KR102123721B1 - Anode, electrode structure, fuel cell comprising the same and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층, 상기 애노드 지지층 상에 구비되고 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층, 및 상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 포함하는 애노드에 관한 것이다.The present specification is an anode support layer including a zirconia-based metal oxide, an anode functional layer comprising a ceria-based metal oxide provided on the anode support layer, and provided between the anode support layer and the anode functional layer, and zirconia of the anode support layer The present invention relates to an anode including a buffer layer including a metal oxide and a ceria-based metal oxide of the anode functional layer.

Description

애노드, 전극 구조체, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법{ANODE, ELECTRODE STRUCTURE, FUEL CELL COMPRISING THE SAME AND METHOD THEREOF}Anode, electrode structure, fuel cell including the same, and a manufacturing method therefor{ANODE, ELECTRODE STRUCTURE, FUEL CELL COMPRISING THE SAME AND METHOD THEREOF}

본 명세서는 애노드, 전극 구조체, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present specification relates to an anode, an electrode structure, a fuel cell including the same, and a method for manufacturing the same.

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.Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of these alternative energies, fuel cells are particularly attracting attention due to advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel used.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electrical energy, and hydrocarbons such as hydrogen, methanol, and butane are used as fuel, and oxygen is used as an oxidant.

연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuels. And SOFCs.

한편, 연료전지의 공기극의 원리를 응용하여 금속 이차 전지의 공기극을 공기극으로 제조하는 금속 공기 이차 전지에 대한 연구도 필요하다.On the other hand, it is also necessary to study a metal air secondary battery that manufactures an air electrode of a metal secondary battery as an air electrode by applying the principle of the air electrode of a fuel cell.

대한민국 특허공개 제 2016-0059419호 (2016.05.26 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 2016-0059419 (released May 26, 2016)

본 명세서는 애노드, 전극 구조체, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.This specification is intended to provide an anode, an electrode structure, a fuel cell including the same, and a method of manufacturing the same.

본 명세서는 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층, 상기 애노드 지지층 상에 구비되고 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층, 및 상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 포함하는 애노드를 제공한다. The present specification is an anode support layer including a zirconia-based metal oxide, an anode functional layer comprising a ceria-based metal oxide provided on the anode support layer, and provided between the anode support layer and the anode functional layer, and zirconia of the anode support layer An anode including a buffer layer including a cerium-based metal oxide of the metal oxide and the anode functional layer is provided.

또한, 본 명세서는 애노드 및 상기 애노드 상에 구비된 전해질층을 포함하는 전극 구조체로서, 상기 애노드는 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층, 상기 애노드 지지층 상에 구비되고 제1 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층, 및 상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 제1 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 포함하며, 상기 전해질층은 상기 애노드 기능층 상에 구비되고 제2 세리아계 금속산화물을 포함하는 전해질층을 포함하는 것인 전극 구조체를 제공한다. In addition, the present specification is an electrode structure including an anode and an electrolyte layer provided on the anode, wherein the anode includes an anode support layer including a zirconia-based metal oxide, and is provided on the anode support layer and includes a first ceria-based metal oxide. An anode functional layer, and a buffer layer provided between the anode support layer and the anode functional layer, and comprising a zirconia-based metal oxide of the anode support layer and a first ceria-based metal oxide of the anode functional layer, and the electrolyte layer Provides an electrode structure provided on the anode functional layer and comprising an electrolyte layer including a second ceria-based metal oxide.

또한, 본 명세서는 전술한 애노드, 상기 애노드의 애노드 기능층 상에 구비된 전해질층, 및 상기 전해질층 상에 구비된 캐소드를 포함하는 연료 전지를 제공한다. In addition, the present specification provides a fuel cell including the above-described anode, an electrolyte layer provided on the anode functional layer of the anode, and a cathode provided on the electrolyte layer.

또한, 본 명세서는 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층을 제조하는 단계; 상기 애노드 지지층 상에 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층을 제조하는 단계; 및 상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 제조하는 단계를 포함하는 것인 애노드의 제조방법을 제공한다. In addition, the present specification is a step of manufacturing an anode support layer comprising a zirconia-based metal oxide; Manufacturing an anode functional layer comprising a ceria-based metal oxide on the anode support layer; And preparing a buffer layer provided between the anode support layer and the anode functional layer, and comprising a zirconia-based metal oxide of the anode support layer and a ceria-based metal oxide of the anode functional layer. to provide.

본 명세서의 전극 구조체 및 이를 적용한 연료 전지는 셀 저항이 낮은 장점이 있다. The electrode structure of the present specification and the fuel cell using the same have an advantage of low cell resistance.

본 명세서의 전극 구조체 및 이를 적용한 연료 전지는 셀 가동전력이 높은 장점이 있다. The electrode structure of the present specification and the fuel cell using the same have an advantage of high cell operating power.

도 1은 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 연료전지를 포함하는 전지모듈의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 명세서의 실시예 1 및 비교예 2의 전지성능 비교그래프이다.
도 4는 본 명세서의 비교예 1의 하프셀의 단면을 관찰한 주사전자현미경 이미지이다.
도 5는 본 명세서의 비교예 2의 하프셀의 단면을 관찰한 주사전자현미경 이미지이다.
도 6은 본 명세서의 실시예 1의 하프셀의 단면을 관찰한 주사전자현미경 이미지이다.1 is a schematic view showing the principle of electricity generation in a solid oxide fuel cell.
2 is a view schematically showing an embodiment of a battery module including a fuel cell.
3 is a battery performance comparison graph of Example 1 and Comparative Example 2 of the present specification.
4 is a scanning electron microscope image of a cross section of a half cell of Comparative Example 1 of the present specification.
5 is a scanning electron microscope image of a cross section of the half cell of Comparative Example 2 of the present specification.
6 is a scanning electron microscope image of a cross section of a half cell of Example 1 of the present specification.

이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in detail.

상기 애노드는 순차적으로 구비 애노드 지지층, 버퍼층 및 애노드 기능층을 포함한다. The anode sequentially includes an anode support layer, a buffer layer, and an anode functional layer.

본 명세서는 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층, 상기 애노드 지지층 상에 구비되고 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층, 및 상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 포함하는 애노드를 제공한다.The present specification is an anode support layer including a zirconia-based metal oxide, an anode functional layer comprising a ceria-based metal oxide provided on the anode support layer, and provided between the anode support layer and the anode functional layer, and zirconia of the anode support layer An anode including a buffer layer including a cerium-based metal oxide of the metal oxide and the anode functional layer is provided.

상기 애노드 지지층은 지르코니아계 금속 산화물을 포함하며, 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ) 및 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드 지지층은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15) 및 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 애노드 지지층은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15)을 포함할 수 있다. The anode support layer may include a zirconia-based metal oxide, and may include at least one of yttria stabilized zirconium oxide (YSZ) and scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ). Specifically, the anode support layer includes yttria stabilized zirconium oxide (YSZ: (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 to 0.15) and scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ: (Sc 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 ~ 0.15). More specifically, the anode support layer may include yttria stabilized zirconium oxide (YSZ: (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 to 0.15).

상기 애노드 지지층은 NiO를 더 포함할 수 있다. 상기 NiO는 전지 체결 후 공급되는 연료에 의해 Ni로 환원되어 전자 전도성 물질로서 역할을 수행한다.The anode support layer may further include NiO. The NiO is reduced to Ni by the fuel supplied after the battery is fastened and serves as an electron conductive material.

상기 NiO의 함량은 상기 지르코니아계 금속 산화물의 중량의 100중량% 이상 200중량% 이하일 수 있다.The content of NiO may be 100 wt% or more and 200 wt% or less of the weight of the zirconia-based metal oxide.

상기 애노드 지지층의 평균두께는 600㎛ 이상 1000㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드 지지층의 평균두께는 700㎛ 이상 1000㎛ 이하일 수 있으며, 더 구체적으로, 상기 애노드 지지층의 평균두께는 700㎛ 이상 900㎛ 이하일 수 있다.The average thickness of the anode support layer may be 600 μm or more and 1000 μm or less. Specifically, the average thickness of the anode support layer may be 700 μm or more and 1000 μm or less, and more specifically, the average thickness of the anode support layer may be 700 μm or more and 900 μm or less.

상기 애노드 지지층의 기공율은 10% 이상 50% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드 지지층의 기공율은 10% 이상 30% 이하일 수 있다.The porosity of the anode support layer may be 10% or more and 50% or less. Specifically, the porosity of the anode support layer may be 10% or more and 30% or less.

상기 애노드 지지층의 기공의 평균직경은 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드 지지층의 기공의 평균직경은 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 애노드 지지층의 기공의 평균직경은 0.5 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하일 수 있다.The average diameter of the pores of the anode support layer may be 0.1 μm or more and 10 μm or less. Specifically, the average diameter of the pores of the anode support layer may be 0.5 μm or more and 5 μm or less. More specifically, the average diameter of the pores of the anode support layer may be 0.5 μm or more and 2 μm or less.

상기 애노드 기능층은 애노드 지지층 상에 구비되고 세리아계 금속산화물을 포함하며, 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC) 및 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드 기능층은 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. 더 구체적으로, 상기 애노드 기능층은 세리아계 금속산화물로서 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4)를 포함할 수 있다. The anode functional layer is provided on the anode support layer and includes a ceria-based metal oxide, and may include at least one of samarium-doped ceria (SDC) and gadolinium-doped ceria (GDC). Specifically, the anode functional layer includes samarium dope ceria (SDC: (Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 to 0.4) and gadolinium dope ceria (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 ~ 0.4). More specifically, the anode functional layer may include gadolinium doped ceria (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 to 0.4) as a ceria-based metal oxide.

상기 애노드 기능층은 NiO를 더 포함할 수 있다. 상기 NiO는 전지 체결 후 공급되는 연료에 의해 Ni로 환원되어 전자 전도성 물질로서 역할을 수행한다.The anode functional layer may further include NiO. The NiO is reduced to Ni by the fuel supplied after the battery is fastened and serves as an electron conductive material.

상기 애노드 기능층 내에서, 상기 NiO의 함량은 상기 세리아계 금속산화물의 중량의 80중량% 이상 150중량% 이하일 수 있다.In the anode functional layer, the content of NiO may be 80 wt% or more and 150 wt% or less of the weight of the ceria-based metal oxide.

상기 애노드 기능층의 평균두께는 1㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드 기능층의 평균두께는 5㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있으며, 더 구체적으로, 상기 애노드 기능층의 평균두께는 5㎛ 이상 40㎛ 이하일 수 있다.The average thickness of the anode functional layer may be 1 μm or more and 100 μm or less. Specifically, the average thickness of the anode functional layer may be 5 µm or more and 50 µm or less, and more specifically, the average thickness of the anode functional layer may be 5 µm or more and 40 µm or less.

상기 애노드 기능층의 기공율은 10% 이상 50% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드 기능층의 기공율은 10% 이상 30% 이하일 수 있다.The porosity of the anode functional layer may be 10% or more and 50% or less. Specifically, the porosity of the anode functional layer may be 10% or more and 30% or less.

상기 애노드 기능층의 기공의 평균직경은 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드 기능층의 기공의 평균직경은 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 애노드 기능층의 기공의 평균직경은 0.5 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하일 수 있다.The average diameter of the pores of the anode functional layer may be 0.1 μm or more and 10 μm or less. Specifically, the average diameter of the pores of the anode functional layer may be 0.5 μm or more and 5 μm or less. More specifically, the average diameter of the pores of the anode functional layer may be 0.5 μm or more and 2 μm or less.

상기 버퍼층은 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 세리아계 금속산화물을 포함한다. 다시 말하면, 상기 버퍼층은 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 동일한 지르코니아계 금속 산화물, 및 상기 애노드 기능층의 세리아계 금속산화물과 동일한 세리아계 금속산화물을 포함한다. The buffer layer is provided between the anode support layer and the anode functional layer, and includes a zirconia-based metal oxide of the anode support layer and a ceria-based metal oxide of the anode functional layer. In other words, the buffer layer includes the same zirconia-based metal oxide as the zirconia-based metal oxide of the anode support layer, and the ceria-based metal oxide as the ceria-based metal oxide of the anode functional layer.

상기 버퍼층의 총 중량을 기준으로, 상기 지르코니아계 금속 산화물의 함량은 5중량% 이상 30중량% 이하이며, 구체적으로 10중량% 이상 25중량% 이하이고, 더 구체적으로 15중량% 이상 20중량% 이하일 수 있다. 이 경우 층간 수축율의 차이를 줄이는 장점이 있다. Based on the total weight of the buffer layer, the content of the zirconia-based metal oxide is 5% by weight or more and 30% by weight or less, specifically 10% by weight or more and 25% by weight or less, and more specifically 15% by weight or more and 20% by weight or less Can be. In this case, there is an advantage of reducing the difference in interlayer shrinkage.

상기 버퍼층의 총 중량을 기준으로, 상기 세리아계 금속산화물의 함량은 5중량% 이상 30중량% 이하이며, 구체적으로 10중량% 이상 25중량% 이하이고, 더 구체적으로 15중량% 이상 20중량% 이하일 수 있다. 이 경우 층간 수축율의 차이를 줄이는 장점이 있다.Based on the total weight of the buffer layer, the content of the ceria-based metal oxide is 5% by weight or more and 30% by weight or less, specifically 10% by weight or more and 25% by weight or less, and more specifically 15% by weight or more and 20% by weight or less Can be. In this case, there is an advantage of reducing the difference in interlayer shrinkage.

상기 버퍼층에서, 상기 지르코니아계 금속 산화물의 중량을 기준으로, 상기 세리아계 금속산화물의 함량은 20중량% 이상 100중량% 이하이며, 구체적으로 30중량% 이상 70중량% 이하이고, 더 구체적으로 40중량% 이상 60중량% 이하일 수 있다. 이 경우 층간 수축율의 차이를 줄이는 장점이 있다.In the buffer layer, based on the weight of the zirconia-based metal oxide, the content of the ceria-based metal oxide is 20% by weight or more and 100% by weight or less, specifically 30% by weight or more and 70% by weight or less, and more specifically 40% by weight % Or more and 60% by weight or less. In this case, there is an advantage of reducing the difference in interlayer shrinkage.

상기 버퍼층은 NiO를 더 포함할 수 있다. 상기 NiO는 전지 체결 후 공급되는 연료에 의해 Ni로 환원되어 전자 전도성 물질로서 역할을 수행한다.The buffer layer may further include NiO. The NiO is reduced to Ni by the fuel supplied after the battery is fastened and serves as an electron conductive material.

상기 버퍼층의 총 중량을 기준으로, 상기 NiO의 함량은 40중량% 이상 70 중량% 이하일 수 있다.Based on the total weight of the buffer layer, the content of NiO may be 40% by weight or more and 70% by weight or less.

상기 버퍼층의 평균두께는 1㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 버퍼층의 평균두께는 3㎛ 이상 20㎛ 이하일 수 있으며, 더 구체적으로, 상기 버퍼층의 평균두께는 5㎛ 이상 10㎛ 이하일 수 있다.The average thickness of the buffer layer may be 1 μm or more and 50 μm or less. Specifically, the average thickness of the buffer layer may be 3 μm or more and 20 μm or less, and more specifically, the average thickness of the buffer layer may be 5 μm or more and 10 μm or less.

상기 버퍼층의 기공율은 10% 이상 50% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 버퍼층의 기공율은 10% 이상 30% 이하일 수 있다.The porosity of the buffer layer may be 10% or more and 50% or less. Specifically, the porosity of the buffer layer may be 10% or more and 30% or less.

상기 버퍼층의 기공의 평균직경은 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 버퍼층의 기공의 평균직경은 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 버퍼층의 기공의 평균직경은 0.5 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하일 수 있다.The pore diameter of the buffer layer may be 0.1 μm or more and 10 μm or less. Specifically, the average diameter of the pores of the buffer layer may be 0.5 μm or more and 5 μm or less. More specifically, the average diameter of the pores of the buffer layer may be 0.5 μm or more and 2 μm or less.

본 명세서는 전술한 애노드 및 상기 애노드 상에 구비된 전해질층을 포함하는 전극 구조체를 제공한다.The present specification provides an electrode structure including the above-described anode and an electrolyte layer provided on the anode.

본 명세서는 애노드 및 상기 애노드 상에 구비된 전해질층을 포함하는 전극 구조체로서, 상기 애노드는 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층, 상기 애노드 지지층 상에 구비되고 제1 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층, 및 상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 제1 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 포함하며, 상기 전해질층은 상기 애노드 기능층 상에 구비되고 제2 세리아계 금속산화물을 포함하는 전해질층을 포함하는 것인 전극 구조체를 제공한다.The present specification is an electrode structure including an anode and an electrolyte layer provided on the anode, wherein the anode is an anode support layer comprising a zirconia-based metal oxide, an anode provided on the anode support layer and comprising a first ceria-based metal oxide A functional layer, and a buffer layer provided between the anode support layer and the anode functional layer, and including a zirconia-based metal oxide of the anode support layer and a first ceria-based metal oxide of the anode functional layer, wherein the electrolyte layer is Provided is an electrode structure provided on the anode functional layer and comprising an electrolyte layer comprising a second ceria-based metal oxide.

상기 전해질층은 상기 애노드 기능층 상에 구비되고 제2 세리아계 금속산화물을 포함한다.The electrolyte layer is provided on the anode functional layer and includes a second ceria-based metal oxide.

상기 제2 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.The second ceria-based metal oxide is not particularly limited as long as it is a ceria-based metal oxide having oxygen ion conductivity, but may specifically include at least one of samarium-doped ceria and gadolinium-doped ceria, and more specifically, may include gadolinium-doped ceria. Can be.

상기 제2 세리아계 금속 산화물은 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. 더 구체적으로, 상기 전해질층은 제2 세리아계 금속산화물로서 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4)를 포함할 수 있다.The second ceria-based metal oxide is samarium dope ceria (SDC: (Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 to 0.4) and gadolinium dope ceria (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 ~ 0.4). More specifically, the electrolyte layer may include gadolinium doped ceria (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 to 0.4) as the second ceria-based metal oxide. .

상기 전해질층의 두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질의 두께는 20㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다.The thickness of the electrolyte layer may be 10 μm or more and 100 μm or less. Specifically, the thickness of the electrolyte may be 20 μm or more and 50 μm or less.

본 명세서는 전술한 애노드, 상기 애노드의 애노드 기능층 상에 구비된 전해질층, 및 상기 전해질층 상에 구비된 캐소드를 포함하는 연료 전지를 제공한다.The present specification provides a fuel cell including the above-described anode, an electrolyte layer provided on the anode functional layer of the anode, and a cathode provided on the electrolyte layer.

본 명세서는 상기 전극 구조체, 및 상기 전극 구조체의 전해질층 상에 구비된 캐소드를 포함하는 연료 전지를 제공한다. 여기서, 상기 연료 전지는 고체산화물 연료전지일 수 있다.The present specification provides a fuel cell including the electrode structure and a cathode provided on the electrolyte layer of the electrode structure. Here, the fuel cell may be a solid oxide fuel cell.

상기 연료 전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.The shape of the fuel cell is not limited, and may be, for example, coin, flat, cylindrical, horn, button, sheet or stacked.

상기 연료 전지는 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.The fuel cell may be specifically used as a power source for electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, or power storage devices.

본 명세서는 연료 전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다. The present specification provides a battery module including a fuel cell as a unit cell.

도 2는 연료전지를 포함하는 전지모듈의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지는 전지모듈(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.2 schematically shows an embodiment of a battery module including a fuel cell, and the fuel cell includes a battery module 60, an oxidizing agent supply unit 70, and a fuel supply unit 80.

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.The battery module 60 includes one or two or more of the fuel cells described above as a unit cell, and when two or more unit cells are included, includes a separator interposed therebetween. The separator prevents the unit cells from being electrically connected and transfers fuel and oxidant supplied from the outside to the unit cell.

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.The oxidizing agent supply unit 70 serves to supply the oxidizing agent to the battery module 60. As the oxidizing agent, oxygen is typically used, and oxygen or air may be injected into the oxidizing agent supply unit 70 to be used.

연료 공급부(80)는 연료를 전지모듈(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료탱크(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.The fuel supply unit 80 serves to supply fuel to the battery module 60, a fuel tank 81 for storing fuel, and a pump 82 for supplying fuel stored in the fuel tank 81 to the battery module 60 ). As the fuel, gas or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel may be used. Examples of hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

상기 캐소드는 고체산화물 연료전지용 공기극에 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), 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.The cathode may include an inorganic material having oxygen ion conductivity to be applied to an anode for a solid oxide fuel cell. The type of the inorganic material is not particularly limited, but the inorganic material is yttria stabilized zirconium oxide (YSZ: (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 to 0.15), Scandia Stabilized zirconium oxide (ScSZ: (Sc 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 ~ 0.15), samarium dope ceria(SDC: (Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1- x , x = 0.02 ~ 0.4), gadolinium dope ceria (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 ~ 0.4), lanthanum strontium manganese oxide: LSM), Lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), Lanthanum strontium nickel ferrite (LSNF), Lanthanum calcium nickel ferrite (LCNF), Lanthanum strontium cobalt oxide (Lanthanum cobalt oxide) oxide: LSC), Gadolinium strontium cobalt oxide (GSC), Lanthanum strontium ferrite (LSF), Samarium strontium cobalt oxide (SSC), Barium strontium cobalt ferrite cobalt ferrite: BSCF) and lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM).

상기 캐소드는 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.The cathode is Lanthanum strontium manganese oxide (LSM), Lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), Lanthanum strontium nickel ferrite (LSNF), Lanthanum strontium nickel ferrite (LSNF), Lanthanum calcium nickel ferrite nickel (Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF) ferrite: LCNF), Lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), Gadolinium strontium cobalt oxide (GSC), Lanthanum strontium ferrite (LSF), Samarium strontium ferrite (LSF), Samarium strontium cobalt oxide cobalt oxide (SSC), barium strontium cobalt ferrite (BSCF) and lanthanum strontium gallium magnesium oxide (Lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM)).

상기 캐소드는 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(Lanthanum strontium cobalt oxide: LSC) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite: BSCF) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The cathode may include at least one of Lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), Lanthanum strontium cobalt oxide (LSC) and Barium Strontium cobalt ferrite (BSCF).

상기 캐소드의 평균두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 캐소드의 평균두께는 20㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다.The average thickness of the cathode may be 10 μm or more and 100 μm or less. Specifically, the average thickness of the cathode may be 20 μm or more and 50 μm or less.

상기 캐소드의 기공율은 10% 이상 50% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 캐소드의 기공율은 10% 이상 30% 이하일 수 있다.The porosity of the cathode may be 10% or more and 50% or less. Specifically, the porosity of the cathode may be 10% or more and 30% or less.

상기 캐소드의 기공의 평균직경은 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 캐소드의 기공의 평균직경은 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 캐소드의 기공의 평균직경은 0.5 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하일 수 있다.The average pore diameter of the cathode may be 0.1 μm or more and 10 μm or less. Specifically, the average pore diameter of the cathode may be 0.5 μm or more and 5 μm or less. More specifically, the average diameter of the pores of the cathode may be 0.5 μm or more and 2 μm or less.

본 명세서는 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층을 제조하는 단계; 상기 애노드 지지층 상에 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층을 제조하는 단계; 및 상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 제조하는 단계를 포함하는 것인 애노드의 제조방법을 제공한다.The present specification comprises the steps of manufacturing an anode support layer comprising a zirconia-based metal oxide; Manufacturing an anode functional layer comprising a ceria-based metal oxide on the anode support layer; And preparing a buffer layer provided between the anode support layer and the anode functional layer, and comprising a zirconia-based metal oxide of the anode support layer and a ceria-based metal oxide of the anode functional layer. to provide.

본 명세서는 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층을 제조하는 단계; 상기 애노드 지지층 상에 제1 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층을 제조하는 단계; 상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 제1 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 제조하는 단계; 및 상기 애노드 기능층 상에 제2 세리아계 금속산화물을 포함하는 전해질층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 전극 구조체의 제조방법을 제공한다.The present specification comprises the steps of manufacturing an anode support layer comprising a zirconia-based metal oxide; Manufacturing an anode functional layer comprising a first ceria-based metal oxide on the anode support layer; Preparing a buffer layer provided between the anode support layer and the anode functional layer, and comprising a zirconia-based metal oxide of the anode support layer and a first ceria-based metal oxide of the anode functional layer; And forming an electrolyte layer including a second ceria-based metal oxide on the anode functional layer.

상기 전극 구조체의 제조방법은 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층용 슬러리를 이용하여 애노드 지지층을 제조하는 단계; 상기 애노드 지지층 상에 제1 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층용 슬러리를 이용하여 애노드 기능층을 제조하는 단계; 상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 제1 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층용 슬러리를 이용하여 버퍼층을 제조하는 단계; 및 상기 애노드 기능층 상에 제2 세리아계 금속산화물을 포함하는 전해질층용 슬러리를 이용하여 전해질층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The method of manufacturing the electrode structure comprises the steps of: preparing an anode support layer using a slurry for an anode support layer containing a zirconia-based metal oxide; Preparing an anode functional layer using a slurry for an anode functional layer containing a first ceria-based metal oxide on the anode support layer; Preparing a buffer layer using a slurry for a buffer layer that is provided between the anode support layer and the anode functional layer, and includes a zirconia-based metal oxide of the anode support layer and a first ceria-based metal oxide of the anode functional layer; And forming an electrolyte layer on the anode functional layer using a slurry for an electrolyte layer comprising a second ceria-based metal oxide.

상기 애노드 지지층, 버퍼층, 애노드 기능층 및 전해질층의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 각 층의 슬러리를 순차적으로 코팅 후 이를 건조 및 소성하거나, 각 층의 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 각 층용 그린시트를 제조하고, 각 층용 그린시트 단독 또는 이웃한 층의 그린시트와 함께 소성하여 각 층을 제조할 수 있다. The method for manufacturing the anode support layer, the buffer layer, the anode functional layer and the electrolyte layer is not particularly limited, for example, after sequentially coating the slurry of each layer, drying and calcining it, or slurry of each layer on a separate release paper Each layer can be prepared by coating and drying to prepare a green sheet for each layer, and firing the green sheet for each layer alone or with a green sheet of neighboring layers.

상기 애노드 지지층용 슬러리, 버퍼층용 슬러리 및 애노드 기능층용 슬러리는 각각 독립적으로 NiO를 더 포함할 수 있다. The slurry for the anode support layer, the slurry for the buffer layer and the slurry for the anode functional layer may each further include NiO.

상기 각 층용 슬러리는 각각 독립적으로 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The slurry for each layer may further include at least one of a binder resin, a plasticizer, a dispersant, and a solvent, respectively, and the binder resin, a plasticizer, a dispersant, and a solvent are not particularly limited, and common materials known in the art Can be used.

상기 애노드 지지층용 슬러리, 버퍼층용 슬러리 및 애노드 기능층용 슬러리 중 각 층용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소이온 전도성을 갖는 금속 산화물 입자 및 NiO의 함량은 각각 40 중량% 이상 70 중량% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 산소이온 전도성을 갖는 금속 산화물 입자는 애노드 지지층에서는 지르코니아계 금속 산화물 입자이고, 애노드 기능층에서는 제1 세리아계 금속 산화물 입자이고, 버퍼층에서는 지르코니아계 금속 산화물 입자 및 제1 세리아계 금속 산화물 입자를 의미한다. Based on the total weight of the slurry for each layer of the slurry for the anode support layer, the slurry for the buffer layer, and the slurry for the anode functional layer, the content of the metal oxide particles having oxygen ion conductivity and NiO may be 40% by weight or more and 70% by weight or less, respectively. . Specifically, the metal oxide particles having oxygen ion conductivity are zirconia-based metal oxide particles in the anode support layer, first ceria-based metal oxide particles in the anode functional layer, and zirconia-based metal oxide particles and the first ceria-based metal oxide in the buffer layer. Means particles.

상기 전해질층용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소이온 전도성을 갖는 금속 산화물 입자의 함량은 40 중량% 이상 70 중량% 이하일 수 있다. Based on the total weight of the slurry for the electrolyte layer, the content of the metal oxide particles having oxygen ion conductivity may be 40% by weight or more and 70% by weight or less.

상기 각 층용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 용매의 함량이 10중량% 이상 30중량% 이하이고, 분산제의 함량이 5중량% 이상 10중량% 이하이고, 가소제의 함량이 0.5중량% 이상 3중량% 이하이고, 바인더 수지의 함량이 10중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.Based on the total weight of the slurry for each layer, the content of the solvent is 10% by weight or more and 30% by weight or less, the content of the dispersant is 5% by weight or more and 10% by weight or less, and the content of the plasticizer is 0.5% by weight or more and 3% by weight Below, the content of the binder resin may be 10% by weight or more and 30% by weight or less.

상기 전극 구조체의 제조방법은 상기 전해질층 상에 캐소드를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the electrode structure may further include forming a cathode on the electrolyte layer.

상기 캐소드의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 캐소드용 슬러리를 전해질층 상에 직접 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 캐소드 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 캐소드용 그린시트를 제조하고, 캐소드용 그린시트 단독 또는 이웃한 층의 그린시트와 함께 소성하여 캐소드를 제조할 수 있다. The method for manufacturing the cathode is not particularly limited, but, for example, the cathode slurry is directly coated on the electrolyte layer to dry and fire it, or the cathode slurry is coated on a separate release paper and dried to produce a cathode green sheet. And, the cathode green sheet alone or by firing together with a green sheet of an adjacent layer can be prepared cathode.

상기 캐소드용 그린시트의 두께는 10 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하일 수 있다.The thickness of the green sheet for the cathode may be 10 μm or more and 100 μm or less.

상기 캐소드용 슬러리는 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 캐소드용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The cathode slurry includes inorganic particles having oxygen ion conductivity, and if necessary, the cathode slurry may further include at least one of a binder resin, a plasticizer, a dispersant, and a solvent, and the binder resin, a plasticizer, a dispersant, and The solvent is not particularly limited, and conventional materials known in the art may be used.

상기 캐소드용 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, 바인더 수지의 함량이 10중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.Based on the total weight of the slurry for the cathode, the content of the inorganic particles having oxygen ion conductivity is 40% by weight or more and 70% by weight or less, the content of the solvent is 10% by weight or more and 30% by weight or less, and the content of the dispersant is 5% by weight or more and 10% by weight or less, the content of the plasticizer is 0.5% by weight or more and 3% by weight or less, and the content of the binder resin may be 10% by weight or more and 30% by weight or less.

이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail through examples. However, the following examples are only intended to illustrate the present specification and are not intended to limit the present specification.

[실시예][Example]

[실시예 1][Example 1]

AFL층, buffer층, ASL층 및 전해질층이 순차적으로 적층된 구조의 하프셀로서, 이 때 buffer층의 두께는 소결 후 약 4μm ~ 6μm이었다. buffer층의 조성은 중량비 NiO : YSZ : GDC = 3 : 1 : 1로 이루어져 있다. 소결 후 ASL의 조성은 중량비 약 NiO : YSZ = 13 : 7 이며, AFL의 조성은 약 NiO : GDC = 1 : 1 이다. 셀 제조방법으로서는 테이프캐스팅방법으로 제작된 각각의 ASL, buffer, AFL 및 EL의 그린시트(green sheet)를 약 90℃ 정도의 히팅롤을 사용하여 적층한 후 전기로에서 약 1300℃ ~ 1400℃의 온도영역에서 가소결, 약 1400℃ ~ 1500℃의 온도영역에서 소결하여 평평한 하프셀을 제작하였다.The AFL layer, the buffer layer, the ASL layer, and the half cell of the structure in which the electrolyte layers are sequentially stacked, wherein the thickness of the buffer layer was about 4 μm to 6 μm after sintering. The composition of the buffer layer consists of the weight ratio NiO:YSZ:GDC=3:1:1. After sintering, the composition of ASL is about NiO:YSZ=13:7 by weight, and the composition of AFL is about NiO:GDC=1:1. As a cell manufacturing method, green sheets of each ASL, buffer, AFL, and EL produced by a tape casting method are laminated using a heating roll of about 90°C, and then heated to a temperature of about 1300°C to 1400°C in an electric furnace. By sintering in the region and sintering in a temperature range of about 1400°C to 1500°C, a flat half cell was produced.

[실시예 2][Example 2]

AFL층, buffer층, ASL층 및 전해질층이 순차적으로 적층된 구조의 하프셀로서, 이 때 buffer층의 두께는 소결 후 약 8μm ~ 12 μm인 것을 제외하고, 실시예 1과 각층의 조성 및 셀의 제조방법이 동일하다.AFL layer, buffer layer, ASL layer and half cell of a structure in which the electrolyte layers are sequentially stacked, wherein the thickness of the buffer layer is about 8 μm to 12 μm after sintering, except that Example 1 and the composition and cells of each layer The manufacturing method is the same.

[비교예 1][Comparative Example 1]

buffer층없이, ASL과 AFL이 접합된 구조의 하프셀로서, 소결 후 ASL의 조성은 중량비 약 NiO : GDC = 3 : 2 이며, AFL의 조성은 약 NiO : GDC = 1 : 1 이다. 셀 제조방법은 buffer층을 제외하고 실시예 1과 동일하다.Without a buffer layer, ASL and AFL are half cells of a structure in which the composition of ASL after sintering is about NiO:GDC=3:2 by weight, and the composition of AFL is about NiO:GDC=1:1. The cell manufacturing method is the same as in Example 1 except for the buffer layer.

[비교예 2][Comparative Example 2]

buffer층없이, ASL과 AFL이 접합된 구조의 하프셀로서, ASL은 NiO와 YSZ로 구성되어 있으며, AFL은 NiO와 GDC로 구성되어 있다. 소결 후 ASL의 조성은 중량비 약 NiO : YSZ = 13 : 7 이며, AFL의 조성은 약 NiO : GDC = 1 : 1 이다. 셀 제조방법은 buffer층을 제외하고 실시예 1과 동일하다. As a half cell of ASL and AFL junction structure without buffer layer, ASL is composed of NiO and YSZ, and AFL is composed of NiO and GDC. After sintering, the composition of ASL is about NiO:YSZ=13:7 by weight, and the composition of AFL is about NiO:GDC=1:1. The cell manufacturing method is the same as in Example 1 except for the buffer layer.

[실험예 1][Experimental Example 1]

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에서 제조한 하프셀에 대한 셀 굽힘강도와, 하프셀의 전해질층 상에 캐소드를 적용한 풀셀의 가동환경에서의 저항값 및 가동전력을 측정하여, 하기 표 1 및 도 3에 나타냈다. 풀셀은, 제작된 10 cm x 10 cm 크기의 하프셀을 Φ25mm의 디스크 모양으로 절단하고, 그 위에 캐소드 페이스트를 스크린프린팅을 통해 적층한 뒤 약 1100℃에서 소결하여 셀을 제작하였다. 하프셀 굽힘강도는 ISO 178 시험법에 따라 측정했으며, 셀 저항값은 AC임피던스법을 통해 측정했고, 셀 가동전력은 캐소드 및 애노드에 각각 500 sccm 유량의 공기, 200 sccm의 3%의 H2O를 포함한 수소가 공급되는 환경에서 600℃, 0.5A/cm2의 전류밀도가 적용된 조건에서 측정하였다.Cell bending strength for the half cells prepared in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2, and resistance values and operating power in the operating environment of the full cell to which the cathode was applied on the electrolyte layer of the half cell were measured, and the following table. 1 and 3. The full cell was cut into a disk shape of Φ25 mm by cutting the produced 10 cm x 10 cm half cell into a disc shape, stacking the cathode paste on the screen through screen printing, and sintering it at about 1100° C. to produce a cell. The half-cell bending strength was measured according to the ISO 178 test method, and the cell resistance value was measured through the AC impedance method, and the cell operating power was 500 sccm of air to the cathode and anode, respectively, and 3% H 2 O of 200 sccm. It was measured under conditions of applying a current density of 600°C and 0.5 A/cm 2 in an environment in which hydrogen containing was supplied.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 셀 굽힘강도 (ISO 178)Cell bending strength (ISO 178) 144MPa144 MPa 150MPa150MPa 85MPa85 MPa 160MPa160MPa 셀 저항값
(AC impedance spectroscopy)Cell resistance value
(AC impedance spectroscopy) 0.16Ωcm2 0.16Ωcm 2 0.15Ωcm2 0.15Ωcm 2 0.15Ωcm2 0.15Ωcm 2 0.27Ωcm2 0.27Ωcm 2 셀 가동전력
Under 0.5Acm-2 current density @ 600℃Cell operating power
Under 0.5Acm -2 current density @ 600℃ 395mW/cm2 395mW/cm 2 401mW/cm2 401mW/cm 2 405mW/cm2 405mW/cm 2 372mW/cm2 372 mW/cm 2

상기 표 1 및 도 3을 통해, buffer층을 적용한 실시예 1 및 2는, 비교예 1과 비교하여 약 70% 내지 76% 높은 굽힘강도를 보임으로, 실제로 셀을 스택에 적용할 때 필요로 하는 셀의 기계적 강도가 크게 향상된 셀임을 알 수 있으며, 비교예 2와 비교하여 약 60% 낮은 셀 저항과 더 높은 셀 가동전력을 보이므로, 셀 구동 시 요구되는 전력밀도가 더 향상된 셀 임을 확인할 수 있다. 특히, 비교예 2는 AFL과 ASL의 미세구조에서 관찰된 바와 같이, AFL과 ASL의 미약한 계면접합이 셀의 장기 내구성 면에서도 부정적인 효과가 우려되는 반면, 실시예 1과 2는 AFL 및 ASL이 치밀한 접합을 통해 장기내구성 면에서 비교예 2에 비해 우수한 셀임을 간접적으로 확인할 수 있다.Through Tables 1 and 3, Examples 1 and 2 to which the buffer layer was applied show a bending strength of about 70% to 76% higher than that of Comparative Example 1, which is actually required when applying the cell to the stack. It can be seen that the cell has a significantly improved mechanical strength, and since it shows a cell resistance of about 60% and a higher cell operating power compared to Comparative Example 2, it can be confirmed that the power density required for driving the cell is a more improved cell. . Particularly, in Comparative Example 2, as observed in the microstructure of AFL and ASL, the weak interfacial bonding of AFL and ASL may be a negative effect in terms of long-term durability of the cell, whereas Examples 1 and 2 have AFL and ASL. It can be indirectly confirmed that the cell is superior to Comparative Example 2 in terms of long-term durability through dense bonding.

[실험예 2][Experimental Example 2]

실시예 1 및 비교예 1 내지 2에서 제조한 하프셀의 단면도를 주사전자현미경으로 관측한 결과를 도 4 내지 도 6에 도시했다. 4 to 6 show the results of observing cross-sectional views of the half cells prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 2 with a scanning electron microscope.

도 5 및 도 6을 비교하면, 버퍼층없이, 지르코니아계 금속 산화물을 갖는 애노드 지지층(ASL)과 세리아계 금속산화물을 갖는 애노드 기능층(AFL)이 구비된 비교예 2는 ASL과 AFL 사이의 계면이 박리된 것을 알 수 있다. 한편, 버퍼층이 구비된 실시예 1의 경우에는 계면이 박리되지 않은 것을 확인할 수 있다.5 and 6, Comparative Example 2 provided with an anode support layer (ASL) having a zirconia-based metal oxide and an anode functional layer (AFL) having a ceria-based metal oxide, without a buffer layer, has an interface between ASL and AFL. It can be seen that the peeling. On the other hand, in the case of Example 1 with a buffer layer, it can be confirmed that the interface did not peel off.

ASL: 애노드 지지층
AFL: 애노드 기능층
EL: 전해질층
Buffer: 버퍼층ASL: anode support layer
AFL: anode functional layer
EL: electrolyte layer
Buffer: Buffer layer

Claims (6)

지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층,
상기 애노드 지지층 상에 구비되고 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층, 및
상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 포함하며,
상기 버퍼층의 총 중량을 기준으로, 상기 지르코니아계 금속 산화물의 함량은 5중량% 이상 30중량% 이하이고, 상기 세리아계 금속산화물의 함량은 5중량% 이상 30중량% 이하이며,
상기 버퍼층에서, 상기 지르코니아계 금속 산화물의 중량을 기준으로, 상기 세리아계 금속산화물의 함량은 20중량% 이상 100중량% 이하인 것인 애노드.Anode support layer comprising a zirconia-based metal oxide,
An anode functional layer provided on the anode support layer and comprising a ceria-based metal oxide, and
It is provided between the anode support layer and the anode functional layer, and includes a buffer layer comprising a zirconia-based metal oxide of the anode support layer and a ceria-based metal oxide of the anode functional layer,
Based on the total weight of the buffer layer, the content of the zirconia-based metal oxide is 5% by weight or more and 30% by weight or less, and the content of the ceria-based metal oxide is 5% by weight or more and 30% by weight or less,
In the buffer layer, based on the weight of the zirconia-based metal oxide, the content of the ceria-based metal oxide is 20% by weight or more and 100% by weight or less. 청구항 1에 있어서, 상기 버퍼층의 평균두께는 1㎛ 이상 50㎛ 이하인 것인 애노드.The anode according to claim 1, wherein an average thickness of the buffer layer is 1 μm or more and 50 μm or less. 삭제delete 애노드 및 상기 애노드 상에 구비된 전해질층을 포함하는 전극 구조체로서,
상기 애노드는 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층, 상기 애노드 지지층 상에 구비되고 제1 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층, 및 상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 제1 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 포함하며,
상기 전해질층은 상기 애노드 기능층 상에 구비되고 제2 세리아계 금속산화물을 포함하는 전해질층을 포함하고,
상기 버퍼층의 총 중량을 기준으로, 상기 지르코니아계 금속 산화물의 함량은 5중량% 이상 30중량% 이하이고, 상기 세리아계 금속산화물의 함량은 5중량% 이상 30중량% 이하이며,
상기 버퍼층에서, 상기 지르코니아계 금속 산화물의 중량을 기준으로, 상기 세리아계 금속산화물의 함량은 20중량% 이상 100중량% 이하인 것인 전극 구조체.As an electrode structure comprising an anode and an electrolyte layer provided on the anode,
The anode is provided on the anode support layer comprising a zirconia-based metal oxide, the anode functional layer comprising a first ceria-based metal oxide on the anode support layer, and provided between the anode support layer and the anode functional layer, and the anode support layer It includes a buffer layer comprising a zirconia-based metal oxide and the first ceria-based metal oxide of the anode functional layer,
The electrolyte layer includes an electrolyte layer provided on the anode functional layer and including a second ceria-based metal oxide,
Based on the total weight of the buffer layer, the content of the zirconia-based metal oxide is 5% by weight or more and 30% by weight or less, and the content of the ceria-based metal oxide is 5% by weight or more and 30% by weight or less,
In the buffer layer, based on the weight of the zirconia-based metal oxide, the content of the ceria-based metal oxide is 20 wt% or more and 100 wt% or less of the electrode structure. 청구항 1 또는 2에 따른 애노드, 상기 애노드의 애노드 기능층 상에 구비된 전해질층, 및 상기 전해질층 상에 구비된 캐소드를 포함하는 연료 전지.A fuel cell comprising an anode according to claim 1 or 2, an electrolyte layer provided on the anode functional layer of the anode, and a cathode provided on the electrolyte layer. 지르코니아계 금속 산화물을 포함하는 애노드 지지층을 제조하는 단계;
상기 애노드 지지층 상에 세리아계 금속산화물을 포함하는 애노드 기능층을 제조하는 단계; 및
상기 애노드 지지층과 상기 애노드 기능층 사이에 구비되고, 상기 애노드 지지층의 지르코니아계 금속 산화물과 상기 애노드 기능층의 세리아계 금속산화물을 포함하는 버퍼층을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 버퍼층의 총 중량을 기준으로, 상기 지르코니아계 금속 산화물의 함량은 5중량% 이상 30중량% 이하이고, 상기 세리아계 금속산화물의 함량은 5중량% 이상 30중량% 이하이며,
상기 버퍼층에서, 상기 지르코니아계 금속 산화물의 중량을 기준으로, 상기 세리아계 금속산화물의 함량은 20중량% 이상 100중량% 이하인 것인 애노드의 제조방법.Preparing an anode support layer comprising a zirconia-based metal oxide;
Manufacturing an anode functional layer comprising a ceria-based metal oxide on the anode support layer; And
Preparing a buffer layer provided between the anode support layer and the anode functional layer, and comprising a zirconia-based metal oxide of the anode support layer and a ceria-based metal oxide of the anode functional layer,
Based on the total weight of the buffer layer, the content of the zirconia-based metal oxide is 5% by weight or more and 30% by weight or less, and the content of the ceria-based metal oxide is 5% by weight or more and 30% by weight or less,
In the buffer layer, based on the weight of the zirconia-based metal oxide, the content of the ceria-based metal oxide is 20% by weight or more and 100% by weight or less.
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