KR102525346B1 - Anode for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell and method of manufacuturing solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

고체 산화물 연료 전지의 연료극은, 고체 산화물 연료 전지의 전해질의 일 측면에 형성된 제1 서브 연료극 층 - 제1 서브 연료 전극층은 코어로 BZY(Yttria doped Barium Zirconate, BaZrxYyOz)를 갖고, 코어 표면에 니켈(Ni)이 형성된 제1 구조물을 복수 포함함 -; 제1 서브 연료극 층 상에 형성된 제2 서브 연료극 층 - 제2 서브 연극층은 코어로 BZY를 갖고, 코어 표면에 Ni가 형성된 제2 구조물을 복수 포함함 -; 및 제2 서브 연료극 층 상에 형성된 제3 서브 연료극 층 - 제3 서브 연극층은 코어로 BZY를 갖고, 코어 표면에 Ni가 형성된 제3 구조물을 복수 포함함 - 을 포함한다. 제1 구조물의 제1 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트는 제2 구조물의 제2 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트보다 작고, 제2 구조물의 제2 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트는 제3 구조물의 제3 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트보다 작다.The fuel electrode of the solid oxide fuel cell includes a first sub fuel electrode layer formed on one side of an electrolyte of the solid oxide fuel cell - the first sub fuel electrode layer has BZY (Yttria doped Barium Zirconate, BaZr x Y y O z ) as a core, Includes a plurality of first structures in which nickel (Ni) is formed on the surface of the core; a second sub fuel electrode layer formed on the first sub fuel electrode layer, wherein the second sub fuel electrode layer includes a plurality of second structures having BZY as a core and Ni formed on a surface of the core; and a third sub fuel electrode layer formed on the second sub fuel electrode layer, wherein the third sub fuel electrode layer includes a plurality of third structures having BZY as a core and Ni formed on a surface of the core. The weight percentage in the first sub-anode layer of the first structure is smaller than the weight percentage in the second sub-anode layer of the second structure, and the weight percentage in the second sub-anode layer of the second structure is the third sub-anode layer of the third structure. less than the weight percent within.

Description

고체 산화물 연료 전지의 연료극, 고체 산화물 연료 전지 및 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법{ANODE FOR SOLID OXIDE FUEL CELL, SOLID OXIDE FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACUTURING SOLID OXIDE FUEL CELL}Anode for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell, and method for manufacturing solid oxide fuel cell

본 개시는 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 SOFC의 제조 방법에 관한 것으로, BZY(Yttria doped Barium Zirconate, BaZrxYyOz)와 니켈(Ni)를 포함하는 연료극을 갖는 SOFC 및 SOFC의 제조 방법에 관한 것이다. 본 개시의 연료극은 삼상계면(Triple Phase Boundary, TPB) 길이를 갖는 기능성 구배층(Functionally Graded Layers, FGLs)을 포함한다. The present disclosure relates to a solid oxide fuel cell (SOFC) and a manufacturing method of the SOFC, SOFC having a fuel electrode containing BZY (Yttria doped Barium Zirconate, BaZr x Y y O z ) and nickel (Ni) and a method for manufacturing SOFCs. The fuel electrode of the present disclosure includes functionally graded layers (FGLs) having a triple phase boundary (TPB) length.

SOFC 연료극의 주요 기능은 연료의 전기화학적 산화 반응이 일어나는 자리를 제공하는 것이다. 연료극 재료는 연료의 환원 분위기에서 안정하여야 하며 운전 온도에서 연료 가스의 반응을 위해 충분한 전자전도도와 촉매 반응성을 가져야 한다. SOFC는 600℃~1000℃의 고온에서 작동하므로 상온과 작동 온도뿐 아니라 SOFC의 제조 온도인 더 높은 온도에서 도 다른 구성 재료와 열적 및 화학적 적합성을 유지하여야 한다. 탄화수소를 연료로 하는 경우 연료극으로 니켈-이트리아 안정화 지르코니아(Nickel-Yttria Stabilized Zirconia,Ni-YSZ) 서멧(cermet)을 사용하는 경우, 탄소 침적량이 12 중량% 이상 증가하면서 연료극이 파괴되는 현상이 발생하기에 침적량을 낮추는 게 중요하다. Ni-YSZ 연료극의 Ni의 함량을 줄일 경우 전기전도도가 감소하며, YSZ의 함량을 줄일 경우 이온전도도가 감소할 수 있다. The main function of the SOFC anode is to provide a site for the electrochemical oxidation reaction of fuel. The anode material must be stable in a reducing atmosphere of fuel and have sufficient electron conductivity and catalytic reactivity for reaction of fuel gas at an operating temperature. Since SOFCs operate at high temperatures of 600 °C to 1000 °C, thermal and chemical compatibility with other constituent materials must be maintained not only at room temperature and operating temperature, but also at higher temperatures, the manufacturing temperature of SOFCs. When hydrocarbon is used as fuel When Nickel-Yttria Stabilized Zirconia (Ni-YSZ) cermet is used as the anode, the anode is destroyed as the amount of carbon deposited increases by more than 12% by weight. Therefore, it is important to reduce the amount of deposition. When the Ni content of the Ni-YSZ anode is reduced, the electrical conductivity decreases, and when the content of YSZ is reduced, the ionic conductivity may decrease.

한국특허등록번호 제10-1111224호Korean Patent Registration No. 10-1111224 한국특허등록번호 제10-1602157호Korean Patent Registration No. 10-1602157 한국특허등록번호 제10-2035735호Korean Patent Registration No. 10-2035735 한국특허공개번호 제10-2010-0118256호Korean Patent Publication No. 10-2010-0118256

본 개시는 Ni-YSZ의 연료극에서 Ni과 YSZ의 전도도를 유지하면서 탄소 침적을 감소시키는 SOFC의 연료극, 이를 갖는 연료 전지 및 이의 제조 방법을 제공한다. The present disclosure provides an anode of an SOFC that reduces carbon deposition while maintaining the conductivity of Ni and YSZ in the anode of Ni—YSZ, a fuel cell having the same, and a manufacturing method thereof.

본 개시의 일 측면에서, 고체 산화물 연료 전지의 연료극은, 상기 고체 산화물 연료 전지의 전해질의 일 측면에 형성된 제1 서브 연료극 층 - 상기 제1 서브 연료 전극층은 코어로 BZY(Yttria doped Barium Zirconate, BaZrxYyOz)를 갖고, 상기 코어 표면에 니켈(Ni)이 형성된 제1 구조물을 복수 포함함 -; 상기 제1 서브 연료극 층 상에 형성된 제2 서브 연료극 층 - 상기 제2 서브 연극층은 코어로 BZY를 갖고, 상기 코어 표면에 Ni가 형성된 제2 구조물을 복수 포함함 -; 및 상기 제2 서브 연료극 층 상에 형성된 제3 서브 연료극 층 - 상기 제3 서브 연극층은 코어로 BZY를 갖고, 상기 코어 표면에 Ni가 형성된 제3 구조물을 복수 포함함 - 을 포함한다. 상기 제1 구조물의 상기 제1 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트는 상기 제2 구조물의 상기 제2 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트보다 작고, 상기 제2 구조물의 상기 제2 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트는 상기 제3 구조물의 상기 제3 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트보다 작다.In one aspect of the present disclosure, the fuel electrode of the solid oxide fuel cell includes a first sub fuel electrode layer formed on one side of an electrolyte of the solid oxide fuel cell - the first sub fuel electrode layer is BZY (Yttria doped Barium Zirconate, BaZr) as a core. x Y y O z ) and includes a plurality of first structures in which nickel (Ni) is formed on the surface of the core; a second sub fuel electrode layer formed on the first sub fuel electrode layer, wherein the second sub fuel electrode layer includes a plurality of second structures having BZY as a core and Ni formed on a surface of the core; and a third sub fuel electrode layer formed on the second sub fuel electrode layer, wherein the third sub fuel electrode layer includes a plurality of third structures having BZY as a core and Ni formed on a surface of the core. The weight percentage in the first sub-anode layer of the first structure is smaller than the weight percentage in the second sub-anode layer of the second structure, and the weight percentage in the second sub-anode layer of the second structure is the third sub-anode layer of the second structure. less than the weight percentage within the third sub-anode layer of the structure.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 서브 연료극 층 및 상기 제3 서브 연료극 층은 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zircornia, YSZ)를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the second sub anode layer and the third sub anode layer may further include Yttria Stabilized Zirconia (YSZ).

일 실시예에 있어서, 상기 제2 서브 연료극 층 및 상기 제3 서브 연료극 층은 니켈 옥사이드(NiO)를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the second sub fuel electrode layer and the third sub fuel electrode layer may further include nickel oxide (NiO).

본 개시의 일 측면에서, 고체 산화물 연료 전지는 전해질, 상기 전해질의 제1 면에 형성된 공기극; 및 상기 전해질의 제1 면과 마주보는 제2 면에 형성된 연료극을 포함한다. 상기 연료극은 상기 고체 산화물 연료 전지의 전해질의 일 측면에 형성된 제1 서브 연료극 층 - 상기 제1 서브 연료 전극층은 코어로 BZY를 갖고, 상기 코어 표면에 Ni가 형성된 제1 구조물을 복수 포함함 - 및 상기 제1 서브 연료극 층 상에 형성된 제2 서브 연료극 층 - 상기 제2 서브 연극층은 코어로 BZY를 갖고, 상기 코어 표면에 Ni가 형성된 제2 구조물을 복수 포함함 -;을 포함한다. 상기 제1 구조물의 상기 제1 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트는 상기 제2 구조물의 상기 제2 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트보다 작다.In one aspect of the present disclosure, a solid oxide fuel cell includes an electrolyte, an air electrode formed on a first surface of the electrolyte; and a fuel electrode formed on a second surface of the electrolyte facing the first surface. The fuel electrode has a first sub fuel electrode layer formed on one side of the electrolyte of the solid oxide fuel cell, wherein the first sub fuel electrode layer includes a plurality of first structures having BZY as a core and Ni formed on the surface of the core; and A second sub fuel electrode layer formed on the first sub fuel electrode layer, wherein the second sub fuel electrode layer includes a plurality of second structures having BZY as a core and Ni formed on a surface of the core. A weight percentage within the first sub-anode layer of the first structure is smaller than a weight percentage within the second sub-anode layer of the second structure.

일 실시예에서, 상기 제2 서브 연료극 층 상에 형성된 제3 서브 연료극 층 - 상기 제3 서브 연극층은 코어로 BZY를 갖고, 상기 코어 표면에 Ni가 형성된 제3 구조물을 복수 포함함 - 을 더 포함하고, 상기 제2 구조물의 상기 제2 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트는 상기 제3 구조물의 상기 제3 서브 연료극 층 내의 중량 퍼센트보다 작을 수 있다. In one embodiment, a third sub fuel electrode layer formed on the second sub fuel electrode layer, wherein the third sub theatrical layer includes a plurality of third structures having BZY as a core and Ni formed on a surface of the core; and a weight percentage within the second sub-anode layer of the second structure may be less than a weight percentage within the third sub-anode layer of the third structure.

일 실시예에서, 상기 제2 서브 연료극 층 및 상기 제3 서브 연료극 층은 YSZ를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the second sub fuel electrode layer and the third sub fuel electrode layer may further include YSZ.

일 실시예에서, 상기 제2 서브 연료극 층 및 상기 제3 서브 연료극 층은 NiO를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the second sub fuel electrode layer and the third sub fuel electrode layer may further include NiO.

본 개시의 일 측면에서, 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법은, YSZ를 포함하는 전해질을 준비하는 단계; 상기 전해질의 제1 면에 NiO, YSZ 및 BZY 코어에 Ni이 형성된 제1 촉매를 포함하는 제1 혼합물 슬러리를 코팅하는 단계; 상기 제1 혼합물 슬러리 상에 NiO, YSZ 및 BZY 코어에 Ni이 형성된 제2 촉매를 포함하는 제2 혼합물 슬러리를 코팅하는 단계 - 상기 제2 촉매의 중량 퍼센트는 상기 제1 촉매의 중량 퍼센트보다 큼 -; 상기 제2 혼합물 슬러리 상에 BZY 코어에 Ni이 형성된 제3 촉매를 포함하는 제3 혼합물 슬러리를 코팅하는 단계 - 상기 제3 촉매의 중량 퍼센트는 상기 제2 촉매의 중량 퍼센트보다 큼 -; 상기 제1, 제2, 및 제3 혼합물 슬러리가 코팅된 상기 전해질을 소결하여 상기 전해질의 상기 제1 면에, 제1 서브 연료극 층, 제2 서브 연료극 층 및 제3 서브 연료극 층을 형성하는 단계; 및 상기 전해질의 상기 제1 면과 마주보는 제2 면에 공기극을 형성하는 단계를 포함한다.In one aspect of the present disclosure, a method of manufacturing a solid oxide fuel cell includes preparing an electrolyte including YSZ; coating a first mixture slurry containing NiO, YSZ, and a first catalyst in which Ni is formed on a BZY core on a first surface of the electrolyte; Coating a second mixture slurry containing NiO, YSZ, and a second catalyst in which Ni is formed on a BZY core on the first mixture slurry, wherein the weight percentage of the second catalyst is greater than the weight percentage of the first catalyst. ; coating a third mixture slurry including a third catalyst in which Ni is formed on a BZY core on the second mixture slurry, wherein the weight percentage of the third catalyst is greater than the weight percentage of the second catalyst; Forming a first sub-anode layer, a second sub-anode layer, and a third sub-anode layer on the first surface of the electrolyte by sintering the electrolyte coated with the first, second, and third mixture slurries ; and forming an air electrode on a second surface of the electrolyte facing the first surface.

일 실시예에서, 상기 제1 내지 제3 혼합물 슬러리는 기공 형성제를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 혼합물 슬러리에 포함된 상기 기공 형성제의 중량 퍼센트는 상기 제3 혼합물 슬러리에 포함된 상기 기공 형성제의 중량 퍼센트보다 작을 수 있다.In one embodiment, the first to third mixture slurries further include a pore former, and the weight percentage of the pore former contained in the first and second mixture slurries is the third mixture slurry. may be less than the weight percent of the pore former.

탄화수소계 연료전지의 촉매로서 나노 사이즈의 Ni을 프로톤 전도와 이온 전도를 갖는 BZY 세라믹 분말 위에 코팅하고 이를 Ni-YSZ계 연료극 기능성 구배층으로 제작하여 탄화수소계 연료를 이용하여 실용화가 가능하도록 할 수 있다. As a catalyst for a hydrocarbon-based fuel cell, nano-sized Ni is coated on BZY ceramic powder having proton conduction and ion conduction, and this is fabricated into a Ni-YSZ-based fuel electrode functional gradient layer to enable practical use using hydrocarbon-based fuel. .

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 SOFC의 단위 전지의 일 예이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 연료극의 일 예이다.
도 3a 및 3b는 본 개시의 일 실시예에 따른 연료극 일부의 개념도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 SOFC의 제조 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 SOFC의 단위 전지와 종래의 SOFC의 단위 전지의 전체 면적 비저항에 따른 전압 및 출력 밀도의 비교 그래프이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 SOFC의 단위 전지와 종래의 SOFC의 단위 전지의 전압 및 출력 밀도의 그래프이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 SOFC의 단위 전지와 종래의 SOFC의 단위 전지의 시간에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
1 is an example of a unit cell of an SOFC according to an embodiment of the present disclosure.
2 is an example of a fuel electrode according to an embodiment of the present disclosure.
3A and 3B are conceptual views of a portion of an anode according to an embodiment of the present disclosure.
4 is a flowchart of a method of manufacturing an SOFC according to an embodiment of the present disclosure.
5 is a comparison graph of voltage and power density according to total area resistivity of a unit cell of a SOFC according to an embodiment of the present disclosure and a unit cell of a conventional SOFC.
6 is a graph of voltage and power density of a unit cell of a SOFC according to an embodiment of the present disclosure and a unit cell of a conventional SOFC.
7 is a graph showing a change in voltage over time between a unit cell of an SOFC according to an embodiment of the present disclosure and a unit cell of a conventional SOFC.

이하에서는 도면을 참조하여 본 개시에 대해 상세히 설명하도록 한다. 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대해 상세한 설명은 생략한다. 덧붙여, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 개시의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.Hereinafter, the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In describing the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present disclosure, a detailed description thereof will be omitted. In addition, the following examples may be modified in many different forms, and the scope of the technical spirit of the present disclosure is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the disclosure to those skilled in the art.

본 개시에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the techniques described in this disclosure are not intended to be limited to the specific embodiments, and include various modifications, equivalents, and/or alternatives of the embodiments of this disclosure.

도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like elements.

본 개시에서, "갖는다," "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다. 본 개시에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.In the present disclosure, expressions such as “has,” “has,” “can have,” “includes,” or “can include” refer to corresponding features (eg, numerical values, functions, operations, or configurations of parts, etc.) element), and does not preclude the presence of additional features. In this disclosure, expressions such as “A or B,” “at least one of A and/and B,” or “one or more of A or/and B” may include all possible combinations of the items listed together. . For example, “A or B,” “at least one of A and B,” or “at least one of A or B” (1) includes at least one A, (2) includes at least one B, Or (3) may refer to all cases including at least one A and at least one B.

본 개시에서 사용된 "제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.Expressions such as "first," "second," "first," or "second," used in the present disclosure may modify various elements regardless of order and/or importance, and may refer to one element as It is used only to distinguish it from other components and does not limit the corresponding components.

어떤 구성요소(예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.A component (e.g., a first component) is "(operatively or communicatively) coupled with/to" another component (e.g., a second component); When referred to as "connected to", it should be understood that the certain component may be directly connected to the other component or connected through another component (eg, a third component). On the other hand, when an element (eg, a first element) is referred to as being “directly connected” or “directly connected” to another element (eg, a second element), the element and the above It may be understood that other components (eg, a third component) do not exist between the other components.

본 개시에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)," "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)," "~하도록 설계된(designed to)," "~하도록 변경된(adapted to)," "~하도록 만들어진(made to)," 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것 만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서," A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 모듈"은 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.The expression “configured to (or configured to)” as used in this disclosure means, depending on the situation, for example, “suitable for,” “having the capacity to.” ," "designed to," "adapted to," "made to," or "capable of." The term "configured (or set) to" may not necessarily mean only "specifically designed to" hardware. Instead, in some contexts, the phrase "device configured to" may mean that the device is "capable of" in conjunction with other devices or components. For example, the phrase “processor configured (or configured) to perform A, B, and C,” “module configured (or configured) to perform A, B, and C” refers to a dedicated processor (e.g., : embedded processor), or a general-purpose processor (eg, CPU or application processor) capable of performing corresponding operations by executing one or more software programs stored in a memory device.

본 개시에 선행문헌으로 기재된 문헌은 그 전체가 참조로 본 개시에 포함된다. Documents described as prior documents in this disclosure are incorporated in this disclosure by reference in their entirety.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 SOFC의 단위 전지(100)의 일 예이다. 도 1을 참조하면, SOFC의 단위 전지(100)는 공기극(110), 전해질(120) 및 연료극(130)을 포함한다. 공기극(110)은 음극, 연료극(130)은 양극이라고 지칭되기도 한다. 일반적으로, 공기극(110)에서는 표면에 흡착된 산소가 해리/표면 확산을 거쳐 전해질(120)로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고 생성된 산소이온은 전해질(120)을 통해 연료극(130)으로 이동한다. 연료극(130)에서 확산된 산소이온과 수소가 반응하면서 전자를 방출함과 동시에 물과 열을 생성한다. 1 is an example of a SOFC unit cell 100 according to an embodiment of the present disclosure. Referring to FIG. 1 , a SOFC unit cell 100 includes an air electrode 110 , an electrolyte 120 and an anode 130 . The air electrode 110 is also referred to as a cathode, and the fuel electrode 130 is referred to as an anode. In general, in the air electrode 110, oxygen adsorbed on the surface moves to the electrolyte 120 through dissociation/surface diffusion to obtain electrons and become oxygen ions, and the generated oxygen ions pass through the electrolyte 120 to the fuel electrode 130. move Oxygen ions diffused from the fuel electrode 130 and hydrogen react to emit electrons and simultaneously generate water and heat.

일 실시예에서, SOFC의 단위 전지(100)의 구성요소 중 공기극(110)은 높은 이온전도도와 전자전도도(50(Ω·㎝)-1 이상)를 갖고 산화분위기에서 안정하며 다른 구성요소와 화학반응 및 상호확산이 없을 뿐만 아니라 열팽창계수가 유사한 다공성(30% 이상)막을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공기극 재료로 사용되고 있는 재료로는 LaMnO3계, LaCoO3계, LSCF계, LSC계 등을 들 수 있다. 공기극의 재료는 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다. In one embodiment, the cathode 110 among the components of the SOFC unit cell 100 has high ion conductivity and electronic conductivity (50 (Ω cm) -1 or more), is stable in an oxidizing atmosphere, and is chemically compatible with other components. It can include porous (more than 30%) membranes with similar thermal expansion coefficients as well as no reaction and interdiffusion. For example, materials used as cathode materials include LaMnO 3 based, LaCoO 3 based, LSCF based, LSC based and the like. The material of the cathode may have a perovskite structure.

일 실시예에서, 전해질(120)은 넓은 온도와 산화-환원분위기에서 열-화학적으로 안정해야되며 높은 이온전도도와 낮은 전자전도도를 가진다. 또한, 얇고 강한 막을 형성하여 기체의 리크(leak)가 없다. 예를 들어, 전해질(120)의 재료로 산소이온전도체로 되어 있는 fluorite구조를 갖는 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zircornia, YSZ)가 사용될 수 있다. 또, 전해질(120)의 재료로 높은 이온전도도를 가지는 GDC(Ga doped Ceria 0.07 S/cm at 800℃), SDC (Sm doped Ceria, 0.11 S/cm at 800℃)와 같이 Ceria계 또는 LaGaO, Bi2O3계를 사용할 수도 있다. 또, 전자전도체인 Co, Ni과 같은 전이금속에 이온전도체 YSZ를 복합화하여 구성할 수도 있다. Ni는 촉매특성과 전자전도가 우수하며 YSZ가 Ni에 분산되어 소결거동제어 및 삼상계면을 만들 수 있다. 최적의 전극특성을 위해서는 일정한 강도 및 다공성이 부여되어야 하며 산화-환원분위기에서 장기안정성 확보를 위해서 균일한 분산이 필요하다.In one embodiment, the electrolyte 120 should be thermo-chemically stable in a wide temperature and oxidation-reduction atmosphere and have high ionic conductivity and low electronic conductivity. In addition, there is no gas leak by forming a thin and strong film. For example, as a material for the electrolyte 120, Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) having a fluorite structure as an oxygen ion conductor may be used. In addition, as a material for the electrolyte 120, such as GDC (Ga doped Ceria 0.07 S/cm at 800 ° C) and SDC (Sm doped Ceria, 0.11 S / cm at 800 ° C) having high ionic conductivity, Ceria-based or LaGaO, Bi 2 O 3 systems can also be used. In addition, the ion conductor YSZ may be composited with transition metals such as electron conductors Co and Ni. Ni has excellent catalytic properties and electronic conductivity, and YSZ can be dispersed in Ni to control sintering behavior and create a three-phase interface. For optimal electrode characteristics, constant strength and porosity should be imparted, and uniform dispersion is required to secure long-term stability in an oxidation-reduction atmosphere.

일 실시예에서, 연료극(130)은 기능성 구배층을 포함한다. 일 실시예에서, 기능성 구배층은 조성 또는 구조가 점진적으로 변화하여 맞춤화된 특성을 갖는다. 예를 들어, 기능성 구배층에서는 복수의 층이 다층으로 적층되고, 각각의 층이 서로 다른 조성 또는 구조를 가질 수 있다. 본 개시에서, 기능성 구배층에 포함되는 복수의 층 각각을 서브 연료극 층이라고 지칭할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에서, 연료극(130)은 코어로 BZY(Yttria doped Barium Zirconate, BaZrxYyOz)를 갖고, 코어 표면에 니켈(Ni)이 증착, 코팅, 또는 형성된 구조를 포함할 수 있다. BZY 표면에 Ni가 증착, 코팅, 또는 형성될 때, 산소와 Ni가 반응하여 NiO 형태로 코팅될 수 있다. 따라서, 본 개시에서 BZY 표면에 Ni가 증착, 코팅, 또는 형성된 구조를 Ni/BZY 또는 NiO/BZY로 지칭할 수 있다. 예를 들어, 본 개시에서 Ni/BZY라고 지칭하더라도 NiO/BZY와 호환될 수 있고, NiO/BZY라고 지칭하더라도 Ni/BZY와 호환될 수 있다. 연료극(130)은 Ni/BZY 또는 NiO/BZY 외에, NiO, YSZ를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the fuel electrode 130 includes a functional graded layer. In one embodiment, the graded functional layer has a gradual change in composition or structure to have tailored properties. For example, in the functional gradient layer, a plurality of layers may be multi-layered, and each layer may have a different composition or structure. In the present disclosure, each of a plurality of layers included in the functional gradient layer may be referred to as a sub anode layer. In one embodiment of the present disclosure, the anode 130 may include a structure in which BZY (Yttria doped barium zirconate, BaZr x Y y O z ) is used as a core and nickel (Ni) is deposited, coated, or formed on the surface of the core. can When Ni is deposited, coated, or formed on the BZY surface, oxygen and Ni may react to form NiO coating. Therefore, in the present disclosure, a structure in which Ni is deposited, coated, or formed on the surface of BZY may be referred to as Ni/BZY or NiO/BZY. For example, even if it is referred to as Ni/BZY in the present disclosure, it may be compatible with NiO/BZY, and even if it is referred to as NiO/BZY, it may be compatible with Ni/BZY. The fuel electrode 130 may further include NiO and YSZ in addition to Ni/BZY or NiO/BZY.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 연료극(130)의 일 예이다.2 is an example of a fuel electrode 130 according to an embodiment of the present disclosure.

도 2를 참조하면, 연료극(130)은 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136)을 포함한다. 설명을 위해 예시적으로 3개의 서브 연료극 층을 포함하는 것으로 서브 연료극 층의 개수는 3개로 제한되지 않는다. 즉, 연료극(130)은 2개의 서브 연료극 층 또는 4개 이상의 서브 연료극 층을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 서브 연료극 층(132)은 NiO, YSZ 및 NiO/BZY를 포함할 수 있다. 제2 서브 연료극 층(134)은 NiO, YSZ 및 NiO/BZY를 포함할 수 있다. 제3 서브 연료극 층(136)은 YSZ 및 NiO/BZY를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 제3 서브 연료극 층(136)은 NiO, YSZ 및 NiO/BZY를 포함할 수 있다. 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136)에는 기공이 형성될 수 있다. 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136) 내의 기공도 중량 퍼센트로 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136) 내의 기공율은 약 35%-45%일 수 있다. 즉, 연료극 층(130)의 기공율은 약 35%-45%일 수 있다. Referring to FIG. 2 , the fuel electrode 130 includes a first sub fuel electrode layer 132 , a second sub fuel electrode layer 134 , and a third sub fuel electrode layer 136 . For the sake of explanation, three sub-anode layers are exemplarily included, and the number of sub-anode layers is not limited to three. That is, the fuel electrode 130 may have two sub fuel electrode layers or four or more sub fuel electrode layers. In one embodiment, the first sub anode layer 132 may include NiO, YSZ, and NiO/BZY. The second sub anode layer 134 may include NiO, YSZ, and NiO/BZY. The third sub anode layer 136 may include YSZ and NiO/BZY. Alternatively, the third sub anode layer 136 may include NiO, YSZ, and NiO/BZY. Pores may be formed in the first sub fuel electrode layer 132 , the second sub fuel electrode layer 134 , and the third sub fuel electrode layer 136 . Porosity in the first sub anode layer 132 , the second sub anode layer 134 , and the third sub anode layer 136 may also be expressed as a weight percentage. In one embodiment, the porosity in the first sub anode layer 132 , the second sub anode layer 134 , and the third sub anode layer 136 may be about 35%-45%. That is, the porosity of the anode layer 130 may be about 35%-45%.

제1 서브 연료극 층(132)의 제1 면은 전해질(120)과 접촉할 수 있다. 제1 서브 연료극 층(132)의 일 면은 전해질(120)과 직접 접촉할 수 있다. 제1 서브 연료극 층(132)의 제1 면과 마주보는 제1 서브 연료극 층(132)의 제2 면은 제2 서브 연료극 층(134)의 제1 면과 접촉할 수 있다. 제2 서브 연료극 층(134)의 제1 면과 마주보는 제2 서브 연료극 층(134)의 제2 면은 제3 서브 연료극 층(136)의 제1 면과 접촉할 수 있다. A first surface of the first sub anode layer 132 may contact the electrolyte 120 . One surface of the first sub anode layer 132 may directly contact the electrolyte 120 . A second surface of the first sub fuel electrode layer 132 facing the first surface of the first sub fuel electrode layer 132 may contact the first surface of the second sub fuel electrode layer 134 . A second surface of the second sub fuel electrode layer 134 facing the first surface of the second sub fuel electrode layer 134 may contact the first surface of the third sub fuel electrode layer 136 .

일 실시예에서, 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136)은 각각 다른 조성을 가질 수 있다. 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136)에 포함된 NiO, YSZ, NiO/BZY의 중량 퍼센트는 각각 상이할 수 있다. 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136)에 포함된 NiO, YSZ, NiO/BZY 중 적어도 하나의 중량 퍼센트는 각각 상이할 수 있다. 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136)에 포함된 NiO, YSZ, NiO/BZY 중 적어도 하나의 중량 퍼센트는 동일할 수 있다. 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136) 중 적어도 두개에 포함된 NiO, YSZ, NiO/BZY 중 적어도 하나의 중량 퍼센트는 동일할 수 있다. In one embodiment, the first sub fuel electrode layer 132 , the second sub fuel electrode layer 134 , and the third sub fuel electrode layer 136 may have different compositions. Weight percentages of NiO, YSZ, and NiO/BZY included in the first sub fuel electrode layer 132 , the second sub fuel electrode layer 134 , and the third sub fuel electrode layer 136 may be different from each other. A weight percentage of at least one of NiO, YSZ, and NiO/BZY included in the first sub fuel electrode layer 132, the second sub fuel electrode layer 134, and the third sub fuel electrode layer 136 may be different from each other. A weight percentage of at least one of NiO, YSZ, and NiO/BZY included in the first sub fuel electrode layer 132 , the second sub fuel electrode layer 134 , and the third sub fuel electrode layer 136 may be the same. A weight percentage of at least one of NiO, YSZ, and NiO/BZY included in at least two of the first sub fuel electrode layer 132, the second sub fuel electrode layer 134, and the third sub fuel electrode layer 136 may be the same. .

일 실시예에서, 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136)은 전해질(120)과 멀어질수록 NiO/BZY의 중량 퍼센트가 커질 수 있다. 즉, 제1 서브 연료극 층(132)의 NiO/BZY의 중량 퍼센트 보다 제2 서브 연료극 층(134)의 NiO/BZY의 중량 퍼센트가, 제2 서브 연료극 층(134)의 NiO/BZY의 중량 퍼센트 보다 제3 서브 연료극 층(136)의 NiO/BZY의 중량 퍼센트가 클 수 있다. In one embodiment, the weight percentage of NiO/BZY in the first sub fuel electrode layer 132, the second sub fuel electrode layer 134, and the third sub fuel electrode layer 136 may increase as the distance from the electrolyte 120 increases. . That is, the weight percentage of NiO/BZY in the second sub fuel electrode layer 134 is greater than the weight percentage of NiO/BZY in the first sub fuel electrode layer 132. The weight percentage of NiO/BZY in the third sub anode layer 136 may be greater than that of NiO/BZY.

일 실시예에서, 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136)은 전해질(120)과 멀어질수록 YSZ의 중량 퍼센트가 작아질 수 있다. 즉, 제1 서브 연료극 층(132)의 YSZ의 중량 퍼센트 보다 제2 서브 연료극 층(134)의 YSZ의 중량 퍼센트가, 제2 서브 연료극 층(134)의 YSZ의 중량 퍼센트 보다 제3 서브 연료극 층(136)의 YSZ의 중량 퍼센트가 작을 수 있다. In one embodiment, the weight percentage of YSZ in the first sub-anode layer 132 , the second sub-anode layer 134 , and the third sub-anode layer 136 may decrease as the distance from the electrolyte 120 increases. That is, the weight percentage of YSZ of the second sub fuel electrode layer 134 is higher than the weight percentage of YSZ of the first sub fuel electrode layer 132, and the weight percentage of YSZ of the second sub fuel electrode layer 134 is greater than the weight percentage of YSZ of the third sub fuel electrode layer. The weight percentage of YSZ in (136) may be small.

일 실시예에서, 전해질(120)에서 가장 먼 서브 연료극 층의 NiO 함량은 0일 수 있다. 일 실시예에서, 전해질(120)에서 가장 먼 서브 연료극 층의 YSZ 함량은 0일 수 있다. 일 실시예에서, 전해질(120)에서 가장 먼 서브 연료극 층은 NiO/BZY만을 포함할 수 있다. In one embodiment, the NiO content of the sub anode layer furthest from the electrolyte 120 may be zero. In one embodiment, the YSZ content of the sub anode layer furthest from the electrolyte 120 may be zero. In one embodiment, the sub anode layer furthest from the electrolyte 120 may include only NiO/BZY.

일 실시예에서, 제1, 제2 및 제3 서브 연료극 층의 기공율은 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 이와 다르게, 제1, 제2 및 제3 서브 연료극 층의 기공율은 상이할 수 있다.In one embodiment, porosity of the first, second, and third sub-anode layers may be substantially the same or similar. Alternatively, porosity of the first, second and third sub anode layers may be different.

도 3a 및 3b는 본 개시의 일 실시예에 따른 연료극(130)의 일부(300)의 개념도이다.3A and 3B are conceptual views of a portion 300 of the fuel electrode 130 according to an embodiment of the present disclosure.

도 3a 및 3b를 참조하면, 연료극(130)의 일부(300)는 제1 서브 연료극 층(132), 제2 서브 연료극 층(134) 및 제3 서브 연료극 층(136) 중 어느 하나일 수 있다. 따라서, 연료극(130)의 일부(300)를 서브 연료극 층(300)이라고 지칭할 수 있다. 서브 연료극 층(300)은 NiO/BZY(310) 및 다른 기타 구성(320)을 포함할 수 있다. 기타 구성(320)은 별도로 도시하지 않고 공백으로 도시하였다. 일 실시예에서, 기타 구성(320)은 NiO, YSZ 및 기공을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 3A and 3B , a portion 300 of the fuel electrode 130 may be any one of the first sub fuel electrode layer 132 , the second sub fuel electrode layer 134 , and the third sub fuel electrode layer 136 . . Accordingly, a portion 300 of the fuel electrode 130 may be referred to as a sub fuel electrode layer 300 . The sub fuel electrode layer 300 may include NiO/BZY 310 and other components 320 . The other components 320 are shown blank without being separately shown. In one embodiment, other components 320 may include NiO, YSZ and pores.

일 실시예에서, NiO/BZY(310)는 BZY(312) 및 NiO(314)를 포함한다. NiO(314)는 BZY(312) 표면에 형성될 수 있다. BZY(312)는 일 방향으로 연장된 원 또는 다각형 기둥 형상, 예를 들어 팰릿(pallet) 형상이거나, 구 형상, 비구면 형상 등일 수 있다. 즉, 도 3a에서 BZY(312)는 팰릿 형상, 도 3b에서 BZY(312)는 구형으로 개념화되었지만, 이와 다르게 다양한 형상을 가질 수 있다. In one embodiment, NiO/BZY (310) includes BZY (312) and NiO (314). NiO (314) may be formed on the BZY (312) surface. The BZY 312 may have a circular or polygonal column shape extending in one direction, for example, a pallet shape, a spherical shape, or an aspheric shape. That is, although the BZY 312 is conceptualized as a pallet shape in FIG. 3A and as a sphere in FIG. 3B, it may have various shapes different from these.

실시예에서, BZY(312)는 BZY를 파우더로 제조할 때 생성되는 형상일 수 있다. 예를 들어, NiO/BZY(310)는 고상법으로 제조한 BZY 분말과 압출 성형하여 제조한 다양한 형상, 예를 들어, 펠릿, 구형, 비구형, 원기둥, 다각 기둥 모양의 BZY 구조체에 Ni을 코팅한 촉매일 수 있다. In an embodiment, BZY 312 may be a shape created when BZY is made into a powder. For example, the NiO/BZY 310 is coated with Ni on BZY structures in various shapes, such as pellets, spheres, non-spherical shapes, cylinders, and polygonal columns, manufactured by extrusion molding with BZY powder prepared by a solid phase method. can be a catalyst.

본 개시의 발명자는 다음과 같이 Ni/BZY 촉매를 제조하였다. 그러나 본 개시가 이러한 방법으로 한정되는 것은 아니다.The inventors of the present disclosure prepared a Ni/BZY catalyst as follows. However, the present disclosure is not limited to this method.

BZY 분말은 고상법으로 제조하였다. 상세하게는 BaCO3(99.9%), ZrO2(99.9%), Y2O3(99.9%)와 아세톤을 혼합하여 균질화하고, 110℃에서 건조하였다. 건조된 분말은 attrition milling 후 1,150℃의 공기 분위기에서 열처리하였다. 제조한 BZY 분말은 비표면적이 10-20 m2/g인 구조체이다. 본 개시에서는 선행 특허(한국특허 등록번호 제10-2035735호)의 방법을 활용하였으므로, 보다 자세한 사항은 선행 특허를 참조할 수 있다.BZY powder was prepared by the solid phase method. Specifically, BaCO 3 (99.9%), ZrO 2 (99.9%), Y 2 O 3 (99.9%) and acetone were mixed and homogenized, and dried at 110°C. The dried powder was heat treated in an air atmosphere at 1,150 ° C after attrition milling. The prepared BZY powder is a structure having a specific surface area of 10-20 m 2 /g. Since the method of the prior patent (Korean Patent Registration No. 10-2035735) was used in the present disclosure, the prior patent may be referred to for more details.

온도 조절 화학기상증착반응에서 Ni 증착용 전구체는 Ni(Cp)2으로, BZY 담체(BZY 분말)의 중량 대비 5 wt% ~ 30 wt%로 주입하여 표면에 코팅되는 Ni의 함량을 제어할 수 있다. Ni의 증착을 위해 250℃의 온도에서 승화된 유기금속화합물 형태의 Ni 증기가 BZY 담체 표면에서 공기 중에 있는 산소와 반응하여 NiO 형태로 코팅하여 NiO/BZY 촉매를 제조하였다. NiO/BZY는 In-situ 환원을 통해 Ni/BZY로 사용할 수 있다. In the temperature controlled chemical vapor deposition reaction, the precursor for Ni deposition is Ni(Cp) 2 , and the amount of Ni coated on the surface can be controlled by injecting 5 wt% to 30 wt% based on the weight of the BZY carrier (BZY powder). . For the deposition of Ni, Ni vapor in the form of an organometallic compound sublimated at a temperature of 250 ° C reacted with oxygen in the air on the surface of the BZY carrier to form a NiO coating to prepare a NiO / BZY catalyst. NiO/BZY can be used as Ni/BZY through in-situ reduction.

도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 SOFC의 제조 방법의 흐름도이다.4 is a flowchart of a method of manufacturing an SOFC according to an embodiment of the present disclosure.

도 4를 참조하면, 전해질을 준비한다(S405). 준비한 전해질에 제1 서브 연료극 층을 형성한다(S410). 일 실시예에서, 제1 서브 연료극 층은, 예를 들어, 스크린 인쇄 방법을 사용하여 전해질 상에 제1 서브 연료극 층 슬러리를 코팅하고 이를 건조하여 형성할 수 있다. 건조된 제1 서브 연료극 층 슬러리에 제2 서브 연료극 층을 형성한다(S415). 일 실시예에서, 제2 서브 연료극 층은, 예를 들어, 스크린 인쇄 방법을 사용하여 제1 서브 연료극 층 상에 제2 서브 연료극 층 슬러리를 코팅하고 이를 건조하여 형성할 수 있다. 건조된 제2 서브 연료극 층 슬러리에 제3 서브 연료극 층을 형성한다(S420). 제3 서브 연료극 층은, 예를 들어, 스크린 인쇄 방법을 사용하여 제2 서브 연료극 층 상에 제3 서브 연료극 층 슬러리를 코팅하고 이를 건조하여 형성할 수 있다. 건조된 제1 서브 연료극 층 슬러리, 건조된 제2 서브 연료극 층 슬러리 및 건조된 제3 서브 연료극 층 슬러리를 1,000℃에서 1,300℃ 사이의 온도로 설정된 시간으로 소결하여 제1 서브 연료극 층, 제2 서브 연료극 층, 제2 서브 연료극 층을 형성할 수 있다. 제3 서브 연료극 층 상에 공기극을 형성한다(S425). 제3 서브 연료극 층에 공기극 슬러리를 코팅하고 1,000℃에서 1,300℃ 사이의 온도로 설정된 시간으로 소결하여 공기극을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 4, an electrolyte is prepared (S405). A first sub anode layer is formed on the prepared electrolyte (S410). In one embodiment, the first sub-anode layer may be formed by coating the first sub-anode layer slurry on the electrolyte using, for example, a screen printing method and drying the slurry. A second sub fuel electrode layer is formed in the dried first sub fuel electrode layer slurry (S415). In one embodiment, the second sub-anode layer may be formed by coating the second sub-anode layer slurry on the first sub-anode layer using a screen printing method and drying the slurry. A third sub fuel electrode layer is formed in the dried second sub fuel electrode layer slurry (S420). The third sub anode layer may be formed by coating the third sub anode layer slurry on the second sub anode layer using a screen printing method and drying the slurry. The dried first sub anode layer slurry, the dried second sub anode layer slurry, and the dried third sub anode layer slurry are sintered at a temperature between 1,000° C. and 1,300° C. for a set period of time to obtain a first sub anode layer and a second sub anode layer. An anode layer and a second sub anode layer may be formed. An air electrode is formed on the third sub fuel electrode layer (S425). A cathode may be formed by coating the cathode slurry on the third sub-anode layer and sintering at a temperature between 1,000° C. and 1,300° C. for a set time.

일 실시예에서, 공기극을 제1 내지 제3 연료극 보다 먼저 형성할 수 있음이 이해될 것이다. In one embodiment, it will be understood that the air electrode may be formed prior to the first to third fuel electrodes.

본 개시의 연료극이 적용된 SOFC의 단위 전지의 전기 화학적 특성을 측정 분석하기 위해 다음과 같은 단위 전지를 제조하였다. 전해질 지지체는 YSZ의 분말을 압착한 후, 직경 18 mm, 두께 200 μm의 조밀한 디스크형 전해질 지지체를 얻기 위해 1,400℃에서 5시간 동안 소결하였다. 서브 연료극 층 슬러리는 아래의 표 1과 같은 NiO, YSZ와 개발된 NiO/BZY의 혼합물을 유기 결합제 에틸 셀룰로오스 및 a-테르피네올을 이용하여 제조하였다. 기공 형성제로는 그래파이트 7-10 μm를 사용하였다. 연료극의 주요 물질인 NiO, YSZ 및 NiO/BZY 외의 물질은 다른 물질로 대체 가능함이 이해될 것이다. In order to measure and analyze the electrochemical characteristics of the SOFC unit cell to which the anode of the present disclosure is applied, the following unit cell was manufactured. After pressing the powder of YSZ, the electrolyte support was sintered at 1,400° C. for 5 hours to obtain a dense disc-shaped electrolyte support having a diameter of 18 mm and a thickness of 200 μm. The sub-anode layer slurry was prepared using a mixture of NiO, YSZ and the developed NiO/BZY as shown in Table 1 below, using organic binders ethyl cellulose and a-terpineol. Graphite 7-10 μm was used as the pore forming agent. It will be understood that materials other than NiO, YSZ, and NiO/BZY, which are the main materials of the anode, can be replaced with other materials.

NiO 비율 (wt.%)NiO ratio (wt.%) YSZ비율 (wt.%)YSZ ratio (wt.%) NiO/BZY 비율 (wt.%)NiO/BZY ratio (wt.%) 기공 형성제 비율 (wt.%)Pore former ratio (wt.%) 제1 서브 연료극 층 슬러리 (NiO-YSZ-NiO/BZY)First sub-anode layer slurry (NiO-YSZ-NiO/BZY) 5555 3030 1010 55 제2 서브 연료극 층 슬러리 (NiO-YSZ-NiO/BZY)Second sub-anode layer slurry (NiO-YSZ-NiO/BZY) 5555 2020 2020 55 제3 서브 연료극 층 슬러리(NiO/BZY)Third sub-anode layer slurry (NiO/BZY) 00 00 9090 1010

제1 및 제2 서브 연료극 층 슬러리가 5 wt.%의 기공 형성제가 포함하고, 제3 서브 연료극 층 슬러리가 10 wt.%의 기공 형성제를 포함하는 것은, 제1 및 제2 서브 연료극 층 슬러리를 이용하여 제1 및 제2 서브 연료극 층을 형성할 때 NiO가 환원되고 Ni이 형성될 때, 산소 자리에 기공이 형성될 수 있기 때문이다. The first and second sub-anode layer slurries contain 5 wt.% of the pore former, and the third sub-anode layer slurry contains 10 wt.% of the pore-former. This is because when NiO is reduced and Ni is formed when the first and second sub-anode layers are formed using , pores may be formed at the site of oxygen.

이에 따라, 제1 및 제2 서브 연료극 층 슬러리와 제3 서브 연료극 층 슬러리에 포함된 기공 형성제의 비율은 상이하지만, 소결 후 제1, 제2 및 제3 서브 연료극 층의 기공율은 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다.Accordingly, although the ratio of the pore former included in the first and second sub fuel electrode layer slurries and the third sub fuel electrode layer slurry is different, the porosity of the first, second and third sub fuel electrode layers after sintering is substantially the same. or may be similar.

전해질 지지체 상에 제1 서브 연료극 층 슬러리를 코팅하고 30분 건조하고, 제2 서브 연료극 층 슬러리를 코팅하고 30분 건조하고, 제3 서브 연료극 층 슬러리를 코팅하고 30분 건조하였다. 그 후, 1,300℃에서 2시간 동안 소결하였다. 공기극 슬러리도 유기 결합제 및 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF) 및 YSZ 혼합물을 중량비 5:5로 혼합하여 제조하였다. 전극 슬러리는 스크린 인쇄 방법에 의해 전해질 지지체 위에 코팅하였다. 그 후, 전극이 코팅된 버튼 단위 전지는 최종적으로 1,150℃에서 2시간 동안 소결되었다. 소결 후 연료극 층 두께는 총 40μm의 두께를 갖는 것을 확인하였다. 각각의 서브 연료극 층은 약 10~15 μm의 두께를 갖으며 박리 현상 없이 잘 부착된 것으로 나타났다. 연료극 층에 있는 NiO는 800℃, In-situ 환원을 통해 Ni로 환원하여 사용하였다. 연료극 층의 기공률은 약 35~45%의 기공율을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의해 1,300℃에서 소성된 연료극 층의 기공률은 SEM Image Analysis 결과, 800℃에서 환원후 37.2%를 나타내어 적합한 것을 확인하였다. The first sub anode layer slurry was coated on the electrolyte support and dried for 30 minutes, the second sub anode layer slurry was coated and dried for 30 minutes, and the third sub anode layer slurry was coated and dried for 30 minutes. After that, it was sintered at 1,300°C for 2 hours. A cathode slurry was also prepared by mixing an organic binder, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF), and a YSZ mixture in a weight ratio of 5:5. The electrode slurry was coated onto the electrolyte support by a screen printing method. Then, the button unit battery coated with the electrode was finally sintered at 1,150 °C for 2 hours. After sintering, it was confirmed that the thickness of the anode layer had a total thickness of 40 μm. Each sub anode layer had a thickness of about 10 to 15 μm and was well attached without peeling. NiO in the anode layer was reduced to Ni through in-situ reduction at 800 °C and used. The porosity of the anode layer is preferably about 35 to 45%. As a result of SEM Image Analysis, the porosity of the anode layer fired at 1,300 ° C according to the present invention was 37.2% after reduction at 800 ° C, confirming that it was suitable.

도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 SOFC의 단위 전지와 종래의 SOFC의 단위 전지의 전체 면적 비저항에 따른 전압 및 출력 밀도의 비교 그래프이다.5 is a comparison graph of voltage and power density according to total area resistivity of a unit cell of a SOFC according to an embodiment of the present disclosure and a unit cell of a conventional SOFC.

도 5를 참조하면, 임피던스 분광법(Impedance Spectroscopy)으로 전체 면적 비저항(Area Specific Resistance, ASR)에 따른 전압 및 출력 밀도의 변화를 측정한 결과를 알 수 있다. 'FGLs'가 본 개시에 따른 단위 전지이고, Ni-YSZ가 종래의 단위 전지이다. 800℃에서 본 개시에 따른 단위 전지의 전체 면적 비저항(ASR)은 약 0.2Ωcm2이며, 전체적으로 본 개시에 따른 단위 전지의 총 ASR은 작동 온도에 따라 종래의 Ni-YSZ 단위 전지보다 낮았다. 이는 Ni/BZY에 함유된 나노 Ni으로 인해 전체 Ni의 증가함으로 연료극 내부의 Ni 격자의 침투로 인한 Ni Percolation이 증가하기 때문이다. 또한, BZY는 프로톤 전도뿐만 아니라 이온 전도를 가지고 있는 하이브리드 전도체이므로 이온 전도체인 YSZ의 양이 감소하더라도 이를 대체 가능하다. 따라서, 본 개시에 따른 단위 전지는 상용화된 연료전지에 적용될 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that the result of measuring the change in voltage and power density according to the total area specific resistance (ASR) by impedance spectroscopy. 'FGLs' is a unit cell according to the present disclosure, and Ni-YSZ is a conventional unit cell. The total area resistivity (ASR) of the unit cell according to the present disclosure at 800° C. was about 0.2 Ωcm 2 , and overall the total ASR of the unit cell according to the present disclosure was lower than that of the conventional Ni—YSZ unit cell depending on the operating temperature. This is because Ni percolation due to penetration of the Ni lattice inside the fuel electrode increases as total Ni increases due to the nano Ni contained in Ni/BZY. In addition, since BZY is a hybrid conductor having ion conduction as well as proton conduction, it can be substituted even if the amount of YSZ, an ion conductor, decreases. Accordingly, it can be seen that the unit cell according to the present disclosure can be applied to a commercialized fuel cell.

도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 SOFC의 단위 전지와 종래의 SOFC의 단위 전지의 전압 및 출력 밀도의 그래프이다.6 is a graph of voltage and power density of a unit cell of a SOFC according to an embodiment of the present disclosure and a unit cell of a conventional SOFC.

도 6을 참조하면, CH4 연료, 800℃의 작동온도에서, 종래의 Ni-YSZ 전지는 0.38 W/cm2의 최대 전력 밀도를 나타냈다. 본 개시에 따른 단위 전지는 0.44 W/cm2의 최대 전력 밀도를 나타내었다. 기존 Ni-YSZ 대비 본 개시에 따른 단위 전지의 성능이 약 20% 높은 것을 확인하였고, 이것은 연료극 층에 Ni/BZY의 첨가로 탄소 침적 억제에 대한 촉매 활성의 증가하여 탄소 침적이 감소하여 원할히 연료가 삼상계면에 공급되기 때문인 것으로 생각된다. Referring to FIG. 6 , at a CH 4 fuel and an operating temperature of 800° C., the conventional Ni—YSZ battery exhibited a maximum power density of 0.38 W/cm 2 . The unit cell according to the present disclosure exhibited a maximum power density of 0.44 W/cm 2 . It was confirmed that the performance of the unit cell according to the present disclosure was about 20% higher than that of the existing Ni-YSZ, and this was due to the addition of Ni/BZY to the anode layer, which increased the catalytic activity for suppressing carbon deposition and reduced carbon deposition, so that the fuel could be supplied smoothly. It is thought that this is because it is supplied to the three-phase interface.

도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 SOFC의 단위 전지와 종래의 SOFC의 단위 전지의 시간에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다. 7 is a graph showing a change in voltage over time between a unit cell of an SOFC according to an embodiment of the present disclosure and a unit cell of a conventional SOFC.

도 7을 참조하면, 종래의 Ni-YSZ 단위 전지의 0.41 A/cm2, CH4 연료, 800℃ 장기 운전 결과, 종래의 Ni-YSZ 전극은 약 20분부터 탄소 침적으로 인하여 전압이 떨어지는 것을 확인하였다. 반면, 본 개시에 따른 단위 전지는 0.45 A/cm2, 800℃의 동작 온도에서 50시간 이상 동작했음에도 전압과 전력밀도의 변화가 거의 없었다.Referring to FIG. 7, as a result of long-term operation of the conventional Ni-YSZ unit cell at 0.41 A/cm 2 , CH 4 fuel, and 800 ° C, it was confirmed that the voltage of the conventional Ni-YSZ electrode dropped due to carbon deposition from about 20 minutes did On the other hand, the unit cell according to the present disclosure showed little change in voltage and power density even after being operated for more than 50 hours at an operating temperature of 800° C. at 0.45 A/cm 2 .

이에 따라, 본 개시에 따른 단위 전지는 전 기전도도 확보 및 탄화 수소에 대한 저항성이 최적화됨에 따라 연료전지의 내구성이 향상됨을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the unit cell according to the present disclosure improves the durability of the fuel cell by securing electrical conductivity and optimizing resistance to hydrocarbons.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법으로,
YSZ를 포함하는 전해질을 준비하는 단계;
상기 전해질의 제1 면에 NiO, YSZ 및 BZY 코어에 Ni이 형성된 제1 촉매를 포함하는 제1 혼합물 슬러리를 코팅하는 단계;
상기 제1 혼합물 슬러리 상에 NiO, YSZ 및 BZY 코어에 Ni이 형성된 제2 촉매를 포함하는 제2 혼합물 슬러리를 코팅하는 단계 - 상기 제2 촉매의 중량 퍼센트는 상기 제1 촉매의 중량 퍼센트보다 큼 -;
상기 제2 혼합물 슬러리 상에 BZY 코어에 Ni이 형성된 제3 촉매를 포함하는 제3 혼합물 슬러리를 코팅하는 단계 - 상기 제3 촉매의 중량 퍼센트는 상기 제2 촉매의 중량 퍼센트보다 큼 -;
상기 제1, 제2, 및 제3 혼합물 슬러리가 코팅된 상기 전해질을 소결하여, 상기 전해질의 상기 제1 면에, 제1 서브 연료극 층, 제2 서브 연료극 층 및 제3 서브 연료극 층을 형성하는 단계; 및
상기 전해질의 상기 제1 면과 마주보는 제2 면에 공기극을 형성하는 단계를 포함하는,
고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.
As a method of manufacturing a solid oxide fuel cell,
Preparing an electrolyte containing YSZ;
coating a first mixture slurry containing NiO, YSZ, and a first catalyst in which Ni is formed on a BZY core on a first surface of the electrolyte;
Coating a second mixture slurry containing NiO, YSZ, and a second catalyst in which Ni is formed on a BZY core on the first mixture slurry, wherein the weight percentage of the second catalyst is greater than the weight percentage of the first catalyst. ;
coating a third mixture slurry including a third catalyst in which Ni is formed on a BZY core on the second mixture slurry, wherein the weight percentage of the third catalyst is greater than the weight percentage of the second catalyst;
Sintering the electrolyte coated with the first, second, and third mixture slurries to form a first sub-anode layer, a second sub-anode layer, and a third sub-anode layer on the first surface of the electrolyte step; and
Forming an air electrode on a second surface facing the first surface of the electrolyte,
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell.
제8항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 혼합물 슬러리는 기공 형성제를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 혼합물 슬러리에 포함된 상기 기공 형성제의 중량 퍼센트는 상기 제3 혼합물 슬러리에 포함된 상기 기공 형성제의 중량 퍼센트보다 작은, 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.
According to claim 8,
The first to third mixture slurries further include a pore former, and the weight percentage of the pore former contained in the first and second mixture slurries is the weight of the pore former contained in the third mixture slurry A method of manufacturing a solid oxide fuel cell, less than a percent.
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