KR102543307B1 - High-performance ysz electrolyte supported solid oxide fuel cell of ultrasonic spray method and method of manuafcturing the same - Google Patents
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Abstract
버퍼층 및 캐소드층을 초음파 스프레이법을 이용하여 형성하는 것에 의해, 입자간 응집 없이 얇고 균일한 박막 형태로 제조할 수 있는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법은 기재 상에 고체 전해질 코팅 물질을 코팅하고, 소결하여 고체 전해질층을 형성하는 단계; 상기 고체 전해질층의 일면에 애노드 코팅 물질을 코팅하고, 소결하여 애노드층을 형성하는 단계; 상기 고체 전해질층의 타면에 초음파 스프레이 노즐로부터 버퍼 슬러리 물질을 초음파 분사하고 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 초음파 스프레이 노즐로부터 캐소드 슬러리 물질을 초음파 분사하고 열처리하여 캐소드층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A high-performance solid oxide fuel cell based on YSZ solid electrolyte manufactured by ultrasonic spray that can be manufactured in a thin and uniform thin film form without aggregation between particles by forming a buffer layer and a cathode layer using an ultrasonic spray method and a manufacturing method thereof Initiate.
A method for manufacturing a high-performance solid oxide fuel cell based on a YSZ solid electrolyte manufactured by ultrasonic spraying according to the present invention includes the steps of coating a solid electrolyte coating material on a substrate and sintering to form a solid electrolyte layer; coating an anode coating material on one surface of the solid electrolyte layer and forming an anode layer by sintering; Forming a buffer layer by ultrasonically spraying a buffer slurry material from an ultrasonic spray nozzle on the other surface of the solid electrolyte layer and performing heat treatment; and forming a cathode layer by ultrasonically spraying a cathode slurry material from an ultrasonic spray nozzle on the buffer layer and heat-treating the material.
Description
본 발명은 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 버퍼층 및 캐소드층을 초음파 스프레이법을 이용하여 형성하는 것에 의해, 입자간 응집 없이 얇고 균일한 박막 형태로 제조할 수 있는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a thin, thin layer without aggregation between particles by forming a buffer layer and a cathode layer using an ultrasonic spray method. It relates to a high-performance solid oxide fuel cell based on a YSZ solid electrolyte manufactured by ultrasonic spray that can be manufactured in a uniform thin film form and a manufacturing method thereof.
연료전지는 수소나 천연가스 등의 연료를 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 장치로서 높은 효율과 무공해, 무소 음 등의 특성을 인하여 미래의 주요한 에너지 기술의 하나이다.A fuel cell is a device that produces electricity by reacting fuel such as hydrogen or natural gas with oxygen, and is one of the major energy technologies of the future due to its high efficiency, non-pollution, and noise-free characteristics.
특히, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 산소 이온을 통과시키는 전해질로서 고체산화물을 사용하며, 전해질 물질로는 지르코니아(ZrO2)계 산화물, 세리아(CeO2)계 산화물, 란타늄-스트론튬-가돌리늄-마그네슘 산화물(LSGM) 등이 사용되고 있다.In particular, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses a solid oxide as an electrolyte that allows oxygen ions to pass through, and as electrolyte materials, zirconia (ZrO 2 )-based oxide, ceria (CeO 2 )-based oxide, and lanthanum- Strontium-gadolinium-magnesium oxide (LSGM) and the like are used.
이러한 전해질은 고온에서의 열적 안정성과 이온 전도성을 향상시키기 위한 목적으로 이트리아(Y2O3), 세리아 (CeO2), 스칸디아(Sc2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3) 등의 안정화제를 일부 함유한다.These electrolytes include yttria (Y 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ), scandia (Sc 2 O 3 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), etc. for the purpose of improving thermal stability and ionic conductivity at high temperatures. Contains some stabilizers.
고체산화물 연료전지(SOFC)의 단위 셀은 고체 전해질을 사이에 두고, 일측에는 공기극을 부착하고, 타측에는 연료극을 부착한 형태로 만들어진다. 일반적으로, 연료극은 산화니켈(NiO)과 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ)의 혼합물이 사용되고 있으며, 공기극으로는 란타늄-스트론튬-코발트 산화물(LSC), 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM), 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF), 바륨-스트론튬-코발트-철 산화물(BSCF) 등이 사용되고 있다.A unit cell of a solid oxide fuel cell (SOFC) has a solid electrolyte interposed therebetween, an air electrode is attached to one side, and an anode is attached to the other side. In general, a mixture of nickel oxide (NiO) and yttrium stabilized zirconia (YSZ) is used for the anode, and lanthanum-strontium-cobalt oxide (LSC), lanthanum-strontium-manganese oxide (LSM), and lanthanum-strontium- Cobalt-iron oxide (LSCF), barium-strontium-cobalt-iron oxide (BSCF), and the like are used.
최근에는 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM)계의 공기극보다는 연료전지의 전기화학적 특성이 뛰어난 것으로 알려진 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF)계 또는 바륨-스트론튬-코발트-철 산화물(BSCF)계 공기극이 많이 사용되고 있다.Recently, lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF) or barium-strontium-cobalt-iron oxide (BSCF), which are known to have better electrochemical characteristics of fuel cells than lanthanum-strontium-manganese oxide (LSM) cathodes Air electrodes are widely used.
그러나, 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF)계 또는 바륨-스트론튬-코발트-철 산화물(BSCF)계 공기극 물질은 지르코니아(ZrO2)계의 전해질과 반응하는 특성이 있어서, 공기극을 소결하는 과정 및 전지가 고온에서 작동하는 동안 란타니움 지르코네이트(La2Zr2O7) 또는 스트론티움 지르코네이트(SrZrO3)와 같은 이온 전도성이 낮은 복합 산화물이 공기극과 전해질 계면에 형성되게 된다.However, the lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF)-based or barium-strontium-cobalt-iron oxide (BSCF)-based cathode material has a characteristic of reacting with a zirconia (ZrO 2 )-based electrolyte, so that the process of sintering the cathode and complex oxides with low ion conductivity, such as lanthanum zirconate (La 2 Zr 2 O 7 ) or strontium zirconate (SrZrO 3 ), are formed at the interface between the cathode and the electrolyte while the battery operates at a high temperature.
위와 같은 반응 화합물의 형성은 공기극에서 형성된 산소 이온이 전해질을 통하여 확산하여 연료극에서 수소와 반응을 일으키는 속도를 저하시킴으로써 연료전지의 전체 성능을 저하시키고, 열팽창 계수의 차이를 유발하여 열적 및 기계적 안정성을 저하시키는 원인이 된다Formation of the above reaction compounds reduces the rate at which oxygen ions formed at the cathode diffuse through the electrolyte and react with hydrogen at the anode, thereby degrading the overall performance of the fuel cell and causing a difference in thermal expansion coefficient, thereby improving thermal and mechanical stability. cause a decrease
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0028340호(2019.03.18. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 고체산화물 연료 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈이 기재되어 있다.As a related prior literature, there is Korean Patent Publication No. 10-2019-0028340 (published on March 18, 2019), which describes a solid oxide fuel cell and a battery module including the same.
본 발명의 목적은 버퍼층 및 캐소드층을 초음파 스프레이법을 이용하여 형성하는 것에 의해, 입자간 응집 없이 얇고 균일한 박막 형태로 제조할 수 있는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is a YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell based on ultrasonic spray that can be manufactured in the form of a thin and uniform thin film without aggregation between particles by forming a buffer layer and a cathode layer using an ultrasonic spray method, and It is to provide the manufacturing method.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 고체 전해질층; 상기 고체 전해질층의 일면에 형성된 애노드층; 상기 고체 전해질층의 타면에 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 형성된 캐소드층;을 포함하며, 상기 버퍼층 및 캐소드층 각각은 초음파 스프레이법으로 형성되어 다공성 구조로 이루어지며, 85vol% 이상의 충진밀도를 갖는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying according to an embodiment of the present invention includes a solid electrolyte layer; an anode layer formed on one surface of the solid electrolyte layer; a buffer layer formed on the other surface of the solid electrolyte layer; and a cathode layer formed on the buffer layer, wherein each of the buffer layer and the cathode layer is formed by ultrasonic spraying to have a porous structure and has a packing density of 85 vol% or more.
상기 고체 전해질층은 100 ~ 400㎛의 두께로 형성된다.The solid electrolyte layer is formed to a thickness of 100 ~ 400㎛.
상기 버퍼층은 가돌리늄-이테르븀-비스무트-세륨 산화물(GYBC)로 형성된다.The buffer layer is formed of gadolinium-ytterbium-bismuth-cerium oxide (GYBC).
상기 버퍼층은 1 ~ 15㎛의 두께로 형성된다.The buffer layer is formed to a thickness of 1 to 15 μm.
상기 캐소드층은 상기 버퍼층 상에 배치된 캐소드 지지층과, 상기 캐소드 지지층 상에 적층된 캐소드 기능층을 포함한다.The cathode layer includes a cathode support layer disposed on the buffer layer and a cathode functional layer laminated on the cathode support layer.
상기 캐소드 지지층 및 캐소드 기능층 각각은 이트리아 안정화 산화 지르코늄(YSZ), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ), 사마륨 도프 세리아(SDC), 가돌리늄 도프 세리아(GDC), 란탄 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(LCNF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(GSC), 란탄 스트론튬 페라이트(LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물(SSC), 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(LSGM) 중 선택된 1종 이상으로 형성된다.Each of the cathode supporting layer and the cathode functional layer is composed of yttria stabilized zirconium oxide (YSZ), scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ), samarium doped ceria (SDC), gadolinium doped ceria (GDC), lanthanum strontium manganese oxide (LSM), lanthanum strontium Cobalt Ferrite (LSCF), Lanthanum Strontium Nickel Ferrite (LSNF), Lanthanum Calcium Nickel Ferrite (LCNF), Lanthanum Strontium Cobalt Oxide (LSC), Gadolinium Strontium Cobalt Oxide (GSC), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Samarium Strontium Cobalt Oxide (SSC), barium strontium cobalt ferrite (BSCF) and lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM).
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법은 기재 상에 고체 전해질 코팅 물질을 코팅하고, 소결하여 고체 전해질층을 형성하는 단계; 상기 고체 전해질층의 일면에 애노드 코팅 물질을 코팅하고, 소결하여 애노드층을 형성하는 단계; 상기 고체 전해질층의 타면에 초음파 스프레이 노즐로부터 버퍼 슬러리 물질을 초음파 분사하고 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 초음파 스프레이 노즐로부터 캐소드 슬러리 물질을 초음파 분사하고 열처리하여 캐소드층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method for manufacturing a high-performance solid oxide fuel cell based on a YSZ solid electrolyte manufactured by ultrasonic spraying according to an embodiment of the present invention includes the steps of coating a solid electrolyte coating material on a substrate and sintering to form a solid electrolyte layer. ; coating an anode coating material on one surface of the solid electrolyte layer and forming an anode layer by sintering; Forming a buffer layer by ultrasonically spraying a buffer slurry material from an ultrasonic spray nozzle on the other surface of the solid electrolyte layer and performing heat treatment; and forming a cathode layer by ultrasonically spraying a cathode slurry material from an ultrasonic spray nozzle on the buffer layer and heat-treating the material.
상기 고체 전해질층은 100 ~ 400㎛의 두께로 형성한다.The solid electrolyte layer is formed to a thickness of 100 ~ 400㎛.
상기 버퍼층은 가돌리늄-이테르븀-비스무트-세륨 산화물(GYBC)로 형성하는 것이 바람직하다.The buffer layer is preferably formed of gadolinium-ytterbium-bismuth-cerium oxide (GYBC).
상기 버퍼층 형성시, 상기 초음파 분사 후, 열처리는 1,250 ~ 1,350℃ 조건으로 1 ~ 3시간 동안 실시한다.When the buffer layer is formed, after the ultrasonic spray, heat treatment is performed for 1 to 3 hours under conditions of 1,250 to 1,350 ° C.
상기 버퍼층은 1 ~ 15㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.The buffer layer is preferably formed to a thickness of 1 to 15 μm.
상기 캐소드층 형성시, 상기 초음파 분사 후, 열처리는 1,150 ~ 1,250℃ 조건으로 1 ~ 3시간 동안 실시한다.When the cathode layer is formed, after the ultrasonic spraying, heat treatment is performed for 1 to 3 hours under conditions of 1,150 to 1,250 ° C.
상기 버퍼층 및 캐소드층 각각은 초음파 스프레이법으로 형성되어 다공성 구조로 이루어지며, 85vol% 이상의 충진밀도를 갖는다.Each of the buffer layer and the cathode layer is formed by an ultrasonic spray method to have a porous structure and has a packing density of 85 vol% or more.
상기 캐소드층은 상기 버퍼층 상에 배치된 캐소드 지지층과, 상기 캐소드 지지층 상에 적층된 캐소드 기능층을 포함한다.The cathode layer includes a cathode support layer disposed on the buffer layer and a cathode functional layer laminated on the cathode support layer.
상기 캐소드 지지층 및 캐소드 기능층 각각은 이트리아 안정화 산화 지르코늄(YSZ), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ), 사마륨 도프 세리아(SDC), 가돌리늄 도프 세리아(GDC), 란탄 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(LCNF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(GSC), 란탄 스트론튬 페라이트(LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물(SSC), 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(LSGM) 중 선택된 1종 이상으로 형성된다.Each of the cathode supporting layer and the cathode functional layer is composed of yttria stabilized zirconium oxide (YSZ), scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ), samarium doped ceria (SDC), gadolinium doped ceria (GDC), lanthanum strontium manganese oxide (LSM), lanthanum strontium Cobalt Ferrite (LSCF), Lanthanum Strontium Nickel Ferrite (LSNF), Lanthanum Calcium Nickel Ferrite (LCNF), Lanthanum Strontium Cobalt Oxide (LSC), Gadolinium Strontium Cobalt Oxide (GSC), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Samarium Strontium Cobalt Oxide (SSC), barium strontium cobalt ferrite (BSCF) and lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM).
본 발명에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법은 버퍼층 및 캐소드층 각각이 초음파 스프레이법으로 형성되어 다공성 구조로 이루어지며, 85vol% 이상의 충진밀도를 갖는다.In the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying according to the present invention and its manufacturing method, each of the buffer layer and the cathode layer is formed by ultrasonic spraying to have a porous structure and have a packing density of 85 vol% or more.
이와 같이, 본 발명에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법은 기재와 이격된 초음파 스프레이 노즐로부터 분사하는 비접촉 방식의 초음파 스프레이법을 이용하는 것에 의해 기재 상에 얇고 균일한 형태로 코팅하는 것이 가능하며, 분산된 입자들 간의 응집 없이 코팅이 이루어지는 것에 85vol% 이상의 높은 충전밀도를 확보하는 것이 가능해질 수 있다.As such, the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spray according to the present invention and its manufacturing method are thin and thin on a substrate by using a non-contact ultrasonic spray method spraying from an ultrasonic spray nozzle spaced apart from the substrate. It is possible to coat in a uniform form, and it may be possible to secure a high packing density of 85 vol% or more when the coating is made without aggregation between the dispersed particles.
아울러, 본 발명에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법은 버퍼층으로 이온전도도가 YSZ 보다 높은 GYBC를 이용하는 것에 의해, 고체 전해질층과의 접촉 저항을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 초음파 스프레이법에 의해 형성된 다공성 구조로 형성된 버퍼층 및 캐소드층의 적용으로 산소 전이(oxygen transport)가 원활하게 이루어지는데 기인하여 연료전지 셀의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.In addition, the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell and its manufacturing method manufactured by ultrasonic spray according to the present invention can reduce the contact resistance with the solid electrolyte layer by using GYBC, which has higher ionic conductivity than YSZ, as a buffer layer. In addition, it is possible to improve the performance of the fuel cell due to the smooth oxygen transport due to the application of the buffer layer and the cathode layer formed of a porous structure formed by the ultrasonic spray method.
따라서, 본 발명에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법은 초음파 스프레이 방식으로 버퍼층 및 캐소드층이 형성되는 것에 의해 고성능 연료전지 셀을 대면적으로 제작하는 것이 가능해질 수 있으므로, 공정 비용 및 시간 절감으로 생산 수율을 향상시킬 수 있게 된다.Therefore, in the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying according to the present invention and its manufacturing method, it is possible to manufacture a large-area high-performance fuel cell by forming a buffer layer and a cathode layer by ultrasonic spraying. Therefore, it is possible to improve production yield by reducing process cost and time.
또한, 본 발명에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법은 초음파 스프레이 노즐에 의해 분산된 입자들 간이 응집 없이 균일한 형태로 코팅되는 버퍼층이 2차 상의 형성을 억제하는 장벽 역할을 하므로, 고체 전해질층과 캐소드층 간의 이온 확산이 발생하는 것을 원천적으로 방지할 수 있게 된다.In addition, in the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying according to the present invention and its manufacturing method, the buffer layer coated in a uniform form without aggregation between the particles dispersed by the ultrasonic spray nozzle prevents formation of a secondary phase. Since it serves as a barrier to suppress, it is possible to fundamentally prevent ion diffusion between the solid electrolyte layer and the cathode layer.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 4는 초음파 스프레이 장치를 설명하기 위한 모식도.
도 5는 실시예 1에 따른 SOFC 단위 셀 시료를 촬영하여 나타낸 실측 광학 이미지.
도 6은 실시예 1에 따른 SOFC 단위 셀 시료의 절단면을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 7은 실시예 1에 따른 SOFC 단위 셀 시료의 버퍼층 및 캐소드 간의 계면을 확대하여 나타낸 SEM 사진.
도 8은 실시예 1에 따른 SOFC 단위 셀 시료의 캐소드를 확대하여 나타낸 SEM 사진.
도 9는 실시예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료에 대한 I-V 특성 결과를 나타낸 그래프.
도 10은 실시예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료들에 대한 임피던스 스펙트럼(Impedance spectra) 측정 결과를 나타낸 그래프.1 is a cross-sectional view showing a YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spray according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram for explaining the operating principle of the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spray according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a process flow chart showing a method for manufacturing a high-performance solid oxide fuel cell based on YSZ solid electrolyte manufactured by ultrasonic spray according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram for explaining an ultrasonic spray device.
5 is an optical image obtained by photographing a SOFC unit cell sample according to Example 1;
6 is a SEM photograph showing a cut surface of a SOFC unit cell sample according to Example 1;
7 is an enlarged SEM photograph of an interface between a buffer layer and a cathode of a SOFC unit cell sample according to Example 1;
8 is an enlarged SEM photograph of a cathode of a SOFC unit cell sample according to Example 1;
9 is a graph showing IV characteristics results for SOFC unit cell samples prepared according to Example 1;
10 is a graph showing impedance spectra measurement results for SOFC unit cell samples manufactured according to Example 1;
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a high-performance solid oxide fuel cell based on a YSZ solid electrolyte manufactured by ultrasonic spray according to a preferred embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도이다.1 is a cross-sectional view showing a YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying according to an embodiment of the present invention. It is a schematic diagram to explain the operating principle of an oxide fuel cell.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지(100)는 고체 전해질층(140), 애노드층(120) 및 캐소드층(180)을 포함한다. 아울러, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지(100)는 고체 전해질층(140)과 캐소드층(180) 사이에 형성된 버퍼층(160)을 더 포함한다.1 and 2, the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid
고체 전해질층(140)은 고체산화물 연료전지(100)의 기판으로 사용된다. 이러한 고체 전해질층(140)은 가스를 투과시키지 않아야 하며, 전자전도성은 없으나 산소이온 전도성은 높아야 한다.The
이러한 고체 전해질층(140)으로 사용되는 물질로는 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(YSZ), 란타늄-스트론튬-갈륨-마그네슘 산화물(LSGM), 세리아(CeO2)계 산화물 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있으며, 이 중 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(YSZ)을 이용하는 것이 바람직하다.Materials used as the
아울러, 애노드층(120)은 고체 전해질층(140)의 일면에 형성된다. 이러한 애노드층(120)으로 사용되는 물질로는 Ni-Fe, 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(YSZ), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ), NiO 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.In addition, the
이러한 애노드층(120)에서는 산소가 전자를 받아 산소이온으로 되어 고체 전해질층(140)을 통과하고, 캐소드층(180)에서는 산소이온이 전자를 방출하고 수소가스와 반응하여 수증기가 형성된다.In the
여기서, 캐소드층(180)은 고체 전해질층(140)의 타면에 형성된다. 이러한 캐소드층(180)은 버퍼층(160) 상에 배치된 캐소드 지지층(182)과, 캐소드 지지층(182) 상에 적층된 캐소드 기능층(184)을 포함한다.Here, the
이때, 캐소드 지지층(182) 및 캐소드 기능층(184) 각각은 이트리아 안정화 산화 지르코늄(YSZ), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ), 사마륨 도프 세리아(SDC), 가돌리늄 도프 세리아(GDC), 란탄 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(LCNF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(GSC), 란탄 스트론튬 페라이트(LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물(SSC), 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(LSGM) 중 선택된 1종 이상으로 형성된다.At this time, each of the
여기서, 애노드층(120) 및 캐소드층(180) 각각은 1 ~ 20㎛의 두께로 형성되고, 고체 전해질층(140)은 100 ~ 400㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.Here, each of the
버퍼층(160)은 고체 전해질층(140)의 타면에 형성되어, 고체 전해질층(140)과 캐소드층(180) 사이에 배치된다. 이때, 버퍼층(160)은 고체 전해질층(140)과 캐소드층(180) 사이에서 고체 전해질층(140)과 캐소드층(180) 간의 이온 확산이 발생하는 것을 원천적으로 방지하는 역할을 한다.The
이러한 버퍼층(160)의 재질로는 세리아계 산화물을 이용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 란타늄(La)이 도핑된 세리아(LDC), 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세리아(GDC), 사마륨(Sm)이 도핑된 세리아(SDC), 이트륨(Y)이 도핑된 세리아(YDC), 가돌리늄(Gd), 이터븀(Yb) 및 비스무트(Bi)가 도핑된 세리아(GYBC) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있으며, 이 중 가돌리늄-이테르븀-비스무트-세륨 산화물(GYBC)을 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 버퍼층(160)으로 이온전도도가 YSZ 보다 높은 GYBC를 이용하게 되면, 고체 전해질층(140)과의 접촉 저항을 크게 감소시킬 수 있게 된다.As the material of the
이때, 버퍼층(160)은 1 ~ 15㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 2 ~ 5㎛의 두께로 형성하는 것이 좋다. 버퍼층(160)의 두께가 1㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇아 2차 상의 형성을 억제하는 장벽 역할을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 버퍼층(160)의 두께가 15㎛를 초과할 경우에는 과도한 두께로 인해 저항을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.At this time, the
전술한 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 버퍼층 및 캐소드층 각각이 초음파 스프레이법으로 형성되어 다공성 구조로 이루어지며, 85vol% 이상의 충진밀도를 갖는다.The YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying according to the above-described embodiment of the present invention has a porous structure in which a buffer layer and a cathode layer are formed by ultrasonic spraying, respectively, and has a packing density of 85 vol% or more.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 기재와 이격된 초음파 스프레이 노즐로부터 분사하는 비접촉 방식의 초음파 스프레이법을 이용하는 것에 의해 기재 상에 얇고 균일한 형태로 코팅하는 것이 가능하며, 분산된 입자들 간의 응집 없이 코팅이 이루어지는 것에 85vol% 이상의 높은 충전밀도를 확보하는 것이 가능해질 수 있다.As such, the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spray according to an embodiment of the present invention is thin and uniform on a substrate by using a non-contact ultrasonic spray method spraying from an ultrasonic spray nozzle spaced apart from the substrate. It is possible to coat in one form, and it may be possible to secure a high packing density of 85 vol% or more when the coating is made without aggregation between the dispersed particles.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 버퍼층으로 이온전도도가 YSZ 보다 높은 GYBC를 이용하는 것에 의해, 고체 전해질층과의 접촉 저항을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 초음파 스프레이법에 의해 형성된 다공성 구조로 형성된 버퍼층 및 캐소드층의 적용으로 산소 전이(oxygen transport)가 원활하게 이루어지는데 기인하여 연료전지 셀의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.In addition, the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spray according to an embodiment of the present invention can reduce the contact resistance with the solid electrolyte layer by using GYBC, which has higher ion conductivity than YSZ, as a buffer layer. In addition, it is possible to improve the performance of the fuel cell due to the smooth oxygen transport due to the application of the buffer layer and the cathode layer formed of a porous structure formed by the ultrasonic spray method.
따라서, 본 발명에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 초음파 스프레이 방식으로 버퍼층 및 캐소드층이 형성되는 것에 의해 고성능 연료전지 셀을 대면적으로 제작하는 것이 가능해질 수 있으므로, 공정 비용 및 시간 절감으로 생산 수율을 향상시킬 수 있게 된다.Therefore, since the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying according to the present invention can be manufactured in a large area by forming a buffer layer and a cathode layer by ultrasonic spraying, It is possible to improve production yield by reducing process cost and time.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 초음파 스프레이 노즐에 의해 분산된 입자들 간이 응집 없이 균일한 형태로 코팅되는 버퍼층이 2차 상의 형성을 억제하는 장벽 역할을 하므로, 고체 전해질층과 캐소드층 간의 이온 확산이 발생하는 것을 원천적으로 방지할 수 있게 된다.In addition, in the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying according to an embodiment of the present invention, the buffer layer coated in a uniform form without aggregation between the particles dispersed by the ultrasonic spray nozzle suppresses the formation of a secondary phase Since it serves as a barrier to prevent the occurrence of ion diffusion between the solid electrolyte layer and the cathode layer, it is possible to fundamentally prevent it.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a high-performance solid oxide fuel cell based on a YSZ solid electrolyte manufactured by ultrasonic spray according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 4는 초음파 스프레이 장치를 설명하기 위한 모식도이다.3 is a process flow chart showing a method for manufacturing a YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spray according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a schematic diagram for explaining an ultrasonic spray device.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법은 고체 전해질층 형성 단계(S110), 애노드층 형성 단계(S120), 버퍼층 형성 단계(S130) 및 캐소드층 형성 단계(S140)를 포함한다.As shown in FIG. 3, the method for manufacturing a high-performance solid oxide fuel cell based on a YSZ solid electrolyte manufactured by ultrasonic spray according to an embodiment of the present invention includes a solid electrolyte layer forming step (S110), an anode layer forming step (S120), a buffer layer A forming step (S130) and a cathode layer forming step (S140) are included.
고체 전해질층 형성Formation of solid electrolyte layer
고체 전해질층 형성 단계(S110)에서는 기판으로 사용될 고체 전해질층을 형성한다. 이러한 고체 전해질층은 기재 상에 고체 전해질 코팅 물질을 코팅하고, 소결하는 것에 의해 형성될 수 있다.In the solid electrolyte layer forming step (S110), a solid electrolyte layer to be used as a substrate is formed. Such a solid electrolyte layer may be formed by coating a solid electrolyte coating material on a substrate and sintering it.
즉, 고체 전해질층은 고상법 및 프레스 제조방식으로 고체 전해질 물질을 제조하고, 1,400 ~ 1,600℃ 조건에서 4 ~ 8시간 동안 소결하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이에 따라, 고체 전해질층은 200 ~ 400㎛의 두께로 형성된다.That is, the solid electrolyte layer may be formed by preparing a solid electrolyte material by a solid phase method or a press manufacturing method and sintering the solid electrolyte material at 1,400 to 1,600° C. for 4 to 8 hours. Accordingly, the solid electrolyte layer is formed to a thickness of 200 ~ 400㎛.
이때, 고체 전해질 물질로는 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(YSZ), 란타늄-스트론튬-갈륨-마그네슘 산화물(LSGM), 세리아(CeO2)계 산화물 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 이 중, 고체 전해질 물질로는 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(YSZ)을 이용하는 것이 바람직하다.At this time, as the solid electrolyte material, at least one selected from yttria stabilized zirconium oxide (YSZ), lanthanum-strontium-gallium-magnesium oxide (LSGM), and ceria (CeO 2 )-based oxide may be used. Among these, it is preferable to use yttria stabilized zirconium oxide (YSZ) as the solid electrolyte material.
애노드층 형성Formation of anode layer
애노드층 형성 단계(S120)에서는 고체 전해질층의 일면에 애노드 코팅 물질을 코팅하고, 소결하여 애노드층을 형성한다.In the anode layer forming step (S120), an anode coating material is coated on one surface of the solid electrolyte layer and sintered to form an anode layer.
여기서, 애노드층은, 고체 전해질층과 마찬가지로, 고상법 및 프레스 제조방식으로 애노드 물질을 제조하고, 1,300 ~ 1,500℃ 조건에서 1 ~ 3시간 동안 소결하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이에 따라, 애노드층은 1 ~ 20㎛의 두께로 형성된다.Here, the anode layer, like the solid electrolyte layer, may be formed by preparing an anode material by a solid phase method and a press manufacturing method, and sintering at 1,300 to 1,500 ° C. for 1 to 3 hours. Accordingly, the anode layer is formed to a thickness of 1 to 20 μm.
애노드 물질로는 Ni-Fe, 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(YSZ), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ), NiO 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.As the anode material, at least one selected from among Ni—Fe, yttria stabilized zirconium oxide (YSZ), scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ), and NiO may be used.
버퍼층 형성Formation of buffer layer
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 버퍼층 형성 단계(S130)에서는 고체 전해질층의 타면에 초음파 스프레이 장치(200)의 초음파 스프레이 노즐(230)로부터 버퍼 슬러리 물질을 초음파 분사하고 열처리하여 버퍼층을 형성한다. 여기서, 고체 전해질층의 타면이 초음파 스프레이 노즐(230)과 마주보도록 배치시키는 것이 바람직하다.3 and 4, in the buffer layer forming step (S130), the buffer slurry material is ultrasonically sprayed from the
여기서, 초음파 스프레이 장치(200)는 기재(110)를 설정된 온도로 가열하기 위한 히팅 플레이트(210)와, 히팅 플레이트(210)로 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(220)와, 초음파를 발생시키기 위한 초음파 발생기(240)와, 초음파 발생기(240)로부터 발생된 초음파에 의한 기계적 진동으로 미세한 미스트로 변환된 슬러리 물질을 기재(110)의 상부로 분사하기 위한 초음파 스프레이 노즐(230)을 포함한다.Here, the
이와 같이, 본 발명의 초음파 스프레이 장치(200)는 초음파 스프레이 노즐(230)로부터 미스트로 변환된 슬러리 물질을 기재(110) 상에 분사하면서, 히팅 플레이트(210)에 의해 설정된 온도로 가열이 이루어질 수 있게 된다.In this way, the
아울러, 초음파 스프레이 장치(200)는 초음파 스프레이 노즐(230)로 공급되는 슬러리 물질의 공급량을 제어하기 위한 실린지(250)와, 초음파 스프레이 노즐(230)에 압축된 캐리어 가스를 공급하여 슬러리 물질을 가압하기 위한 캐리어 가스 공급부(260)와, 히팅 플레이트(210)의 온도를 제어하기 위한 온도 제어기(270)를 더 포함할 수 있다.In addition, the
전술한 초음파 스프레이 장치(200)를 이용한 버퍼층 형성시, 초음파 분사 후, 열처리는 1,250 ~ 1,350℃ 조건으로 1 ~ 3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 초음파 분사시, 분사 시간, 분사량, 캐리어 가스 투입량 등을 조절하는 것에 의해 두께 조절이 가능하다. 이에 따라, 버퍼층은 1 ~ 15㎛의 두께, 보다 바람직하게는 2 ~ 5㎛의 두께로 형성된다.When forming the buffer layer using the above-described
여기서, 버퍼 슬러리 물질은 원료 물질인 세리아계 산화물에 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral), 분산제, 에탄올, 이소프로필알콜 및 지르코니아 볼이 혼합된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Here, the buffer slurry material may be a mixture of polyvinyl butyral, a dispersant, ethanol, isopropyl alcohol, and zirconia balls in ceria-based oxide as a raw material, but is not limited thereto.
세리아계 산화물로는 란타늄(La)이 도핑된 세리아(LDC), 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세리아(GDC), 사마륨(Sm)이 도핑된 세리아(SDC), 이트륨(Y)이 도핑된 세리아(YDC), 가돌리늄(Gd), 이터븀(Yb) 및 비스무트(Bi)가 도핑된 세리아(GYBC) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있으며, 이 중 가돌리늄-이테르븀-비스무트-세륨 산화물(GYBC)을 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 버퍼층으로 이온전도도가 YSZ 보다 높은 GYBC를 이용하게 되면, 고체 전해질층과의 접촉 저항을 크게 감소시킬 수 있게 된다.Ceria-based oxides include lanthanum (La)-doped ceria (LDC), gadolinium (Gd)-doped ceria (GDC), samarium (Sm)-doped ceria (SDC), and yttrium (Y)-doped ceria ( YDC), gadolinium (Gd), ytterbium (Yb), and bismuth (Bi) doped ceria (GYBC), etc. may be used, and among them, gadolinium-ytterbium-bismuth-cerium oxide (GYBC) may be used. It is preferable to use As such, when GYBC having higher ion conductivity than YSZ is used as the buffer layer, contact resistance with the solid electrolyte layer can be greatly reduced.
이와 같이, 본 발명에서는 초음파 스프레이 장치(200)를 이용한 초음파 스프레이법으로 버퍼층이 형성되므로, 얇고 균일한 두께로 형성하는 것이 가능하며, 다양한 패턴 공법으로 정밀한 조정이 가능해질 수 있다.As such, in the present invention, since the buffer layer is formed by the ultrasonic spray method using the
아울러, 본 발명의 초음파 스프레이 노즐(230)은, 초음파 스프레이 과정 중에 지속적인 초음파 처리를 통해 입자들의 응집을 억제하게 된다. 이에 따라, 용매와 입자가 잘 분산된 미세한 입자를 형성하기 때문에 입자를 초음파 분사하여 코팅할 시, 보다 높은 비표면적을 갖게 된다.In addition, the
특히, 초음파 스프레이법은 기재(110)와 이격된 초음파 스프레이 노즐(230)로부터 분사하는 비접촉 방식이다. 따라서, 초음파 스프레이법을 이용하게 되면, 초박막의 기재(110) 상에서도 얇고 균일한 형태로 버퍼 슬러리 물질을 코팅하는 것이 가능하며, 분산된 입자들 간의 응집 없이 코팅이 이루어지는 것에 85vol% 이상의 높은 충진밀도를 확보할 수 있게 된다.In particular, the ultrasonic spray method is a non-contact method of spraying from the
캐소드층 형성Cathode layer formation
캐소드층 형성 단계(S140)에서는 버퍼층 상에 초음파 스프레이 장치(200)의 초음파 스프레이 노즐(230)로부터 캐소드 슬러리 물질을 초음파 분사하고 열처리하여 캐소드층을 형성한다.In the cathode layer forming step (S140), a cathode slurry material is ultrasonically sprayed from the
여기서, 캐소드층 형성시, 애노드층과 마찬가지로, 초음파 분사 후, 열처리는 1,150 ~ 1,250℃ 조건으로 1 ~ 3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 초음파 분사시, 분사 시간, 분사량, 캐리어 가스 투입량 등을 조절하는 것에 의해 두께 조절이 가능하다. 이에 따라, 캐소드층은, 애노드층과 마찬가지로, 1 ~ 20㎛의 두께로 형성된다.Here, when forming the cathode layer, like the anode layer, after ultrasonic spraying, heat treatment is preferably performed at 1,150 to 1,250° C. for 1 to 3 hours. At the time of such ultrasonic spraying, the thickness can be adjusted by adjusting the spraying time, the spraying amount, the amount of carrier gas input, and the like. Accordingly, the cathode layer, like the anode layer, is formed to a thickness of 1 to 20 μm.
여기서, 캐소드 슬러리 물질은 원료 물질인 이트리아 안정화 산화 지르코늄(YSZ) 및 란탄 스트론튬 망간 산화물(LSM)의 혼합물에 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral), 분산제, 에탄올, 이소프로필알콜 및 지르코니아 볼이 혼합된 것이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Here, the cathode slurry material is a mixture of yttria stabilized zirconium oxide (YSZ) and lanthanum strontium manganese oxide (LSM), which are raw materials, and polyvinyl butyral, a dispersant, ethanol, isopropyl alcohol, and zirconia balls. It may be used, but is not limited thereto.
여기서, 캐소드 슬러리 물질의 원료 물질로는 이트리아 안정화 산화 지르코늄(YSZ) 및 란탄 스트론튬 망간 산화물(LSM) 이외에도, 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ), 사마륨 도프 세리아(SDC), 가돌리늄 도프 세리아(GDC), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(LCNF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(GSC), 란탄 스트론튬 페라이트(LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물(SSC), 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(LSGM) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수도 있다.Here, raw materials of the cathode slurry material include scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ), samarium doped ceria (SDC), gadolinium doped ceria (GDC), in addition to yttria stabilized zirconium oxide (YSZ) and lanthanum strontium manganese oxide (LSM), Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF), Lanthanum Strontium Nickel Ferrite (LSNF), Lanthanum Calcium Nickel Ferrite (LCNF), Lanthanum Strontium Cobalt Oxide (LSC), Gadolinium Strontium Cobalt Oxide (GSC), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Samarium Strontium At least one selected from cobalt oxide (SSC), barium strontium cobalt ferrite (BSCF), and lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM) may be used.
이러한 캐소드층은, 애노드층과 마찬가지로, 초음파 스프레이 장치(200)를 이용한 초음파 스프레이법으로 형성되므로, 얇고 균일한 두께로 캐소드층을 형성하는 것이 가능하며, 다양한 패턴 공법으로 정밀한 조정이 가능해질 수 있다.Since this cathode layer, like the anode layer, is formed by the ultrasonic spray method using the
아울러, 본 발명의 초음파 스프레이 노즐(230)은, 초음파 스프레이 과정 중에 지속적인 초음파 처리를 통해 입자들의 응집을 억제하게 된다. 이에 따라, 용매와 입자가 잘 분산된 미세한 입자를 형성하기 때문에 입자를 초음파 분사하여 코팅할 시, 보다 높은 비표면적을 갖게 된다.In addition, the
특히, 초음파 스프레이법은 기재(210)와 이격된 초음파 스프레이 노즐(230)로부터 분사하는 비접촉 방식이다. 따라서, 초음파 스프레이법을 이용하게 되면, 버퍼층 상에 얇고 균일한 형태로 캐소드층을 코팅하는 것이 가능하며, 분산된 입자들 간의 응집 없이 코팅이 이루어지는 것에 85vol% 이상의 높은 충진밀도를 확보할 수 있게 된다. 따라서, 전술한 버퍼층 및 캐소드층 각각이 초음파 스프레이법으로 형성되어 다공성 구조로 이루어지며, 85vol% 이상의 충진밀도를 갖게 된다.In particular, the ultrasonic spray method is a non-contact method spraying from the
상기의 과정(S110 ~ S140)에 의해 제조되는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 버퍼층 및 캐소드층 각각이 초음파 스프레이법으로 형성되어 다공성 구조로 이루어지며, 85vol% 이상의 충진밀도를 갖는다.In the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spray according to an embodiment of the present invention manufactured by the above processes (S110 to S140), each of the buffer layer and the cathode layer is formed by the ultrasonic spray method to have a porous structure. and has a packing density of 85 vol% or more.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 기재와 이격된 초음파 스프레이 노즐로부터 분사하는 비접촉 방식의 초음파 스프레이법을 이용하는 것에 의해 기재 상에 얇고 균일한 형태로 코팅하는 것이 가능하며, 분산된 입자들 간의 응집 없이 코팅이 이루어지는 것에 85vol% 이상의 높은 충전밀도를 확보하는 것이 가능해질 수 있다.As such, the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by the ultrasonic spray manufactured by the method according to the embodiment of the present invention is described by using a non-contact ultrasonic spray method spraying from an ultrasonic spray nozzle spaced apart from the substrate. It is possible to coat in a thin and uniform form on the surface, and it may be possible to secure a high packing density of 85 vol% or more when the coating is made without aggregation between the dispersed particles.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 버퍼층으로 이온전도도가 YSZ 보다 높은 GYBC를 이용하는 것에 의해, 전해질층과의 접촉 저항을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 초음파 스프레이법에 의해 형성된 다공성 구조로 형성된 버퍼층 및 캐소드층의 적용을 산소 전이(oxygen transport)가 원활하게 이루어지는데 기인하여 연료전지 셀의 성능이 향상시킬 수 있게 된다.In addition, the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying manufactured by the method according to the embodiment of the present invention reduces contact resistance with the electrolyte layer by using GYBC, which has higher ionic conductivity than YSZ, as a buffer layer. In addition, the performance of the fuel cell can be improved due to the smooth oxygen transport of the buffer layer and the cathode layer formed of a porous structure formed by the ultrasonic spray method.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 초음파 스프레이 방식으로 버퍼층 및 캐소드층이 형성되는 것에 의해 고성능 연료전지 셀을 대면적으로 제작하는 것이 가능해질 수 있으므로, 공정 비용 및 시간 절감으로 생산 수율을 향상시킬 수 있게 된다.Therefore, the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying manufactured by the method according to the embodiment of the present invention is a large-area high-performance fuel cell by forming a buffer layer and a cathode layer by ultrasonic spraying. Since it can be possible to do this, it is possible to improve the production yield by reducing process cost and time.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지는 초음파 스프레이 노즐에 의해 분산된 입자들 간이 응집 없이 균일한 형태로 코팅되는 버퍼층이 2차 상의 형성을 억제하는 장벽 역할을 하므로, 고체 전해질층과 캐소드층 간의 이온 확산이 발생하는 것을 원천적으로 방지할 수 있게 된다.In addition, in the YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spraying manufactured by the method according to the embodiment of the present invention, the buffer layer coated in a uniform form without aggregation between the particles dispersed by the ultrasonic spray nozzle is secondary. Since it serves as a barrier to suppress the formation of phases, it is possible to fundamentally prevent ion diffusion between the solid electrolyte layer and the cathode layer.
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention by this in any sense.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Contents not described herein can be technically inferred by those skilled in the art, so descriptions thereof will be omitted.
1. SOFC 단위 셀 시료 제조1. SOFC unit cell sample preparation
실시예 1Example 1
기재 상에 이트리아 안정화 산화 지르코늄(YSZ)을 프레스한 후, 1,500℃ 조건에서 5시간 동안 소결하여 250㎛ 두께의 고체 전해질층을 형성하였다.After pressing yttria stabilized zirconium oxide (YSZ) on the substrate, it was sintered at 1,500° C. for 5 hours to form a solid electrolyte layer having a thickness of 250 μm.
다음으로, 고체 전해질층의 일면에 NiO 70wt% 및 YSZ 30wt%의 중량비로 스크린 프린팅하고, 프레스한 후, 1,400℃ 조건에서 2시간 동안 소결하여 10㎛ 두께의 애노드층을 형성하였다.Next, screen printing was performed on one side of the solid electrolyte layer at a weight ratio of 70wt% NiO and 30wt% YSZ, and then sintered at 1,400° C. for 2 hours to form an anode layer having a thickness of 10 μm.
다음으로, 고체 전해질층의 타면에 초음파 스프레이 노즐로부터 버퍼 슬러리 물질을 초음파 분사한 후, 1,300℃ 조건에서 2시간 동안 열처리하여 GYBC(Gd0.135 Yb0.015Bi0.02Ce0.83O1.915) 물질로 이루어진 3㎛ 두께의 버퍼층을 형성하였다.Next, after ultrasonically spraying the buffer slurry material from the ultrasonic spray nozzle on the other side of the solid electrolyte layer, it is heat-treated at 1,300 ° C for 2 hours to have a thickness of 3 μm made of GYBC (Gd 0.135 Yb 0.015 Bi 0.02 Ce 0.83 O 1.915 ) material. A buffer layer was formed.
다음으로, 버퍼층 상에 초음파 스프레이 노즐로부터 캐소드 슬러리 물질을 초음파 분사한 후, 1,200℃ 조건에서 2시간 동안 열처리하여 CFM(LSM 50wt% 및 YSZ 50wt%) 및 CCC(LSM 70wt% 및 YSZ 30wt%) 물질이 차례로 적층된 15㎛ 두께의 캐소드층을 형성하여 SOFC 단위 셀 시료를 제조하였다.Next, after ultrasonically spraying the cathode slurry material from the ultrasonic spray nozzle on the buffer layer, heat treatment at 1,200 ° C. for 2 hours to obtain CFM (LSM 50wt% and YSZ 50wt%) and CCC (LSM 70wt% and YSZ 30wt%) materials SOFC unit cell samples were prepared by forming cathode layers having a thickness of 15 μm, which were sequentially stacked.
여기서, 초음파 스프레이 코팅시, 각 슬러리 원료 물질 1.5g에 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 0.045g, 분산제(Dispersant) 0.015g, 에탄올(Ethanol) 2.7g, 이소프로필알콜(Isopropyl alcohol) 6.3g 및 1mm 직경의 지르코니아 볼 8g을 첨가한 것을 이용하였다.Here, when ultrasonic spray coating, 0.045 g of polyvinyl butyral, 0.015 g of dispersant, 2.7 g of ethanol, 6.3 g of isopropyl alcohol and 1 mm of isopropyl alcohol are added to 1.5 g of each slurry raw material A zirconia ball with a diameter of 8 g was used.
실시예 2Example 2
초음파 분사 후, 1,300℃ 조건에서 2시간 동안 열처리하여 GYBC(Gd0.135 Yb0.015Bi0.02Ce0.83O1.915) 물질로 이루어진 5㎛ 두께의 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 SOFC 단위 셀 시료를 제조하였다.After ultrasonic spraying, the SOFC unit was subjected to heat treatment at 1,300 ° C for 2 hours in the same manner as in Example 1, except that a 5 μm-thick buffer layer made of GYBC (Gd 0.135 Yb 0.015 Bi 0.02 Ce 0.83 O 1.915 ) material was formed. Cell samples were prepared.
실시예 3Example 3
초음파 분사 후, 1,300℃ 조건에서 2시간 동안 열처리하여 GYBC(Gd0.135 Yb0.015Bi0.02Ce0.83O1.915) 물질로 이루어진 10㎛ 두께의 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 SOFC 단위 셀 시료를 제조하였다.After ultrasonic spraying, heat treatment was performed at 1,300 ° C for 2 hours to form a 10 μm-thick buffer layer made of GYBC (Gd 0.135 Yb 0.015 Bi 0.02 Ce 0.83 O 1.915 ) SOFC unit in the same manner as in Example 1. Cell samples were prepared.
비교예 1Comparative Example 1
버퍼층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 SOFC 단위 셀 시료를 제조하였다.An SOFC unit cell sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the buffer layer was not formed.
2. 미세조직 관찰2. Microstructure observation
도 5는 실시예 1에 따른 SOFC 단위 셀 시료를 촬영하여 나타낸 실측 광학 이미지이다. 이때, 도 5는 버퍼층 및 캐소드층을 초음파 스프레이법으로 각각 코팅한 이후를 촬영하여 나타낸 것이다. 또한, 도 6은 실시예 1에 따른 SOFC 단위 셀 시료의 절단면을 촬영하여 나타낸 SEM 사진이고, 도 7은 실시예 1에 따른 SOFC 단위 셀 시료의 버퍼층 및 캐소드층 간의 계면을 확대하여 나타낸 SEM 사진이며, 도 8은 실시예 1에 따른 SOFC 단위 셀 시료의 캐소드층을 확대하여 나타낸 SEM 사진이다.5 is an optical image obtained by photographing a SOFC unit cell sample according to Example 1; At this time, FIG. 5 shows a photograph taken after each coating of the buffer layer and the cathode layer by the ultrasonic spray method. In addition, FIG. 6 is an SEM picture showing a cut surface of a SOFC unit cell sample according to Example 1, and FIG. 7 is an enlarged SEM picture showing an interface between a buffer layer and a cathode layer of an SOFC unit cell sample according to Example 1. , FIG. 8 is an enlarged SEM picture of the cathode layer of the SOFC unit cell sample according to Example 1.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료는 버퍼층 및 캐소드층이 초음파 스프레이법에 의해 형성되어, 균일한 두께를 가지며, 분산된 입자들 간의 응집 없이 코팅이 이루어져 다공성 구조로 형성된 것을 확인할 수 있다.As shown in FIGS. 5 to 8, the SOFC unit cell sample prepared according to Example 1 has a uniform thickness as the buffer layer and the cathode layer are formed by the ultrasonic spray method, and the coating is performed without aggregation between the dispersed particles. It can be confirmed that this was formed into a porous structure.
이때, 실시예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료의 경우, 전해질층과 버퍼층 간의 계면이 잘 연결(well-connected)된 것을 확인하였으며, 이는 버퍼층이 접촉 저항을 줄여주는 역할을 하는 것으로 보여진다.At this time, in the case of the SOFC unit cell sample prepared according to Example 1, it was confirmed that the interface between the electrolyte layer and the buffer layer was well-connected, which suggests that the buffer layer serves to reduce the contact resistance.
3. 전기적 특성 평가3. Electrical Characteristics Evaluation
표 1은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료에 대한 I-V 특성 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 9는 실시예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료에 대한 I-V 특성 결과를 나타낸 그래프이다.Table 1 shows I-V characteristic results for SOFC unit cell samples prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. 9 is a graph showing I-V characteristic results for SOFC unit cell samples manufactured according to Example 1.
[표 1][Table 1]
표 1과 도 9에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료들은, 비교예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료에 비하여, 전류밀도 및 출력밀도가 모두 증가한 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 1 and FIG. 9, it can be confirmed that the SOFC unit cell samples prepared according to Examples 1 to 3 have both increased current density and power density compared to the SOFC unit cell sample prepared according to Comparative Example 1. can
이때, 버퍼층의 두께가 증가할수록 전류밀도 및 출력밀도가 모두 증가하는 경향을 나타내었다. 특히, 실시예 3에 따라 제조된 SOPC 단위 셀 시료가 전류밀도 및 출력밀도가 가장 크게 증가한 것을 확인할 수 있다.At this time, as the thickness of the buffer layer increased, both the current density and the power density tended to increase. In particular, it can be seen that the SOPC unit cell sample manufactured according to Example 3 showed the greatest increase in current density and power density.
이때, 버퍼층이 존재할 때 전류밀도 및 출력밀도가 모두 증가하였으나, 버퍼층의 두께가 두꺼워 질수록 감소하는 경향을 나타내었다. 버퍼층이 두꺼워지면서 내부 저항이 증가하여 출력 밀도가 감소한 것으로 나타내었다. 특히, 실시예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료가 전류밀도 및 출력밀도가 가장 크게 증가한 것을 확인 할 수 있다.At this time, both current density and power density increased when the buffer layer was present, but showed a tendency to decrease as the thickness of the buffer layer increased. As the buffer layer became thicker, the internal resistance increased, resulting in a decrease in power density. In particular, it can be confirmed that the SOFC unit cell sample manufactured according to Example 1 showed the greatest increase in current density and power density.
4. 임피던스 성능 평가4. Impedance performance evaluation
표 2는 실시예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료들에 대한 임피던스 성능을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 10은 실시예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료들에 대한 임피던스 스펙트럼(Impedance spectra) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.Table 2 shows the results of measuring the impedance performance of the SOFC unit cell samples manufactured according to Example 1. 10 is a graph showing impedance spectra measurement results for SOFC unit cell samples manufactured according to Example 1.
[표 2][Table 2]
표 2와 도 10에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료에 대한 오믹 저항 및 분극 저항 값이 나타나 있다. 이때, 실시예 1에 따라 제조된 SOFC 단위 셀 시료의 경우, 온도가 증가할수록 오믹 저항 및 분극 저항 값이 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인하였다. As shown in Table 2 and FIG. 10, the ohmic resistance and polarization resistance values of the SOFC unit cell sample manufactured according to Example 1 are shown. At this time, in the case of the SOFC unit cell sample prepared according to Example 1, it was confirmed that the ohmic resistance and polarization resistance values tended to decrease as the temperature increased.
여기서, 버퍼층인 GYBC 는 이온전도도가 YSZ 보다 높으며 다공성 구조로 인해 산소 전이(oxygen transport)를 원활하게 해주는 역할을 하여 성능이 증가하는 것으로 보여진다.Here, GYBC, which is a buffer layer, has higher ionic conductivity than YSZ, and its porous structure plays a role in facilitating oxygen transport, which is shown to increase performance.
위의 실험 결과를 토대로 알 수 있듯이, 버퍼층인 GYBC를 초음파 스프레이 방식으로 형성할 시, 2차 상 형성을 억제하여 SOFC 셀의 성능을 향상시키는데 도움이 되는 것으로 판단된다.As can be seen based on the above experimental results, when the buffer layer GYBC is formed by the ultrasonic spray method, it is judged to be helpful in improving the performance of the SOFC cell by suppressing the formation of a secondary phase.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above has been described based on the embodiments of the present invention, various changes or modifications may be made at the level of a technician having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not deviate from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.
100 : 고체산화물 연료전지 120 : 애노드층
140 : 고체 전해질층 160 : 버퍼층
180 : 캐소드층 182 : 캐소드 지지층
184 : 캐소드 기능층
S110 : 고체 전해질층 형성 단계
S120 : 애노드층 형성 단계
S130 : 버퍼층 형성 단계
S140 : 캐소드층 형성 단계100: solid oxide fuel cell 120: anode layer
140: solid electrolyte layer 160: buffer layer
180: cathode layer 182: cathode support layer
184: cathode functional layer
S110: solid electrolyte layer forming step
S120: Anode layer formation step
S130: Buffer layer formation step
S140: cathode layer forming step
Claims (15)
상기 고체 전해질층의 일면에 형성된 애노드층;
상기 고체 전해질층의 타면에 형성된 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 형성된 캐소드층;을 포함하며,
상기 버퍼층 및 캐소드층 각각은 초음파 스프레이법으로 형성되어 다공성 구조로 이루어지며, 85vol% 이상의 충진밀도를 갖고,
상기 버퍼층은 고체 전해질층의 타면에 초음파 스프레이 노즐로부터 버퍼 슬러리 물질을 초음파 분사하고 열처리하여 형성되며,
상기 버퍼 슬러리 물질은 가돌리늄-이테르븀-비스무트-세륨 산화물(GYBC)에 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral), 분산제, 에탄올, 이소프로필알콜 및 지르코니아 볼이 혼합된 것이 이용되며,
상기 버퍼층은 가돌리늄-이테르븀-비스무트-세륨 산화물(GYBC)로 형성되되, 상기 버퍼층은 2 ~ 5㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지.
a solid electrolyte layer;
an anode layer formed on one surface of the solid electrolyte layer;
a buffer layer formed on the other surface of the solid electrolyte layer; and
A cathode layer formed on the buffer layer; includes,
Each of the buffer layer and the cathode layer is formed by an ultrasonic spray method to have a porous structure, and has a packing density of 85 vol% or more,
The buffer layer is formed by ultrasonic spraying and heat treatment of a buffer slurry material from an ultrasonic spray nozzle on the other surface of the solid electrolyte layer,
The buffer slurry material is a mixture of gadolinium-ytterbium-bismuth-cerium oxide (GYBC), polyvinyl butyral, a dispersant, ethanol, isopropyl alcohol, and zirconia balls,
The buffer layer is formed of gadolinium-ytterbium-bismuth-cerium oxide (GYBC), and the buffer layer is formed with a thickness of 2 to 5 μm. YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell made by ultrasonic spray.
상기 고체 전해질층은
100 ~ 400㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지.
According to claim 1,
The solid electrolyte layer is
YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell produced by ultrasonic spray, characterized in that formed to a thickness of 100 ~ 400㎛.
상기 캐소드층은
상기 버퍼층 상에 배치된 캐소드 지지층과,
상기 캐소드 지지층 상에 적층된 캐소드 기능층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지.
According to claim 1,
The cathode layer is
A cathode supporting layer disposed on the buffer layer;
YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufactured by ultrasonic spray, characterized in that it comprises a cathode functional layer laminated on the cathode support layer.
상기 캐소드 지지층 및 캐소드 기능층 각각은
이트리아 안정화 산화 지르코늄(YSZ), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ), 사마륨 도프 세리아(SDC), 가돌리늄 도프 세리아(GDC), 란탄 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(LCNF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(GSC), 란탄 스트론튬 페라이트(LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물(SSC), 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(LSGM) 중 선택된 1종 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지.
According to claim 5,
Each of the cathode supporting layer and the cathode functional layer is
Yttria Stabilized Zirconium Oxide (YSZ), Scandia Stabilized Zirconium Oxide (ScSZ), Samarium Doped Ceria (SDC), Gadolinium Doped Ceria (GDC), Lanthanum Strontium Manganese Oxide (LSM), Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF), Lanthanum Strontium Nickel Ferrite (LSNF), Lanthanum Calcium Nickel Ferrite (LCNF), Lanthanum Strontium Cobalt Oxide (LSC), Gadolinium Strontium Cobalt Oxide (GSC), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Samarium Strontium Cobalt Oxide (SSC), Barium Strontium Cobalt Ferrite ( BSCF) and lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM).
상기 고체 전해질층의 일면에 애노드 코팅 물질을 코팅하고, 소결하여 애노드층을 형성하는 단계;
상기 고체 전해질층의 타면에 초음파 스프레이 노즐로부터 버퍼 슬러리 물질을 초음파 분사하고 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층 상에 초음파 스프레이 노즐로부터 캐소드 슬러리 물질을 초음파 분사하고 열처리하여 캐소드층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 버퍼 슬러리 물질은 가돌리늄-이테르븀-비스무트-세륨 산화물(GYBC)에 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral), 분산제, 에탄올, 이소프로필알콜 및 지르코니아 볼이 혼합된 것이 이용되며,
상기 버퍼층은 가돌리늄-이테르븀-비스무트-세륨 산화물(GYBC)로 형성되되, 상기 버퍼층은 2 ~ 5㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법.
Forming a solid electrolyte layer by coating and sintering a solid electrolyte coating material on a substrate;
coating an anode coating material on one surface of the solid electrolyte layer and forming an anode layer by sintering;
Forming a buffer layer by ultrasonically spraying a buffer slurry material from an ultrasonic spray nozzle on the other surface of the solid electrolyte layer and performing heat treatment; and
Forming a cathode layer by ultrasonically spraying and heat-treating a cathode slurry material from an ultrasonic spray nozzle on the buffer layer; includes,
The buffer slurry material is a mixture of gadolinium-ytterbium-bismuth-cerium oxide (GYBC), polyvinyl butyral, a dispersant, ethanol, isopropyl alcohol, and zirconia balls,
The buffer layer is formed of gadolinium-ytterbium-bismuth-cerium oxide (GYBC), and the buffer layer is formed to a thickness of 2 to 5 μm. YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufacturing method.
상기 고체 전해질층은
100 ~ 400㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법.
According to claim 7,
The solid electrolyte layer is
YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufacturing method produced by ultrasonic spray, characterized in that formed to a thickness of 100 ~ 400㎛.
상기 버퍼층 형성시,
상기 초음파 분사 후, 열처리는 1,250 ~ 1,350℃ 조건으로 1 ~ 3시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법.
According to claim 7,
When forming the buffer layer,
After the ultrasonic spraying, the heat treatment is performed for 1 to 3 hours under conditions of 1,250 to 1,350 ° C. YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufacturing method produced by ultrasonic spray.
상기 캐소드층 형성시,
상기 초음파 분사 후, 열처리는 1,150 ~ 1,250℃ 조건으로 1 ~ 3시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법.
According to claim 7,
When forming the cathode layer,
After the ultrasonic spraying, the heat treatment is performed for 1 to 3 hours under conditions of 1,150 to 1,250 ° C. YSZ solid electrolyte-based high-performance solid oxide fuel cell manufacturing method produced by ultrasonic spray.
상기 버퍼층 및 캐소드층 각각은
초음파 스프레이법으로 형성되어 다공성 구조로 이루어지며, 85vol% 이상의 충진밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법.
According to claim 7,
Each of the buffer layer and the cathode layer is
A method for manufacturing a high-performance solid oxide fuel cell based on a YSZ solid electrolyte produced by ultrasonic spray, characterized in that it has a porous structure formed by an ultrasonic spray method and has a packing density of 85 vol% or more.
상기 캐소드층은
상기 버퍼층 상에 배치된 캐소드 지지층과,
상기 캐소드 지지층 상에 적층된 캐소드 기능층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법.
According to claim 7,
The cathode layer is
A cathode supporting layer disposed on the buffer layer;
A method for manufacturing a high-performance solid oxide fuel cell based on YSZ solid electrolyte produced by ultrasonic spray, characterized in that it comprises a cathode functional layer laminated on the cathode support layer.
상기 캐소드 지지층 및 캐소드 기능층 각각은
이트리아 안정화 산화 지르코늄(YSZ), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ), 사마륨 도프 세리아(SDC), 가돌리늄 도프 세리아(GDC), 란탄 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(LCNF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(GSC), 란탄 스트론튬 페라이트(LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물(SSC), 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(LSGM) 중 선택된 1종 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 스프레이로 제작된 YSZ 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 제조 방법.According to claim 14,
Each of the cathode supporting layer and the cathode functional layer is
Yttria Stabilized Zirconium Oxide (YSZ), Scandia Stabilized Zirconium Oxide (ScSZ), Samarium Doped Ceria (SDC), Gadolinium Doped Ceria (GDC), Lanthanum Strontium Manganese Oxide (LSM), Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF), Lanthanum Strontium Nickel Ferrite (LSNF), Lanthanum Calcium Nickel Ferrite (LCNF), Lanthanum Strontium Cobalt Oxide (LSC), Gadolinium Strontium Cobalt Oxide (GSC), Lanthanum Strontium Ferrite (LSF), Samarium Strontium Cobalt Oxide (SSC), Barium Strontium Cobalt Ferrite ( BSCF) and lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM).
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"A high-performance solid oxide fuel cell with a layered electrolyte for reduced temperatures.", Journal of American Ceramic Society, vol.103, pp.5325-5336(2020.05.08.) 1부.* |
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