있다.The spherical fine particles may have an average particle diameter (D50) of 10 to 100 mu m.

상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 소결은 800 내지 900 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.And sintering the molded body to produce a sintered body, and the sintering may be performed at a temperature of 800 to 900 ° C.

또 다른 일 구현예는 음극, 양극 및 전해질을 포함하는 복수 개의 단위 셀; 상기 복수 개의 단위 셀 사이에 위치하는 분리판; 및 상기 복수 개의 단위 셀과 상기 분리판의 양 말단이 밀봉된 밀봉부를 포함하고, 상기 음극은 상기 음극 지지체를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공한다.Another embodiment includes a plurality of unit cells including a cathode, an anode, and an electrolyte; A separation plate disposed between the plurality of unit cells; And a seal portion sealing both ends of the plurality of unit cells and the separator plate, wherein the cathode includes the cathode support.

기타 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
The details of other embodiments are included in the detailed description below.

운전시 음극 지지체와 전해질 사이의 크랙 및 들뜸 발생을 방지하여 우수한 성능 및 장기적인 신뢰성을 가지는 고체 산화물 연료 전지를 구현할 수 있다.
It is possible to prevent cracks and floating between the anode support and the electrolyte during operation, thereby realizing a solid oxide fuel cell having excellent performance and long-term reliability.

도 1은 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택의 구조를 보여주는 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating the structure of a solid oxide fuel cell stack according to one embodiment.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다.  다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. Like parts are designated with like reference numerals throughout the specification. Whenever a portion of a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the case where it is "directly on" another portion, but also the case where there is another portion in between. Conversely, when a part is "directly over" another part, it means that there is no other part in the middle.

일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체는 이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia, YSZ) 분말, 나노 니켈(Ni) 분말, 그리고 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말을 포함할 수 있다.The anode support for a solid oxide fuel cell according to an embodiment may include a yttrium stabilized zirconia (YSZ) powder, a nano nickel (Ni) powder, and a zirconium tungsten phosphate powder.

상기 이트륨 안정화 지르코니아 분말은 상기 음극 지지체의 총량에 대하여 35 내지 60 중량%, 구체적으로는 45 내지 55 중량%로 포함될 수 있다. 상기 이트륨 안정화 지르코니아 분말이 상기 범위 내로 포함될 경우 산소 이온의 전도성이 우수하다. The yttrium stabilized zirconia powder may be contained in an amount of 35 to 60% by weight, specifically 45 to 55% by weight based on the total weight of the cathode support. When the yttrium stabilized zirconia powder is contained in the above range, the conductivity of oxygen ions is excellent.

상기 나노 니켈 분말은 10 내지 100 nm, 구체적으로는 30 내지 100 nm의 평균입경(D50)을 가질 수 있다. 상기 나노 니켈 분말이 상기 범위 내의 평균입경을 가질 경우 비표면적이 증가하여 산화층이 충분히 형성되며 우수한 분산성을 가질 수 있다. 이때 D50이란 입도 분포에서 누적 체적이 50 부피%에 해당되는 입자의 지름을 의미한다.The nano-nickel powder may have an average particle diameter (D50) of 10 to 100 nm, specifically 30 to 100 nm. When the nano-nickel powder has an average particle diameter within the above-mentioned range, the specific surface area increases to sufficiently form an oxide layer and have excellent dispersibility. In this case, D50 means a particle diameter corresponding to a cumulative volume of 50 vol% in the particle size distribution.

상기 나노 니켈 분말은 상기 음극 지지체의 총량에 대하여 35 내지 60 중량%, 구체적으로는 45 내지 55 중량%로 포함될 수 있다. 상기 나노 니켈 분말이 상기 범위 내로 포함될 경우 전기전도성이 우수하고, 적절한 산화로 인하여 부피 팽창 및 크랙 발생을 방지할 수 있다. The nano-nickel powder may be contained in an amount of 35 to 60% by weight, particularly 45 to 55% by weight based on the total weight of the cathode support. When the nano-nickel powder is contained within the above range, it is excellent in electrical conductivity and volume expansion and cracking can be prevented due to proper oxidation.

상기 이트륨 안정화 지르코니아 분말 및 상기 나노 니켈 분말은 1:3 내지 3:1의 중량비로 포함될 수 있고, 구체적으로는 1:2 내지 2:1의 중량비로 포함할 수 있다. 상기 이트륨 안정화 지르코니아 분말과 상기 나노 니켈 분말이 상기 범위 내의 중량비로 포함될 경우, 연료 전지 가동시 필요한 요소인 이트륨 안정화 지르코니아에 의한 산소이온전도와 나노 니켈 분말에 의한 전기전도의 적당한 값을 동시에 얻을 수 있다.The yttrium stabilized zirconia powder and the nano-nickel powder may be contained in a weight ratio of 1: 3 to 3: 1, and more specifically, in a weight ratio of 1: 2 to 2: 1. When the yttrium-stabilized zirconia powder and the nano-nickel powder are contained in the weight ratio within the above range, it is possible to simultaneously obtain oxygen ion conductivity by the yttrium-stabilized zirconia, which is a factor required for operating the fuel cell, and electric conductivity by the nano- .

상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말은 예를 들면 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다. The zirconium tungstophosphate powder may be, for example, a compound represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Zr2WP2O12 Zr 2 WP 2 O 12

상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말은 5 내지 20 ㎛, 구체적으로는 7 내지 15 ㎛의 평균입경(D50)을 가질 수 있다. 상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말이 상기 범위 내의 평균입경을 가질 경우 열팽창계수의 감소 효과가 우수하여 적은 함량으로도 Ni-YSZ의 열팽창율을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 Ni-YSZ의 특성을 저해하지 않으면서 전해질 층인 이트륨 안정화 지르코니아와 열적 매칭성을 향상시킬 수 있다.The zirconium tungstate phosphate powder may have an average particle diameter (D50) of 5 to 20 mu m, specifically, 7 to 15 mu m. When the zirconium tungstate phosphate powder has an average particle size within the above range, the effect of reducing the thermal expansion coefficient is excellent, and the thermal expansion coefficient of Ni-YSZ can be reduced even with a small amount. This makes it possible to improve thermal matching with yttrium stabilized zirconia, which is an electrolyte layer, without impairing the characteristics of Ni-YSZ.

상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말은 상기 음극 지지체의 총량에 대하여 0.1 내지 5 중량%, 구체적으로는 0.5 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. 상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말이 상기 범위 내로 포함될 경우 Ni-YSZ의 특성을 저하시키지 않으면서 열팽창계수를 감소시켜 전해질층과 열적 매칭성을 증가시킬 수 있다. The zirconium tungstate phosphate powder may be contained in an amount of 0.1 to 5% by weight, more specifically 0.5 to 3% by weight based on the total weight of the negative electrode support. When the zirconium tungstophosphate powder is included within the above range, the thermal expansion coefficient can be reduced without deteriorating the Ni-YSZ characteristics, thereby increasing the thermal matching with the electrolyte layer.

상기 음극 지지체는 분산제, 바인더 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다. 상기 분산제와 상기 바인더는 서로 다른 종류일 수 있다.The negative electrode support may further include a dispersant, a binder, or a combination thereof. The dispersant and the binder may be of different kinds.

구체적으로, 상기 분산제는 테트라소듐 파이로포스페이트(tetrasodium pyrophosphate), 소듐 폴리아크릴레이트, 암모늄 폴리아크릴레이트, 소듐 시트레이트(citrate), 소듐 숙시네이트, 소듐 타르트레이트(tartrate), 소듐 폴리술포네이트, 암모늄 시트레이트 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. Specifically, the dispersing agent is selected from the group consisting of tetrasodium pyrophosphate, sodium polyacrylate, ammonium polyacrylate, citrate, sodium succinate, sodium tartrate, sodium polysulfonate, ammonium Citrate, or a combination thereof.

상기 바인더는 폴리비닐알코올, 폴리비닐부티랄, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 파라핀, 왁스 에멀젼, 마이크로크리스탈린(microcrystalline) 왁스, 메틸셀룰로오스, 소듐 카르복시메틸셀룰로오스 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. The binder may be selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, polyethylene glycol, paraffin, wax emulsion, microcrystalline wax, methylcellulose, sodium carboxymethylcellulose or a combination thereof.

상기 음극 지지체는 상기 분산제 및 상기 바인더를 모두 포함할 수 있다.The negative electrode support may include both the dispersant and the binder.

이때 상기 분산제는 상기 음극 지지체의 총량에 대하여 0.5 내지 2 중량%, 구체적으로는 0.8 내지 1.5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 분산제가 상기 범위 내로 포함될 경우 상기 이트륨 안정화 지르코니아 분말, 상기 나노 니켈 분말 및 상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말의 분산성이 우수하며, 음극 지지체 제조시 소결 과정에서 유기물이 잔류하지 않아 기판 제작시 결함을 방지할 수 있다. At this time, the dispersant may be included in an amount of 0.5 to 2% by weight, specifically 0.8 to 1.5% by weight based on the total weight of the anode support. When the dispersant is contained within the above range, the dispersibility of the yttrium stabilized zirconia powder, the nano-nickel powder and the zirconium tungstophosphate powder is excellent, and organic matter does not remain in the sintering process during the production of the cathode support, .

또한 상기 바인더는 상기 음극 지지체의 총량에 대하여 0.5 내지 3 중량%, 구체적으로는 1 내지 2 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더가 상기 범위 내로 포함될 경우 음극 지지체 제조시 견고한 성형체를 얻을 수 있고, 소결시 유기물이 잔류하지 않아 기판 제작시 결함을 방지할 수 있다. The binder may be included in an amount of 0.5 to 3% by weight, specifically 1 to 2% by weight based on the total weight of the negative electrode support. When the binder is contained within the above range, a solid molded body can be obtained when the cathode support is manufactured, and defects can be prevented in manufacturing the substrate because the organic matter does not remain in the sintering.

전술한 음극 지지체는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.The cathode support described above can be produced by the following method.

상기 이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia) 분말, 상기 나노 니켈 분말 및상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말을 포함하는 혼합물과 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 분무 건조법으로 건조하여 구형 미립자를 제조하는 단계; 및 상기 구형 미립자를 가압 성형하여 성형체를 제조하는 단계를 거쳐 제조될 수 있다.Mixing the mixture containing the yttrium stabilized zirconia powder, the nano-nickel powder and the zirconium tungstophosphate powder with a solvent to prepare a slurry; Drying the slurry by a spray drying method to prepare spherical fine particles; And a step of press molding the spherical fine particles to produce a molded article.

상기 혼합물은 상기 분산제, 상기 바인더 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.The mixture may further comprise the dispersant, the binder or a combination thereof.

상기 혼합물에서 각 성분의 혼합 양은 전술한 음극 지지체를 이루는 성분의 함량 범위와 동일할 수 있다.The mixing amount of each component in the mixture may be the same as the content range of the components constituting the negative electrode support described above.

상기 혼합물 및 상기 용매는 1:2 내지 2:1의 중량비로 혼합될 수 있고, 구체적으로는 1:1.5 내지 1.5:1의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 중량비 범위 내로 혼합될 경우 슬러리의 점도가 적절하여 분무 건조를 수행할 수 있고 이에 따라 균일한 크기의 구형 미립자를 얻을 수 있다.The mixture and the solvent may be mixed in a weight ratio of 1: 2 to 2: 1, specifically 1: 1.5 to 1.5: 1. When mixing is carried out within the above-mentioned weight ratio range, the viscosity of the slurry is appropriate and spray drying can be carried out, thereby obtaining spherical fine particles of uniform size.

상기 용매는 순수를 사용할 수 있다.The solvent may be pure water.

상기 혼합물과 상기 용매의 혼합은 습식 밀링 공정에 의해 수행될 수 있다. 상기 습식 밀링 공정의 예로는 바스켓 밀링(basket milling) 공정, 볼 밀링(ball milling) 공정 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 습식 밀링 공정으로 수행될 경우 균일하게 분산된 슬러리를 제조할 수 있다. The mixing of the mixture with the solvent may be carried out by a wet milling process. Examples of the wet milling process include a basket milling process, a ball milling process, or a combination thereof. When the wet milling process is performed, a uniformly dispersed slurry can be produced.

상기 분무 건조는 분무 노즐(atomizing nozzle)의 회전 속도를 5,000 내지 20,000 rpm으로 조절하여 수행할 수 있다. 상기 범위 내로 조절할 경우 10 내지 100 ㎛의 평균입경(D50)을 가지는 구형 미립자를 제조할 수 있다. The spray drying can be performed by adjusting the rotation speed of the atomizing nozzle to 5,000 to 20,000 rpm. When adjusted to the above range, spherical fine particles having an average particle diameter (D50) of 10 to 100 mu m can be produced.

상기 분무 건조를 통하여 균일한 크기의 구형 미립자를 제조할 수 있고, 이에 따라 성형체 제조시 균일한 충진이 가능하여 충진밀도가 높고 뒤틀림 및 수축이 발생하지 않는 소결체를 얻음으로써 대면적의 음극 지지체를 제조할 수 있다.Spherical fine particles of uniform size can be produced through spray drying to obtain a sintered body having a high filling density and no warping and shrinkage due to uniform filling during the production of a molded body, can do.

상기 구형 미립자는 10 내지 100 ㎛의 평균입경(D50)을 가질 수 있고, 구체적으로는 30 내지 70 ㎛의 평균입경(D50)을 가질 수 있다. 상기 구형 미립자가 상기 범위 내의 평균입경을 가질 경우 성형체 제조시 고른 충진이 가능하여 소결시 뒤틀림 및 수축 발생을 방지할 수 있고, 견고한 성형체를 제조할 수 있다.The spherical fine particles may have an average particle diameter (D50) of 10 to 100 mu m, and more specifically, an average particle diameter (D50) of 30 to 70 mu m. When the spherical fine particles have an average particle diameter within the above range, it is possible to fill evenly at the time of the production of a molded body, thereby preventing warping and shrinkage during sintering, and a rigid molded body can be produced.

상기 구형 미립자를 성형 몰드에 고르게 충진한 후 가압 성형하여 상기 성형체를 제조할 수 있다. 상기 제조된 성형체는 판(plate) 형태일 수 있다.The spherical fine particles may be uniformly filled in a molding mold and then subjected to pressure molding to produce the molded body. The formed body may be in the form of a plate.

상기 구형 미립자를 가압 성형하여 성형체를 제조한 후, 상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계를 더 거칠 수 있다. 소결시 성형체에 잔류한 유기물을 모두 날려버릴 수 있다,A step of pressing the spherical fine particles to produce a molded body, and then sintering the molded body to manufacture a sintered body. It is possible to blow away any organic matter remaining in the molded body during sintering,

상기 소결은 800 내지 900 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 구체적으로는 850 내지 900℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 온도 범위 내에서 소결할 경우 뒤틀림 및 수축이 발생하지 않아 대면적의 음극 지지체를 얻을 수 있다. The sintering may be carried out at a temperature of 800 to 900 ° C, and more specifically, at a temperature of 850 to 900 ° C. When sintering is performed within the above-mentioned temperature range, distortion and shrinkage do not occur, and a large-area cathode support can be obtained.

이와 같이 제조된 음극 지지체를 고체 산화물 연료 전지 내에 사용할 수 있다. 구체적으로 고체 산화물 연료 전지 스택에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. The thus prepared anode support can be used in a solid oxide fuel cell. Specifically, the solid oxide fuel cell stack will be described with reference to the drawings.

도 1은 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택의 구조를 보여주는 개략도이다. 도 1은 두 개의 단위 셀이 쌓여 스택 구조를 이루는 것으로서, 고체 산화물 연료 전지 스택의 일 예를 보여주는 것일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다. 1 is a schematic diagram illustrating the structure of a solid oxide fuel cell stack according to one embodiment. FIG. 1 is a view showing an example of a solid oxide fuel cell stack in which two unit cells are stacked to form a stack structure, but the present invention is not limited thereto.

도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택(10)은 양극(12), 음극(14) 및 전해질(16)을 포함하는 복수 개의 단위 셀, 상기 복수 개의 단위 셀 사이에 위치하는 분리판(20), 그리고 상기 복수 개의 단위 셀과 상기 분리판의 양 말단이 밀봉된 밀봉부(18)를 포함할 수 있다.1, a solid oxide fuel cell stack 10 according to an embodiment includes a plurality of unit cells including an anode 12, a cathode 14, and an electrolyte 16, And a sealing portion 18 sealed at both ends of the plurality of unit cells and the separating plate.

상기 음극(14)은 전술한 음극 지지체를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 제조된 음극 지지체 위에 전해질을 코팅한 후 그 위에 양극을 코팅하여 상기 단위 셀을 제작할 수 있다. The cathode 14 may include the cathode support described above. The unit cell can be manufactured by coating an anode on a cathode support manufactured as described above, and then coating an anode with the electrolyte.

상기 밀봉부(18)는 양극(12) 및 음극(14)에서 발생되는 가스의 누출을 억제시킬 수 있다.
The sealing portion 18 can suppress the leakage of the gas generated in the anode 12 and the cathode 14.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only the preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

실시예Example 1 One

이트륨 안정화 지르코니아 분말 985g, 30nm의 평균입경을 가진 나노 니켈 분말 985g, 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말 10g, 분산제로서 테트라소듐 파이로포스페이트 10g, 바인더로서 중량평균분자량이 5,000 g/mol인 폴리비닐알코올 10g, 그리고 순수 2,000g을 바스켓 밀링(basket milling) 공정을 이용하여 12시간 동안 혼합하여 슬러리를 제조하였다.985 g of yttrium stabilized zirconia powder, 985 g of nano-nickel powder having an average particle diameter of 30 nm, 10 g of zirconium tungstophosphate powder, 10 g of tetrasodium pyrophosphate as a dispersing agent, polyvinyl alcohol having a weight average molecular weight of 5,000 g / And 2000 g of pure water were mixed for 12 hours using a basket milling process to prepare a slurry.

제조된 상기 슬러리를 분무 건조기를 이용하여 건조함과 동시에, 분무 노즐(atomizing nozzle)의 회전 속도를 12,000rpm으로 조절하여 30㎛의 평균입경(D50)을 가진 구형 미립자를 제조하였다. The prepared slurry was dried using a spray drier and spherical fine particles having an average particle size (D50) of 30 mu m were prepared by controlling the rotation speed of the atomizing nozzle at 12,000 rpm.

제조된 상기 구형 미립자를 100 x 100 mm 사각 몰드에 충진하고 1000kg/㎠의 압력으로 가압 성형을 실시하여, 판(plate) 형태의 성형체를 제조하였다.The spherical fine particles thus prepared were filled in a 100 x 100 mm square mold and subjected to pressure molding at a pressure of 1000 kg / cm 2 to prepare a molded body in the form of a plate.

제조된 상기 성형체를 400℃까지 5℃/min으로 승온한 후 1시간 유지하여 상기 분산제 및 상기 바인더를 태워 날려 보내고, 다시 900℃까지 2℃/min으로 승온한 후 2시간 유지하였고, 3℃/min의 속도로 냉각하여, 음극 지지체를 제조하였다. The formed body was heated to 400 ° C at a rate of 5 ° C / min and held for 1 hour to blow up the dispersant and the binder. The temperature was raised to 900 ° C at 2 ° C / min and maintained for 2 hours. min to prepare an anode support.

실시예Example 2 2

실시예 1에서 이트륨 안정화 지르코니아 분말 980g, 30nm의 평균입경을 가진 나노 니켈 분말 980g, 그리고 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말 20g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 지지체를 제조하였다.An anode support was prepared in the same manner as in Example 1 except that 980 g of the yttrium stabilized zirconia powder, 980 g of the nano-nickel powder having an average particle diameter of 30 nm, and 20 g of the zirconium tungsten phosphate powder were used in Example 1.

실시예Example 3 3

실시예 1에서 이트륨 안정화 지르코니아 분말 975g, 30nm의 평균입경을 가진 나노 니켈 분말 975g, 그리고 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말 30g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 지지체를 제조하였다.An anode support was prepared in the same manner as in Example 1, except that 975 g of the yttrium stabilized zirconia powder, 975 g of the nano-nickel powder having an average particle diameter of 30 nm, and 30 g of the zirconium tungsten phosphate powder were used in Example 1.

실시예Example 4 4

실시예 1에서 이트륨 안정화 지르코니아 분말 970g, 30nm의 평균입경을 가진 나노 니켈 분말 970g, 그리고 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말 40g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 지지체를 제조하였다.An anode support was prepared in the same manner as in Example 1, except that 970 g of the yttrium stabilized zirconia powder, 970 g of the nano-nickel powder having an average particle diameter of 30 nm, and 40 g of the zirconium tungsten phosphate powder were used in Example 1.

비교예Comparative Example 1 One

이트륨 안정화 지르코니아 분말 990g, 30nm의 평균입경을 가진 나노 니켈 분말 990g, 분산제로서 테트라소듐 파이로포스페이트 10g, 바인더로서 중량평균분자량이 5,000 g/mol인 폴리비닐알코올 10g, 그리고 순수 2000g을 바스켓 밀링(basket milling) 공정을 이용하여 12시간 동안 혼합하여 슬러리를 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 지지체를 제조하였다.
990 g of yttrium stabilized zirconia powder, 990 g of a nano-nickel powder having an average particle diameter of 30 nm, 10 g of tetrasodium pyrophosphate as a dispersant, 10 g of polyvinyl alcohol having a weight average molecular weight of 5,000 g / mol as a binder and 2000 g of pure water, milling) process for 12 hours to prepare a slurry. The procedure of Example 1 was repeated to prepare an anode support.

평가 1: 열팽창계수 측정Evaluation 1: Measurement of thermal expansion coefficient

실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 음극 지지체에 대하여 TMA(thermomechanical analysis)를 이용하여 상온에서 700℃까지 승온하여 열팽창계수를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The negative electrode support prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 was subjected to TMA (thermomechanical analysis) to raise the temperature from room temperature to 700 占 폚, and the thermal expansion coefficient was measured. The results are shown in Table 1 below.

전해질 재료인 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ)의 열팽창계수도 함께 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The thermal expansion coefficient of yttrium stabilized zirconia (YSZ), which is an electrolytic material, was also measured, and the results are shown in Table 1 below.

평가 2: 전기전도도 측정Evaluation 2: Electrical conductivity measurement

실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 음극 지지체를 환원시켜 저저항 측정기를 이용하여 전기전도도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The cathode support prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 was reduced and the electrical conductivity was measured using a low resistance meter. The results are shown in Table 1 below.

평가 3: 전해질 계면에서의 Evaluation 3: 크랙crack 발생 유무 측정 Measurement of occurrence

실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 음극 지지체에 플라즈마 용사법을 이용하여 전해질 층을 코팅하고 상온에서 700℃까지 승온 후 냉각하여 음극 지지체와 전해질 계면을 분석하여 크랙 유무를 평가하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
The cathode support prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 was coated with an electrolyte layer using a plasma spraying method. The cathode was heated up to 700 ° C at room temperature and then cooled to analyze the cathode support and the electrolyte interface. Are shown in Table 1 below.

열팽창계수
(x10-7/℃)
Coefficient of thermal expansion
(x10 < -7 > / DEG C)
전기전도도
(S/m)
Electrical conductivity
(S / m)
크랙 발생 유무Crack occurrence
실시예 1Example 1 131131 538538 radish 실시예 2Example 2 126126 535535 radish 실시예 3Example 3 113113 530530 radish 실시예 4Example 4 106106 531531 radish 비교예 1Comparative Example 1 143143 536536 U 전해질(YSZ)Electrolyte (YSZ) 110 내지 120110 to 120 -- --

상기 표 1을 통하여, 일 구현예에 따른 실시예 1 내지 4의 음극 지지체는 비교예 1과 비교하여 전해질 층 코팅 후 고온에서도 크랙이 발생하지 않음을 알 수 있다. 이에 따라 운전 중 성능이 우수하게 유지되고 장기적인 신뢰성이 확보될 수 있음을 알 수 있다.It can be seen from Table 1 that the negative electrode supports of Examples 1 to 4 according to one embodiment did not crack even at a high temperature after coating the electrolyte layer as compared with Comparative Example 1. As a result, it can be seen that the performance can be maintained excellent during operation and long-term reliability can be ensured.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

10: 고체 산화물 연료 전지 스택
12: 양극
14: 음극
16: 전해질
18: 밀봉부
20: 분리판
10: Solid oxide fuel cell stack
12: anode
14: cathode
16: electrolyte
18:
20: separation plate

Claims (18)

이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia) 분말;
나노 니켈 분말; 및
지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말
을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체.
Yttrium stabilized zirconia powder;
Nano nickel powders; And
Zirconium tungsten phosphate powder
And a cathode support for a solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 음극 지지체는
상기 이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia) 분말 35 내지 60 중량%;
상기 나노 니켈 분말 35 내지 60 중량%; 및
상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말 0.1 내지 5 중량%
를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체.
The method according to claim 1,
The negative electrode support
35 to 60% by weight of the yttrium stabilized zirconia powder;
35 to 60 wt% of the nano-nickel powder; And
0.1 to 5% by weight of the zirconium tungsten phosphate powder,
And a cathode support for a solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 이트륨 안정화 지르코니아 분말 및 상기 나노 니켈 분말은 1:3 내지 3:1의 중량비로 포함되는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체.
The method according to claim 1,
Wherein the yttrium stabilized zirconia powder and the nano-nickel powder are contained in a weight ratio of 1: 3 to 3: 1.
제1항에 있어서,
상기 나노 니켈 분말은 10 내지 100 nm의 평균입경(D50)을 가지는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체.
The method according to claim 1,
Wherein the nano-nickel powder has an average particle diameter (D50) of 10 to 100 nm.
제1항에 있어서,
상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말은 5 내지 20 ㎛의 평균입경(D50)을 가지는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체.
The method according to claim 1,
Wherein the zirconium tungstate phosphate powder has an average particle diameter (D50) of 5 to 20 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 음극 지지체는 분산제, 바인더 또는 이들의 조합을 더 포함하고,
상기 분산제와 상기 바인더는 서로 다른 종류인 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체.
The method according to claim 1,
The cathode support further comprises a dispersant, a binder or a combination thereof,
Wherein the dispersing agent and the binder are different kinds of negative electrode supports for a solid oxide fuel cell.
제6항에 있어서,
상기 음극 지지체가 상기 분산제 및 상기 바인더를 포함하는 경우,
상기 음극 지지체는 상기 분산제 0.5 내지 2 중량% 및 상기 바인더 0.5 내지 3 중량%를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체.
The method according to claim 6,
When the negative electrode support includes the dispersant and the binder,
Wherein the negative electrode support comprises 0.5 to 2% by weight of the dispersant and 0.5 to 3% by weight of the binder.
이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia) 분말, 나노 니켈 분말 및 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말을 포함하는 혼합물과 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 분무 건조법으로 건조하여 구형 미립자를 제조하는 단계; 및
상기 구형 미립자를 가압 성형하여 성형체를 제조하는 단계
를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법.
Preparing a slurry by mixing a solvent including a yttrium stabilized zirconia powder, a nano-nickel powder, and a zirconium tungstate phosphate powder with a solvent;
Drying the slurry by a spray drying method to prepare spherical fine particles; And
A step of press molding the spherical fine particles to produce a molded article
Wherein the solid oxide fuel cell comprises a cathode.
제8항에 있어서,
상기 혼합물은
상기 이트륨 안정화 지르코니아(yttrium stabilized zirconia) 분말 35 내지 60 중량%,
상기 나노 니켈 분말 35 내지 60 중량%, 그리고
상기 지르코늄 텅스텐 포스페이트 분말 0.1 내지 5 중량%
를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The mixture
35 to 60% by weight of the yttrium stabilized zirconia powder,
35 to 60 wt% of the nano-nickel powder, and
0.1 to 5% by weight of the zirconium tungsten phosphate powder,
Wherein the solid oxide fuel cell comprises a cathode.
제8항에 있어서,
상기 혼합물 및 상기 용매는 1:2 내지 2:1의 중량비로 혼합되는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the mixture and the solvent are mixed at a weight ratio of 1: 2 to 2: 1.
제8항에 있어서,
상기 혼합물은 분산제, 바인더 또는 이들의 조합을 더 포함하고,
상기 분산제와 상기 바인더는 서로 다른 종류인 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The mixture further comprises a dispersant, a binder or a combination thereof,
Wherein the dispersant and the binder are different kinds.
제11항에 있어서,
상기 혼합물이 상기 분산제 및 상기 바인더를 포함하는 경우,
상기 혼합물은 상기 분산제 0.5 내지 2 중량% 및 상기 바인더 0.5 내지 3 중량%를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
When the mixture includes the dispersant and the binder,
Wherein the mixture comprises 0.5 to 2% by weight of the dispersant and 0.5 to 3% by weight of the binder.
제8항에 있어서,
상기 혼합은 습식 밀링 공정에 의해 수행되는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the mixing is performed by a wet milling process.
제13항에 있어서,
상기 습식 밀링 공정은 바스켓 밀링(basket milling) 공정, 볼 밀링(ball milling) 공정 또는 이들의 조합을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the wet milling process comprises a basket milling process, a ball milling process, or a combination thereof.
제8항에 있어서,
상기 구형 미립자는 10 내지 100 ㎛의 평균입경(D50)을 가지는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the spherical fine particles have an average particle diameter (D50) of 10 to 100 占 퐉.
제8항에 있어서,
상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계
를 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
And sintering the molded body to produce a sintered body
Wherein the solid oxide fuel cell further comprises a cathode.
제16항에 있어서,
상기 소결은 800 내지 900 ℃의 온도에서 수행되는 고체 산화물 연료 전지용 음극 지지체의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the sintering is performed at a temperature of 800 to 900 캜.
음극, 양극 및 전해질을 포함하는 복수 개의 단위 셀;
상기 복수 개의 단위 셀 사이에 위치하는 분리판; 및
상기 복수 개의 단위 셀과 상기 분리판의 양 말단이 밀봉된 밀봉부
를 포함하고,
상기 음극은 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 음극 지지체를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택.
A plurality of unit cells including a cathode, an anode, and an electrolyte;
A separation plate disposed between the plurality of unit cells; And
Wherein the plurality of unit cells and the sealing plate
Lt; / RTI >
Wherein the cathode comprises the anode support of any one of claims 1 to 7.
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KR100921218B1 (en) 2009-03-26 2009-10-09 재단법인 구미전자정보기술원 Method for manufacturing an anode for solid oxide fuel cell

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