KR102087475B1 - 고체 산화물 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 애노드, 캐소드, 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 고체 산화물 연료전지 및 고체 산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고체 산화물 연료전지{SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 명세서는 애노드, 캐소드, 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 고체 산화물 연료전지 및 고체 산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.
한편, 연료전지의 공기극의 원리를 응용하여 금속 이차 전지의 캐소드를 공기극으로 제조하는 금속 공기 이차 전지에 대한 연구도 필요하다.
대한민국 특허공개 제 2016-0059419호 (2016.05.26 공개)
본 명세서는 애노드, 캐소드, 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 고체 산화물 연료전지 및 고체 산화물 연료전지의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 명세서는 애노드 지지체, 애노드 기능층, 전해질 및 캐소드가 순차적으로 구비된 애노드 지지체형 고체 산화물 연료전지로서, 상기 전해질은 세리아계 금속 산화물을 포함하고, 상기 캐소드는 상기 전해질 상에 구비된 캐소드박막층 및 상기 캐소드박막층 상에 구비된 캐소드후막층을 포함하며, 상기 캐소드박막층의 두께는 50nm 미만이고, 상기 캐소드박막층의 기공율은 1% 이하이며, 상기 캐소드후막층의 두께는 20㎛ 이상 40㎛ 이하이고, 상기 캐소드후막층의 기공율은 30% 이상이며, 상기 전해질의 표면 중 상기 캐소드박막층과 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 전해질과 캐소드박막층이 접하는 면적은 100%이고, 상기 캐소드박막층의 표면 중 상기 캐소드후막층과 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 캐소드박막층과 캐소드후막층이 접하는 면적은 80% 이상 97% 이하인 것인 애노드 지지체형 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
또한, 본 명세서는 고체 산화물 연료전지를 단위 전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 세리아계 금속 산화물을 포함하는 전해질은 수소에 대한 환원 내구성이 향상될 수 있다.
도 1은 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 연료전지를 포함하는 전지모듈의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 비교예의 연료전지의 구조를 나타낸다.
도 4는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지의 구조를 나타낸다.
도 5는 비교예의 연료전지를 이용한 전지셀의 수소유량 증가에 따라 OCV를 측정한 그래프이다.
도 6은 실시예의 연료전지를 이용한 전지셀의 수소유량 증가에 따라 OCV를 측정한 그래프이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서는 애노드 지지체, 애노드 기능층, 전해질 및 캐소드가 순차적으로 구비된 애노드 지지체형 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
도 1은 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 고체 산화물형 연료전지는 전해질층(Electrolyte)과 이 전해질층의 양면에 형성되는 연료극(Anode) 및 공기극(Cathode)으로 구성된다. 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 캐소드에서 공기가 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질층을 통해 애노드로 전달된다. 애노드에서는 수소, 메탄올, 부탄 등과 같은 연료가 주입되고 연료가 산소이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고 물을 생성한다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
상기 전해질은 세리아계 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 세리아계 금속 산화물은 산소 이온 전도성이 있는 세리아계 금속 산화물이라면 특별히 한정하지 않으나, 구체적으로 사마륨 도프 세리아 및 가돌리늄 도프 세리아 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 더 구체적으로 가돌리늄 도프 세리아를 포함할 수 있다.
상기 전해질의 두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질의 두께는 20㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다.
상기 전해질의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 전해질용 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 전해질 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 전해질용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 전해질용 그린시트 단독 또는 이웃한 이종층의 그린시트와 함께 소성되어 전해질을 제조할 수 있다.
상기 전해질용 그린시트의 두께는 10 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 전해질용 슬러리는 세리아계 금속 산화물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 애노드용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 전해질층용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 세리아계 금속 산화물 입자의 함량은 40 중량% 이상 70 중량% 이하일 수 있다.
상기 전해질층용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 용매의 함량이 10중량% 이상 30중량% 이하이고, 분산제의 함량이 5중량% 이상 10중량% 이하이고, 가소제의 함량이 0.5중량% 이상 3중량% 이하이고, 바인더가 10중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.
상기 캐소드는 상기 전해질 상에 구비된 캐소드박막층 및 상기 캐소드박막층 상에 구비된 캐소드후막층을 포함할 수 있다.
상기 캐소드박막층 및 상기 캐소드박막층은 각각 독립적으로 산소이온 전도성을 갖는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 무기물의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 상기 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 란탄 스트론튬 망간 산화물(Lanthanum strontium manganese oxide: LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(Lanthanum calcium nickel ferrite: LCNF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(Lanthanum strontium cobalt oxide: LSC) 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(Gadolinium strontium cobalt oxide: GSC), 란탄 스트론튬 페라이트 (Lanthanum strontium ferrite: LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물 (Samarium strontium cobalt oxide: SSC), 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite : BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 캐소드박막층의 두께는 50nm 미만일 수 있으며, 구체적으로 10nm 이상 50nm 미만일 수 있고, 더 구체적으로 10nm 이상 30nm 이하일 수 있다. 이 경우 산소 이온이 전해질로 이동할 때의 저항을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
상기 캐소드박막층의 기공율은 1% 이하일 수 있으며, 구체적으로 0% 이상 1% 이하일 수 있고, 더 구체적으로 0% 이상 0.1% 이하일 수 있다. 상기 캐소드박막층이 dense한 경우, 연료와 공기의 누출(leakage)을 막을 수 있다.
상기 전해질의 표면 중 상기 캐소드박막층과 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 전해질과 캐소드박막층이 접하는 면적은 약 100%일 수 있다. 이때, 공정상 약간의 오차가 있을 수 있으나, 이론적으로는 전해질의 표면 중 상기 캐소드박막층과 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 전해질과 캐소드박막층이 접하는 면적은 100%일 수 있다.
상기 세리아계 금속 산화물을 포함하는 전해질의 표면 중 상기 캐소드박막층과 대향하는 일면의 전체 면적에 캐소드박막층이 접촉하여 전해질과 캐소드의 면적이 증가할 수 있다. 이 경우, 산소 이온(O2-)을 보다 넓은 면적의 전해질에 주입시킬 수 있으며, 캐소드 측에서 주입된 산소 이온은 전해질을 산화시켜 줌으로써 수소가 공급되는 애노드 측으로부터 환원되는 면적을 감소시켜 수소에 대한 환원 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 캐소드박막층의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 캐소드박막층용 슬러리를 전해질층 상에 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 캐소드박막층 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 캐소드박막층용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 캐소드박막층용 그린시트 단독 또는 이웃한 이종층의 그린시트와 함께 소성되어 캐소드박막층을 제조할 수 있다.
상기 캐소드박막층용 슬러리를 이웃한 층 상에 코팅하는 경우, 코팅하는 방법은 특별히 한정하지 않으며, 예를 들면 스퍼터링, 스핀코팅 등일 수 있다.
상기 캐소드박막층용 슬러리는 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 캐소드박막층용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 캐소드박막층용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량이 40중량% 이상 70중량% 이하이며, 용매의 함량이 10중량% 이상 30중량% 이하이고, 분산제의 함량이 5중량% 이상 10중량% 이하이고, 가소제의 함량이 0.5중량% 이상 3중량% 이하이고, 바인더가 10중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.
상기 캐소드후막층의 두께는 20㎛ 이상 40㎛ 이하일 수 있으며, 구체적으로 20㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있고, 더 구체적으로 25㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있다.
상기 캐소드후막층의 기공율은 30% 이상일 수 있으며, 구체적으로 30% 이상 50% 이하일 수 있다.
상기 캐소드박막층의 표면 중 상기 캐소드후막층과 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 캐소드박막층과 캐소드후막층이 접하는 면적은 80% 이상 97% 이하일 수 있다.
상기 캐소드후막층의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 캐소드후막층용 슬러리를 캐소드박막층 상에 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 캐소드후막층 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 캐소드후막층용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 캐소드후막층용 그린시트 단독 또는 이웃한 이종층의 그린시트와 함께 소성되어 캐소드후막층을 제조할 수 있다.
상기 캐소드후막층용 슬러리를 캐소드박막층 상에 코팅하는 경우, 코팅하는 방법은 특별히 한정하지 않으며, 예를 들면 스퍼터링, 스핀코팅 등일 수 있다.
상기 캐소드박막층과 캐소드후막층은 서로 기공도를 다르게 제조하기 위하여, 상기 캐소드박막층과 캐소드후막층을 형성하는 슬러리의 조성 또는 함량을 조절하거나, 형성된 도포막을 형성하는 방법 또는 소결하는 조건을 다르게 조절하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 캐소드박막층과 캐소드후막층을 제조하기 위해 형성된 각각의 도포막을 독립적으로 소결하고, 이때의 소결하는 조건을 다르게 조절하여 상기 캐소드박막층과 캐소드후막층의 기공도를 다르게 제조할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 전해질 상에 캐소드박막층용 도포막을 형성하여 dense한 층을 형성하기 위한 조건으로 소결하고, 소결된 캐소드박막층 상에 캐소드후막층용 도포막을 형성하여 다공성의(porous) 층을 형성하기 위한 조건으로 소결할 수 있다.
상기 캐소드후막층용 슬러리는 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 캐소드후막층용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 캐소드후막층용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량이 40중량% 이상 70중량% 이하이며, 용매의 함량이 10중량% 이상 30중량% 이하이고, 분산제의 함량이 5중량% 이상 10중량% 이하이고, 가소제의 함량이 0.5중량% 이상 3중량% 이하이고, 바인더가 10중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.
상기 애노드는 고체산화물 연료전지용 애노드에 적용될 수 있도록, 산소이온 전도성을 갖는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 무기물의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 상기 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 및 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 애노드는 전해질의 금속 산화물과 동일한 무기물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질이 세리아계 금속 산화물을 포함하는 경우, 상기 애노드는 세리아계 금속 산화물을 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 전해질이 가돌리늄 도프 세리아를 포함하는 경우, 상기 애노드는 가돌리늄 도프 세리아를 포함할 수 있다.
상기 애노드의 두께는 300㎛ 이상 800㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드의 두께는 500㎛ 이상 700㎛ 이하일 수 있다.
상기 애노드의 기공율은 10% 이상 50% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드의 기공율은 10% 이상 30% 이하일 수 있다.
상기 애노드의 기공의 직경은 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드의 기공의 직경은 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 애노드의 기공의 직경은 0.5 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 애노드의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 애노드용 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 애노드 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 애노드용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 애노드용 그린시트 단독 또는 이웃한 이종층의 그린시트와 함께 소성되어 애노드를 제조할 수 있다.
상기 애노드용 그린시트의 두께는 500 ㎛ 이상 1000 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 애노드용 슬러리는 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 애노드용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 애노드용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량이 10중량% 이상 40중량% 이하이며, 용매의 함량이 10중량% 이상 30중량% 이하이고, 분산제의 함량이 5중량% 이상 10중량% 이하이고, 가소제의 함량이 0.5중량% 이상 3중량% 이하이고, 바인더가 10중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.
상기 애노드용 슬러리는 NiO를 더 포함할 수 있다. 상기 애노드용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 NiO의 함량은 30중량% 이상 60중량% 이하일 수 있다.
상기 애노드는 애노드 지지체와 애노드 기능층을 포함할 수 있다. 이때, 애노드 지지체는 애노드 기능층과 동일한 무기물을 포함하되 애노드 기능층보다 기공율이 높고 상대적으로 두께가 두꺼워 다른 층을 지지하는 층이며, 상기 애노드 기능층은 상기 애노드 지지체와 전해질층 사이에 구비되어 실제 애노드로서의 주된 역할을 주행하는 층일 수 있다.
상기 애노드가 애노드 지지체와 애노드 기능층을 포함하는 경우, 제조된 애노드 기능층용 그린시트를 소성된 애노드 지지체 상에 라미네이트한 후 이를 소성하여 애노드를 제조할 수 있다.
상기 애노드가 애노드 지지체와 애노드 기능층을 포함하는 경우, 상기 애노드 지지체의 두께는 350㎛ 이상 1000㎛ 이하일 수 있으며, 애노드 기능층의 두께는 5㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다.
상기 전해질의 표면 중 상기 애노드와 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 전해질과 애노드가 접하는 면적은 약 100%일 수 있다. 이때, 공정상 약간의 오차가 있을 수 있으나, 이론적으로는 전해질의 표면 중 상기 애노드와 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 전해질과 애노드가 접하는 면적은 100%일 수 있다.
상기 캐소드박막층의 표면 중 상기 캐소드후막층과 대향하는 일면에서, 상기 캐소드후막층과 접하지 않는 부분의 일부 또는 전부는 상기 고체 산화물 연료전지를 밀봉하는 실링층과 접할 수 있다.
상기 캐소드박막층의 표면 중 상기 캐소드후막층과 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 캐소드박막층과 실링층이 접하는 면적은 3% 이상 20% 이하일 수 있다.
상기 캐소드박막층의 표면 중 상기 캐소드후막층과 대향하는 일면에서, 상기 캐소드후막층과 실링층은 서로 이격되는 것이 바람직하다.
본 명세서에서, 상기 그린시트는 완전한 최종 제품이 아닌 다음 단계에서 가공을 할 수 있는 상태의 필름 형태의 막을 의미한다. 다시 말하면, 상기 그린시트는 무기물 입자 및 용매를 포함하는 코팅 조성물로 도포하여 시트형으로 건조시킨 것이며, 상기 그린시트는 약간의 용매를 포함하면서 시트형태를 유지할 수 있는 반건조 상태의 시트를 말한다.
상기 연료 전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.
상기 연료 전지는 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.
본 명세서는 상기 고체 산화물 연료전지를 단위 전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.
도 2는 연료전지를 포함하는 전지모듈의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지는 전지모듈(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.
전지모듈(60)은 상술한 연료전지를 단위전지로 하나 또는 둘 이상 포함하며, 단위전지가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 단위전지들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 단위전지로 전달하는 역할을 한다.
산화제 공급부(70)는 산화제를 전지모듈(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 산화제 공급부(70)로 주입하여 사용할 수 있다.
연료 공급부(80)는 연료를 전지모듈(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 전지모듈(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.
[실시예]
두께가 120㎛인 연료극(애노드) 지지체(GDC/NiO) 그린시트를 8장 적층하고 그 위에 두께가 50㎛인 연료극(애노드) 기능층(GDC/NiO) 그린시트 1장 및 두께가 15㎛인 GDC 전해질 그린시트 2장을 순차적으로 적층한 적층체를 제조했다. 상기 적층체를 절삭한 후 다공성 세라믹 셋터 위에서 최종온도 1500℃에서 3시간 동안 소결을 진행하였다. 이때, 소결후 연료극 지지체의 두께는 700-750㎛이고, 연료극 기능층의 두께는 30-40 ㎛ 이며, GDC 전해질층의 두께는 23 ㎛이었다.
소결된 GDC 전해질층의 전면에 캐소드박막층을 스퍼터링법으로 형성한 후 dense한 막을 형성하기 위해 3시간 동안 1200℃에서 소성하여 SOFC 셀을 제작하였다. 소성된 캐소드박막층 위에 스퍼터링법으로 캐소드후막층을 형성한 후 다공성(prous)의 막을 얻기 위해 2시간 동안 1050℃에서 소성하였다. 소성된 캐소드박막층의 두께는 30nm이고 기공율은 0.1%미만이고, 소성된 캐소드후막층의 두께는 30㎛이었다.
이때, GDC 전해질층의 면적은 9mm2 (3mm Ⅹ 3mm)이고, 캐소드박막층의 면적은 9mm2 (3mm Ⅹ 3mm)이며, 캐소드후막층의 면적은 7.29mm2 (2.7mm Ⅹ 2.7mm)이다. 이로써, GDC 전해질층의 면적(9mm2)을 기준으로, 상기 전해질층과 캐소드박막층이 접하는 면적(9mm2)은 약 100%이고, 캐소드박막층의 면적(9mm2)을 기준으로, 상기 캐소드박막층과 캐소드후막층이 접하는 면적(7.29mm2)은 약 81%이었다.
[비교예]
캐소드박막층없이, GDC 전해질층 상에 실시예의 캐소드후막층을 직접적으로 형성한 것을 제외하고, 실시예와 동일하게 SOFC셀을 제작하였다. 소성된 캐소드후막층의 두께는 30㎛로 형성되었다.
이때, GDC 전해질층의 면적은 9mm2 (3mm Ⅹ 3mm)이고, 캐소드후막층의 면적은 7.29mm2 (2.7mm Ⅹ 2.7mm)이다. 이로써, GDC 전해질층의 면적(9mm2)을 기준으로, 상기 전해질층과 캐소드후막층이 접하는 면적(7.29mm2)은 약 81%이었다.
[실험예 1]
상기 셀의 수소 유량을 단위면적당 2.5cc/㎠ ~ 125㎠까지 변화시키며 실시예 및 비교예의 개방회로전압(OCV) 특성을 분석하였다. 그 결과를 도 5(비교예) 및 도 6(실시예)에 도시했다.
전해질 전면에 증착된 실시예의 캐소드박막층이 수소에 대한 환원을 막아주는 역할을 할 수 있는지 OCV 분석을 통해 확인할 수 있었다. 구체적으로, 캐소드박막층이 없는 비교예는 수소유량이 증가함에 따라 OCV가 감소하는 것을 알 수 있으나, 캐소드박막층이 있는 실시예는 수소유량이 증가함에 따라 OCV가 감소하지 않거나 오히려 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 캐소드박막층이 있는 실시예는 GDC 전해질의 수소 환원의 내구성이 향상되었음을 알 수 있다.
60: 전지모듈
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프

Claims (6)

  1. 애노드 지지체, 애노드 기능층, 전해질 및 캐소드가 순차적으로 구비된 애노드 지지체형 고체 산화물 연료전지로서,
    상기 전해질은 세리아계 금속 산화물을 포함하고,
    상기 캐소드는 상기 전해질 상에 구비된 캐소드박막층 및 상기 캐소드박막층 상에 구비된 캐소드후막층을 포함하며,
    상기 캐소드박막층의 두께는 50nm 미만이고, 상기 캐소드박막층의 기공율은 1% 이하이며,
    상기 캐소드후막층의 두께는 20㎛ 이상 40㎛ 이하이고, 상기 캐소드후막층의 기공율은 30% 이상이며,
    상기 전해질의 표면 중 상기 캐소드박막층과 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 전해질과 캐소드박막층이 접하는 면적은 100%이고,
    상기 캐소드박막층의 표면 중 상기 캐소드후막층과 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 캐소드박막층과 캐소드후막층이 접하는 면적은 80% 이상 97% 이하이며,
    상기 캐소드박막층의 표면 중 상기 캐소드후막층과 대향하는 일면에서, 상기 캐소드후막층과 접하지 않는 부분의 일부 또는 전부는 상기 고체 산화물 연료전지를 밀봉하는 실링층과 접하며,
    상기 캐소드박막층의 표면 중 상기 캐소드후막층과 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 캐소드박막층과 실링층이 접하는 면적은 3% 이상 20% 이하이고,
    상기 캐소드박막층의 표면 중 상기 캐소드후막층과 대향하는 일면에서, 상기 캐소드후막층과 상기 실링층은 서로 이격된인 것인 애노드 지지체형 고체 산화물 연료전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 세리아계 금속 산화물은 사마륨 도프 세리아 및 가돌리늄 도프 세리아 중 적어도 하나를 포함하는 것인 애노드 지지체형 고체 산화물 연료전지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전해질의 표면 중 상기 애노드 기능층과 대향하는 일면의 전체 면적을 기준으로, 상기 전해질과 상기 애노드 기능층이 접하는 면적은 100%인 것인 애노드 지지체형 고체 산화물 연료전지.
  6. 청구항 1, 4 및 5 중 어느 한 항에 따른 고체 산화물 연료전지를 단위 전지로 포함하는 전지모듈.
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