KR102544924B1 - Method for manufacturing solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell manufactured thereby - Google Patents

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Abstract

본 출원은 기재 상에 산소 이온 전도성 무기물을 포함하는 전해질층 형성용 조성물을 코팅하여 전해질층을 형성하는 단계; 상기 전해질층 상에 도프 세리아를 포함하는 중간층 형성용 조성물을 코팅하여 중간층을 형성하는 단계; 상기 중간층 상에 스트론튬계 페라이트 및 백금 중 어느 하나, 및 산화비스무트(Bi2O3)를 포함하는 공기극 형성용 조성물을 코팅하여 공기극을 형성하는 단계; 및 상기 중간층 및 공기극을 동시에 열처리하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.The present application relates to forming an electrolyte layer by coating a composition for forming an electrolyte layer containing an oxygen ion conductive inorganic material on a substrate; forming an intermediate layer by coating a composition for forming an intermediate layer containing doped ceria on the electrolyte layer; forming a cathode by coating a composition for forming a cathode including at least one of strontium-based ferrite and platinum and bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) on the intermediate layer; and simultaneously heat-treating the intermediate layer and the cathode, and a solid oxide fuel cell manufactured thereby.

Description

고체 산화물 연료전지의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 고체 산화물 연료전지 {METHOD FOR MANUFACTURING SOLID OXIDE FUEL CELL AND SOLID OXIDE FUEL CELL MANUFACTURED THEREBY}Manufacturing method of solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell manufactured thereby

본 출원은 고체 산화물 연료전지의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.This application relates to a method for manufacturing a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell manufactured thereby.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.Recently, as depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of these alternative energies, a fuel cell has attracted particular attention due to its advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel.

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

연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkali fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel cells. There is a battery (SOFC) and the like.

일반적으로 SOFC는 단위전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위전지는 전해질층과, 전해질층의 일면에 위치하는 양극(공기극)과, 전해질층의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.In general, SOFC has a structure in which a plurality of electricity generation units composed of unit cells and separators are stacked. The unit cell includes an electrolyte layer, an anode (air electrode) positioned on one side of the electrolyte layer, and a cathode (fuel electrode) positioned on the other side of the electrolyte layer.

SOFC는 양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.In SOFC, when oxygen is supplied to the anode and hydrogen is supplied to the cathode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen at the anode pass through the electrolyte membrane to the cathode, and then react with the hydrogen supplied to the cathode to produce water. At this time, electrons generated at the cathode are transferred to the anode and in the process of being consumed, the electrons flow to the external circuit, and the unit cell produces electrical energy using this flow of electrons.

SOFC의 전극 반응은 전해질층과 전극의 계면에서 일어나기 때문에 고성능의 SOFC를 제조하기 위해서는 치밀한 전해질층의 제조가 중요하다.Since the electrode reaction of SOFC occurs at the interface between the electrolyte layer and the electrode, it is important to prepare a dense electrolyte layer in order to manufacture a high-performance SOFC.

한국 특허공개공보 제10-2005-0016431호Korean Patent Publication No. 10-2005-0016431

본 출원은 고체 산화물 연료전지의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 고체 산화물 연료전지를 제공하고자 한다.The present application is intended to provide a method for manufacturing a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell manufactured thereby.

본 명세서의 일 실시상태는,In one embodiment of the present specification,

기재 상에 산소 이온 전도성 무기물을 포함하는 전해질층 형성용 조성물을 코팅하여 전해질층을 형성하는 단계;Forming an electrolyte layer by coating a composition for forming an electrolyte layer containing an oxygen ion conductive inorganic material on a substrate;

상기 전해질층 상에 도프 세리아(doped ceria)를 포함하는 중간층 형성용 조성물을 코팅하여 중간층을 형성하는 단계; forming an intermediate layer by coating a composition for forming an intermediate layer including doped ceria on the electrolyte layer;

상기 중간층 상에 스트론튬계 페라이트 및 백금(Pt) 중 어느 하나, 및 산화비스무트(Bi2O3)를 포함하는 공기극 형성용 조성물을 코팅하여 공기극을 형성하는 단계; 및forming a cathode by coating a composition for forming a cathode including at least one of strontium-based ferrite and platinum (Pt), and bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) on the intermediate layer; and

상기 중간층 및 공기극을 동시에 열처리하는 단계 Simultaneous heat treatment of the intermediate layer and the cathode

를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조 방법을 제공한다.It provides a method for manufacturing a solid oxide fuel cell comprising a.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 제조 방법에 따라 제조된 고체 산화물 연료전지를 제공한다.In addition, one embodiment of the present specification provides a solid oxide fuel cell manufactured according to the above manufacturing method.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 산화비스무트를 공기극 형성용 조성물에 포함시키고, 소결시 상기 산화비스무트가 중간층에 유입되도록 함으로써, 비교적 낮은 소결 온도에서도 중간층이 치밀한 구조를 형성할 수 있도록 한다. 이에 따라, 전극과 동시에 소결이 가능하므로 고체 산화물 연료전지의 제조 과정에서 소결 과정이 한 단계 줄어드는 장점이 있다.A method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present specification includes bismuth oxide in a composition for forming a cathode and allows the bismuth oxide to flow into the intermediate layer during sintering, thereby forming a dense structure in the intermediate layer even at a relatively low sintering temperature. make it possible Accordingly, since sintering can be performed simultaneously with the electrode, there is an advantage in that the sintering process is reduced by one step in the manufacturing process of the solid oxide fuel cell.

뿐만 아니라, 이미 중간층이 형성된 후에 산화비스무트가 중간층으로 유입되기 때문에, 산화비스무트로 인한 중간층의 이온 전도도 저하 문제를 방지할 수 있다.In addition, since bismuth oxide flows into the intermediate layer after the intermediate layer has already been formed, a problem of lowering the ionic conductivity of the intermediate layer due to bismuth oxide can be prevented.

도 1은 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지의 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
도 3 및 도 4는 각각 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 셀의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 도이다.
1 is a diagram schematically illustrating a principle of generating electricity in a solid oxide fuel cell.
2 is a schematic diagram showing a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
3 and 4 are views showing scanning electron microscope (SEM) photographs of cells prepared in Example 1 and Comparative Example 1, respectively.

이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, this specification will be described in more detail.

본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only the case where a member is in contact with another member, but also the case where another member exists between the two members.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In this specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

공기극 재료인 스트론튬계 페라이트는 지르코니아계 전해질과 계면에서 반응하여 이온 전도성이 낮은 SrZrO3를 생성한다. 이러한 화합물의 생성은 공기극에서 형성된 산소 이온이 전해질층을 통해 확산하여 연료극에서 수소와 반응을 일으키는 속도를 떨어뜨리므로 연료전지 전체 성능을 저하시키는 원인이 된다.Strontium-based ferrite, which is a cathode material, reacts with a zirconia-based electrolyte at an interface to generate SrZrO 3 having low ionic conductivity. The generation of these compounds reduces the rate at which oxygen ions formed at the cathode diffuse through the electrolyte layer and react with hydrogen at the anode, thereby deteriorating overall performance of the fuel cell.

SrZrO3의 생성을 억제하는 방법으로 공기극과 전해질층 사이에 도프 세리아를 포함하는 중간층을 삽입할 수 있으나, 상기 도프 세리아는 1,400℃ 이상의 고온에서 치밀한 구조를 형성하기 때문에, 그 이하의 온도에서는 기공도가 높은 구조를 가지게 되므로 공기극으로부터 Sr이 확산되어 SrZrO3가 생성되는 현상을 막을 수 없다는 문제점이 있다.As a method of suppressing the generation of SrZrO 3 , an intermediate layer containing doped ceria may be inserted between the cathode and the electrolyte layer, but since the doped ceria forms a dense structure at a high temperature of 1,400 ° C or higher, the porosity is reduced at a temperature below that. Since it has a high structure, there is a problem in that it is impossible to prevent the diffusion of Sr from the cathode and the generation of SrZrO 3 .

이에, 본 발명의 발명자들은 중간층의 소결 조제(sintering aid)로서 산화비스무트를 도입하였다. 다만, 중간층 형성시 산화비스무트를 직접 도입할 경우, 비스무트와 중간층 물질이 반응하여 중간층의 이온전도도를 저하시키는 문제점이 있었는데, 산화비스무트를 중간층 형성용 조성물이 아닌, 공기극 형성용 조성물에 포함시킴으로써 이를 해결하였다. Accordingly, the inventors of the present invention introduced bismuth oxide as a sintering aid of the intermediate layer. However, when bismuth oxide is directly introduced during the formation of the intermediate layer, there is a problem in that the bismuth oxide reacts with the intermediate layer material to lower the ion conductivity of the intermediate layer. did

도 2와 같이 공기극에 산화비스무트를 포함시키고 열처리할 경우, 산화비스무트가 공기극에는 남아있지 않고 중간층으로 이동하여 도프 세리아만 치밀하게 만드는 효과가 있으며, 중간층 형성 후에 산화비스무트가 유입되므로 중간층의 이온전도도에는 악영향을 미치지 않음을 밝혀내었다.As shown in FIG. 2, when bismuth oxide is included in the cathode and subjected to heat treatment, the bismuth oxide does not remain in the cathode but moves to the intermediate layer, which has the effect of making only the doped ceria denser. It was found to have no adverse effects.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 기재 상에 산소 이온 전도성 무기물을 포함하는 전해질층 형성용 조성물을 코팅하여 전해질층을 형성하는 단계; 상기 전해질층 상에 도프 세리아(doped ceria)를 포함하는 중간층 형성용 조성물을 코팅하여 중간층을 형성하는 단계; 상기 중간층 상에 스트론튬계 페라이트 및 백금(Pt) 중 어느 하나, 및 산화비스무트(Bi2O3)를 포함하는 공기극 형성용 조성물을 코팅하여 공기극을 형성하는 단계; 및 상기 중간층 및 공기극을 동시에 열처리하는 단계를 포함한다.In one embodiment of the present specification, a method of manufacturing a solid oxide fuel cell includes forming an electrolyte layer by coating a composition for forming an electrolyte layer including an oxygen ion conductive inorganic material on a substrate; forming an intermediate layer by coating a composition for forming an intermediate layer including doped ceria on the electrolyte layer; forming a cathode by coating a composition for forming a cathode including at least one of strontium-based ferrite and platinum (Pt), and bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) on the intermediate layer; and simultaneously heat-treating the intermediate layer and the cathode.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 열처리는 800℃ 내지 1,200℃, 바람직하게는 900℃ 내지 1,100℃, 더욱 바람직하게는 900℃ 내지 1,000℃이다.In one embodiment of the present specification, the heat treatment is 800 ° C to 1,200 ° C, preferably 900 ° C to 1,100 ° C, more preferably 900 ° C to 1,000 ° C.

전술한 바와 같이 본 발명은 산화비스무트의 첨가로 인해 중간층의 소결 온도를 낮출 수 있으므로 1,200℃를 초과하는 고온 소결 조건이 필요하지 않다. 다만, 열처리 온도가 800℃ 미만일 경우, 공기극에 존재하는 산화비스무트가 도프 세리아를 포함하는 중간층으로 유입되지 않는 문제점이 발생할 수 있다.As described above, since the sintering temperature of the intermediate layer can be lowered due to the addition of bismuth oxide, a high temperature sintering condition exceeding 1,200° C. is not required. However, when the heat treatment temperature is less than 800° C., a problem may occur in that bismuth oxide present in the cathode does not flow into the intermediate layer including doped ceria.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 열처리하는 단계 이후 상기 산화비스무트(Bi2O3)는 상기 중간층 내에 존재한다.In one embodiment of the present specification, after the heat treatment, the bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) is present in the intermediate layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 산화비스무트가 중간층에 유입되어 소결 조제의 역할을 하기 때문에, 중간층의 도프 세리아가 1,200℃ 이하의 열처리를 통해서도 치밀한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 공기극 소결 온도에서도 중간층의 소결이 가능하므로 중간층 및 공기극을 동시에 열처리하는 단계를 통해 두 층의 동시 소결이 가능하다.In one embodiment of the present specification, since the bismuth oxide flows into the intermediate layer and serves as a sintering aid, the dope ceria of the intermediate layer can have a dense structure even through heat treatment at 1,200° C. or less. Therefore, since the intermediate layer can be sintered even at the cathode sintering temperature, simultaneous sintering of the two layers is possible through the step of simultaneously heat-treating the intermediate layer and the cathode.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 산화비스무트는 분말(powder) 형태일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the bismuth oxide may be in a powder form.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 산소 이온 전도성 무기물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 및 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ) 중 선택된 1종 이상이며, 바람직하게는 이트리아 안정화 지르코니아이다. 이트리아 안정화 지르코니아는 환원 분위기에서도 높은 안정성을 갖는 장점이 있다.In one embodiment of the present specification, the oxygen ion conductive inorganic material is at least one selected from yttria stabilized zirconia (YSZ) and scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ), preferably yttria stabilized zirconia. Yttria-stabilized zirconia has the advantage of having high stability even in a reducing atmosphere.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질층 형성용 조성물은 용매로서 톨루엔을 더 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present specification, the composition for forming the electrolyte layer may further include toluene as a solvent, but is not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질층 형성용 조성물 100wt%를 기준으로 상기 산소 이온 전도성 무기물의 함량은 40wt% 내지 60wt%, 바람직하게는 45wt% 내지 55wt%이다. In one embodiment of the present specification, the content of the oxygen ion conductive inorganic material is 40 wt% to 60 wt%, preferably 45 wt% to 55 wt%, based on 100 wt% of the composition for forming an electrolyte layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질층 형성용 조성물은 바인더 수지, 가소제 및 분산제 등의 첨가제를 0.01wt% 내지 20wt% 더 포함할 수 있으며, 상기 바인더 수지, 가소제 및 분산제의 종류는 특별히 한정하지 않고 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the composition for forming the electrolyte layer may further include 0.01 wt% to 20 wt% of additives such as a binder resin, a plasticizer, and a dispersant, and the types of the binder resin, plasticizer, and dispersant are specifically limited Instead, conventional materials known in the art may be used.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질층 형성용 조성물 중 산소 이온 전도성 무기물 및 상기 첨가제를 제외한 잔부는 모두 용매이다.In one embodiment of the present specification, all of the balance other than the oxygen ion conductive inorganic material and the additive in the composition for forming an electrolyte layer is a solvent.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기재는 연료극일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the substrate may be an anode.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 도프 세리아는 가돌리늄 도프 세리아(GDC), 사마륨 도프 세리아(SDC) 및 이트리아 도프 세리아(YDC) 중 선택된 1종 이상이이다. In one embodiment of the present specification, the dope ceria is at least one selected from gadolinium dope ceria (GDC), samarium dope ceria (SDC), and yttria dope ceria (YDC).

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중간층 형성용 조성물은 용매로서 에탄올 등의 알코올을 더 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present specification, the composition for forming the intermediate layer further includes an alcohol such as ethanol as a solvent, but is not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중간층 형성용 조성물 100wt%를 기준으로 상기 도프 세리아의 함량은 50wt% 내지 80wt%, 바람직하게는 60wt% 내지 70wt%이다. 도프 세리아의 함량이 상기 범위에 포함될 때 점도 면에서 스크린 프린팅 공정에 유리한 장점이 있다.In one embodiment of the present specification, the content of the dope ceria is 50 wt% to 80 wt%, preferably 60 wt% to 70 wt%, based on 100 wt% of the composition for forming an intermediate layer. When the content of dope ceria is within the above range, there is an advantage to the screen printing process in terms of viscosity.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중간층 형성용 조성물은 바인더 수지, 가소제 및 분산제 등의 첨가제를 0.01wt% 내지 20wt% 더 포함할 수 있으며, 상기 바인더 수지, 가소제 및 분산제의 종류는 특별히 한정하지 않고 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the composition for forming the intermediate layer may further include 0.01 wt% to 20 wt% of additives such as a binder resin, a plasticizer, and a dispersant, and the types of the binder resin, plasticizer, and dispersant are not particularly limited. Ordinary materials known in the art may be used.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중간층 형성용 조성물 중 도프 세리아 및 상기 첨가제를 제외한 잔부는 모두 용매이다.In one embodiment of the present specification, all of the remainder except for the dope ceria and the additives in the composition for forming the intermediate layer is a solvent.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 상기 중간층 형성용 조성물을 코팅한 후 80℃ 내지 100℃에서 10분 내지 30분 동안 오븐을 이용하여 중간층을 건조하는 과정을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the manufacturing method of the solid oxide fuel cell further comprises a process of drying the intermediate layer using an oven at 80 ° C. to 100 ° C. for 10 minutes to 30 minutes after coating the composition for forming the intermediate layer. can include

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 스트론튬계 페라이트는 스트론튬 페라이트(SF), 란탄 스트론튬 페라이트(LSF), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(LSNF) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(BSCF) 중 선택된 1종 이상이다. In one embodiment of the present specification, the strontium ferrite is strontium ferrite (SF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), lanthanum strontium nickel ferrite (LSNF) and barium strontium cobalt ferrite (BSCF) At least one selected from among.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 산화비스무트는 Bi2O3로 나타낼 수 있는 것이다. 연료전지에서 일반적으로 산화비스무트를 사용하는 이유는 온도가 상승하면 떨어지는 이온전도도를 보완하기 위함이며, 이를 위해 도핑된 산화비스무트를 사용하게 된다. 반면, 본 발명에 사용된 산화비스무트는 소결 조제로서의 역할을 수행하는 것이므로 별도의 도핑이 필요하지 않다.In one embodiment of the present specification, the bismuth oxide can be represented by Bi 2 O 3 . The reason why bismuth oxide is generally used in fuel cells is to compensate for the ionic conductivity that drops when the temperature rises, and for this purpose, doped bismuth oxide is used. On the other hand, since the bismuth oxide used in the present invention serves as a sintering aid, separate doping is not required.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극 형성용 조성물은 용매로서 에탄올 등의 알코올을 더 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present specification, the composition for forming a cathode further includes an alcohol such as ethanol as a solvent, but is not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극 형성용 조성물은 바인더 수지, 가소제 및 분산제 등의 첨가제를 0.01wt% 내지 20wt% 더 포함할 수 있으며, 상기 바인더 수지, 가소제 및 분산제의 종류는 특별히 한정하지 않고 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the composition for forming an air electrode may further include 0.01 wt% to 20 wt% of additives such as a binder resin, a plasticizer, and a dispersant, and the types of the binder resin, plasticizer, and dispersant are not particularly limited. Ordinary materials known in the art may be used.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극 형성용 조성물 100wt%를 기준으로 상기 스트론튬계 페라이트의 함량은 50wt% 내지 80wt%, 바람직하게는 60wt% 내지 70wt%이다. 스트론튬계 페라이트의 함량이 상기 범위에 포함될 때 점도 면에서 스크린 프린팅 공정에 유리한 장점이 있다.In one embodiment of the present specification, the content of the strontium-based ferrite is 50 wt% to 80 wt%, preferably 60 wt% to 70 wt%, based on 100 wt% of the cathode-forming composition. When the content of strontium-based ferrite is included in the above range, there is an advantage to the screen printing process in terms of viscosity.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극 형성용 조성물 100wt%를 기준으로 상기 산화비스무트(Bi2O3)의 함량은 0.1wt% 내지 5wt%, 바람직하게는 1wt% 내지 3wt%이다. 산화비스무트(Bi2O3)의 함량이 5wt%를 초과할 경우, 추후 중간층으로 모두 이동하지 못하고 일부 산화비스무트가 공기극에 잔류할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the content of the bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) is 0.1 wt% to 5 wt%, preferably 1 wt% to 3 wt%, based on 100 wt% of the composition for forming a cathode. When the content of bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) exceeds 5wt%, all of the bismuth oxide may not be transferred to the intermediate layer later and some bismuth oxide may remain in the cathode.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극 형성용 조성물 중 스트론튬계 페라이트, 산화비스무트(Bi2O3) 및 상기 첨가제를 제외한 잔부는 모두 용매이다.In an exemplary embodiment of the present specification, all of the remainder except for strontium-based ferrite, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), and the additives in the composition for forming a cathode are solvents.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 상기 공기극 형성용 조성물을 코팅한 후 80℃ 내지 100℃에서 10분 내지 30분 동안 오븐을 이용하여 공기극을 건조하는 과정을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the manufacturing method of the solid oxide fuel cell further comprises a process of drying the cathode using an oven at 80° C. to 100° C. for 10 minutes to 30 minutes after coating the composition for forming the cathode. can include

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 이트리아 안정화 산화 지르코니아, 스칸디아 안정화 산화 지르코니아, 사마륨 도프 세리아 및 가돌리늄 도프 세리아 중 선택된 1종 이상을 포함하는 연료극 형성용 조성물을 이용하여 연료극을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. In one embodiment of the present specification, the method for manufacturing a solid oxide fuel cell uses a composition for forming an anode including at least one selected from yttria-stabilized oxidized zirconia, scandia-stabilized oxidized zirconia, samarium-doped ceria, and gadolinium-doped ceria. The method may further include manufacturing an anode by doing so.

구체적으로, 상기 전해질층 상에 연료극 형성용 조성물을 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 상기 연료극 형성용 조성물을 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 연료극용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 연료극용 그린시트 단독 또는 이웃한 층의 그린시트와 함께 소성하여 연료극을 제조할 수 있다.Specifically, the fuel electrode-forming composition is coated on the electrolyte layer, dried and fired, or the fuel-electrode-forming composition is coated on a separate release paper and dried to prepare a green sheet for an anode, and one or more anode green sheets are prepared. An anode may be manufactured by firing alone or together with a green sheet of an adjacent layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 고체 산화물 연료전지는 전술한 제조 방법에 따라 제조된 것이다.In one embodiment of the present specification, the solid oxide fuel cell is manufactured according to the above-described manufacturing method.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 각 구성은 전술한 고체 산화물 연료전지의 제조방법에 관한 설명을 인용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, each component of the solid oxide fuel cell may refer to the description of the method of manufacturing the solid oxide fuel cell described above.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지는 연료극을 더 포함하며, 상기 연료극은 상기 전해질층의 공기극이 구비된 면의 반대면에 형성될 수 있다. 즉, 전해질층은 연료극 상에 구비된 것일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the solid oxide fuel cell further includes a fuel electrode, and the fuel electrode may be formed on a surface opposite to a surface of the electrolyte layer on which the air electrode is provided. That is, the electrolyte layer may be provided on the fuel electrode.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질층의 두께는 10㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 20㎛ 내지 50㎛일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the thickness of the electrolyte layer may be 10 μm to 100 μm, preferably 20 μm to 50 μm.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중간층의 두께는 1㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 2㎛ 내지 5㎛일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the thickness of the intermediate layer may be 1 μm to 10 μm, preferably 2 μm to 5 μm.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극의 두께는 10㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 20㎛ 내지 50㎛일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the thickness of the air electrode may be 10 μm to 100 μm, preferably 20 μm to 50 μm.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료극의 두께는 10㎛ 내지 1,000㎛, 바람직하게는 100㎛ 내지 800㎛ 일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the thickness of the fuel electrode may be 10 μm to 1,000 μm, preferably 100 μm to 800 μm.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중간층의 기공도는 90% 이하, 바람직하게는 80% 내지 90%일 수 있다. 중간층의 기공도가 90% 이하인 것은 1,200℃ 이하의 온도에서도 중간층이 치밀하게 소결되었음을 의미한다.In one embodiment of the present specification, the porosity of the intermediate layer may be 90% or less, preferably 80% to 90%. The fact that the porosity of the intermediate layer is 90% or less means that the intermediate layer is densely sintered even at a temperature of 1,200 ° C or less.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 산화비스무트(Bi2O3)의 함량은 상기 중간층 100wt%를 기준으로 1wt% 내지 10wt%, 바람직하게는 2wt% 내지 5wt%이다.In one embodiment of the present specification, the content of the bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) is 1wt% to 10wt%, preferably 2wt% to 5wt% based on 100wt% of the intermediate layer.

도 1은 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 고체 산화물형 연료전지는 전해질층(Electrolyte)과 이 전해질층의 양면에 형성되는 공기극(Air Electrode) 및 연료극(Fuel Electrode)으로 구성된다. 공기극(양극)에서 공기가 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질층을 통해 연료극(음극)으로 전달된다. 연료극(음극)에서는 수소, 메탄올, 부탄 등과 같은 연료가 주입되고 연료가 산소이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고 물을 생성한다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.1 schematically illustrates the principle of generating electricity in a solid oxide fuel cell. The solid oxide fuel cell includes an electrolyte layer, an air electrode formed on both sides of the electrolyte layer, and a fuel electrode. It consists of As air is electrochemically reduced at the air electrode (anode), oxygen ions are generated, and the generated oxygen ions are transferred to the fuel electrode (cathode) through the electrolyte layer. In the fuel electrode (cathode), fuel such as hydrogen, methanol, or butane is injected, and the fuel is electrochemically oxidized by combining with oxygen ions to release electrons and generate water. This reaction causes the movement of electrons in the external circuit.

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

<실험예 : SOFC의 제조 및 성능 평가><Experimental Example: Manufacturing and Performance Evaluation of SOFC>

실시예 1.Example 1.

8mol% Y2O3 stabilized zirconia (8YSZ)에 톨루엔, 분산제 및 바인더를 섞어 혼합하여 전해질층용 슬러리를 제조한 뒤, 이를 테이프 캐스팅(tape casting)하여 그린 시트를 제조하였다. 이를 적층한 후 1,100℃에서 3시간 가소결, 그 후 1,400℃에서 2시간 동안 소결하여 전해질 substrate를 제조하였다. 소결된 8YSZ substrate 상에 GDC를 포함하는 중간층 페이스트를 스크린 프린팅한 후 80℃에서 30분 동안 건조하였다. 그 후 중간층 상에 시판 중인 산화비스무트(Bi2O3)가 2wt% 포함된 Pt 페이스트(Tanaka Kikinzoku 社, TR-7905)를 공기극 형성용 조성물로 사용하여 스크린 프린팅한 후 80℃에서 30분 건조하였다. 건조된 하프셀(Half Cell)을 950℃의 온도에서 1시간 동안 소결하여 공기극을 제조하였다. 제조된 하프셀의 SEM 사진을 도 3에 나타내었다.A slurry for an electrolyte layer was prepared by mixing and mixing 8 mol% Y 2 O 3 stabilized zirconia (8YSZ) with toluene, a dispersant, and a binder, and then tape-casting the slurry to prepare a green sheet. After laminating them, pre-sintering was performed at 1,100° C. for 3 hours and then sintered at 1,400° C. for 2 hours to prepare an electrolyte substrate. After screen printing the interlayer paste containing GDC on the sintered 8YSZ substrate, it was dried at 80° C. for 30 minutes. Thereafter, a Pt paste (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TR-7905) containing 2 wt% of commercially available bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) was screen-printed on the middle layer as a composition for forming a cathode, and then dried at 80° C. for 30 minutes. . A cathode was prepared by sintering the dried half cell at a temperature of 950° C. for 1 hour. A SEM picture of the prepared half cell is shown in FIG. 3 .

비교예 1.Comparative Example 1.

상기 실시예 1에서 공기극 형성용 조성물로 TR-7905 대신 산화비스무트(Bi2O3)를 포함하지 않는 Pt 페이스트(Tanaka Kikinzoku 社, TR-7070)를 사용한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 Half Cell을 제조하였다.Half of Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that Pt paste (Tanaka Kikinzoku, TR-7070) not containing bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) was used instead of TR-7905 as the cathode forming composition. Cell was prepared.

제조된 셀의 SEM 사진을 도 4에 나타내었다.A SEM picture of the fabricated cell is shown in FIG. 4 .

비교예 2.Comparative Example 2.

상기 비교예 1에서 중간층 페이스트에 산화비스무트(Bi2O3)를 2wt%로 포함시킨 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 Half Cell을 제조하였다.A half cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that 2 wt% of bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) was included in the intermediate layer paste in Comparative Example 1.

제조된 셀의 SEM 사진은 도 5에 나타내었다.A SEM picture of the fabricated cell is shown in FIG. 5 .

도 3 및 도 4를 살펴보면, 도 3의 경우, 산화비스무트가 중간층의 소결 조제로 작용하여 도프 세리아 중간층이 입성장하여 치밀한 구조를 이루고 있음을 확인할 수 있는 반면, 도 4의 경우, 도프 세리아 중간층이 입성장하지 않고 다공성의 구조를 이루고 있음을 확인할 수 있다.Looking at FIGS. 3 and 4, it can be confirmed that in the case of FIG. 3, bismuth oxide acts as a sintering aid for the intermediate layer, and the dope ceria intermediate layer grows grains to form a dense structure. In the case of FIG. 4, the dope ceria intermediate layer It can be confirmed that the porous structure is formed without grain growth.

또한, 산화비스무트를 중간층 형성용 조성물에 직접 첨가한 도 5의 경우, 산화비스무트가 중간층의 입성장을 돕는 소결 조제의 역할을 하지 못하였기 때문에 중간층이 다공성의 구조를 이루고 있음을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 산화비스무트가 전해질의 입계로 흘러 들어, 단면 구조를 관찰하기 위해 샘플을 파단시켰을 때, 입계 파괴가 일어난 것을 확인할 수 있다. 입계 파괴가 일어난 것으로 보아, 전해질층의 기계적 강도가 약화되었음을 유추할 수 있다.In addition, in the case of FIG. 5 in which bismuth oxide is directly added to the composition for forming the intermediate layer, it can be confirmed that the intermediate layer has a porous structure because the bismuth oxide does not serve as a sintering aid to help grain growth of the intermediate layer. In addition, when bismuth oxide flows into the grain boundary of the electrolyte and the sample is broken to observe the cross-sectional structure, it can be confirmed that grain boundary destruction has occurred. Considering that grain boundary destruction has occurred, it can be inferred that the mechanical strength of the electrolyte layer is weakened.

Claims (10)

기재 상에 산소 이온 전도성 무기물을 포함하는 전해질층 형성용 조성물을 코팅하여 전해질층을 형성하는 단계;
상기 전해질층 상에 도프 세리아(doped ceria)를 포함하는 중간층 형성용 조성물을 코팅하여 중간층을 형성하는 단계;
상기 중간층 상에 스트론튬계 페라이트 및 백금(Pt) 중 어느 하나, 및 산화비스무트(Bi2O3)를 포함하는 공기극 형성용 조성물을 코팅하여 공기극을 형성하는 단계; 및
상기 중간층 및 공기극을 동시에 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 열처리하는 단계 이후 상기 산화비스무트(Bi2O3)는 상기 중간층 내에 존재하며, 상기 공기극 형성용 조성물 100wt%를 기준으로 상기 공기극 형성용 조성물에 포함되는 상기 산화비스무트(Bi2O3)의 함량은 0.1wt% 내지 5wt%인 것인 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
Forming an electrolyte layer by coating a composition for forming an electrolyte layer containing an oxygen ion conductive inorganic material on a substrate;
forming an intermediate layer by coating a composition for forming an intermediate layer including doped ceria on the electrolyte layer;
forming a cathode by coating a composition for forming a cathode including at least one of strontium-based ferrite and platinum (Pt), and bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) on the intermediate layer; and
Simultaneously heat-treating the intermediate layer and the cathode,
After the heat treatment, the bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) exists in the intermediate layer, and the content of the bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) included in the cathode-forming composition based on 100 wt% of the cathode-forming composition A method for producing a solid oxide fuel cell of 0.1wt% to 5wt%.
청구항 1에 있어서,
상기 열처리는 800℃ 내지 1,200℃에서 수행되는 것인 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
The method of claim 1,
The heat treatment is a method of manufacturing a solid oxide fuel cell performed at 800 ° C to 1,200 ° C.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 산소 이온 전도성 무기물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 및 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ) 중 선택된 1종 이상인 것인 고체 산화물 연료전지의 제조 방법,
The method of claim 1,
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell, wherein the oxygen ion conductive inorganic material is at least one selected from yttria stabilized zirconia (YSZ) and scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ);
청구항 1에 있어서,
상기 스트론튬계 페라이트는 스트론튬 페라이트(SF), 란탄 스트론튬 페라이트(LSF), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(LSNF) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(BSCF) 중 선택된 1종 이상인 것인 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
The method of claim 1,
The strontium-based ferrite is at least one selected from strontium ferrite (SF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), lanthanum strontium nickel ferrite (LSNF) and barium strontium cobalt ferrite (BSCF) Solid oxide Manufacturing method of fuel cell.
청구항 1에 있어서,
상기 도프 세리아는 가돌리늄 도프 세리아(GDC) 및 사마륨 도프 세리아(SDC) 중 선택된 1종 이상인 것인 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a solid oxide fuel cell, wherein the dope ceria is at least one selected from gadolinium dope ceria (GDC) and samarium dope ceria (SDC).
삭제delete 청구항 1, 2 및 4 내지 6 중 어느 한 항의 제조 방법에 따라 제조된 고체 산화물 연료전지.A solid oxide fuel cell manufactured according to the manufacturing method of any one of claims 1, 2, and 4 to 6. 청구항 8에 있어서,
상기 중간층의 기공도는 90% 이하인 것인 고체 산화물 연료전지.
The method of claim 8,
The solid oxide fuel cell of which the porosity of the intermediate layer is 90% or less.
청구항 9에 있어서,
상기 중간층 내에 존재하는 상기 산화비스무트(Bi2O3)의 함량은 상기 중간층 100wt%를 기준으로 1wt% 내지 10wt%인 것인 고체 산화물 연료전지.
The method of claim 9,
The content of the bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) present in the intermediate layer is 1wt% to 10wt% based on 100wt% of the intermediate layer.
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