KR102128941B1 - Method for manufacturing solid oxide fuel cell having durable electrolyte under negative voltage condition - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세리아(CeO2)를 포함하는 층이 일면에 형성된 음극(anode)층; 상기 세리아를 포함하는 층 위에 형성되며, YSZ(Yttria-stabilized zirconia)를 포함하는 전해질(electrolyte)층; 및 양극(cathode)층의 순서대로 적층된 고체산화물 연료전지 단위 셀을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 고체산화물 연료전지 단위 셀을 소결하는 단계;를 포함하는, 역 전압 열화 현상이 방지된 고체산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법에 의하면, 소결 공정을 통해 세륨(cerium) 이온을 음극측에 구비된 세리아를 포함하는 층으로부터 전해질층 내부로 확산시켜 음극/전해질층 계면으로부터 전해질층 중심부 측으로 갈수록 세륨 농도가 감소하는 경사형 음극/전해질(Gradient anode/electrolyte) 구조의 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있으며, 상기 고체산화물 연료전지는 음극/전해질 계면에 가까운 전해질 구간만 국부적으로 전자 전도성(N-type)을 가지고 있어 역 전압 상황에서 음극/전해질 박리를 효과적으로 방지할 수 있고, 전해질 내부 중 일부만이 전자 전도성을 지니므로 누설 전류 또한 방지할 수 있다.The present invention is a negative electrode (anode) layer formed on one surface containing a ceria (CeO 2 ); An electrolyte layer formed on a layer containing the ceria, and comprising YSZ (Yttria-stabilized zirconia); And manufacturing a solid oxide fuel cell unit cell stacked in the order of the anode layer. And (b) sintering the solid oxide fuel cell unit cell, comprising a method for manufacturing a solid oxide fuel cell in which reverse voltage deterioration is prevented, of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present invention. According to the manufacturing method, the cerium concentration decreases as the cerium concentration decreases from the anode/electrolyte interface toward the center of the electrolyte layer by diffusing cerium ions from the layer containing ceria provided on the cathode side into the electrolyte layer through the sintering process. A cathode/electrolyte (Gradient anode/electrolyte) structured solid oxide fuel cell can be manufactured, and the solid oxide fuel cell has an electron conductivity (N-type) locally only in the electrolyte section close to the cathode/electrolyte interface. In the situation, it is possible to effectively prevent the cathode/electrolyte peeling, and since only a part of the inside of the electrolyte has electronic conductivity, leakage current can also be prevented.
Description
본 발명은 고체산화물 연료전지의 제조방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, 역 전압(negative cell voltage) 하에서 SOFC 셀 스택의 열화 현상을 방지할 수 있는 구조를 가지는 전해질층을 포함한 고체산화물 연료전지의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a solid oxide fuel cell, and more particularly, to a solid oxide fuel cell including an electrolyte layer having a structure capable of preventing deterioration of an SOFC cell stack under a negative cell voltage. It is about a manufacturing method.
미래 에너지와 공해문제로 인해 친환경 에너지 자원에 대한 관심이 높아지고 있다. 친환경 에너지 기술의 하나로서 수소와 산소의 화학반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 비연소과정인 전기화학반응을 통해 이산화탄소 등의 공해를 배출 하지 않는 고체 산화물 연료전지가 신재생 에너지로서 주목 받고 있다. Due to future energy and pollution problems, interest in eco-friendly energy resources is increasing. As one of eco-friendly energy technologies, a solid oxide fuel cell that converts chemical energy into electrical energy by chemical reaction between hydrogen and oxygen and does not emit pollution such as carbon dioxide through non-combustion electrochemical reaction has attracted attention as renewable energy. have.
하지만, 연료전지의 기전력은 단위 셀 하나 당 최대 1V 정도로 원하는 출력을 얻기 위해서는 직렬로 여러 장의 셀을 스태킹(stacking)하는 단계가 필요하다. 이때, 스택 내에서 하나의 셀이 큰 성능 편차를 보인다면 낮은 성능을 보이는 셀이 임계 전류 값 이상에서 역 전압(negative cell voltage)으로 작동하여 급격한 열화로 물리적 파괴가 일어나 스택 전체의 작동이 멈추게 된다(도 1). 이와 같은 현상은 실제로 직렬로 연결된 전기화학 장치에서 보편적으로 발생하는 현상으로 전지의 안정성과 상용화를 위해서는 셀 간 성능편차를 최소화해야한다. However, the electromotive force of the fuel cell requires a step of stacking multiple cells in series in order to obtain a desired output of about 1 V per unit cell. At this time, if one cell in the stack exhibits a large performance deviation, the cell exhibiting low performance operates at a negative cell voltage above a threshold current value, causing physical destruction due to rapid deterioration, thereby stopping the entire stack operation. (Figure 1). These phenomena are actually common in electrochemical devices connected in series. In order to ensure stability and commercialization of batteries, it is necessary to minimize the performance difference between cells.
현재 고체산화물 연료전지의 전해질로 가장 널리 사용되는 물질은 8mol% 이트리아(yttria)가 도핑된 지르코니아(YSZ) 이다. YSZ는 이트리아의 첨가로 인해 발생된 산소빈자리에 의해 산소 이온 전도성이 지배적인 물질로 전자 전도성을 거의 보이지 않으며 산화/환원 분위기에 관계없이 화학적으로 안정하다는 장점을 가진다. Currently, the most widely used electrolyte for solid oxide fuel cells is zirconia (YSZ) doped with 8 mol% yttria. YSZ is a material in which oxygen ion conductivity is dominant due to oxygen vacancies generated by the addition of yttria, and has little advantage in electronic conductivity, and has the advantage of being chemically stable regardless of the oxidation/reduction atmosphere.
여기서 산소이온 전도성이라는 점은 관점의 차이에 따라 다른 양상을 보이게 된다. 성능 관점에서 순수한 산소 이온 전도성은 높은 개방회로 전압과 이에 따른 높은 출력이 장점으로 작용된다. 그러나, 내구성 관점에서 순수한 산소 이온 전도성은 더 이상 장점으로 작용하지 않는다. Here, the fact that the oxygen ion conductivity is different depending on the difference in perspective. From a performance point of view, pure oxygen ion conductivity benefits from a high open circuit voltage and hence high output. However, from the viewpoint of durability, pure oxygen ion conductivity is no longer an advantage.
위에 언급한 역 전압에서의 작동은 고체 전해질 내부에 비정상적으로 높은 산소화학 포텐셜을 형성하여 전극과 전해질 계면의 박리를 일으킬 수 있다. 즉, 연료전지 스택 운전을 계속 진행하기 위해서는 역 전압에서도 열화 없이 작동 할 수 있는 기술이 필요하다. Operation at the above-mentioned reverse voltage may cause an abnormally high oxygen chemical potential inside the solid electrolyte to cause separation between the electrode and the electrolyte interface. That is, in order to continue operating the fuel cell stack, a technology capable of operating without deterioration even at a reverse voltage is required.
이와 관련해, 한국 등록특허 제10-1180182호(내박리성이 우수한 고체산화물 연료전지)에서는 삼중층 전해질을 이용하여 연료극에 가까운 전해질 층에만 세리아(ceria) 성분을 포함시켜 전자 전도성을 부여함으로써 누설 전류를 방지하고 역 전압에 대한 열화를 억제하였다. 하지만, 이러한 다층 전해질 구조는 제조 공정을 복잡하게 하고, 두꺼운 전해질로 인해 저항이 상승할 수 있으며, 층과 층 사이의 계면 저항이 발생할 수 있는 등 여러 단점을 내포하고 있다.In this regard, in Korean Patent Registration No. 10-1180182 (a solid oxide fuel cell having excellent peel resistance), a leakage current is provided by including a ceria component only in an electrolyte layer close to an anode using a triple layer electrolyte to impart electronic conductivity. And prevented deterioration of reverse voltage. However, such a multi-layered electrolyte structure complicates the manufacturing process, and has a number of disadvantages, such as resistance to increase due to a thick electrolyte and interfacial resistance between layers.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래기술이 가지는 전해질층 제조 공정의 복잡성 및 저항 증가 등의 문제를 발생시키지 않으면서도 역 전압 상황에서 음극층 및 전해질층 간의 박리를 효과적으로 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is a solid oxide that can effectively prevent the separation between the negative electrode layer and the electrolyte layer in a reverse voltage situation without causing problems such as increased complexity and resistance of the electrolyte layer manufacturing process of the prior art. It is to provide a fuel cell manufacturing method.
기존 YSZ(Yttria-stabilized zirconia)를 포함하는 전해질을 사용한 셀의 역 전압에 의한 열화를 연구한 논문에 의하면, YSZ 전해질을 사용한 셀은 시간 당 전압의 감소뿐 아니라 작동 후, 개방회로전압 및 출력밀도의 감소를 보였으며, 사후분석 결과, 음극과 전해질 계면에 박리가 관찰되는 것을 알 수 있다.According to a paper that studies the deterioration of cells using electrolytes containing Yttria-stabilized zirconia (YSZ) due to reverse voltage, cells using YSZ electrolytes not only reduce the voltage per hour, but also after operation, open circuit voltage and power density It showed a decrease, and as a result of post-analysis, it was found that peeling was observed at the anode and electrolyte interfaces.
이러한 음극과 전해질 계면간의 박리현상의 원인은 역 전압에 의한 음극/전해질 계면에서의 높은 산소분압에 의한 것으로서 박리현상을 방지하기 위해서는 계면의 산소분압을 감소시키는 것이 관건이다.The cause of the peeling phenomenon between the negative electrode and the electrolyte interface is due to the high oxygen partial pressure at the negative electrode/electrolyte interface due to the reverse voltage, and the key is to reduce the oxygen partial pressure at the interface to prevent peeling.
전자 전도성을 보이는 세리아(ceria)와 같은 도펀트(dopant)가 첨가된 YSZ를 전해질로 사용할 경우 도펀트에 의한 전자 전도성으로 역 전압 작동 시 발생하는 음극/전해질 계면의 높은 산소분압이 감소해 박리를 일으키지 않는다. 하지만, 단층 YSZ 전해질 모든 영역에 세리아를 첨가할 경우, 누설 전류가 발생할 수 있다.When YSZ added with a dopant such as ceria, which exhibits electronic conductivity, is used as an electrolyte, electron conductivity by the dopant decreases the high oxygen partial pressure at the negative electrode/electrolyte interface that occurs during reverse voltage operation and does not cause peeling. . However, when ceria is added to all regions of the single-layer YSZ electrolyte, leakage current may occur.
반면, 앞서 배경기술에서 설명하였듯이 다층 구조 전해질을 구성하면 누설 전류는 방지할 수 있지만, 제조공정의 복잡화와 전해질 두께 상승, 계면 저항과 같은 문제가 발생할 수 있다.On the other hand, as described in the background art, if a multi-layered electrolyte is constructed, leakage current can be prevented, but problems such as complexity of the manufacturing process, increased electrolyte thickness, and interface resistance may occur.
따라서, 본 발명은 전해질 내부에 직접적으로 세리아(ceria)를 첨가하지 않는 방법으로서, 셀 제조 과정 중 전자전도성을 지닌 세리아(ceria)를 함유하는 음극층을 일면에 형성시키고, 상기 셀을 소결해 고온 확산을 통해 세륨(cerium) 이온이 YSZ(Yttria-stabilized zirconia)를 포함하는 전해질층 내부에 용해되어 국부적으로 전자 전도성을 띄게 하는 경사형 음극/전해질(Gradient anode/electrolyte)를 적용한 셀의 제조방법을 제공한다.Therefore, the present invention is a method of not adding ceria directly into the electrolyte, and a cathode layer containing ceria having electronic conductivity is formed on one surface during the cell manufacturing process, and the cell is sintered to high temperature. A method of manufacturing a cell employing a gradient anode/electrolyte, in which cerium ions are dissolved in an electrolyte layer containing YSZ (Yttria-stabilized zirconia) through diffusion to make local electronic conductivity to provide.
구체적으로, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 세리아(CeO2)를 포함하는 층이 일면에 형성된 음극(anode)층; 상기 세리아를 포함하는 층 위에 형성되며, YSZ(Yttria-stabilized zirconia)를 포함하는 전해질(electrolyte)층; 및 양극(cathode)층의 순서대로 적층된 고체산화물 연료전지 단위 셀을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 고체산화물 연료전지 단위 셀을 소결하는 단계;를 포함하는, 역 전압 열화 현상이 방지된 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.Specifically, in order to achieve the above technical problem, the present invention (a) a layer comprising a ceria (CeO 2 ) A cathode (anode) layer formed on one surface; An electrolyte layer formed on a layer containing the ceria, and comprising YSZ (Yttria-stabilized zirconia); And manufacturing a solid oxide fuel cell unit cell stacked in the order of the anode layer. And (b) sintering the solid oxide fuel cell unit cell. The present invention provides a method of manufacturing a solid oxide fuel cell having a reverse voltage deterioration phenomenon.
상기 단계 (a)에서 단위 셀 적층체를 제조함에 있어서, 상기 음극층은, 음극 지지층(Anode Support, AS) 및 상기 세리아를 포함하는 층으로서 음극 지지층 상에 형성되는 음극 기능층(Anode Functional Layer, AFL)을 포함해 이루어질 수 있다.In manufacturing the unit cell stack in the step (a), the negative electrode layer is an anode functional layer (Anode Functional Layer) formed on the negative electrode support layer (Anode Support, AS) and a layer comprising the ceria. AFL).
이때, 상기 음극 지지층 및 음극 기능층은 니켈(Ni)계 소재로 이루어질 수 있으며, 나아가, 상기 음극 지지층은 니켈 및 YSZ를 포함하고, 상기 음극 기능층은 니켈, YSZ 및 세리아를 포함할 수 있다.At this time, the negative electrode support layer and the negative electrode functional layer may be made of a nickel (Ni)-based material, furthermore, the negative electrode support layer may include nickel and YSZ, and the negative electrode functional layer may include nickel, YSZ, and ceria.
또한, 상기 양극층은, 상기 전해질층 상에 형성된 양극 기능층(Cathode Functional Layer, CFL) 및 상기 양극 기능층 상에 형성된 양극 집전층(Current Collector, CC)을 포함할 수 있으며, 일례로, 상기 양극 기능층은 LSM(Sr-doped LaMnO3) 및 YSZ를 포함하고, 상기 양극 집전층은 LSM을 포함할 수 있다.In addition, the positive electrode layer may include a positive electrode functional layer (CFL) formed on the electrolyte layer and a positive electrode current collector layer (Current Collector, CC) formed on the positive electrode functional layer, for example, The positive electrode functional layer includes Sr-doped LaMnO 3 (LSM) and YSZ, and the positive electrode current collector layer may include LSM.
상기 단계 (b)에서는 상기 단계 (a)에서 제조된 단위 셀을 소결하는 단계로서, 소결을 통해 세륨(cerium) 이온을 음극측에 구비된 세리아를 포함하는 층으로부터 전해질층 내부로 확산시켜 음극/전해질층 계면으로부터 전해질층 중심부 측으로 갈수록 세륨 농도가 감소하는 경사 구조(gradient structure)를 형성하게 된다.In the step (b), the unit cell prepared in the step (a) is sintered, and cerium (cerium) ions are diffused into the electrolyte layer from the layer containing ceria provided on the negative electrode side through sintering to the negative electrode/ From the interface of the electrolyte layer toward the center of the electrolyte layer, a gradient structure in which cerium concentration decreases is formed.
이때, 상기 단계 (b)에서의 소결조건은 음극층 및 전해질층 계면으로부터 전해질층 방향으로 소정의 두께(단, 전해질층 전체 두께보다는 작아야 함)만큼의 경사 구조를 형성시킬 수 있다면 소결온도 및 시간은 특별히 제한되지는 않으며, 일례로, 1410 내지 1510 ℃의 온도에서 1 내지 11 시간 동안 실시할 수 있다.At this time, the sintering condition in the step (b) is a predetermined thickness (however, it should be smaller than the total thickness of the electrolyte layer) in the direction of the electrolyte layer from the interface between the cathode layer and the electrolyte layer. Is not particularly limited, and for example, may be performed at a temperature of 1410 to 1510°C for 1 to 11 hours.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서, 상기 제조방법에 의해 제조된 고체산화물 연료전지 단위 셀을 제공한다.And, the present invention, in another aspect of the invention, provides a solid oxide fuel cell unit cell manufactured by the above manufacturing method.
나아가, 본 발명은 발명의 또 다른 측면에서, 상기 단위 셀을 복수 개 포함하는 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.Furthermore, the present invention, in another aspect of the invention, provides a solid oxide fuel cell stack including a plurality of the unit cells.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법에 의하면, 소결 공정을 통해 세륨(cerium) 이온을 음극측에 구비된 세리아를 포함하는 층으로부터 전해질층 내부로 확산시켜 음극/전해질층 계면으로부터 전해질층 중심부 측으로 갈수록 세륨 농도가 감소하는 경사형 음극/전해질(Gradient anode/electrolyte) 구조의 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있으며, 상기 고체산화물 연료전지는 음극/전해질 계면에 가까운 전해질 구간만 국부적으로 전자 전도성(N-type)을 가지고 있어 역 전압 상황에서 음극/전해질 박리를 효과적으로 방지할 수 있고, 전해질 내부 중 일부만이 전자 전도성을 지니므로 누설 전류 또한 방지할 수 있다.According to a method for manufacturing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present invention, cerium (cerium) ions are diffused into the electrolyte layer from a layer containing ceria provided on the negative electrode side through a sintering process, from the negative electrode/electrolyte layer interface. It is possible to manufacture a solid anode fuel cell having a gradient anode/electrolyte structure in which cerium concentration decreases toward the center of the electrolyte layer, and the solid oxide fuel cell localizes only the electrolyte section close to the cathode/electrolyte interface. Since it has electronic conductivity (N-type), it is possible to effectively prevent cathodic/electrolyte peeling in reverse voltage situations, and leakage current can also be prevented because only a part of the electrolyte has electronic conductivity.
즉, 소결 공정을 통해 세륨(cerium) 이온을 단층으로 이루어진 전해질층 내부로 확산시켜 전해질층 내부에 국부적으로 전자 전도성 부여함으로써 종래기술과 같이 복잡한 제조공정을 요하는 다층 전해질 구조를 형성할 필요 없이 역 전압에 대한 내구성이 확보되고 누설전류 또한 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다.In other words, the cerium (cerium) ion is diffused into the electrolyte layer composed of a single layer through the sintering process to impart local electronic conductivity inside the electrolyte layer, thereby eliminating the need to form a multi-layer electrolyte structure requiring a complicated manufacturing process as in the prior art. It is possible to manufacture a solid oxide fuel cell that can secure voltage durability and prevent leakage current.
도 1은 정상 셀 스택과 불량 셀이 포함된 셀 스택 각각에 대한 I-V(전류-전압) 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 역 전압 열화 현상이 방지된 고체산화물 연료전지의 제조방법의 각 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본원 실시예에 따른 경사형 음극/전해질(Gradient anode/electrolyte) 구조를 가지는 SOFC 셀 제조 과정의 각 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본원 실시예에 따라 제조되는 경사형 음극/전해질(Gradient anode/electrolyte) 구조를 가지는 SOFC 셀의 단면 모식도이다.
도 5은 본원 실시예에 따라 제조된 SOFC 셀에 대한 EDS line 분석 결과이다.
도 6(a)는 종래의 YSZ 전해질층 포함 SOFC 셀에 대해 정전류(CC) 인가시 시간에 따른 전압 변화를 보여주는 그래프이며, 도 6(b)는 해당 정전류 테스트 I-V 측정 결과를 보여주는 그래프이며, 도 6(c)는 해당 정전류 테스트 후의 셀 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7(a)는 본원 실시예에서 제조된 SOFC 셀에 대해 정전류(CC) 인가시 시간에 따른 전압 변화를 보여주는 그래프이며, 도 7(b)는 해당 정전류 테스트 I-V 측정 결과를 보여주는 그래프이며, 도 7(c)는 해당 정전류 테스트 후의 셀 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.1 is an IV (current-voltage) graph for each of a cell stack including a normal cell stack and a bad cell.
2 is a flowchart showing each step of a method of manufacturing a solid oxide fuel cell in which reverse voltage degradation is prevented according to the present invention.
3 is a flow chart showing each step of the SOFC cell manufacturing process having a gradient anode/electrolyte structure according to an embodiment of the present application.
4 is a schematic cross-sectional view of an SOFC cell having a gradient anode/electrolyte structure manufactured according to an embodiment of the present application.
5 is an EDS line analysis results for the SOFC cell prepared according to the present example.
FIG. 6(a) is a graph showing a voltage change over time when a constant current (CC) is applied to a SOFC cell including a conventional YSZ electrolyte layer, and FIG. 6(b) is a graph showing the results of the corresponding constant current test IV measurement, FIG. 6(c) is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the microstructure of the cell cross section after the corresponding constant current test.
Figure 7 (a) is a graph showing the voltage change over time when the constant current (CC) is applied to the SOFC cell prepared in the present embodiment, Figure 7 (b) is a graph showing the results of the corresponding constant current test IV measurement, Figure 7(c) is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the microstructure of the cell cross section after the corresponding constant current test.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the description of the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예를 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concept of the present invention may be applied to various changes and may have various forms, and thus specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiment according to the concept of the present invention to a specific disclosure form, and it should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to indicate that a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described is present, and one or more other features or numbers. It should be understood that it does not preclude the existence or addition possibilities of, steps, actions, components, parts or combinations thereof.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples.
<실시예><Example>
도 3에 도시한 바와 같이 아래 (1) 내지 (6)의 단계를 순차적으로 실시해 도 4에 도시된 단면 모식도를 가지는 경사형 음극/전해질(Gradient anode/electrolyte) 구조의 SOFC 단위 셀을 제조하였다.As shown in FIG. 3, steps (1) to (6) below were sequentially performed to prepare SOFC unit cells having a gradient anode/electrolyte structure having a schematic cross-sectional view shown in FIG. 4.
(1) NiO와 YSZ로 이루어진 anode powder를 die-press 한 후 900℃에서 1시간 열처리하여 음극지지층(AS)을 제조하였다. (1) After the anode powder composed of NiO and YSZ was die-pressed, heat treatment was performed at 900°C for 1 hour to prepare a cathode support layer (AS).
(2) 음극 기능층 (AFL) 제조를 위해서 NiO, YSZ, ceria를 각각 60 wt% : 20 wt% : 20 wt% 비율로 혼합하였으며 입자 미세화를 위해 유성볼밀을 이용하여 추가 분쇄 공정을 실시하였다.(2) NiO, YSZ, and ceria were mixed at a ratio of 60 wt%: 20 wt%: 20 wt%, respectively, for the preparation of the negative electrode functional layer (AFL), and additional grinding was performed using a planetary ball mill for particle refinement.
(3) 분쇄 후 부탄올 용매를 이용하여 슬러리로 제조하였으며 앞서 제조한 AS 층에 drop 코팅하여 900℃에서 1시간 열처리 하였다.(3) After grinding, it was prepared as a slurry using a butanol solvent, and was coated with a drop on the previously prepared AS layer, followed by heat treatment at 900°C for 1 hour.
(4) 열처리된 AS/AFL substrate 에 YSZ 슬러리를 drop 코팅하여 1460℃에서 6시간 동안 소결하였다.(4) The YSZ slurry was drop coated on the heat-treated AS/AFL substrate and sintered at 1460°C for 6 hours.
(5) LSM과 YSZ를 혼합한 양극기능층을 소결한 셀 위에 screen print 하고 1170℃에서 1시간 열처리 하였다.(5) An anode functional layer mixed with LSM and YSZ was screen-printed on a sintered cell and heat-treated at 1170°C for 1 hour.
(6) 양극 기능층 위에 LSM으로 이루어진 양극을 screen print 하고 1160℃에서 1시간 열처리 하였다.(6) An anode made of LSM was screen-printed on the anode functional layer and heat treated at 1160°C for 1 hour.
<실험예><Experimental Example>
1. 소결 후 Ceria 확산 거리 분석 1. Ceria diffusion distance analysis after sintering
상기 실시예에서 제조된 단위 셀에 대해 소결 중 세리아가 전해질 내부에 얼마나 확산 하였는지 분석하기 위해 EDS 분석을 실시하였다.For the unit cell prepared in the above example, EDS analysis was performed to analyze how much ceria diffused into the electrolyte during sintering.
EDS 분석결과를 도시한 도 5에서 볼 수 있듯이, 15 마이크론 두께의 전해질에 세륨이 약 3 마이크론 정도 확산했음을 알 수 있었다. 이를 통해 YSZ 전해질 내부에 국부적으로 전자전도성을 가지는 영역이 존재함을 알 수 있다. As shown in FIG. 5, which shows the results of the EDS analysis, it was found that about 3 microns of cerium diffused into the 15 micron thick electrolyte. Through this, it can be seen that there is a local electron conductive region inside the YSZ electrolyte.
2. 역 전압 내구성 테스트2. Reverse voltage durability test
역 전압 작동 하에서의 내구성을 확인하기 위해 고전압 (0.6V ~ 0.7V), 저전압 (0.2V ~ 0.4V), 역 전압 (-0.3V ~ -0.4V) 순으로 정전류 테스트를 진행하여 역 전압 상황에서의 전압 강하 현상이 나타나는지 알아보고, 정전류 테스트 전/후 출력밀도 측정을 실시하였다. 이를 통해 기존 YSZ 전해질 셀과의 전압강하, 성능비교를 진행하였다. In order to check the durability under reverse voltage operation, a constant current test is performed in the order of high voltage (0.6V to 0.7V), low voltage (0.2V to 0.4V), and reverse voltage (-0.3V to -0.4V) in the reverse voltage situation. It was checked whether a voltage drop occurred, and the output density was measured before and after the constant current test. Through this, voltage drop and performance comparison with the existing YSZ electrolyte cell were performed.
YSZ 전해질 셀의 역 전압 테스트 결과 논문에 보고 된 바와 같이 고전압과 저전압에서 보이지 않던 전압 강하 현상이 나타났으며(도 6(a)), 역 전압 테스트 후 출력 감소 현상 또한 관찰된다(도 6(b)). 테스트 후 SEM 분석을 통한 이미지(도 6(c))에서도 볼 수 있듯이 음극과 전해질 계면간의 박리가 관찰되었다. As a result of the reverse voltage test of the YSZ electrolyte cell, a voltage drop phenomenon not seen at high voltage and low voltage was observed (Fig. 6(a)), and an output reduction phenomenon was also observed after the reverse voltage test (Fig. 6(b). )). After the test, peeling between the cathode and the electrolyte interface was observed, as can be seen in the image through SEM analysis (FIG. 6(c)).
반면에, 본원 실시예에서 제조된 경사형 음극/전해질(Gradient anode/electrolyte)를 적용한 셀은 고전압, 저전압 뿐 아니라 역 전압 상황에서도 전압이 유지됨을 알 수 있다(도 7(a)). 성능 또한 기존 YSZ셀과 크게 다르지 않으며(도 7(b)), 사후 분석결과 음극과 전해질 계면간의 어떠한 물리적 손상도 일어나지 않음을 알 수 있었다(도 7(c)).On the other hand, it can be seen that the cell to which the gradient anode/electrolyte prepared in the present example is applied maintains the voltage under high voltage and low voltage as well as in reverse voltage (FIG. 7(a)). The performance was also not significantly different from that of the existing YSZ cell (FIG. 7(b)), and post analysis revealed that no physical damage occurred between the negative electrode and the electrolyte interface (FIG. 7(c)).
앞서 상세히 설명한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법에 의하면, 고온 소결 공정을 통해 세륨(cerium) 이온을 음극측에 구비된 세리아를 포함하는 층으로부터 전해질층 내부로 확산시켜 음극/전해질층 계면으로부터 전해질층 중심부 측으로 갈수록 세륨 농도가 감소하는 경사형 음극/전해질(Gradient anode/electrolyte) 구조의 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있으며, 상기 고체산화물 연료전지는 음극/전해질 계면에 가까운 전해질 구간만 국부적으로 전자 전도성(N-type)을 가지고 있어 역 전압 상황에서 음극/전해질 박리를 효과적으로 방지할 수 있고, 전해질 내부 중 일부만이 전자 전도성을 지니므로 누설 전류 또한 방지할 수 있다.According to the method of manufacturing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present invention described in detail above, the cerium (cerium) ions are diffused into the electrolyte layer from the layer containing ceria provided on the cathode side through the high temperature sintering process to the cathode/ It is possible to manufacture a solid oxide fuel cell having a gradient anode/electrolyte structure in which cerium concentration decreases from the electrolyte layer interface toward the center of the electrolyte layer, and the solid oxide fuel cell is an electrolyte close to the cathode/electrolyte interface. Since only the section has a local electronic conductivity (N-type), it is possible to effectively prevent cathode/electrolyte delamination in a reverse voltage situation, and only a part of the inside of the electrolyte has electronic conductivity, thereby preventing leakage current.
즉, 소결 공정을 통해 세륨(cerium) 이온을 단층으로 이루어진 전해질층 내부로 확산시켜 전해질층 내부에 국부적으로 전자 전도성을 부여함으로써 종래기술과 같이 복잡한 제조공정을 요하는 다층 전해질 구조를 형성할 필요 없이 역 전압에 대한 내구성이 확보되고 누설전류 또한 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다.That is, cerium (cerium) ions are diffused into the electrolyte layer composed of a single layer through the sintering process, and electron conductivity is locally provided inside the electrolyte layer, thereby eliminating the need to form a multi-layer electrolyte structure requiring a complicated manufacturing process as in the prior art. A solid oxide fuel cell having durability against reverse voltage and preventing leakage current can also be manufactured.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예 에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can implement the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand that there is. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (10)
(b) 상기 고체산화물 연료전지 단위 셀을 소결하는 단계;를 포함하되,
상기 음극층은,
NiO 및 YSZ를 포함하는 음극 지지층(Anode Support, AS); 및
상기 음극 지지층 상에 형성되며 NiO, YSZ 및 세리아를 각각 60 wt% : 20 wt% : 20 wt%의 비율로 포함하는 음극 기능층(Anode Functional Layer, AFL)을 포함하고,
상기 양극층은,
상기 전해질층 상에 형성되며 LSM(Sr-doped LaMnO3) 및 YSZ를 포함하는 양극 기능층(Cathode Functional Layer, CFL); 및
상기 양극 기능층 상에 형성되며 LSM을 포함하는 양극 집전층(Current Collector, CC)을 포함하며,
상기 단계 (b)에서 1460 ℃의 온도에서 6 시간 동안 소결하는 것을 특징으로 하는 역 전압 열화 현상이 방지된 고체산화물 연료전지의 제조방법.(a) a layer comprising a ceria (CeO 2 ) formed on one surface (anode) layer; An electrolyte layer formed on a layer containing the ceria, and comprising YSZ (Yttria-stabilized zirconia); And manufacturing a solid oxide fuel cell unit cell stacked in the order of the anode layer. And
(b) sintering the solid oxide fuel cell unit cell;
The cathode layer,
A cathode support layer comprising NiO and YSZ (Anode Support, AS); And
It is formed on the negative electrode support layer and includes a negative electrode functional layer (AFL) comprising NiO, YSZ and ceria in a ratio of 60 wt%: 20 wt%: 20 wt%, respectively,
The anode layer,
A cathode functional layer (CFL) formed on the electrolyte layer and comprising LSM (Sr-doped LaMnO 3 ) and YSZ; And
It is formed on the anode functional layer and includes an anode current collector layer (CC) including LSM,
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell having a reverse voltage deterioration phenomenon, characterized in that sintering is performed at a temperature of 1460° C. for 6 hours in step (b).
상기 단계 (b)에서 소결에 의해 세륨(cerium) 이온을 음극측에 구비된 세리아를 포함하는 층으로부터 전해질층 내부로 확산시켜 음극 및 전해질층 간의 계면으로부터 전해질층 중심부 측으로 갈수록 세륨 농도가 감소하는 경사 구조(gradient structure)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 역 전압 열화 현상이 방지된 고체산화물 연료전지의 제조방법.According to claim 1,
In the step (b), the cerium concentration decreases as the cerium concentration decreases from the interface between the anode and the electrolyte layer toward the center of the electrolyte layer by diffusing cerium ions from the layer containing ceria provided on the cathode side into the electrolyte layer by sintering A method of manufacturing a solid oxide fuel cell in which reverse voltage degradation is prevented, characterized in that a structure is formed.
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