KR102674321B1 - Metal support type solid oxide fuel cell including contacting layer - Google Patents
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Abstract
접촉층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 제공한다. 접촉층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 금속지지체, 상기 금속지지체 상부에 순차적으로 적층된 접촉층, 연료극층, 전해질층 및 공기극층을 포함하며, 상기 접촉층을 연료전지 셀 내에 삽입하여 층간 미세구조 차이를 완화하고 미세구조적 측면에서 구배를 줌으로써 수명 증가 및 열 사이클 특성이 개선된 고체산화물 연료전지를 제공한다.A metal support type solid oxide fuel cell including a contact layer is provided. A metal support type solid oxide fuel cell including a contact layer includes a metal support, a contact layer sequentially stacked on top of the metal support, a fuel electrode layer, an electrolyte layer, and an air electrode layer, and the contact layer is inserted into the fuel cell. By alleviating the difference in microstructure between layers and providing a gradient in microstructure, a solid oxide fuel cell with increased lifespan and improved thermal cycle characteristics is provided.
Description
본 발명은 고체산화물 연료전지(SOFC)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접촉층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC), and more specifically to a metal support type solid oxide fuel cell including a contact layer.
금속지지체형 고체산화물 연료전지란 현재의 연료극지지형 연료전지의 연료극(anode)를 대신하여 금속을 지지체로 사용함으로써 세라믹 요소의 두께를 줄여 기계적 강도 및 밀봉 효율을 높일 수 있는 신개념 고체산화물 연료전지이다. 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 세라믹지지체형 연료전지의 분리판(separator) 역할을 금속지지체가 담당함으로써 적어도 연료극과 분리판 사이의 밀봉문제를 해결할 수 있다. 또한, 금속의 가공공정이 세라믹 가공공정보다 쉽게 접근될 수 있으므로 유로 가공 등을 통해 연료전지 성능을 향상시킬 수 있으며, 제작비용 또한 현저히 줄어들 것으로 예상되고 있다.The metal support type solid oxide fuel cell is a new concept solid oxide fuel cell that can increase mechanical strength and sealing efficiency by reducing the thickness of the ceramic element by using metal as a support instead of the anode of the current anode support type fuel cell. . The metal support type solid oxide fuel cell can at least solve the sealing problem between the fuel electrode and the separator by having the metal support act as a separator for the ceramic support type fuel cell. In addition, since metal processing processes are more accessible than ceramic processing processes, fuel cell performance can be improved through flow path processing, etc., and manufacturing costs are also expected to be significantly reduced.
또한, 상기 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 열적 및 기계적 충격에 강하고 급속한 열 사이클이 가능하기 때문에, 기존 고체산화물 연료전지 스택 및 시스템의 약점인 열적, 기계적 신뢰성을 크게 향상시켜서 고체산화물 연료전지의 상용화를 가능하게 할 수 있다.In addition, since the metal support type solid oxide fuel cell is resistant to thermal and mechanical shock and is capable of rapid thermal cycling, the thermal and mechanical reliability, which is a weakness of existing solid oxide fuel cell stacks and systems, is greatly improved, leading to the commercialization of solid oxide fuel cells. can make it possible.
상기 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법으로는 금속지지체와 연료극층 및 고체전해질층을 형성하는 분말을 각각 테이프캐스팅하여 제조한 그린 시트를 적층(lamination)한 후에 환원분위기에서 동시소성(co-firing)하는 방법이 있다.The manufacturing method of the metal support type solid oxide fuel cell involves lamination of green sheets manufactured by tape casting the metal support, the powder forming the anode layer, and the solid electrolyte layer, respectively, and then co-firing in a reducing atmosphere (co- There is a method of firing.
그러나 상기 방법은 고체전해질층, 연료극층 및 금속지지체 각각의 열팽창 계수, 소결 수축률 등을 정밀하게 제어하고, 금속지지체가 고온 동시소성 후에도 충분한 기공률을 갖도록 금속의 조성, 입자크기, 표면 거칠기 및 소성 분위기를 정밀하게 제어해야만 한다는 문제점이 있다. 또한 이러한 제조방법으로 제조된 연료전지의 경우 소결시 기판의 소결 수축이 일어나지 않기 때문에 습식 분말공정에서는 금속박판이 고체전해질층의 수축을 방해하여 기공의 잔류 및 국부적 소결에 의한 균열이 발생한다. 균열이 발생하면 고체전해질층을 통하여 연료극 가스와 공기가 만나서 크로스 오버 현상이 발생하는 문제점이 있다.However, the above method precisely controls the thermal expansion coefficient and sintering shrinkage rate of each of the solid electrolyte layer, anode layer, and metal support, and adjusts the composition, particle size, surface roughness, and firing atmosphere of the metal so that the metal support has sufficient porosity even after high-temperature co-firing. There is a problem that must be precisely controlled. In addition, in the case of fuel cells manufactured using this manufacturing method, sintering shrinkage of the substrate does not occur during sintering, so in the wet powder process, the thin metal plate interferes with the shrinkage of the solid electrolyte layer, resulting in remaining pores and cracks due to local sintering. When a crack occurs, there is a problem in that a crossover phenomenon occurs when the anode gas and air meet through the solid electrolyte layer.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속지지체와 연료극층의 미세구조 차이로 인한 가스의 흐름 차이 및 층간 큰 변형(strain)을 방지하기 위하여 상기 금속지지체와 연료극층 사이에 접촉층을 삽입함으로써 미세구조 차이가 완화된 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is to insert a contact layer between the metal support and the anode layer to prevent the difference in gas flow and large strain between the layers due to the difference in microstructure between the metal support and the anode layer. To provide a metal support type solid oxide fuel cell with reduced stress.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 접촉층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 제공한다. 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 금속지지체, 상기 금속지지체 상부에 적층되며 가스와 전기는 통과시키면서 미세구조적 측면에서 완충 역할을 하는 접촉층, 상기 접촉층의 상부에 적층되며, 이온화된 산소이온과 주입된 수소를 결합하여 물과 전자를 생산하는 연료극층, 상기 연료극층의 상부에 적층되며, 수소와 공기가 섞이는 것을 막음과 동시에 산소이온을 통과시키는 고체전해질층 및 상기 고체전해질층 상부에 적층되며, 주입된 공기를 환원시켜 산소이온을 생산하는 공기극층을 포함할 수 있다.In order to achieve the above technical problem, one aspect of the present invention provides a metal support type solid oxide fuel cell including a contact layer. A metal support type solid oxide fuel cell includes a metal support, a contact layer laminated on top of the metal support, which passes gas and electricity while acting as a buffer in terms of microstructure, and a contact layer laminated on top of the contact layer, and ionized oxygen ions are injected. An anode layer that combines hydrogen to produce water and electrons, laminated on top of the anode layer, a solid electrolyte layer that prevents hydrogen and air from mixing and allows oxygen ions to pass through, and laminated on the top of the solid electrolyte layer, It may include an air electrode layer that produces oxygen ions by reducing the injected air.
상기 전해질층과 상기 공기극층 사이에 보호층을 포함할 수 있다.A protective layer may be included between the electrolyte layer and the air cathode layer.
상기 보호층은 Ce1-yLnyO2-β(Ln=Gd, Sm, Nd 또는 La, y=0.1∼0.3, β=0∼0.2)을 포함할 수 있다.The protective layer may include Ce 1-y Ln y O 2-β (Ln=Gd, Sm, Nd or La, y=0.1∼0.3, β=0∼0.2).
상기 공기극층 상부에 적층된 집전체를 포함할 수 있다.It may include a current collector stacked on top of the air cathode layer.
상기 금속지지체는 Ni 금속, Ni-Fe 합금 및 STS(Stainless Steel)계 중 어느 하나일 수 있다.The metal support may be any one of Ni metal, Ni-Fe alloy, and STS (Stainless Steel).
상기 연료극층은 NiO와 희토류-도핑 지르코니아 복합체 또는 NiO와 희토류-도핑 세리아 복합체 중 어느 하나일 수 있다.The anode layer may be either a NiO and rare earth-doped zirconia composite or a NiO and rare earth-doped ceria composite.
상기 연료극층은 페로브스카이트계 산화물 및 CeO2 중 어느 하나 이상을 더 포함하며, 상기 페로브스카이트계 산화물은 A'xB'yO3(단, 0≤x≤1, 0≤y≤1 이며, A'= La, Sr, Ba, Pr, Sm 중 하나 이상; B'=Ti, Y, Sc, Cr, V, Mn, Co, Fe, Ni, Mo, Nb, Al, Mg, Ca 중 하나 이상임)일 수 있다.The anode layer is a perovskite-based oxide and CeO 2 , wherein the perovskite-based oxide is A' x B' y O 3 (where 0≤x≤1, 0≤y≤1, A'=La, Sr, one or more of Ba, Pr, Sm; B'=one or more of Ti, Y, Sc, Cr, V, Mn, Co, Fe, Ni, Mo, Nb, Al, Mg, Ca).
상기 공기극층의 조성으로 페로브스카이트계 산화물을 포함하며, 상기 페로브스카이트계 산화물은 A'xB'yO3(단, 0≤x≤1, 0≤y≤1 이며, A'= La, Sr, Ba, Pr, Sm 중 하나 이상; B'=Ti, Y, Sc, Cr, V, Mn, Co, Fe, Ni, Mo, Nb, Al, Mg, Ca 중 하나 이상임)일 수 있다.The composition of the cathode layer includes a perovskite-based oxide, and the perovskite-based oxide is A' x B' y O 3 (where 0≤x≤1, 0≤y≤1, and A'=La , Sr, Ba, Pr, Sm; B'=one or more of Ti, Y, Sc, Cr, V, Mn, Co, Fe, Ni, Mo, Nb, Al, Mg, Ca).
상기 공기극층의 조성으로 희토류-도핑 세리아의 소결된 분말 혼합물 또는 기공형성제 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.The composition of the air cathode layer may further include at least one of a sintered powder mixture of rare earth-doped ceria or a pore former.
상기 전해질층은 희토류-도핑 지르코니아계 산화물, 희토류-도핑 세리아계 산화물 및 페로브스카이트계 산화물 중 어느 하나일 수 있다.The electrolyte layer may be any one of rare earth-doped zirconia-based oxide, rare earth-doped ceria-based oxide, and perovskite-based oxide.
상기 페로브스카이트계 산화물은 La1-xAxGa1-yByO3(A= Sr, Ba; B=Mg, Ca)일 수 있다.The perovskite-based oxide may be La 1-x A x Ga 1-y B y O 3 (A=Sr, Ba; B=Mg, Ca).
상기 접촉층은 상기 금속지지체의 성분과 상기 연료극층의 성분이 혼합된 것일 수 있다.The contact layer may be a mixture of components of the metal support and components of the anode layer.
상기 접촉층의 상기 금속지지체 성분과 상기 연료극층 성분이 7:3 내지 3:7 인 조성비를 갖는 것일 수 있다.The metal support component of the contact layer and the anode layer component may have a composition ratio of 7:3 to 3:7.
상기 접촉층의 입자 평균 크기는 0.3 ㎛ 내지 30 ㎛ 일 수 있다.The average particle size of the contact layer may be 0.3 ㎛ to 30 ㎛.
상기 접촉층의 두께는 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 일 수 있다.The thickness of the contact layer may be 5 ㎛ to 50 ㎛.
상기 접촉층의 열팽창계수는 10 (ppm/℃) 내지 20 (ppm/℃) 일 수 있다.The thermal expansion coefficient of the contact layer may be 10 (ppm/℃) to 20 (ppm/℃).
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 금속지지체층과 연료극층 사이에 접촉층이 존재함으로써, 상기 금속지지체층과 상기 연료극층 간의 밀도 및 입자 크기의 차이로 인해 발생하는 미세구조의 차이를 완화시킴으로써 층간 변형을 완화시키고 가스의 흐름을 원활하게 함으로써 연료전지 셀의 안정성이 개선될 수 있다. 또한, 상기 접촉층은 금속지지체층과 연료극층 사이의 열팽창계수 차이를 완화하는 버퍼의 역할을 하여 층간 박리현상을 억제할 수 있다.As described above, according to the present invention, a contact layer exists between the metal support layer and the anode layer, thereby mitigating the difference in microstructure caused by the difference in density and particle size between the metal support layer and the anode layer. The stability of the fuel cell can be improved by alleviating deformation and facilitating the flow of gas. Additionally, the contact layer can suppress interlayer delamination by acting as a buffer to alleviate the difference in thermal expansion coefficient between the metal support layer and the anode layer.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 Ni계 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 환원 전·후 미세구조를 비교한 단면도이다.
도 3은 STS계 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 미세구조를 비교한 단면도이다.
도 4는 금속지지체 상부에 접촉층 또는 연료극층이 각각 적층된 경우 형성되는 곡률 반경이다.Figure 1 is a schematic diagram showing the structure of a metal support type solid oxide fuel cell including a contact layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view comparing the microstructure of a Ni-based metal support type solid oxide fuel cell before and after reduction.
Figure 3 is a cross-sectional view comparing the microstructure of the STS-based metal support type solid oxide fuel cell.
Figure 4 shows the radius of curvature formed when a contact layer or an anode layer is laminated on the top of a metal support, respectively.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used in this specification is only for referring to examples and is not intended to limit the invention. As used herein, singular forms include plural forms unless phrases clearly indicate the contrary. As used in the specification, the meaning of “comprising” specifies a specific characteristic, area, integer, step, operation, element and/or component, and the presence of another specific property, area, step, operation, element, component and/or group. This does not exclude addition.
또한, 본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, all terms including technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as those generally understood by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries are further interpreted as having meanings consistent with related technical literature and currently disclosed content, and are not interpreted in ideal or very formal meanings unless defined.
본 명세서에서 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In the drawings herein, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
접촉층을 포함하는 고체산화물 연료전지Solid oxide fuel cell including a contact layer
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 구조를 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 상기 접촉층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(10)는 금속지지체(11) 상부에 접촉층(12)이 적층되고 그 상부에 연료극층(13)이 적층되며, 연료극층의 상부에 고체전해질층(14)이 적층되고 고체전해질층 상부에 공기극층(16)이 적층되는 것일 수 있다. 또한, 상기 고체전해질층(14)과 상기 공기극층(16) 사이에 보호층(15)이 적층될 수 있으며, 상기 공기극층(16) 상부에 집전체(17)가 적층될 수 있다.Figure 1 is a schematic diagram showing the structure of a metal support type solid oxide fuel cell including a contact layer according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the metal support type solid oxide fuel cell 10 including the contact layer includes a contact layer 12 laminated on top of a metal support 11 and an anode layer 13 laminated on the top, The solid electrolyte layer 14 may be stacked on top of the anode layer, and the air electrode layer 16 may be stacked on top of the solid electrolyte layer. Additionally, a protective layer 15 may be stacked between the solid electrolyte layer 14 and the air cathode layer 16, and a current collector 17 may be stacked on top of the air cathode layer 16.
상기 금속지지체(11)는 고온 산화에 의한 전기 전도도 감소가 작고, 산화-환원 안정성(redox stability)이 있으며, 열팽창계수가 5 내지 20(ppm/℃), 구체적으로 10 내지 15(ppm/℃)인 소재가 바람직하다. 이와 같이 금속지지체의 열팽창계수를 한정하는 이유는 금속지지체와 그 위에 적층되는 각 세라믹 기능층 간에 열팽창계수 차이를 적게하여 각 구성 요소간 열팽창계수 차이로 인한 기능층의 박리나 셀의 휨을 방지하기 위함이다.The metal support 11 has a small decrease in electrical conductivity due to high-temperature oxidation, has redox stability, and has a thermal expansion coefficient of 5 to 20 (ppm/℃), specifically 10 to 15 (ppm/℃). Phosphorus material is preferred. The reason for limiting the thermal expansion coefficient of the metal support like this is to reduce the difference in thermal expansion coefficient between the metal support and each ceramic functional layer laminated on it to prevent peeling of the functional layer or bending of the cell due to differences in thermal expansion coefficient between each component. am.
이와 같은 특성을 갖는 금속지지체용 소재는 Ni, Ni-Fe 합금 및 STS(Stainless Steel)계 중 어느 하나를 포함하며, 상기 STS계는 특히, 페라이트계 스테인리스강(Ferritic Stainless Steel)일 수 있고, 제품명 STS434L와 독일의 티센크롬(Tyssenkrupp)사의 제품명 Crofer22H가 있다.Materials for metal supports having such characteristics include any one of Ni, Ni-Fe alloy, and STS (Stainless Steel), and the STS may be particularly ferritic stainless steel. Product name There are STS434L and Crofer22H, product name of German company Tyssenkrupp.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속지지체(11) 상부에 상기 접촉층(12)이 적층될 수 있고, 상기 접촉층(12) 상부에 연료극층(13)이 적층될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the contact layer 12 may be laminated on the metal support 11, and the anode layer 13 may be laminated on the contact layer 12.
상기 연료극층(13)에서는 외부로부터 주입된 연료인 수소와 고체전해질층(14)으로부터 이동한 이온화된 산화이온이 결합하여 물과 전자가 생성될 수 있다. 상기 연료극층(13)을 구성하는 성분인 세라믹 전구체 분말은 NiO와 희토류-도핑 지르코니아의 복합체(Zr1-xDxO2(D= Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; x=0.1∼0.3)) 또는 NiO와 희토류-도핑 세리아(Ce1-xDxO2(D= Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; x=0.1∼0.3))의 복합체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 복합체에 페로브스카이트계 산화물 및 CeO2 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 페로브스카이트계 산화물은 A'xB'yO3(단, 0≤x≤1, 0≤y≤1 이며, A'= La, Sr, Ba, Pr, Sm 중 하나 이상; B'=Ti, Y, Sc, Cr, V, Mn, Co, Fe, Ni, Mo, Nb, Al, Mg, Ca 중 하나 이상임)일 수 있고, 구체적으로 La1-xAxGa1-yByO3(A=Sr, Ba; B=Mg, Ca)을 포함할 수 있다.In the anode layer 13, hydrogen, which is a fuel injected from the outside, and ionized oxide ions moving from the solid electrolyte layer 14 combine to generate water and electrons. The ceramic precursor powder, which is a component of the anode layer 13, is a composite of NiO and rare earth-doped zirconia (Zr 1-x D x O 2 (D= Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm , Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; x= 0.1∼0.3 )) or NiO and rare earth-doped ceria (Ce 1-x D , Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; Additionally, the composite may further include any one or more of perovskite-based oxide and CeO 2 . At this time, the perovskite-based oxide is A ' B'=Ti, Y, Sc, Cr, V, Mn, Co, Fe, Ni, Mo, Nb, Al, Mg, Ca), and specifically, La 1-x A x Ga 1-y It may include B y O 3 (A=Sr, Ba; B=Mg, Ca).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료극층(13) 내에서 니켈(Ni)과 희토류-도핑 지르코니아의 조성비는 6:4 내지 4:6일 수 있으며, 구체적으로 5.5:4.5 내지 4.5:5.5일 수 있고, 더욱 구체적으로 5:5일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the composition ratio of nickel (Ni) and rare earth-doped zirconia in the anode layer 13 may be 6:4 to 4:6, specifically 5.5:4.5 to 4.5:5.5. It can be, and more specifically, it can be 5:5.
한편, 상기 페로브스카이트는 ABO3형태의 구조화합물로서, A 자리(site)에는 란탄늄(La), Sr, Ba, Sm, Pr 원소 중 1종 이상이 차지하고, B 자리(site)에는 망간(Mn), Ti, Cr, V, Ni, Co, Fe, Al, Nb, Mo Mg, Ca 원소 중 일부 또는 전체가 혼합되어 구성되는 것일 수 있다.On the other hand, the perovskite is a structured compound in the form of ABO 3 , where the A site is occupied by one or more of the elements lanthanum (La), Sr, Ba, Sm, and Pr, and the B site is occupied by manganese ( It may be composed of some or all of the following elements: Mn), Ti, Cr, V, Ni, Co, Fe, Al, Nb, Mo Mg, and Ca.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 연료극층(13)의 평균 두께는 5 내지 50 ㎛, 보다 바람직하게는 10∼30 ㎛, 더욱 바람직하게는 15∼25 ㎛ 범위인 것이 적합하다.According to one embodiment of the present invention, the average thickness of the anode layer 13 is suitably in the range of 5 to 50 ㎛, more preferably 10 to 30 ㎛, and even more preferably 15 to 25 ㎛.
상기 접촉층(12)은 가스와 전기는 통과시키면서 미세구조적 측면에서 완충(buffer)기능을 한다. 구체적으로, 상기 금속지지체(11)와 상기 연료극층(13)은 밀도 및 입자 크기 측면에서 차이가 커 가스의 흐름 차이 및 층간 큰 변형(strain)을 유발시킬 수 있다. 따라서, 상기 접촉층(12)을 상기 금속지지체(11)와 연료극층(13) 사이에 위치시킴으로써 미세구조적 차이를 완화하는 완충기능을 할 수 있다. 또한, 상기 접촉층(12)은 금속지지체(11)와 상기 연료극층(13)간의 열팽창계수 차이로 인한 층간 박리현상을 억제하는 역할을 할 수 있다.The contact layer 12 passes gas and electricity and functions as a buffer in terms of microstructure. Specifically, the metal support 11 and the anode layer 13 have a large difference in density and particle size, which may cause a difference in gas flow and a large strain between layers. Therefore, by placing the contact layer 12 between the metal support 11 and the anode layer 13, it can serve as a buffer to alleviate microstructural differences. Additionally, the contact layer 12 may serve to suppress interlayer peeling due to a difference in thermal expansion coefficient between the metal support 11 and the anode layer 13.
이 때, 상기 접촉층(12)의 조성은 상기 금속지지체(11)의 성분 및 상기 연료극층(13)의 성분을 혼합한 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 접촉층(12)의 성분은 금속지지체(11)의 성분인 NiO2 또는 Crofer22H와 연료극층(13)의 성분인 희토류-도핑 지르코니아가 혼합된 것일 수 있다. 이 때, 상기 접촉층(12) 내에서 금속지지체(11)의 성분과 연료극층(13)의 성분의 조성비는 9:1 내지 3:7일 수 있으며, 자세하게는 8:2 내지 4:6일 수 있고, 더욱 자세하게는 7:3 내지 6:4일 수 있다. At this time, the composition of the contact layer 12 may be a mixture of the components of the metal support 11 and the components of the anode layer 13. Specifically, the component of the contact layer 12 may be a mixture of NiO 2 or Crofer22H, which is a component of the metal support 11, and rare earth-doped zirconia, which is a component of the anode layer 13. At this time, the composition ratio of the components of the metal support 11 and the components of the anode layer 13 in the contact layer 12 may be 9:1 to 3:7, and specifically 8:2 to 4:6. It can be, and more specifically, it can be 7:3 to 6:4.
이러한 접촉층(12)의 평균두께는 5∼50 ㎛, 보다 바람직하게는 20∼40 ㎛, 더욱 바람직하게는 20∼30 ㎛ 범위인 것이 적합하다. 상기 접촉층(12)의 두께가 너무 얇으면 금속지지체(11)의 표면조도의 영향으로 일부분 연료극층(13)과 금속지지체(11)가 직접 접촉하는 부분이 발생하여 부분적으로 확산반응이 일어날 가능성이 높고, 너무 두꺼워지면 전기저항이 증가할 수 있다.The average thickness of the contact layer 12 is preferably in the range of 5 to 50 ㎛, more preferably 20 to 40 ㎛, and even more preferably 20 to 30 ㎛. If the thickness of the contact layer 12 is too thin, there is a possibility that some parts of the anode layer 13 and the metal support 11 are in direct contact due to the influence of the surface roughness of the metal support 11, resulting in a partial diffusion reaction. If this is high and too thick, electrical resistance may increase.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료극층(13)의 상부에 고체전해질층(14)이 적층될 수 있다. 상기 고체전해질층(14)은 수소와 공기가 섞이는 것을 방지함과 동시에 산소이온만을 통과시킬 수 있다. 또한, 상기 고체전해질층(14)의 성분은 희토류-도핑 지르코니아, 희토류-도핑 세리아 또는 페로브스카이트계 산화물일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a solid electrolyte layer 14 may be stacked on top of the anode layer 13. The solid electrolyte layer 14 prevents hydrogen and air from mixing and allows only oxygen ions to pass through. Additionally, the component of the solid electrolyte layer 14 may be rare earth-doped zirconia, rare earth-doped ceria, or perovskite-based oxide.
상기 고체전해질층(14)의 평균 두께는 5∼30 ㎛, 보다 바람직하게는 10∼20 ㎛의 범위이다. 고체산화물 연료전지 셀의 성능은 고체전해질층(14)의 두께가 얇을수록 내부저항이 감소하여 낮은 이온전도도를 보완하는 효과를 얻을 수 있어 증가하지만, 너무 얇으면 기판의 조도에 의한 고체전해질층(14)의 국부적인 결함을 통하여 연료가스와 공기가 직접 만나는 크로스 오버(cross-over) 현상이 생기면 기전력이 감소할 뿐만 아니라, 그 부분을 중심으로 한 스폿(hot spot)이 발생하여 셀의 성능 열화로 감소할 수 있다. 따라서, 상기 고체전해질층(14)은 크로스 오버 현상이 발생하지 않을 수준의 적정 두께가 요구될 수 있다. The average thickness of the solid electrolyte layer 14 is in the range of 5 to 30 ㎛, more preferably 10 to 20 ㎛. The performance of the solid oxide fuel cell cell increases as the thickness of the solid electrolyte layer 14 decreases, which compensates for the low ionic conductivity by reducing the internal resistance. However, if it is too thin, the solid electrolyte layer (14) is damaged due to the roughness of the substrate. If a crossover phenomenon occurs where fuel gas and air directly meet through a local defect in 14), not only does the electromotive force decrease, but a hot spot occurs centered on that area, deteriorating the performance of the cell. can be reduced to Accordingly, the solid electrolyte layer 14 may be required to have an appropriate thickness at a level where a crossover phenomenon does not occur.
한편, 상기 고체전해질층(14) 상부에 공기극층(16)이 적층될 수 있다. 상기 공기극층(16)은 외부로부터 공급된 공기를 환원시켜 산소이온을 생산할 수 있다. 또한, 상기 공기극층(16)의 성분은 페로브스카이트계 산화물이 포함된 전도체 단독으로나 혹은, 희토류-도핑 세리아의 소결된 분말 혼합물과 흑연 분말 등의 기공형성제를 포함할 수 있다. 상기 페로브스카이트계 산화물 및 희토류-도핑 세리아는 앞서 정의한 것과 같은 것일 수 있다. Meanwhile, an air cathode layer 16 may be laminated on the solid electrolyte layer 14. The air cathode layer 16 can produce oxygen ions by reducing air supplied from the outside. Additionally, the components of the air cathode layer 16 may include a conductor containing perovskite-based oxide alone or a pore-forming agent such as a sintered powder mixture of rare earth-doped ceria and graphite powder. The perovskite-based oxide and rare earth-doped ceria may be the same as defined above.
구체적으로, 상기 공기극층(16)에 포함된 페로브스카이트계 산화물은 La1-xSrxCoyFe1-yO3-δ(단, x=0.2∼0.5, y=0.2∼1 및 δ=0∼0.3)을 포함할 수 있다. 특히, 페로브스카이트 산화물이 혼합된 전도체는 하나 또는 그 이상의 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ, GdCoO3-δ 및 RexSr1-xCoO3-δ(Re=La, Sm, Pr, 0.5<x<0.8 및 δ=0∼0.3)를 포함할 수 있다. 이러한 화합물들을 사용하는 것은 이들이 대부분의 페로브스카이트계 산화물들보다 높은 이온전도성을 가져 유용할 수 있다. 어떠한 경우에는 상기 혼합물이 20 내지 50 중량% 범위, 어떠한 경우에는 30 내지 45 중량% 범위, 어떠한 경우에는 35 내지 45 중량% 범위, 혹은 앞서 정의한 것과 같이 대략 40 중량% 희토류-도핑 세리아를 포함할 수 있다. 이는 화학적 및 전술한 열팽창의 측면 모두에서 고체전해질층(14) 및 공기극층(16) 사이 호환성을 향상하는 데 도움이 되고, 이러한 세리아들은 높은 전하 수송률을 가지므로, 그들을 포함하는 것은 고체전해질층(14) 및 공기극층(16) 사이 양호한 전하 수송률을 보장할 수 있다.Specifically, the perovskite-based oxide contained in the cathode layer 16 is La 1-x Sr x Co y Fe 1-y O 3-δ (where x = 0.2 to 0.5, y = 0.2 to 1, and δ =0∼0.3). In particular, the conductor mixed with perovskite oxide is one or more La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ , GdCoO 3-δ and Re x Sr 1-x CoO 3-δ (Re=La, Sm , Pr, 0.5<x<0.8 and δ=0∼0.3). Using these compounds can be useful because they have higher ionic conductivity than most perovskite-based oxides. In some cases the mixture may comprise in the range of 20 to 50 wt. %, in other cases in the range of 30 to 45 wt. %, in other cases in the range of 35 to 45 wt. %, or approximately 40 wt. % rare earth-doped ceria as previously defined. there is. This helps to improve the compatibility between the solid electrolyte layer 14 and the cathode layer 16 both in terms of chemistry and the aforementioned thermal expansion, and since these ceria have a high charge transport rate, their inclusion is beneficial to the solid electrolyte layer. It is possible to ensure a good charge transport rate between (14) and the air cathode layer (16).
더욱 구체적으로, 상기 공기극층(16)은 LSM(La0.8Sr0.2MnO3)와 같은 페로브스카이트계 산화물과 ScSZ(Sc-doped ZrO2)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 LSM이 공기극의 소재로 사용되거나 고체전해질층(14)으로 희토류-도핑 세리아 또는 페로브스카이트계 산화물 중 La1-xAxGa1-yByO3(A= Sr, Ba; B=Mg, Ca; x=0.05∼0.3; y=0.05∼0.3)가 사용되는 경우 고온·화학적 안정성이 뛰어나 추가 구성이 필요하지 않을 수 있다. More specifically, the air cathode layer 16 may include a perovskite-based oxide such as LSM (La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ) and ScSZ (Sc-doped ZrO 2 ). Meanwhile, the LSM is used as a material for an air electrode or a solid electrolyte layer 14 made of rare earth-doped ceria or perovskite-based oxide La 1-x A x Ga 1-y B y O 3 (A=Sr, Ba; When B=Mg, Ca;
한편, 상기 공기극층(16)으로 LSM 대신 LSCF((La0.6Sr0.4)(Co0.2Fe0.8)O3), BSCF(Br0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) 등 고성능 양극소재가 사용되거나 고체전해질층(14)으로 희토류-도핑 지르코니아가 사용되는 경우 고체전해질층(14)과 공기극층(16) 사이에 추가로 보호층(15)의 삽입이 필요할 수 있다. 또한, 상기 공기극층(16)의 평균 두께는 10∼50 ㎛ 범위가 바람직할 수 있다.Meanwhile, high-performance anode materials such as LSCF ((La 0.6 Sr 0.4 )(Co 0.2 Fe 0.8 )O 3 ) and BSCF (Br 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-δ ) are used as the air cathode layer 16 instead of LSM. Alternatively, when rare earth-doped zirconia is used as the solid electrolyte layer 14, an additional protective layer 15 may be required to be inserted between the solid electrolyte layer 14 and the cathode layer 16. Additionally, the average thickness of the air cathode layer 16 may preferably be in the range of 10 to 50 ㎛.
상기 보호층(15)은 고체전해질층(14)과 공기극층(16) 사이에 위치하여 층 사이에서 조성의 확산을 방지하고, 이를 통해 불순물이 생성되는 것을 억제할 수 있으며, Ce1-yLnyO2-β(Ln=Gd, Sm, Nd 또는 La, y=0.1∼0.3, β=0∼0.2)로 이루어질 수 있다. 여기서 보호층(15)을 Ce1-xLnxO2-δ(Ln=La, Gd, Sm, Nd 또는 Y, x=0.1∼0.3, δ=0∼0.2)로 이루어진 고체전해질층(14)과 비교하면, 상기 y는 x보다 크고, 상기 β는 δ보다 크도록 이루어질 수 있다.The protective layer 15 is located between the solid electrolyte layer 14 and the cathode layer 16 to prevent diffusion of the composition between the layers, thereby suppressing the generation of impurities, and Ce 1-y Ln y O 2-β (Ln=Gd, Sm, Nd or La, y=0.1∼0.3, β=0∼0.2). Here, the protective layer 15 is a solid electrolyte layer 14 made of Ce 1-x Ln x O 2-δ (Ln=La, Gd, Sm, Nd or Y, x=0.1∼0.3, δ=0∼0.2). Compared to , y may be greater than x, and β may be greater than δ.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 공기극층(16)의 상부에 집전체(17)가 추가로 적층된 것일 수 있다. 상기 집전체(17)는 스택 내 전지로부터 전류가 수집되도록 할 수 있다. 이 때, 집전체(17)는 전기전도성 세라믹 물질이라면 어느 것이든 사용될 수 있으며, 일반적으로 란탄늄 스트론튬 구리 산화물(LSC)와 같은 페로브스카이트일 수 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, a current collector 17 may be additionally laminated on top of the air cathode layer 16. The current collector 17 can collect current from the cells in the stack. At this time, the current collector 17 may be any electrically conductive ceramic material, and may generally be a perovskite such as lanthanum strontium copper oxide (LSC).
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Below, a preferred experimental example is presented to aid understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only intended to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.
<제조예들><Manufacturing examples>
제조예 1 : Ni계 금속지지체형 고체산화물 연료전지Manufacturing Example 1: Ni-based metal support type solid oxide fuel cell
NiNi 1-x1-x FeFe xx (x = 0 ∼ 1)로 구성되는 금속지지체의 제조Preparation of a metal support consisting of (x = 0 ~ 1)
NiO(Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.7 ㎛), Fe2O3(LTS Research laboratories, 99.9%)를 5:5 부피비로 혼합하여 볼밀공정을 진행하였다. 그 후, 건조하여 수득한 파우더를 직경 20 mm 몰드를 사용하여 1 g씩(약 1mm 두께) 펠렛(pellet)으로 제작하였다(pressing pressure : 50MPa). 상기 제작된 펠렛은 900 ℃에서 2 시간 동안 가소결(pre-sintering)을 진행하였다.A ball mill process was performed by mixing NiO (Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.7 ㎛) and Fe 2 O 3 (LTS Research laboratories, 99.9%) in a 5:5 volume ratio. Afterwards, the powder obtained by drying was manufactured into pellets of 1 g each (approximately 1 mm thick) using a mold with a diameter of 20 mm (pressing pressure: 50 MPa). The produced pellets were pre-sintered at 900°C for 2 hours.
접촉층(contacting layer)의 제조Preparation of contacting layer
접촉층의 제조를 위해 우선 슬러리 제작을 진행하였다. 상기 슬러리는 금속지지체 성분인 NiO(Kceracell, 99.9%) 및 연료극 성분인 8YSZ((Y2O3)0.08(ZrO2)0.92, Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.2 ㎛) 또는 ScSZ-6(6 mol% Sc2O3)가 7:3 부피비로 혼합된 원료분말에 corn starch를 첨가한 후 볼밀링을 통해 제조하였다. 상기 제조한 슬러리를 가소결한 펠렛 위에 드랍코팅(drop coating)한 후 오븐(30 ℃)에서 건조하였다.To manufacture the contact layer, slurry production was first performed. The slurry contains NiO (Kceracell, 99.9%) as a metal support component and 8YSZ ((Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 , Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.2 ㎛) or ScSZ-6 ( Corn starch was added to the raw material powder mixed with 6 mol% Sc 2 O 3 ) at a volume ratio of 7:3 and then manufactured through ball milling. The prepared slurry was drop coated on the pre-sintered pellets and then dried in an oven (30° C.).
Ni-ScSZ(Ce, Gd)로 구성된 연료극층(anode)의 제조Manufacturing of anode layer composed of Ni-ScSZ (Ce, Gd)
연료극층의 제조를 위해 우선 슬러리 제작을 진행하였다. 상기 슬러리는 5.5:4.5 부피비로 혼합된 원료분말 NiO(Kceracell, 99.9%), 10Sc0.5Ce0.5GdSZ[(Sc2O3)0.1(CeO2)0.005(Gd2O3)0.005(ZrO2)0.89, Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.2 ㎛]와 corn starch를 혼합하여 볼밀링(150 rpm, 24시간)을 통해 제조하였다. 상기 제조한 슬러리 230 ㎕를 상기 접촉층까지 형성된 펠렛 위에 드랍코팅(drop coating)한 후 오븐(30 ℃)에서 건조하였다.To manufacture the anode layer, slurry production was first performed. The slurry is a mixture of raw material powder NiO (Kceracell, 99.9%), 10Sc 0.5 Ce 0.5 GdSZ[(Sc 2 O 3 ) 0.1 (CeO 2 ) 0.005 (Gd 2 O 3 ) 0.005 (ZrO 2 ) 0.89 mixed at a volume ratio of 5.5:4.5. , Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.2 ㎛] and corn starch were mixed and prepared through ball milling (150 rpm, 24 hours). 230 ㎕ of the prepared slurry was drop coated on the pellet formed up to the contact layer and dried in an oven (30° C.).
ScSZ(Ce, Gd)로 구성된 고체전해질층의 제조Manufacturing of a solid electrolyte layer composed of ScSZ (Ce, Gd)
고체전해질층의 제조를 위해 먼저 슬러리 제작을 진행하였다. 상기 슬러리는 10Sc0.5Ce0.5GdSZ((Sc2O3)0.1(CeO2)0.005(Gd2O3)0.005(ZrO2)0.89, Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.2 ㎛)와 에탄올을 혼합하여 볼밀링(150 rpm, 24시간)을 통해 제조하였다. 상기 제조한 슬러리 120 ㎕를 연료극층까지 코팅된 펠렛 위에 드랍코팅(drop coating)한 후 오븐(30 ℃)에서 건조하였다. 건조 후에 1350 ℃에서 공소결(co-sinitering)을 진행하였다.To manufacture the solid electrolyte layer, slurry production was first performed. The slurry is a mixture of 10Sc 0.5 Ce 0.5 GdSZ ((Sc 2 O 3 ) 0.1 (CeO 2 ) 0.005 (Gd 2 O 3 ) 0.005 (ZrO 2 ) 0.89, Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.2 ㎛) and ethanol. It was manufactured through ball milling (150 rpm, 24 hours). 120 ㎕ of the slurry prepared above was drop coated on the pellet coated up to the anode layer and dried in an oven (30° C.). After drying, co-sintering was performed at 1350°C.
LSM 및 ScSZ(Ce, Gd)을 포함하는 공기극층(cathode)과 이를 포함한 셀의 제조Manufacturing of a cathode containing LSM and ScSZ (Ce, Gd) and a cell containing the same
공기극층의 경우 치밀한 고체전해질층 위에 스크린 프린팅(screen printing) 기법을 통해 형성하였다. 공기극 분말인 LSM(La0.8Sr0.2MnO3), Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.5 ㎛), ScSZ를 혼합하였다. 스크린 프린팅(screen printing)을 위해 30 ㎛ 두께의 메쉬(mesh) 기판 및 상기 공기극 혼합 분말을 사용하여 7.5 mm 직경의 원의 형태로 고체전해질층 가운데에 형성하였다. 그 후, 1200 ℃에서 2 시간 조건으로 공기중에서 열처리를 진행하여 셀을 제작하였다. In the case of the air cathode layer, it was formed through a screen printing technique on a dense solid electrolyte layer. Air cathode powders, LSM (La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ), Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.5 ㎛), and ScSZ were mixed. For screen printing, a 30 ㎛ thick mesh substrate and the air electrode mixture powder were used to form a circle with a diameter of 7.5 mm in the center of the solid electrolyte layer. Afterwards, heat treatment was performed in air at 1200°C for 2 hours to produce a cell.
제조예 2 : STS계 금속지지체형 고체산화물 연료전지Manufacturing Example 2: STS-based metal support type solid oxide fuel cell
STS계 금속지지체의 제조Manufacturing of STS-based metal support
STS434L(Fe/16.5Cr/1Mo/0.2Ni/0.1Mn/0.0055S/0.017C/0.025P/0.8Si, 호가나스)분말, 에탄올(SAMCHUN, 순도 99.9%) 및 바인더(PVB-76, SAMCHUN, 순도 99.9%)을 혼합하여 볼밀링하여 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 슬러리를 테이프 캐스팅(Tape casting machine이용, STC-14C) 공정을 이용하여 후막형태의 테이프 성형체를 제작하였다.STS434L (Fe/16.5Cr/1Mo/0.2Ni/0.1Mn/0.0055S/0.017C/0.025P/0.8Si, Hoganas) powder, ethanol (SAMCHUN, purity 99.9%) and binder (PVB-76, SAMCHUN, purity 99.9%) was mixed and ball milled to prepare a slurry. The prepared slurry was used to produce a thick film-type tape molded body using a tape casting (STC-14C) process.
접촉층(contacting layer)의 제조Preparation of contacting layer
Crofer22(Fe/22Cr/0.8Ti/0.5Mn/0.002S/0.005C/0.016P/0.006La, thyssenkrupp), 8YSZ((Y2O3)0.08(ZrO2)0.92, Kceracell, 0.22um, 50 wt%) 또는 ScSZ-6(6 mol% Sc2O3) 20g, 에탄올(SAMCHUN, 순도 99.9%) 및 바인더(PVB-76, SAMCHUN, 99%)를 혼합 후 볼밀링하여 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 슬러리를 테이프 캐스팅(Tape casting machine이용, STC-14C) 공정을 이용하여 후막형태의 테이프 성형체를 제작하였다.Crofer22(Fe/22Cr/0.8Ti/0.5Mn/0.002S/0.005C/0.016P/0.006La, thyssenkrupp), 8YSZ((Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 , Kceracell, 0.22um, 50 wt% ) or 20 g of ScSZ-6 (6 mol% Sc 2 O 3 ), ethanol (SAMCHUN, purity 99.9%) and binder (PVB-76, SAMCHUN, 99%) were mixed and then ball milled to prepare a slurry. The prepared slurry was used to produce a thick film-type tape molded body using a tape casting (STC-14C) process.
Ni, ScSZ(Ce, Gd) 및 LST37를 포함하는 연료극(음극)층의 제조Manufacture of anode (cathode) layer containing Ni, ScSZ (Ce, Gd) and LST37
NiO(Kceracell), 10ScSZ(10 % Sc2O3, 0.5% CeO2 및 0.5 % Gd2O3가 도핑된 ZrO2, Kceracell), LST37(La0.7Sr0.3TiO3, Kceracell), 에탄올(SAMCHUN, 순도 99.9%) 및 바인더(PVB-76, SAMCHUN, 99%)를 혼합한 후 볼밀링하여 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 슬러리를 테이프 캐스팅(Tape casting machine이용, STC-14C) 공정을 이용하여 후막형태의 테이프 성형체를 제작하였다.NiO (Kceracell), 10ScSZ (ZrO 2 doped with 10 % Sc 2 O 3 , 0.5% CeO 2 and 0.5 % Gd 2 O 3 , Kceracell), LST37 (La 0.7 Sr 0.3 TiO 3 , Kceracell), ethanol (SAMCHUN, Purity 99.9%) and binder (PVB-76, SAMCHUN, 99%) were mixed and then ball milled to prepare a slurry. The prepared slurry was used to produce a thick film-type tape molded body using a tape casting (STC-14C) process.
ScSZ(Ce, Gd) 고체전해질층의 제조Manufacturing of ScSZ (Ce, Gd) solid electrolyte layer
10ScSZ(10% Sc2O3, 0.5% CeO2 및 0.5% Gd2O3가 도핑된 ZrO2, Kceracell), 에탄올(SAMCHUN, 순도 99.9%) 및 바인더(PVB-76, SAMCHUN, 99%)를 혼합 후 볼밀링하여 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 슬러리를 테이프 캐스팅(Tape-casting machine이용, STC-14C) 공정을 이용하여 후막형태의 테이프 성형체를 제작하였다.10ScSZ (ZrO 2 doped with 10% Sc 2 O 3 , 0.5% CeO 2 and 0.5% Gd 2 O 3 , Kceracell), ethanol (SAMCHUN, 99.9% purity) and binder (PVB-76, SAMCHUN, 99%). After mixing, a slurry was prepared by ball milling. A tape molded body in the form of a thick film was produced from the prepared slurry using a tape casting (using a tape-casting machine, STC-14C) process.
적층(lamination) 및 공소결(co-sinitering) 공정Lamination and co-sintering processes
상기 테이프 캐스팅 공정을 통해 얻은 후막형태의 테이프 성형체(금속지지체, 접촉층, 연료극층, 고체전해질층)들을 적층한 후, Hot pressing 공정(약 20MPa의 압력을 가함)을 진행하였다. 이후 수득한 적층체를 소결(1350 ℃, 4시간 유지)하였다.After stacking the thick film-shaped tape molded bodies (metal support, contact layer, anode layer, and solid electrolyte layer) obtained through the tape casting process, a hot pressing process (applying a pressure of about 20 MPa) was performed. Afterwards, the obtained laminate was sintered (maintained at 1350°C for 4 hours).
LSM 및 ScSZ(Ce, Gd)을 포함하는 공기극(양극)층과 이를 포함한 셀의 제조Manufacturing of an air electrode (anode) layer containing LSM and ScSZ (Ce, Gd) and a cell containing the same
공기극층의 제조를 위하여 LSM(Sr-doped LaMnO3) 및 10ScSZ(10 mol% Sc2O3-doped ZrO2)를 7:3의 부피비로 혼합하여 공기극층 분말을 제조하였다. 상기 수득한 소결체의 고체전해질층 위에 30 ㎛두께의 스크린 프린팅(screen printing)판을 이용하여 상기 공기극층 분말을 스크린 프린팅하여 공기극층을 형성하였다. 이 후, 1200 ℃에서 열처리하여 연료전지 셀을 수득하였다. To prepare the air cathode layer, LSM (Sr-doped LaMnO 3 ) and 10ScSZ (10 mol% Sc 2 O 3 -doped ZrO 2 ) were mixed at a volume ratio of 7:3 to prepare air cathode layer powder. An air cathode layer was formed by screen printing the air cathode layer powder on the solid electrolyte layer of the obtained sintered body using a screen printing plate with a thickness of 30 μm. Afterwards, heat treatment was performed at 1200°C to obtain a fuel cell.
비교예 1 : 접촉층이 없는 Ni계 금속지지체형 고체산화물 연료전지Comparative Example 1: Ni-based metal support type solid oxide fuel cell without contact layer
접촉층을 제외한 나머지 층은 제조예 1과 같은 방식으로 제조하였다.The remaining layers except the contact layer were manufactured in the same manner as Preparation Example 1.
비교예 2 : 접촉층이 없는 STS계 금속지지체형 고체산화물 연료전지Comparative Example 2: STS-based metal support type solid oxide fuel cell without contact layer
접촉층을 제외한 나머지 층은 제조예 2와 같은 방식으로 제조하였다.The remaining layers except the contact layer were manufactured in the same manner as Preparation Example 2.
도 2는 Ni계 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 환원 전·후 미세구조를 비교한 단면도이다. 도 2(a) 및 (b)는 환원 전 미세구조를 나타내며, 도 2(c) 및 (d)는 환원 후 미세구조를 나타낸다. 또한, 도 2(a) 및 (c)는 접촉층을 포함한 연료전지를 나타내고, 도 2(b) 및 (d)는 접촉층을 포함하지 않는 연료전지를 나타낸다.Figure 2 is a cross-sectional view comparing the microstructure of a Ni-based metal support type solid oxide fuel cell before and after reduction. Figures 2(a) and (b) show the microstructure before reduction, and Figures 2(c) and (d) show the microstructure after reduction. Additionally, Figures 2(a) and (c) show a fuel cell including a contact layer, and Figures 2(b) and (d) show a fuel cell not including a contact layer.
환원 전·후 미세구조를 비교한 결과, 접촉층을 포함하지 않은 연료전지를 사용한 도 2(b) 및 (d)에서 금속지지체와 연료극층의 미세구조는 밀도 및 입자크기의 차이가 큰 것을 확인할 수 있다. 상기 밀도 및 입자크기의 큰 차이로 인하여 연료전지 셀을 구성하는 층 사이에 큰 변형을 유발시킬 뿐만 아니라, 층 사이 정합성(compatibility)이 나빠 연료전지 셀 내에서 열구배(thermal gradient)시 쉽게 파괴될 수 있다. 또한, 금속지지체로부터 연료극층까지 기공도(porosity)가 급격하게 변화할 경우 가스 유동이나 분포에 큰 차이를 유발시킬 수 있다.As a result of comparing the microstructure before and after reduction, it was confirmed that the microstructure of the metal support and anode layer in Figures 2(b) and (d) using a fuel cell without a contact layer had a large difference in density and particle size. You can. Due to the large difference in density and particle size, not only does it cause large deformation between the layers constituting the fuel cell cell, but the compatibility between the layers is poor, so it can be easily destroyed during a thermal gradient within the fuel cell cell. You can. Additionally, if the porosity changes suddenly from the metal support to the anode layer, it may cause a large difference in gas flow or distribution.
한편, 도 2(a) 및 (c)를 참조하면, 연료전지 셀 내에 상기 접촉층을 삽입함으로써 금속지지체와 연료극층 사이의 미세구조 차이가 완화됨을 확인할 수 있다. 연료전지 셀 내 미세구조 차이가 완화됨에 따라, 층 사이에 변형이 감소하며, 열파단(thermal fracture)이 저감되고, 정합성(compatibility)이 향상되어 내·외부 충격(stress)에 대한 저항성이 증가할 수 있다. 또한, 금속지지체로부터 연료극층까지 기공도(porosity)의 급격한 변화를 감소시킴으로써, 가스 유동이나 분포 및 전류의 흐름을 원활하게 할 수 있다. 따라서, 접촉층이 연료전지 셀 내에 포함된 경우 환원 전·후에 미세구조의 변화가 현저히 감소함을 확인할 수 있다.Meanwhile, referring to Figures 2(a) and (c), it can be seen that the microstructure difference between the metal support and the anode layer is alleviated by inserting the contact layer into the fuel cell cell. As microstructural differences within the fuel cell cell are alleviated, strain between layers is reduced, thermal fracture is reduced, compatibility is improved, and resistance to internal and external stress increases. You can. Additionally, by reducing rapid changes in porosity from the metal support to the anode layer, gas flow or distribution and current flow can be smoothed. Therefore, it can be seen that when the contact layer is included in the fuel cell cell, the change in microstructure before and after reduction is significantly reduced.
도 3은 STS계 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 미세구조를 비교한 단면도이다. 도 3(a)는 접촉층을 포함한 연료전지를 나타내고, 도 3(b)는 접촉층을 포함하지 않는 연료전지를 나타낸다. 도 3(a)와 (b)를 비교하면, 연료전지 셀 내에 접촉층을 포함한 도 3(a)의 경우 금속지지체와 연료극층 사이의 미세구조 차이가 완화됨을 확인할 수 있다.Figure 3 is a cross-sectional view comparing the microstructure of the STS-based metal support type solid oxide fuel cell. Figure 3(a) shows a fuel cell including a contact layer, and Figure 3(b) shows a fuel cell not including a contact layer. Comparing Figures 3(a) and (b), it can be seen that in the case of Figure 3(a), which includes a contact layer in the fuel cell cell, the difference in microstructure between the metal support and the anode layer is alleviated.
<평가예들><Evaluation examples>
밀도실험density experiment
연료전지 셀을 구성하는 각 층의 밀도를 측정하기 위하여 이미지J 프로그램을 이용하였다. 상기 이미지J 프로그램을 통해, 먼저 각 층의 SEM 이미지를 스캔하였다. 이 때, 샘플은 밝게 나타나며 기공은 어둡게 나타나는데 이 비율을 통해 밀도가 측정되었다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀의 환원 전·후 및 접촉층의 여부에 따라 각 층의 밀도를 측정하였으며 이를 하기 표 1로 나타내었다.The Image J program was used to measure the density of each layer constituting the fuel cell cell. Through the ImageJ program, the SEM image of each layer was first scanned. At this time, the sample appeared bright and the pores appeared dark, and the density was measured through this ratio. The density of each layer was measured before and after reduction of the fuel cell according to an embodiment of the present invention and depending on the presence or absence of a contact layer, and the results are shown in Table 1 below.
연료전지의 환원 전·후 상기 연료전지를 구성하는 셀 내 각 층들의 밀도를 관찰한 결과 상기 표 1에서와 같이 환원 전 접촉층의 밀도는 금속지지체의 밀도보다는 크고 연료극층의 밀도보다는 작은 것으로 나타났다. 또한 환원 후에도 접촉층의 밀도는 금속지지체와 연료극층 밀도 사이에 형성됨을 알 수 있다. 따라서 상기 접촉층이 추가됨으로써 금속지지체와 연료극층 사이의 미세구조 차이가 완화됨을 확인할 수 있다.As a result of observing the density of each layer in the cell constituting the fuel cell before and after reduction, as shown in Table 1 above, the density of the contact layer before reduction was found to be greater than the density of the metal support and less than the density of the anode layer. . In addition, it can be seen that even after reduction, the density of the contact layer is formed between the density of the metal support and the anode layer. Therefore, it can be confirmed that the difference in microstructure between the metal support and the anode layer is alleviated by adding the contact layer.
열팽창계수의 측정Measurement of thermal expansion coefficient
연료전지 셀을 구성하는 각 층의 열팽창 계수를 측정하기 위하여 열기계 분석장치(TA Instrument, Q400)를 사용하여 하중 0.1 N, N2 flow 100 ㎖/min의 측정 조건 하에서 측정하였다. 하기 표 2에 제조예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지 셀을 구성하는 각 층의 열팽창계수를 기재하였다.To measure the thermal expansion coefficient of each layer constituting the fuel cell cell, a thermomechanical analysis device (TA Instrument, Q400) was used to measure the temperature under the conditions of a load of 0.1 N and a N 2 flow of 100 mL/min. Table 2 below lists the thermal expansion coefficient of each layer constituting the fuel cell manufactured according to Preparation Example 1 and Comparative Example 1.
표 2를 참조하면, 제조예 1에 삽입된 접촉층의 열팽창계수가 13.5 내지 16.5 ppm/℃로 나타났으며, 그 값이 금속지지체와 연료극층 각각의 열팽창계수 사이에 존재하여 열팽창계수 구배(gradient)를 가질 수 있다. 상기 열팽창계수 구배(gradient)를 갖는 제조예 1의 경우, 비교예 1과 비교하여 열파단(thermal fracture)이 저감되고, 정합성(compatibility)이 향상되어 내·외부 충격(stress)에 대한 저항성 증가로 인한 연료전지 셀의 층간 박리를 억제할 수 있다.Referring to Table 2, the thermal expansion coefficient of the contact layer inserted in Preparation Example 1 was found to be 13.5 to 16.5 ppm/℃, and the value was between the thermal expansion coefficients of the metal support and the anode layer, resulting in a thermal expansion coefficient gradient. ) can have. In the case of Preparation Example 1 having the thermal expansion coefficient gradient, thermal fracture is reduced and compatibility is improved compared to Comparative Example 1, resulting in increased resistance to internal and external stress. Delamination between layers of fuel cell cells can be suppressed.
응력실험stress test
연료전지 셀의 수명 평가를 위하여, 셀의 파괴에 기인하는 응력을 측정하였다. 상기 응력은 셀의 층 사이 접촉면의 미시적인 기공이나 구조물의 불연속 부위를 통해 나타날 수 있다. To evaluate the lifespan of a fuel cell, the stress resulting from cell destruction was measured. The stress may appear through microscopic pores at the contact surface between cell layers or discontinuous areas of the structure.
도 4는 금속지지체 상부에 접촉층(제조예 1) 또는 연료극층(비교예 1)이 각각 적층된 경우 형성되는 곡률 반경이다. 도 4(a)와 도 4(b)를 비교하면, 접촉층이 적층된 도 4(a)의 경우 연료극층이 적층된 도 4(b)에 비하여 상대적으로 입자 크기가 크게 나타나므로 상기 접촉층과 금속지지체 계면에서 나타나는 곡률 반경 또한 넓게 나타날 수 있다. 상기 곡률 반경 및 하기 식 1을 이용하여 제조예 1과 비교예 1의 연료전지 셀에 가해지는 응력을 계산하였으며 이를 하기 표 3에 나타내었다.Figure 4 shows the radius of curvature formed when a contact layer (Preparation Example 1) or an anode layer (Comparative Example 1) is laminated on the top of the metal support, respectively. Comparing FIGS. 4(a) and 4(b), the particle size in FIG. 4(a) with the contact layer laminated appears to be relatively larger compared to FIG. 4(b) with the anode layer laminated, so the contact layer The radius of curvature that appears at the interface between the metal support and the metal support can also be wide. The stress applied to the fuel cell of Preparation Example 1 and Comparative Example 1 was calculated using the radius of curvature and Equation 1 below, and is shown in Table 3 below.
[식 1][Equation 1]
이 때, σm는 파괴가 일어나기 직전까지 버틸 수 있는 최대 응력이며, σ0는 공칭 작용 인장 응력이고, a는 표면/내부 균열의 길이이며, ρ t는 균열 부분의 곡률 반경이다.At this time, σ m is the maximum stress that can be withstood just before failure occurs, and σ 0 is is the nominal applied tensile stress, a is the length of the surface/internal crack, and ρ t is This is the radius of curvature of the crack area.
표 3을 참조하면, 제조예 1 및 비교예 1에서 σm(최대 응력)값이 각각 28σ0(a)1/2, 63σ0(a)1/2 로 나타났으며, 접촉층이 있는 제조예 1의 경우 접촉층이 없는 비교예 1과 비교하여 σm(최대 응력)값이 1/2 이하로 감소함을 확인할 수 있다. 따라서, 접촉층이 있는 경우 연료전지 셀에 가해지는 응력이 현저히 감소하여 상기 연료전지 셀 내에서 층간 박리를 억제하고 나아가 연료전지 셀의 수명 증가 및 열 사이클 특성의 개선 효과를 기대할 수 있다.Referring to Table 3, in Preparation Example 1 and Comparative Example 1 The σ m (maximum stress) values were found to be 28σ 0 (a) 1/2 and 63σ 0 (a) 1/2 , respectively, and in the case of Preparation Example 1 with a contact layer, compared to Comparative Example 1 without a contact layer. It can be seen that the σ m (maximum stress) value decreases to less than 1/2. Therefore, in the case where the contact layer is present, the stress applied to the fuel cell cell is significantly reduced, thereby suppressing interlayer delamination within the fuel cell cell, and further increasing the lifespan of the fuel cell cell and improving thermal cycle characteristics can be expected.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.Above, the present invention has been described in detail with preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes can be made by those skilled in the art within the technical spirit and scope of the present invention. Change is possible.
10: 고체산화물 연료전지 14: 고체전해질층
11: 금속지지체 15: 보호층
12: 접촉층 16: 공기극층
13: 연료극층 17: 집전체10: solid oxide fuel cell 14: solid electrolyte layer
11: metal support 15: protective layer
12: contact layer 16: air electrode layer
13: anode layer 17: current collector
Claims (16)
상기 금속지지체 상부에 적층되며 가스와 전기는 통과시키면서 미세구조적 측면에서 완충 역할을 하는 접촉층;
상기 접촉층의 상부에 적층되며, 이온화된 산소이온과 주입된 수소를 결합하여 물과 전자를 생산하는 연료극층;
상기 연료극층의 상부에 적층되며, 수소와 공기가 섞이는 것을 막음과 동시에 산소이온을 통과시키는 고체전해질층; 및
상기 고체전해질층 상부에 적층되며, 주입된 공기를 환원시켜 산소이온을 생산하는 공기극층;을 포함하고,
상기 접촉층은 상기 금속지지체가 가지는 조성과 상기 연료극층이 가지는 조성이 혼합된 것으로 20 um 내지 30 um의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지.metal support;
A contact layer laminated on the metal support and passing gas and electricity while acting as a buffer in terms of microstructure;
an anode layer laminated on top of the contact layer and producing water and electrons by combining ionized oxygen ions and injected hydrogen;
A solid electrolyte layer laminated on top of the anode layer, which prevents hydrogen and air from mixing and at the same time allows oxygen ions to pass through; and
It includes an air electrode layer laminated on top of the solid electrolyte layer and producing oxygen ions by reducing the injected air,
A metal support type solid oxide fuel cell, wherein the contact layer is a mixture of the composition of the metal support and the composition of the anode layer and has a thickness of 20 um to 30 um.
상기 고체전해질층과 상기 공기극층 사이에 보호층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지.According to paragraph 1,
A metal support type solid oxide fuel cell comprising a protective layer between the solid electrolyte layer and the air electrode layer.
상기 보호층은 Ce1-yLnyO2-β(Ln=Gd, Sm, Nd 또는 La, y=0.1∼0.3, β=0∼0.2)을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지.According to paragraph 2,
The protective layer is a metal support type solid oxide fuel cell containing Ce 1-y Ln y O 2-β (Ln=Gd, Sm, Nd or La, y=0.1∼0.3, β=0∼0.2).
상기 공기극층 상부에 적층된 집전체를 더 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지.According to paragraph 1,
A metal support type solid oxide fuel cell further comprising a current collector stacked on the upper part of the air electrode layer.
상기 금속지지체는 Ni 금속, Ni-Fe 합금 및 STS(Stainless Steel)계 중 어느 하나인 금속지지체형 고체산화물 연료전지.According to paragraph 1,
A metal support type solid oxide fuel cell in which the metal support is one of Ni metal, Ni-Fe alloy, and STS (Stainless Steel).
상기 연료극층은 NiO와 희토류-도핑 지르코니아 복합체 또는 NiO와 희토류-도핑 세리아 복합체인 금속지지체형 고체산화물 연료전지.According to paragraph 1,
A metal support type solid oxide fuel cell in which the anode layer is a composite of NiO and rare earth-doped zirconia or a composite of NiO and rare earth-doped ceria.
상기 고체전해질층은 희토류-도핑 지르코니아계 산화물, 희토류-도핑 세리아계 산화물 및 페로브스카이트계 산화물 중 어느 하나인 금속지지체형 고체산화물 연료전지.According to paragraph 1,
A metal support type solid oxide fuel cell in which the solid electrolyte layer is any one of rare earth-doped zirconia-based oxide, rare-earth-doped ceria-based oxide, and perovskite-based oxide.
상기 접촉층의 상기 금속지지체 성분과 상기 연료극층 성분이 7:3 내지 6:4의 부피비를 갖는 금속지지체형 고체산화물 연료전지.According to paragraph 1,
A metal support type solid oxide fuel cell in which the metal support component of the contact layer and the anode layer component have a volume ratio of 7:3 to 6:4.
상기 접촉층의 입자 크기는 0.3 ㎛ 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지.According to paragraph 1,
A metal support type solid oxide fuel cell, characterized in that the particle size of the contact layer is 0.3 ㎛ to 30 ㎛.
상기 접촉층의 열팽창계수는 10 (ppm/℃) 내지 20 (ppm/℃)인 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지.According to paragraph 1,
A metal support type solid oxide fuel cell, characterized in that the thermal expansion coefficient of the contact layer is 10 (ppm/℃) to 20 (ppm/℃).
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