KR102674322B1 - Current collector containing noble metal paste and 2D metal oxide, solid oxide fuel cell using same, and method for manufacturing same - Google Patents
Current collector containing noble metal paste and 2D metal oxide, solid oxide fuel cell using same, and method for manufacturing same Download PDFInfo
- Publication number
- KR102674322B1 KR102674322B1 KR1020210120121A KR20210120121A KR102674322B1 KR 102674322 B1 KR102674322 B1 KR 102674322B1 KR 1020210120121 A KR1020210120121 A KR 1020210120121A KR 20210120121 A KR20210120121 A KR 20210120121A KR 102674322 B1 KR102674322 B1 KR 102674322B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- fuel cell
- layer
- oxide fuel
- solid oxide
- support
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 59
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 43
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 title claims abstract description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 title claims description 13
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 167
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 44
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 30
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 29
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 25
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 24
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 21
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 19
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 claims description 18
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 15
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 13
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 12
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 claims description 10
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 claims description 10
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 9
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 8
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 8
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910018871 CoO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 7
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000007888 film coating Substances 0.000 claims description 6
- 238000009501 film coating Methods 0.000 claims description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 230000001680 brushing effect Effects 0.000 claims description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910003271 Ni-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 21
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000010408 film Substances 0.000 description 7
- 229910002204 La0.8Sr0.2MnO3 Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 4
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001548 drop coating Methods 0.000 description 4
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 4
- VDZOOKBUILJEDG-UHFFFAOYSA-M tetrabutylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC VDZOOKBUILJEDG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 229910052777 Praseodymium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 3
- 238000000349 field-emission scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002261 Corn starch Polymers 0.000 description 2
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052693 Europium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052689 Holmium Inorganic materials 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052765 Lutetium Inorganic materials 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012700 ceramic precursor Substances 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000008120 corn starch Substances 0.000 description 2
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002080 8 mol% Y2O3 fully stabilized ZrO2 Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229910002132 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002131 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3–δ Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002130 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ Inorganic materials 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hcl hcl Chemical compound Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
- H01M4/8621—Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
- H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
- H01M4/8885—Sintering or firing
- H01M4/8889—Cosintering or cofiring of a catalytic active layer with another type of layer
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
- H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0223—Composites
- H01M8/0226—Composites in the form of mixtures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0241—Composites
- H01M8/0243—Composites in the form of mixtures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
- H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
귀금속 페이스트 및 2D 금속산화물을 포함하는 전류집전체를 적용한 고체산화물 연료전지 셀과 그 제조방법을 제공한다. 상기 전류집전체는 귀금속 페이스트에 2D 금속산화물을 첨가함으로써 전류집전체의 가스의 흐름을 원활하게 할 뿐만 아니라, 상기 전류집전체의 미세구조적 측면에서 구배를 줌으로써 수명 증가 및 열 사이클 특성이 개선된 고체산화물 연료전지를 제공한다. A solid oxide fuel cell using a current collector containing precious metal paste and 2D metal oxide and a method for manufacturing the same are provided. The current collector is a solid that not only facilitates the flow of gas in the current collector by adding 2D metal oxide to the precious metal paste, but also increases the lifespan and improves thermal cycle characteristics by providing a gradient in the microstructure of the current collector. An oxide fuel cell is provided.
Description
본 발명은 고체산화물 연료전지 셀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 귀금속 페이스트 및 2D 금속산화물을 포함하는 전류집전체와 이를 이용한 고체산화물 연료전지 셀 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more specifically, to a current collector containing precious metal paste and 2D metal oxide, a solid oxide fuel cell using the same, and a method of manufacturing the same.
최근 전자제품의 소형화, 다기능화, 경량화 및 공정절감 추세에 따라 박막 및 후막의 제조기법은 미세 패턴화, 다층화, 대면적화, 저온공정 등이 전자제품 제조 공정의 주류를 이루고 있다.Recently, with the trend of miniaturization, multi-functionality, weight reduction, and process reduction of electronic products, thin-film and thick-film manufacturing techniques such as micro-patterning, multi-layering, large-area, and low-temperature processes have become the mainstream of electronic product manufacturing processes.
후막기법이란 스크린 인쇄 공정 등으로 기판 위에 막을 형성시킨 후, 적당한 온도에서 소결하는 것을 말한다. 이 중, 전극제조에 대한 후막기술은 주로 도전성을 갖는 귀금속 페이스트를 기판 위에 코팅하는 것으로, 상기 코팅은 스크린 프린팅, 스프레이 코팅 및 브러싱(brushing) 중 어느 하나일 수 있다.The thick film technique refers to forming a film on a substrate through a screen printing process, etc., and then sintering it at an appropriate temperature. Among these, the thick film technology for electrode manufacturing mainly involves coating a conductive noble metal paste on a substrate, and the coating may be any one of screen printing, spray coating, and brushing.
귀금속 페이스트는 은(Ag), 백금(Pt) 및 금(Au) 등이 있으며 특히, 은(Ag) 페이스트는 화학적으로 안정하고, 전도성이 우수하여 전자부품의 후막공정에서 접착제 또는 코팅제로 사용되고 있다. 페이스트의 도전성, 코팅층의 접착력 등은 원재료인 은(Ag) 분말 형상의 영향을 크게 받기 때문에 우수한 페이스트를 제조하기 위해서는 금속 분말의 형상을 제어할 수 있는 기술이 필요하다. Precious metal pastes include silver (Ag), platinum (Pt), and gold (Au). In particular, silver (Ag) paste is chemically stable and has excellent conductivity, so it is used as an adhesive or coating agent in the thick film process of electronic components. Since the conductivity of the paste and the adhesion of the coating layer are greatly influenced by the shape of the raw material silver (Ag) powder, technology that can control the shape of the metal powder is required to produce an excellent paste.
현재 사용되는 은(Ag) 페이스트는 고체산화물 연료전지 셀의 전류집전체에 적용할 수 있으나, 상기 연료전지 셀을 고온에서 작동시 상기 전류집전체의 미세구조가 치밀화되어 가스의 흐름을 방해할 뿐만 아니라 수명 및 열 사이클 특성 감소와 같은 문제점이 있다.Silver (Ag) paste currently used can be applied to the current collector of a solid oxide fuel cell, but when the fuel cell is operated at high temperature, the microstructure of the current collector becomes dense, which not only impedes the flow of gas. In addition, there are problems such as reduced lifespan and thermal cycle characteristics.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 연료전지 셀 내 전류집전체의 미세구조 변화를 방지하기 위하여 귀금속 페이스트 및 2D 금속산화물을 포함하는 전류집전체와 이를 적용한 고체산화물 연료전지 셀 및 그 제조방법을 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a current collector containing precious metal paste and 2D metal oxide, a solid oxide fuel cell using the same, and a method of manufacturing the same to prevent changes in the microstructure of the current collector within the fuel cell. there is.
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 고체산화물 연료전지 셀을 제공한다. 고체산화물 연료전지 셀은 지지체, 상기 지지체의 상부에 적층되며, 이온화된 산소이온과 주입된 수소를 결합하여 물과 전자를 생산하는 연료극층, 상기 연료극층의 상부에 적층되며, 수소와 공기가 섞이는 것을 막음과 동시에 산소이온을 통과시키는 고체전해질층, 상기 고체전해질층 상부에 적층되며, 주입된 공기를 환원시켜 산소이온을 생산하는 공기극층 및 상기 공기극층 상부에 적층되며, 귀금속 페이스트 및 2D 금속산화물을 포함하는 전류집전체;를 포함하며, 상기 지지체는 금속지지체 또는 세라믹지지체 중 어느 하나일 수 있다.In order to achieve the above technical problem, one aspect of the present invention provides a solid oxide fuel cell. The solid oxide fuel cell cell includes a support, a fuel electrode layer that combines ionized oxygen ions and injected hydrogen to produce water and electrons, and a support, stacked on top of the support, and a fuel electrode layer that produces water and electrons, and is stacked on top of the fuel electrode layer, where hydrogen and air are mixed. A solid electrolyte layer that blocks oxygen ions and passes oxygen ions at the same time, laminated on top of the solid electrolyte layer, an air electrode layer that produces oxygen ions by reducing injected air, and laminated on top of the air cathode layer, precious metal paste and 2D metal oxide A current collector comprising a; and the support may be either a metal support or a ceramic support.
상기 고체전해질층과 상기 공기극층 사이에 보호층을 포함할 수 있다.A protective layer may be included between the solid 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 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 세라믹지지체는 NiO와 희토류-도핑 지르코니아 복합체, NiO와 희토류-도핑 세리아 복합체, 희토류-도핑 지르코니아 복합체 및 희토류-도핑 세리아 중 어느 하나인일 수 있다.The ceramic support may be any one of NiO and rare earth-doped zirconia composite, NiO and rare earth-doped ceria composite, rare earth-doped zirconia composite and rare earth-doped ceria.
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 포함할 수 있다.The anode layer may further include any one or more of perovskite-based oxide and CeO 2 .
상기 지지체와 연료극층 사이에 삽입되며 가스와 전기는 통과시키면서 미세구조적 측면에서 완충 역할을 하는 접촉층을 포함할 수 있다.It is inserted between the support and the anode layer and may include a contact layer that passes gas and electricity and acts as a buffer in terms of microstructure.
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 공기극층의 조성으로 페로브스카이트계 산화물을 포함할 수 있다.The composition of the air cathode layer may include perovskite-based oxide.
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 고체전해질층은 희토류-도핑 지르코니아계 산화물, 희토류-도핑 세리아계 산화물 및 페로브스카이트계 산화물 중 어느 하나일 수 있다.The solid 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).
본 발명의 다른 측면은 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법을 제공한다. 상기 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법은 지지체를 준비하는 제1단계, 상기 지지체의 상부에 연료극층을 적층하는 제2단계, 상기 연료극층의 상부에 상기 고체전해질층을 적층하는 제3단계, 상기 제1단계 내지 제4단계에서 적층된 복합체를 공소결하는 제4단계, 상기 복합체 내 고체전해질층의 상부에 공기극층을 적층하는 제5단계 및 상기 공기극층 상부에 전류집전체를 적층하는 제6단계를 포함할 수 있다.Another aspect of the present invention provides a method for manufacturing a solid oxide fuel cell. The manufacturing method of the solid oxide fuel cell includes a first step of preparing a support, a second step of laminating an anode layer on top of the support, a third step of laminating the solid electrolyte layer on top of the anode layer, A fourth step of co-sintering the composite laminated in steps 1 to 4, a fifth step of laminating an air cathode layer on top of the solid electrolyte layer in the composite, and a sixth step of laminating a current collector on top of the air cathode layer. may include.
상기 제1단계 이후, 상기 연료극층을 적층하기 전에 상기 지지체의 상부에 접촉층을 적층할 수 있다.After the first step, a contact layer may be laminated on the support before lamination of the anode layer.
상기 제4단계 이후, 상기 공기극층을 적층하기 전에 상기 공소결된 복합체의 고체전해질층 상부에 보호층을 적층할 수 있다.After the fourth step, a protective layer may be laminated on the solid electrolyte layer of the co-sintered composite before lamination of the air cathode layer.
상기 제6단계에서 상기 공기극층 상부에 전류집전체의 형성은 후막 코팅법으로 슬러리를 이용하여 적층하는 것이고,In the sixth step, the current collector is formed on the upper part of the air electrode layer by laminating it using a slurry using a thick film coating method,
상기 후막 코팅법은 스크린 프린팅, 스프레이 코팅 및 브러싱(brusing) 중 어느 하나일 수 있다.The thick film coating method may be any one of screen printing, spray coating, and brushing.
상기 슬러리는 귀금속 페이스트와 2D 금속산화물을 포함할 수 있다.The slurry may include noble metal paste and 2D metal oxide.
상기 귀금속 페이스트와 상기 2D 금속산화물이 1 : 0.01 내지 1 : 0.1의 중량비로 혼합된 것일 수 있다.The noble metal paste and the 2D metal oxide may be mixed at a weight ratio of 1:0.01 to 1:0.1.
상기 귀금속 페이스트는 은(Ag) 페이스트, 백금(Pt) 페이스트 및 금(Au) 페이스트 중 어느 하나일 수 있다.The noble metal paste may be any one of silver (Ag) paste, platinum (Pt) paste, and gold (Au) paste.
상기 2D 금속산화물은 RuO2, IrO2, PbO2, PtO2, CoO2 및 MoO2 중 어느 하나일 수 있다.The 2D metal oxide may be any one of RuO 2 , IrO 2 , PbO 2 , PtO 2 , CoO 2 and MoO 2 .
상기 2D 금속산화물의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.The thickness of the 2D metal oxide may be 1 nm to 100 nm.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 귀금속 페이스트를 포함한 전류집전체에 2D 금속산화물을 첨가하여 상기 전류집전체의 미세구조 변화를 방지하고, 가스의 흐름을 원활하게 함으로써 수명 및 열 사이클 특성이 증가한 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, a 2D metal oxide is added to a current collector containing a precious metal paste to prevent changes in the microstructure of the current collector and to facilitate the flow of gas, thereby increasing the lifespan and thermal cycle characteristics of the solid. An oxide fuel cell and its manufacturing method can be provided.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법을 나타낸 플로우챠트이다.
도 3은 2D 금속산화물 나노시트의 합성을 도식화하여 나타낸 순서도이다.
도 4는 고상합성 및 화학적 박리법을 통해 수득한 2D 금속산화물들의 AFM이미지 및 FE-SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 2D 금속산화물이 첨가된 귀금속 페이스트를 포함하는 전류집전체가 적용된 고체산화물 연료전지 셀을 일정시간 동안 열처리한 후, 전류집전체의 미세구조 변화를 관찰한 사진이다.1 is a schematic diagram showing the structure of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flow chart showing a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flowchart schematically showing the synthesis of 2D metal oxide nanosheets.
Figure 4 is an AFM image and FE-SEM image of 2D metal oxides obtained through solid-phase synthesis and chemical exfoliation.
Figure 5 shows changes in the microstructure of the current collector after heat treatment for a certain period of time in a solid oxide fuel cell to which a current collector containing a precious metal paste to which 2D metal oxide was added was applied according to an embodiment of the present invention. It's a photo.
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.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 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, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is only intended to refer to specific embodiments 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” is to specify a specific characteristic, area, integer, step, operation, element and/or component, and to specify another specific property, area, integer, step, operation, element, component and/or group. It does not exclude the existence or addition of .
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 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.Although not defined differently, all terms including technical and scientific terms used herein 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.
또한, 본 명세서에서 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Additionally, in the drawings herein, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하에서는 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. These examples are merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 구조를 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 상기 지지체형 고체산화물 연료전지(10)는 지지체(11) 상부에 연료극층(12)이 적층되며, 연료극층의 상부에 고체전해질층(13)이 적층되고 고체전해질층 상부에 공기극층(14)이 적층되며, 상기 공기극층 상부에 전류집전체(15)가 적층되는 것일 수 있다. 1 is a schematic diagram showing the structure of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the support-type solid oxide fuel cell 10 has an anode layer 12 stacked on top of a support 11, a solid electrolyte layer 13 is stacked on top of the anode layer, and the top of the solid electrolyte layer An air electrode layer 14 may be stacked on the air electrode layer, and a current collector 15 may be stacked on top of the air electrode layer.
상기 지지체(11)는 금속지지체 또는 세라믹지지체 중 어느 하나일 수 있다. 상기 금속지지체를 포함한 연료전지는 금속지지체의 상부에 연료극층(12), 고체전해질층(13) 및 공기극층(14)이 후막 형태로 코팅된 것일 수 있으며, 금속지지체와 연료극층(12) 사이에 접촉층(미도시)이 추가로 삽입될 수 있다. 한편, 세라믹지지체를 포함한 연료전지는 세라믹지지체 상부에 연료극층(12), 고체전해질층(13) 및 공기극(14)을 후막 형태로 코팅한 것일 수 있다.The support 11 may be either a metal support or a ceramic support. The fuel cell including the metal support may be coated with an anode layer 12, a solid electrolyte layer 13, and an air electrode layer 14 in the form of a thick film on the top of the metal support, and between the metal support and the anode layer 12. A contact layer (not shown) may be additionally inserted. Meanwhile, a fuel cell including a ceramic support may be one in which an anode layer 12, a solid electrolyte layer 13, and an air electrode 14 are coated in the form of a thick film on the ceramic support.
상기 금속지지체는 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 같은 특성을 갖는 금속지지체용 소재는 Ni, Ni-Fe 합금 및 스테인리스강(STS) 중 어느 하나를 포함하며, 상기 스테인레스강은 특히, 페라이트계 스테인리스강(Ferritic Stainless Steel)일 수 있고, 제품명 STS434L와 독일의 티센크롬(Tyssenkrupp)사의 제품명 Crofer22H가 있다.The metal support 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/℃). desirable. Materials for metal supports having such characteristics include any one of Ni, Ni-Fe alloy, and stainless steel (STS), and the stainless steel may in particular be ferritic stainless steel, product name STS434L. and the product name Crofer22H from Germany's Tyssenkrupp.
상기 세라믹지지체는 연료극지지체 또는 전해질지지체일 수 있으며, 상기 연료극지지체는 NiO와 희토류-도핑 지르코니아(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)) 복합체 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)) 복합체일 수 있고, 상기 전해질지지체는 희토류-도핑 지르코니아 또는 희토류-도핑 세리아일 수 있다.The ceramic support may be an anode support or an electrolyte support, and the anode support may be 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 ; La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; Or it may be rare earth-doped ceria.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 지지체(11) 상부에 연료극층(12)이 적층될 수 있다. 상기 연료극층(12)에서는 외부로부터 주입된 연료인 수소와 고체전해질층(13)으로부터 이동한 이온화된 산화이온이 결합하여 물과 전자가 생성될 수 있다. 상기 연료극층(12)을 구성하는 성분인 세라믹 전구체 분말은 NiO와 희토류-도핑 지르코니아 복합체 또는 NiO와 희토류-도핑 세리아 복합체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 복합체에 페로브스카이트계 산화물 및 CeO2 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 이 때, 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 있으며, 구체적으로 La1-xAxGa1-yByO3(A=Sr, Ba; B=Mg, Ca)을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, an anode layer 12 may be laminated on the support 11. In the anode layer 12, hydrogen, which is a fuel injected from the outside, and ionized oxide ions moving from the solid electrolyte layer 13 combine to generate water and electrons. The ceramic precursor powder, which is a component of the anode layer 12, may include a NiO and rare earth-doped zirconia composite or a NiO and rare earth-doped ceria composite. Additionally, the composite may further include any one or more of perovskite-based oxide and CeO 2 . At this time, 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 a mixture of some or all of the following elements: (Mn), Ti, Cr, V, Ni, Co, Fe, Al, Nb, Mo Mg, and Ca, specifically La 1-x A x Ga 1-y It may include B y O 3 (A=Sr, Ba; B=Mg, Ca).
한편, 상기 지지체(11)로 금속지지체가 사용되는 경우, 접촉층(미도시)이 추가로 삽입될 수 있으며, 상기 접촉층(미도시)은 가스와 전기는 통과시키면서 미세구조적 측면에서 완충(buffer)기능을 한다. 구체적으로, 상기 금속지지체와 상기 연료극층(12)은 밀도 및 입자 크기 측면에서 차이가 커 가스의 흐름 차이 및 층간 큰 변형(strain)을 유발시킬 수 있다. 이 때, 상기 접촉층(미도시)을 상기 금속지지체와 연료극층(12) 사이에 위치시킴으로써 미세구조적 차이를 완화하는 완충기능을 할 뿐만 아니라, 상기 접촉층(미도시)은 금속지지체와 상기 연료극층(12)간의 열팽창계수 차이로 인한 층간 박리현상을 억제하는 역할을 할 수 있다.Meanwhile, when a metal support is used as the support 11, a contact layer (not shown) may be additionally inserted, and the contact layer (not shown) passes gas and electricity while providing a buffer in terms of microstructure. ) function. Specifically, the metal support and the anode layer 12 have a large difference in density and particle size, which may cause a difference in gas flow and a large strain between layers. At this time, by positioning the contact layer (not shown) between the metal support and the anode layer 12, not only does it serve as a buffer to alleviate the microstructural difference, but the contact layer (not shown) serves as a buffer between the metal support and the anode layer 12. It can play a role in suppressing interlayer delamination due to differences in thermal expansion coefficients between layers 12.
또한, 상기 접촉층(미도시)의 조성은 상기 금속지지체의 성분 및 상기 연료극층(12)의 성분을 혼합한 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 접촉층(미도시)의 성분은 금속지지체의 성분인 NiO2 또는 Crofer22H와 연료극층(12)의 성분인 희토류-도핑 지르코니아가 혼합된 것일 수 있다. 이 때, 상기 접촉층(미도시) 내에서 금속지지체의 성분과 연료극층(12)의 성분의 조성비는 9:1 내지 6:4일 수 있으며, 자세하게는 8:2 내지 6:4일 수 있고, 더욱 자세하게는 7:3 내지 6:4일 수 있다. Additionally, the composition of the contact layer (not shown) may be a mixture of components of the metal support and components of the anode layer 12. Specifically, the component of the contact layer (not shown) may be a mixture of NiO 2 or Crofer22H, which is a component of the metal support, and rare earth-doped zirconia, which is a component of the anode layer 12. At this time, the composition ratio of the components of the metal support and the components of the anode layer 12 in the contact layer (not shown) may be 9:1 to 6:4, and in detail, 8:2 to 6:4. , more specifically, it may be 7:3 to 6:4.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료극층(12)의 상부에 고체전해질층(13)이 적층될 수 있다. 상기 고체전해질층(13)은 수소와 공기가 섞이는 것을 방지함과 동시에 산소이온만을 통과시킬 수 있다. 또한, 상기 고체전해질층(13)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 13 may be stacked on top of the anode layer 12. The solid electrolyte layer 13 prevents hydrogen and air from mixing and allows only oxygen ions to pass through. Additionally, the component of the solid electrolyte layer 13 may be rare earth-doped zirconia, rare earth-doped ceria, or perovskite-based oxide.
한편, 상기 고체전해질층(13) 상부에 공기극층(14)이 적층될 수 있다. 상기 공기극층(14)은 외부로부터 공급된 공기를 환원시켜 산소이온을 생산할 수 있다. 또한, 상기 공기극층(14)의 성분은 페로브스카이트계 산화물이 포함된 전도체 단독으로나 혹은, 희토류-도핑 세리아의 소결된 분말 혼합물과 흑연 분말 등의 기공형성제를 포함할 수 있다. Meanwhile, an air cathode layer 14 may be laminated on the solid electrolyte layer 13. The air cathode layer 14 can produce oxygen ions by reducing air supplied from the outside. Additionally, the components of the air cathode layer 14 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.
구체적으로, 상기 공기극층(14)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%의 희토류-도핑 세리아를 포함할 수 있다. 이는 화학적 및 전술한 열팽창의 측면 모두에서 고체전해질층(13) 및 공기극층(14) 사이 호환성을 향상하는 데 도움이 되고, 이러한 세리아들은 높은 전하 수송률을 가지므로, 그들을 포함하는 것은 고체전해질층(13) 및 공기극층(14) 사이 양호한 전하 수송률을 보장할 수 있다.Specifically, the perovskite-based oxide contained in the cathode layer 14 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 20 to 50% by weight of rare earth-doped ceria, in some cases in the 30 to 45% by weight range, in some cases in the 35 to 45% by weight range, or approximately 40% by weight of rare earth-doped ceria as previously defined. You can. This helps to improve the compatibility between the solid electrolyte layer 13 and the cathode layer 14 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. A good charge transport rate between (13) and the air cathode layer (14) can be ensured.
더욱 구체적으로, 상기 공기극층(14)은 LSM(La0.8Sr0.2MnO3)와 같은 페로브스카이트계 산화물과 ScSZ(Sc-doped ZrO2)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 LSM이 공기극의 소재로 사용되거나 고체전해질층(13)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 14 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 13 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(14)으로 LSM 대신 LSCF((La0.6Sr0.4)(Co0.2Fe0.8)O3), BSCF(Br0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) 등 고성능 양극소재가 사용되거나 고체전해질층(13)으로 희토류-도핑 지르코니아가 사용되는 경우 고체전해질층(13)과 공기극층(14) 사이에 추가로 보호층(미도시)의 삽입이 필요할 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 14 instead of LSM. Alternatively, when rare earth-doped zirconia is used as the solid electrolyte layer 13, an additional protective layer (not shown) may need to be inserted between the solid electrolyte layer 13 and the air cathode layer 14.
상기 보호층(미도시)은 고체전해질층(13)과 공기극층(14) 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(미도시)을 Ce1-xLnxO2-δ(Ln=La, Gd, Sm, Nd 또는 Y, x=0.1∼0.3, δ=0∼0.2)로 이루어진 고체전해질층(13)과 비교하면, 상기 y는 x보다 크고, 상기 β는 δ보다 크도록 이루어질 수 있다.The protective layer (not shown) is located between the solid electrolyte layer 13 and the cathode layer 14 to prevent diffusion of the composition between the layers, thereby suppressing the generation of impurities, and Ce 1-y It may be composed of Ln y O 2-β (Ln=Gd, Sm, Nd or La, y=0.1∼0.3, β=0∼0.2). Here, the protective layer (not shown) is a solid electrolyte layer (13) 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) ), the y may be greater than x, and the β may be greater than δ.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 공기극층(14)의 상부에 전류집전체(15)가 적층될 수 있다. 상기 전류집전체(15)는 스택 내 전지로부터 전류가 수집되도록 하는 것으로, 도전성을 갖는 귀금속 페이스트에 2D 금속산화물이 도입된 것일 수 있다. 상기 귀금속 페이스트만으로 전류집전체(15)를 형성하는 경우, 연료전지 셀을 고온에서 작동시 상기 전류집전체(15)의 미세구조가 치밀화되어 가스의 흐름을 방해할 수 있다. 따라서, 상기 귀금속 페이스트에 2D 금속산화물을 첨가함으로써, 상기 전류집전체(15)의 미세구조가 치밀화되는 것을 저감 또는 방지할 수 있다. Additionally, according to one embodiment of the present invention, a current collector 15 may be stacked on top of the air cathode layer 14. The current collector 15 collects current from the battery in the stack, and may be a 2D metal oxide introduced into a conductive noble metal paste. When the current collector 15 is formed using only the precious metal paste, the microstructure of the current collector 15 may become dense when the fuel cell is operated at a high temperature, thereby impeding the flow of gas. Therefore, by adding 2D metal oxide to the noble metal paste, densification of the microstructure of the current collector 15 can be reduced or prevented.
이 때, 상기 전류집전체 내에서 귀금속 페이스트와 2D 금속산화물은 1 : 0.01 내지 1 : 1, 바람직하게는 1 : 0.01 내지 1 : 0.5, 더욱 바람직하게는 1 : 0.01 내지 1 : 0.1의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, in the current collector, the noble metal paste and the 2D metal oxide are mixed at a weight ratio of 1:0.01 to 1:1, preferably 1:0.01 to 1:0.5, more preferably 1:0.01 to 1:0.1. It may be characterized as being made, but is not limited thereto.
상기 귀금속 페이스트는 도전성의 filler, 유리분말인 유리 프릿(glass frit), 용제인 vehicle 등으로 구성되며, 상기 도전성 filler는 대부분 금속 분말로서 전극의 도전경로를 형성하고, 상기 유리 프릿은 열처리시 용융되어 도전성 filler의 치밀화를 유도할 뿐만 아니라 기재 상에 상기 도전성 filler를 고착시키는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 용제인 vehicle은 유기용매로서 상기 도전성 filler와 상기 프릿을 분산시켜 인쇄 작업성을 부여할 수 있다.The precious metal paste is composed of a conductive filler, glass frit, which is glass powder, and a vehicle, which is a solvent. The conductive filler is mostly a metal powder and forms a conductive path for the electrode, and the glass frit is melted during heat treatment. It can not only induce densification of the conductive filler but also serve to fix the conductive filler on the substrate. Additionally, the vehicle, which is the solvent, is an organic solvent that can disperse the conductive filler and the frit to provide printing workability.
상기 도전성 filler로 사용되는 금속 분말은 귀금속이 사용될 수 있으며, 상기 귀금속으로는 은(Ag), 금(Au) 및 백금(Pt) 등이 사용될 수 있다. 특히, 상기 은(Ag) 분말은 도전성이 양호하고 화학적으로도 안정되어 고체산화물 연료전지 셀의 전류집전체(15)로 사용될 수 있다.The metal powder used as the conductive filler may be a noble metal, and the noble metals may include silver (Ag), gold (Au), and platinum (Pt). In particular, the silver (Ag) powder has good conductivity and is chemically stable, so it can be used as the current collector 15 of a solid oxide fuel cell.
귀금속 페이스트의 주요 성분 중 하나인 유리 프릿은 가격이 저렴하고, 유전성, 절연성 및 내화학성이 요구되며, 접착시 고열로 인한 소자와의 반응을 억제하기 위해서 저융점화가 필수적일 수 있다. 또한, 피접착제와의 열응력 발생을 막기 위해서 재료 간 열팽창 계수의 정합도 요구되며, 이외에 피접착제와의 기밀성 및 안정성도 필요할 수 있다. Glass frit, one of the main components of precious metal paste, is inexpensive and requires dielectric properties, insulation, and chemical resistance, and low melting point may be essential to suppress reaction with the device due to high heat during bonding. In addition, matching thermal expansion coefficients between materials is required to prevent thermal stress from occurring with the adhesive, and airtightness and stability with the adhesive may also be required.
상기 유리 프릿은 예를 들어, 실리콘 산화물에 첨가물이 첨가된 것일 수도 있다. 상기 첨가물은 리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co), 보론(B), 칼륨(K), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 망간(Mn), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 인(P), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 납(Pb) 및 나트륨(Na) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 첨가물은 상기 열거한 원소로 제한되지 않는다.The glass frit may be, for example, silicon oxide with additives added. The additives include lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), boron (B), potassium (K), aluminum (Al), titanium (Ti), manganese (Mn), copper (Cu), and zirconium ( It may include at least one of Zr), phosphorus (P), zinc (Zn), bismuth (Bi), lead (Pb), and sodium (Na). The additives are not limited to the elements listed above.
한편, 상기 2D 금속산화물은 육방정계(hexagonal structure)를 갖는 2차원 평면 구조의 나노시트일 수 있다. 상기 2D 금속산화물은, 예를 들어 1 nm 내지 100 nm, 구체적으로 1 nm 내지 50 nm, 더욱 구체적으로는 1 nm 내지 30 nm 범위의 평균 두께를 가질 수 있다. 또한, 2D 금속산화물은 금속산화물로 구성된 나노시트가 단일층 또는 수 내지 수십층 적층된 복수층일 수 있으며, 구체적으로 1개 내지 30개의 나노시트층이 적층된 것일 수 있고, 더욱 구체적으로는 1개 내지 10개의 나노시트층이 적층된 것일 수 있다.Meanwhile, the 2D metal oxide may be a nanosheet with a two-dimensional planar structure having a hexagonal structure. The 2D metal oxide may have an average thickness ranging from, for example, 1 nm to 100 nm, specifically 1 nm to 50 nm, and more specifically, 1 nm to 30 nm. In addition, the 2D metal oxide may be a single layer or multiple layers of nanosheets made of metal oxide stacked from several to tens of layers, and may specifically be a stack of 1 to 30 nanosheet layers, and more specifically, 1 to 30 nanosheet layers. It may be a stack of up to 10 nanosheet layers.
상기 2D 금속산화물은 RuO2, IrO2, PdO2, PtO2, CoO2 또는 MoO2일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 특히, 상기 2D 금속산화물은 RuO2, CoO2 또는 MoO2일 수 있다.The 2D metal oxide may be RuO 2 , IrO 2 , PdO 2 , PtO 2 , CoO 2 or MoO 2 , but is not limited thereto. In particular, the 2D metal oxide may be RuO 2 , CoO 2 or MoO 2 .
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법을 나타낸 플로우챠트이다. 상기 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법은 지지체(11) 상부에 접촉층(미도시)이 선택적으로 형성되고 그 상부에 연료극층(12)이 형성되며 연료극층(12)의 상부에 고체전해질층(13)이 형성되고 고체전해질층(13) 상부에 보호층(미도시)이 선택적으로 형성되며 그 상부에 공기극층(14)이 형성되고 그 상부에 전류집전체(15)가 차례로 형성되는 것일 수 있다.Figure 2 is a flow chart showing a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. In the method of manufacturing the solid oxide fuel cell, a contact layer (not shown) is selectively formed on the support 11, an anode layer 12 is formed on the anode layer 12, and a solid electrolyte layer ( 13) is formed, a protective layer (not shown) is selectively formed on the solid electrolyte layer 13, an air electrode layer 14 is formed on the top, and a current collector 15 is sequentially formed on the top. there is.
도 2를 참조하면, 상기 고체산화물 연료전지 셀을 제조하기 위하여 먼저 지지체(11)를 제조한다(S101). 상기 지지체(11)의 제조는 금속 분말 및/또는 금속 산화물 분말이 포함된 혼합분말을 이용하여 펠렛(pellet)을 제작 후, 800 내지 1000 ℃에서 가소결(pre-sinitering)을 진행하는 것일 수 있다. 이 때, 상기 혼합분말에 사용된 금속은 니켈(Ni), 철(Fe), 크롬(Cr) 및 스테인레스강(STS)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 2종 이상의 금속의 합금, NiO와 희토류-도핑 지르코니아 복합체, NiO와 희토류-도핑 세리아 복합체, 희토류-도핑 지르코니아 복합체 또는 희토류-도핑 세리아일 수 있다. Referring to FIG. 2, in order to manufacture the solid oxide fuel cell, a support 11 is first manufactured (S101). Manufacturing of the support 11 may involve producing a pellet using a mixed powder containing metal powder and/or metal oxide powder, followed by pre-sintering at 800 to 1000°C. . At this time, the metal used in the mixed powder is one or more metals selected from the group consisting of nickel (Ni), iron (Fe), chromium (Cr), and stainless steel (STS), or an alloy of two or more metals, NiO It may be a rare earth-doped zirconia composite, a rare earth-doped ceria composite with NiO, a rare earth-doped zirconia composite, or a rare earth-doped ceria.
이 후, 상기 지지체(11)의 어느 한쪽 면에 연료극층(12)의 형성을 위하여 슬러리를 제작한 후 드랍코팅(drop-coating) 후 오븐에서 건조하였다(S102). 상기 슬러리는 세라믹 전구체 분말인 NiO와 희토류-도핑 지르코니아 복합체 또는 NiO와 희토류-도핑 세리아의 복합체를 포함할 수 있으며, 상기 복합체에 페로브스카이트계 산화물 및 CeO2 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.Afterwards, a slurry was prepared to form the anode layer 12 on one side of the support 11, followed by drop-coating and drying in an oven (S102). The slurry may include a ceramic precursor powder of NiO and a rare earth-doped zirconia composite or a composite of NiO and rare earth-doped ceria, and the composite may further include any one or more of perovskite-based oxide and CeO 2 . .
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 지지체(11)와 연료극층(12) 사이에 접촉층(미도시)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 접촉층(미도시)은 슬러리를 제작한 후 드랍코팅 후 오븐에서 건조하여 제조되며 지지체(11)와 연료극층(12) 사이에 적층 배치될 수 있다. 이 때, 상기 접촉층(미도시)에 사용된 슬러리는 상기 지지체(11)의 성분인 금속산화물 분말 및 상기 연료극층(12)의 성분을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the step of forming a contact layer (not shown) between the support 11 and the anode layer 12 may be further included, and the contact layer (not shown) is formed by producing a slurry. It is manufactured by drop coating and drying in an oven, and can be stacked and placed between the support 11 and the anode layer 12. At this time, the slurry used for the contact layer (not shown) may contain metal oxide powder, which is a component of the support 11, and components of the anode layer 12.
상기 고체전해질층(13) 또한, 상기 연료극층(12) 상부에 슬러리를 제작한 후 드랍코팅 후 오븐에서 건조하여 제조되며(S103), 상기 고체전해질층(13)에 사용된 슬러리는 희토류-도핑 지르코니아 분말, 희토류-도핑 세리아 분말 또는 페로브스카이트계 산화물 분말을 포함할 수 있다. 상기 슬러리를 이용한 드랍코팅을 통해 지지체(11), 접촉층(미도시), 연료극층(12) 및 고체전해질층(13)으로 구성된 적층체가 제조된다. The solid electrolyte layer 13 is also manufactured by preparing a slurry on the top of the anode layer 12, followed by drop coating and drying in an oven (S103), and the slurry used in the solid electrolyte layer 13 is rare earth-doped. It may include zirconia powder, rare earth-doped ceria powder, or perovskite-based oxide powder. A laminate composed of a support 11, a contact layer (not shown), an anode layer 12, and a solid electrolyte layer 13 is manufactured through drop coating using the slurry.
이 후, 상기 적층체를 공소결(co-sinitering)하는 단계(S104)를 거치며, 상기 공소결하는 과정은 아르곤 분위기의 소결로에서 1300 ℃ ∼ 1400 ℃범위에서 열처리하는 것일 수 있다. 상기 소결하는 단계를 통해 지지체(11), 접촉층(미도시), 연료극층(12) 및 고체전해질층(13)을 환원분위기에서 공소결하여 접합할 수 있다.Afterwards, the laminate goes through a step of co-sintering (S104), and the co-sintering process may be heat treatment in the range of 1300°C to 1400°C in a sintering furnace in an argon atmosphere. Through the sintering step, the support 11, the contact layer (not shown), the anode layer 12, and the solid electrolyte layer 13 can be joined by co-sintering in a reducing atmosphere.
상기 고체전해질층(13) 상부에 공기극층(14)이 형성될 수 있다(S105). 상기 공기극층(14)의 형성은 슬러리를 제작한 후 스크린 프린팅(screen-printing) 공정에 의해 행해지며, 상기 공기극층(14)에 사용된 슬러리는 페로브스카이트계 산화물이 포함된 전도체 단독으로나 혹은, 희토류-도핑 세리아의 소결된 분말 혼합물과 흑연 분말 등의 기공형성제를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 고체전해질층(13)과 공기극층(14) 사이에 보호층(미도시)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 보호층(미도시) 또한, 슬러리를 제작한 후 스크린 프린팅(screen-printing) 공정에 의해 제조되어 고체전해질층(13)과 공기극층(14) 사이에 적층 배치될 수 있다.An air cathode layer 14 may be formed on the solid electrolyte layer 13 (S105). The formation of the air cathode layer 14 is performed by a screen-printing process after producing a slurry, and the slurry used for the air cathode layer 14 is a conductor containing perovskite-based oxide alone or , sintered powder mixture of rare earth-doped ceria and pore formers such as graphite powder. At this time, the step of forming a protective layer (not shown) between the solid electrolyte layer 13 and the air cathode layer 14 may be further included, and the protective layer (not shown) may also be applied to the screen after producing the slurry. It may be manufactured through a screen-printing process and placed in a stack between the solid electrolyte layer 13 and the air cathode layer 14.
마지막으로, 전류집전체(15)은 상기 공기극층(14) 상부에 후막 코팅법을 이용하여 제조된 슬러리를 적층함(S106)으로써, 고체산화물 연료전지 셀을 완성하게 된다. 상기 전류집전체(15)의 제조에 사용된 슬러리는 귀금속 페이스트 및 2D 금속산화물이 혼합된 것일 수 있으며, 상기 후막 코팅법은 스크린 프린팅, 스프레이 코팅 및 브러싱(brushing) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 2D 금속산화물은 고상합성을 통해 수득가능한 층상구조 모상인 AxBO2(식 중, A는 알칼리 금속이고, B: Ru, Ir, Pd, Pt, Co, Mo 중 어느 하나이며, 0 <x ≤0.3을 만족함)로부터 화학적 박리(chemical exfoliation)법으로 수득할 수 있다. 이 때, 상기 화학적 박리법은 산을 첨가하는 과정(예를 들어, 1 M HCl을 이용한 처리)일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. Finally, the current collector 15 completes the solid oxide fuel cell by laminating the slurry prepared using the thick film coating method on the upper part of the air electrode layer 14 (S106). The slurry used to manufacture the current collector 15 may be a mixture of noble metal paste and 2D metal oxide, and the thick film coating method may be any one of screen printing, spray coating, and brushing. In addition, the 2D metal oxide is A <x ≤ 0.3) can be obtained by chemical exfoliation. At this time, the chemical peeling method may be a process of adding acid (for example, treatment using 1 M HCl), but is not limited thereto.
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 : 귀금속 페이스트 및 2D 금속산화물을 포함하는 전류집전체가 적용된 고체산화물 연료전지 셀의 제조Preparation Example 1: Preparation of a solid oxide fuel cell to which a current collector containing precious metal paste and 2D metal oxide is applied.
금속지지체의 제조Preparation of metal support
NiO2[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 1g씩(약 1mm 두께) 펠렛(pellet)으로 제작하였다(pressing pressure : 50MPa). 상기 제작된 펠렛은 900 ℃에서 2시간 동안 가소결(pre-sintering)을 진행하였다.NiO 2 [Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.7 ㎛] and Fe 2 O 3 (LTS Research laboratories, 99.9%) were mixed at a volume ratio of 5:5 and a ball mill process was performed. 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 NiO2(Kceracell, 99.9%) 및 연료극 성분인 8YSZ((Y2O3)0.08(ZrO2)0.92, Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.22 ㎛) 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 2 (Kceracell, 99.9%) as a metal support component and 8YSZ ((Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 , Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.22 ㎛) or ScSZ-6 as an anode component. It was manufactured by adding corn starch to raw material powder mixed with (6 mol% Sc 2 O 3 ) in a volume ratio of 7:3 and then 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 NiO2(Kceracell, 99.9%), 10Sc0.5Ce0.5GdSZ((Sc2O3)0.1(CeO2)0.005(Gd2O3)0.005(ZrO2)0.89, Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.15 ㎛)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 2 (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 ) mixed at a volume ratio of 5.5:4.5. 0.89 , Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.15 ㎛) 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) ∼ 0.15 ㎛)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) ∼ 0.15 ㎛) 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)의 제조Fabrication of a cathode layer containing LSM and ScSZ (Ce, Gd)
공기극층의 경우 치밀한 고체전해질층 위에 스크린 프린팅(screen printing) 기법을 통해 형성하였다. 공기극 분말인 LSM((LaxSr1-x)0.95MnO3, Kceracell, 99.9%, (d50) ∼ 0.45 ㎛), 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 진행하였다. 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 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.
2D 금속산화물이 첨가된 은(Ag) 페이스트를 포함하는 전류집전체와 이를 포함하는 셀의 제조Manufacturing of a current collector containing silver (Ag) paste with 2D metal oxide and a cell containing the same
공기극층 위에 미리 제조된 슬러리를 스크린 프린팅(screen printing)기법을 통해 전류집전체를 형성하여 셀을 제작하였다. 상기 슬러리는 상용되는 은(Ag) 페이스트(CSP-1381, Changsung Nanotech, 고온용 silver paste)와 자체 제작한 2D RuO2를 상기 은(Ag) 페이스트에 대하여 5 wt% 첨가 후, 20분간 기계적으로 충분히 혼합하여 사용하였다. A cell was manufactured by forming a current collector using a pre-prepared slurry on the air electrode layer using a screen printing technique. The slurry was prepared by adding 5 wt% of commercially available silver (Ag) paste (CSP-1381, Changsung Nanotech, high-temperature silver paste) and self-produced 2D RuO 2 to the silver (Ag) paste, and mechanically stirring for 20 minutes. It was used by mixing.
2D 금속산화물 제조예 : 2D RuO2D metal oxide manufacturing example: 2D RuO 22 나노시트의 합성 Synthesis of nanosheets
도 3은 2D 금속산화물 나노시트의 합성을 도식화하여 나타낸 순서도이다. 2D 금속산화물 나노시트의 일례로서, 2D RuO2 나노시트를 제조하기 위하여, 먼저 K2CO3(99.5 %, 삼전화학), RuO2(99.9 %, Avention) 분말을 막자사발과 막자로 혼합하였다. 이어서, 혼합물을 알루미나 도가니에 넣고 10시간 동안 1123 K에서 고상합성하였다. 상기 합성을 통해 K0.2RuO2 층상구조 모상을 합성하였고, 이는 도 3(a)와 같은 형태로 나타날 수 있다. Figure 3 is a flowchart schematically showing the synthesis of 2D metal oxide nanosheets. As an example of a 2D metal oxide nanosheet, to prepare a 2D RuO 2 nanosheet, first, K 2 CO 3 (99.5 %, Samchun Chemical) and RuO 2 (99.9 %, Avention) powder were mixed using a mortar and pestle. Next, the mixture was placed in an alumina crucible and subjected to solid phase synthesis at 1123 K for 10 hours. Through the above synthesis, the K 0.2 RuO 2 layered structure mother phase was synthesized, which can appear in the form shown in Figure 3(a).
상기 K0.2RuO2 층상구조 모상을 상온에서 1 M 농도의 염산(HCl)을 이용하여 산처리하였다. 상기 K0.2RuO2의 층간에 삽입되어 있는 칼륨이온(K+)을 하이드로늄 이온(H3O+)으로 교환하여 벌크 수화된 산화루테늄(RuOx·nH3O)을 제조하였으며, 이는 도 3(b)와 같은 형태로 나타날 수 있다. The K 0.2 RuO 2 layered structure matrix was acid treated using hydrochloric acid (HCl) at a concentration of 1 M at room temperature. Bulk hydrated ruthenium oxide ( RuO It may appear in the same form as (b).
이어서 298 K의 진공 오븐에서 건조하였다. 건조된 산화루테늄을 테트라부틸암모늄하이드록사이드(TBAOH) 수용액으로 화학적 박리하여 나노 시트를 수득하였고, 상기 나노시트는 도 3(c)에 나타났다. It was then dried in a vacuum oven at 298 K. Nanosheets were obtained by chemically exfoliating the dried ruthenium oxide with an aqueous tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) solution, and the nanosheets are shown in FIG. 3(c).
도 4는 고상합성 및 화학적 박리법을 통해 수득한 2D 금속산화물들의 AFM이미지 및 FE-SEM 이미지이다. 도 4(a)는 2D RuO2 나노시트의 AFM 이미지이고, 도 4(b-1)는 2D CoO2 나노시트 단일층의 AFM 이미지이며, 도 4(b-2)는 2D CoO2 나노시트가 2개 이상 적층된 복수층의 AFM 이미지이며, 도 4(c)는 2D MoO2 나노시트의 FE-SEM 이미지이다. Figure 4 is an AFM image and FE-SEM image of 2D metal oxides obtained through solid-phase synthesis and chemical exfoliation. Figure 4(a) is an AFM image of a 2D RuO 2 nanosheet, Figure 4(b-1) is an AFM image of a 2D CoO 2 nanosheet single layer, and Figure 4(b-2) is a 2D CoO 2 nanosheet. This is an AFM image of two or more stacked multiple layers, and Figure 4(c) is an FE-SEM image of a 2D MoO 2 nanosheet.
도 4를 참조하면, 2D 금속산화물 나노시트들의 이미지 모두 두께가 1 nm 내지 100 nm로 2D 형상을 잘 띄고 있음을 알 수 있다. 특히, 도 4(b-1) 및 도 4(b-2)를 참조하면, 두께(T, thickness)가 5 nm 내지 30 nm이고, ℓ로 나타나는 입자층 하나의 크기(lateral size)가 400 ㎛ 내지 800 ㎛로 측정되었으며, 육안으로 관찰하였을 때, 모두 2D 물질임을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that all images of 2D metal oxide nanosheets have a thickness of 1 nm to 100 nm and clearly have a 2D shape. In particular, referring to FIGS. 4(b-1) and 4(b-2), the thickness (T) is 5 nm to 30 nm, and the size (lateral size) of one particle layer represented by ℓ is 400 ㎛ to 400 ㎛. It was measured at 800 ㎛, and when observed with the naked eye, it can be seen that it is all 2D material.
제조예 2 : 귀금속 페이스트 및 2D 금속산화물을 포함하는 전류집전체가 적용된 고체산화물 연료전지 셀의 제조Preparation Example 2: Preparation of a solid oxide fuel cell to which a current collector containing precious metal paste and 2D metal oxide is applied.
상기 전류집전체의 제조에 사용되는 슬러리의 제조시, 상기 2D RuO2를 상기 은(Ag) 페이스트에 대하여 10 wt% 첨가한 것을 제외하고 제조예 1과 같이 고체산화물 연료전지 셀을 제조하였다.When preparing the slurry used to manufacture the current collector, a solid oxide fuel cell was manufactured as in Preparation Example 1, except that 10 wt% of 2D RuO 2 was added to the silver (Ag) paste.
비교예 1 : 귀금속 페이스트 및 2D 금속산화물을 포함하는 전류집전체가 적용된 고체산화물 연료전지 셀의 제조Comparative Example 1: Manufacturing of a solid oxide fuel cell using a current collector containing precious metal paste and 2D metal oxide
상기 전류집전체의 제조에 사용되는 슬러리의 제조시, 상기 2D RuO2를 상기 은(Ag) 페이스트에 첨가하지 않은 것을 제외하고 제조예 1과 같이 고체산화물 연료전지 셀을 제조하였다.When preparing the slurry used to manufacture the current collector, a solid oxide fuel cell was manufactured as in Preparation Example 1, except that the 2D RuO 2 was not added to the silver (Ag) paste.
<평가예들><Evaluation examples>
밀도실험density experiment
800 ℃의 공기 중에서 제조예 1, 제조예 2 및 비교예 1에 따른 전류집전체의 밀도를 일정시간에 따라 측정하여 나타내었다. 상기 전류집전체의 밀도를 측정하기 위하여 이미지J 프로그램을 이용하였다. 상기 이미지J 프로그램을 통해, 먼저 전류집전체 각각의 SEM 이미지를 스캔하였다. 이 때, 샘플은 밝게 나타나며 기공은 어둡게 나타나는데 이 비율을 통해 밀도가 측정되었다. 하기 표 1에서 800 ℃의 공기 중에서 일정 시간 경과 후, 제조예 1, 제조예 2 및 비교예 1에 의해 제조된 전류집전체의 시간에 따른 밀도의 변화를 정리하여 나타내었다.The densities of the current collectors according to Preparation Example 1, Preparation Example 2, and Comparative Example 1 in air at 800° C. were measured over a certain period of time. The Image J program was used to measure the density of the current collector. Through the ImageJ program, first, the SEM image of each current collector was scanned. At this time, the sample appeared bright and the pores appeared dark, and the density was measured through this ratio. Table 1 below summarizes the change in density over time of the current collectors prepared in Preparation Example 1, Preparation Example 2, and Comparative Example 1 after a certain period of time in air at 800°C.
표 1을 참조하면, 전류집전체 제조시 2D RuO2가 첨가된 제조예 1 및 제조예 2의 경우 7일이 지난 후에도 밀도가 89 %로 측정되었다. 특히, 상기 2D RuO2를 상기 은(Ag) 페이스트에 대하여 5 wt% 첨가한 제조예 1의 경우 10 wt% 첨가한 제조예 2에 비해 1 내지 3 일에서 밀도 변화가 더 낮게 나타남을 알 수 있다. Referring to Table 1, in the case of Preparation Example 1 and Preparation Example 2 in which 2D RuO 2 was added when manufacturing the current collector, the density was measured at 89% even after 7 days. In particular, in the case of Preparation Example 1 in which 5 wt% of 2D RuO 2 was added to the silver (Ag) paste, it can be seen that the density change was lower from 1 to 3 days compared to Preparation Example 2 in which 10 wt% was added. .
한편, 전류집전체 제조시 상기 2D RuO2를 첨가하지 않고, 상기 은(Ag) 페이스트만을 이용한 비교예 1은 10 분 후부터 밀도가 89 %로 급격하게 높아졌으며 7 일이 지난 후에는 97 %로 나타났다. 따라서, 전류집전체의 제조시 상기 2D RuO2를 첨가하면 소결이 덜 발생하고 기공도 또한 확보가능함을 알 수 있다.On the other hand, in Comparative Example 1 using only the silver (Ag) paste without adding the 2D RuO 2 when manufacturing the current collector, the density rapidly increased to 89% after 10 minutes and was 97% after 7 days. . Therefore, it can be seen that when the 2D RuO 2 is added when manufacturing a current collector, sintering occurs less and porosity can also be secured.
미세구조 평가Microstructure evaluation
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 2D 금속산화물이 첨가된 귀금속 페이스트를 포함하는 전류집전체가 적용된 고체산화물 연료전지 셀을 일정시간 동안 열처리한 후, 전류집전체의 미세구조 변화를 관찰한 사진이다. 상기 전류집전체의 미세구조 변화를 평가하기 위하여 고체산화물 연료전지 셀을 제조한 후 10 분, 1 일, 3 일, 5 일 및 7 일 동안 열처리를 진행하였고, 제조예 1, 제조예 2 및 비교예 1에 따른 결과를 도 5(a), 5(b) 및 5(c)로 각각 나타내었다.Figure 5 shows changes in the microstructure of the current collector after heat treatment for a certain period of time in a solid oxide fuel cell to which a current collector containing a precious metal paste to which 2D metal oxide was added was applied according to an embodiment of the present invention. It's a photo. In order to evaluate the change in microstructure of the current collector, a solid oxide fuel cell was manufactured and then heat treated for 10 minutes, 1 day, 3 days, 5 days, and 7 days. Preparation Example 1, Preparation Example 2, and Comparison The results according to Example 1 are shown in Figures 5(a), 5(b), and 5(c), respectively.
도 5를 참조하면, 상기 전류집전체의 제조시 2D RuO2가 첨가된 제조예 1(도 5(a)) 및 제조예 2(도 5(b))의 경우에는 일정시간이 흘러도 어둡게 표시되는 기공들이 관찰되었다. 특히, 상기 2D RuO2를 상기 은(Ag) 페이스트에 대하여 5 wt% 첨가한 제조예 1의 경우 기공도의 감소가 더욱 억제되며, 소결이 덜 일어남을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, in the case of Preparation Example 1 (FIG. 5(a)) and Preparation Example 2 (FIG. 5(b)) in which 2D RuO 2 was added during the manufacture of the current collector, the display appears dark even after a certain period of time. Pores were observed. In particular, in the case of Preparation Example 1 in which 5 wt% of 2D RuO 2 was added to the silver (Ag) paste, the decrease in porosity was further suppressed and sintering occurred less.
반면, 상기 2D RuO2를 첨가하지 않고 은(Ag) 페이스트만으로 전류집전체를 제조한 비교예 1(도 5(c))의 경우 1 일 후 기공들의 관찰이 어려우며, 7 일 후에는 기공이 거의 관찰되지 않아 빠르게 소결이 일어남을 알 수 있다. 따라서, 전류집전체의 제조시 은(Ag) 페이스트에 2D RuO2를 일정량 첨가함으로써 고체산화물 연료전지 셀의 고온 작동시 상기 전류집전체의 미세구조 변화를 감소하여 기공도를 확보하여 가스의 흐름을 원활히 할 수 있다.On the other hand, in the case of Comparative Example 1 (FIG. 5(c)), in which the current collector was manufactured only with silver (Ag) paste without adding the 2D RuO 2 , it was difficult to observe pores after 1 day, and almost no pores were present after 7 days. Since it is not observed, it can be seen that sintering occurs quickly. Therefore, when manufacturing a current collector, a certain amount of 2D RuO 2 is added to the silver (Ag) paste to reduce changes in the microstructure of the current collector during high-temperature operation of the solid oxide fuel cell cell, thereby securing porosity and facilitating the flow of gas. It can be done smoothly.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 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 13: 고체전해질층
11: 지지체 14: 공기극층
12: 연료극층 15: 전류집전체10: solid oxide fuel cell 13: solid electrolyte layer
11: support 14: air electrode layer
12: anode layer 15: current collector
Claims (22)
상기 지지체의 상부에 적층되며, 이온화된 산소이온과 주입된 수소를 결합하여 물과 전자를 생산하는 연료극층;
상기 연료극층의 상부에 적층되며, 수소와 공기가 섞이는 것을 막음과 동시에 산소이온을 통과시키는 고체전해질층;
상기 고체전해질층 상부에 적층되며, 주입된 공기를 환원시켜 산소이온을 생산하는 공기극층;및
상기 공기극층 상부에 적층되며, 귀금속 페이스트 및 2D 금속산화물을 포함하는 전류집전체;를 포함하며,
상기 2D 금속산화물은 육방정계의 2차원 평면 구조의 나노시트이며, RuO2, CoO2 또는 MoO2이고,
상기 지지체는 금속지지체 또는 세라믹지지체인 고체산화물 연료전지 셀.support;
An anode layer laminated on top of the support 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;
An air electrode layer laminated on top of the solid electrolyte layer and producing oxygen ions by reducing injected air; And
It is laminated on the upper part of the air electrode layer and includes a current collector containing noble metal paste and 2D metal oxide,
The 2D metal oxide is a nanosheet with a hexagonal two-dimensional planar structure and is RuO 2 , CoO 2 or MoO 2 ,
A solid oxide fuel cell cell in which the support is a metal support or a ceramic support.
상기 고체전해질층과 상기 공기극층 사이에 보호층을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀.According to paragraph 1,
A solid oxide fuel cell including 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 고체산화물 연료전지 셀.According to paragraph 2,
The protective layer is a 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 금속지지체는 Ni 금속, Ni-Fe 합금 및 STS(Stainless Steel)계 중 어느 하나인 고체산화물 연료전지 셀.According to paragraph 1,
A solid oxide fuel cell in which the metal support is one of Ni metal, Ni-Fe alloy, and STS (Stainless Steel).
상기 세라믹지지체는 NiO와 희토류-도핑 지르코니아 복합체, NiO와 희토류-도핑 세리아 복합체, 희토류-도핑 지르코니아 복합체 및 희토류-도핑 세리아 중 어느 하나인 고체산화물 연료전지 셀.According to paragraph 1,
The ceramic support is a solid oxide fuel cell that is any one of NiO and rare earth-doped zirconia composite, NiO and rare earth-doped ceria composite, rare earth-doped zirconia composite and rare earth-doped ceria.
상기 연료극층은 NiO와 희토류-도핑 지르코니아 복합체 또는 NiO와 희토류-도핑 세리아 복합체인 고체산화물 연료전지 셀.According to paragraph 1,
A 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 연료극층은 페로브스카이트계 산화물 및 CeO2 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 고체산화물 연료전지 셀.According to clause 6,
The anode layer is a solid oxide fuel cell further comprising at least one of perovskite-based oxide and CeO 2 .
상기 지지체와 연료극층 사이에 삽입되며 가스와 전기는 통과시키면서 미세구조적 측면에서 완충 역할을 하는 접촉층을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀.According to paragraph 1,
A solid oxide fuel cell cell including a contact layer that is inserted between the support and the anode layer and acts as a buffer in terms of microstructure while allowing gas and electricity to pass through.
상기 접촉층은 상기 금속지지체의 성분과 상기 연료극층의 성분이 혼합된 것인 고체산화물 연료전지 셀.According to clause 8,
The contact layer is a solid oxide fuel cell in which the components of the metal support and the components of the anode layer are mixed.
상기 공기극층의 조성으로 페로브스카이트계 산화물을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀.According to paragraph 1,
A solid oxide fuel cell cell including perovskite-based oxide as a composition of the air electrode layer.
상기 공기극층의 조성으로 희토류-도핑 세리아의 소결된 분말 혼합물 또는 기공형성제를 더 포함하는 고체산화물 연료전지 셀.According to clause 10,
A solid oxide fuel cell cell further comprising a sintered powder mixture of rare earth-doped ceria or a pore former in the composition of the cathode layer.
상기 고체전해질층은 희토류-도핑 지르코니아계 산화물, 희토류-도핑 세리아계 산화물 및 페로브스카이트계 산화물 중 어느 하나인 고체산화물 연료전지 셀.According to paragraph 1,
A 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 지지체의 상부에 연료극층을 적층하는 제2단계;
상기 연료극층의 상부에 고체전해질층을 적층하는 제3단계;
상기 제1단계 내지 제3단계에서 적층된 복합체를 공소결하는 제4단계;
상기 복합체 내 고체전해질층의 상부에 공기극층을 적층하는 제5단계; 및
상기 공기극층 상부에 전류집전체를 적층하는 제6단계;
를 포함하고,
상기 제6단계에서 상기 공기극층 상부에 상기 전류집전체의 형성은 후막 코팅법으로 슬러리를 이용하여 적층하는 것이고,
상기 후막 코팅법은 스크린 프린팅, 스프레이 코팅 및 브러싱(brusing) 중 어느 하나이고,
상기 슬러리는 귀금속 페이스트와 2D 금속산화물을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법.The first step of preparing a support;
A second step of laminating an anode layer on top of the support;
A third step of laminating a solid electrolyte layer on top of the anode layer;
A fourth step of co-sintering the composite laminated in the first to third steps;
A fifth step of laminating an air cathode layer on top of the solid electrolyte layer in the composite; and
A sixth step of laminating a current collector on top of the air electrode layer;
Including,
In the sixth step, the current collector is formed on the upper part of the air electrode layer by laminating it using a slurry using a thick film coating method,
The thick film coating method is any one of screen printing, spray coating, and brushing,
The slurry is a method of manufacturing a solid oxide fuel cell cell containing a precious metal paste and a 2D metal oxide.
상기 제1단계 이후, 상기 연료극층을 적층하기 전에 상기 지지체의 상부에 접촉층을 적층하는 단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법.According to clause 14,
After the first step, the method of manufacturing a solid oxide fuel cell further includes laminating a contact layer on top of the support before laminating the anode layer.
상기 제4단계 이후, 상기 공기극층을 적층하기 전에 상기 공소결된 복합체의 고체전해질층 상부에 보호층을 적층하는 단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법.According to clause 14,
After the fourth step, the method of manufacturing a solid oxide fuel cell further includes the step of laminating a protective layer on top of the solid electrolyte layer of the co-sintered composite before laminating the cathode layer.
상기 귀금속 페이스트와 상기 2D 금속산화물이 1 : 0.01 내지 1 : 0.1의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법.According to clause 14,
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell, characterized in that the noble metal paste and the 2D metal oxide are mixed at a weight ratio of 1:0.01 to 1:0.1.
상기 귀금속 페이스트는 은(Ag) 페이스트, 백금(Pt) 페이스트 및 금(Au) 페이스트 중 어느 하나인 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법.According to clause 14,
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell cell in which the precious metal paste is any one of silver (Ag) paste, platinum (Pt) paste, and gold (Au) paste.
상기 2D 금속산화물은 육방정계이고, RuO2, CoO2 및 MoO2 중 어느 하나인 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법.According to clause 14,
The 2D metal oxide is hexagonal and is any one of RuO 2 , CoO 2 and MoO 2 . A method of manufacturing a solid oxide fuel cell.
상기 2D 금속산화물의 두께는 1 nm 내지 100 nm인 고체산화물 연료전지 셀의 제조방법.According to clause 21,
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell cell wherein the 2D metal oxide has a thickness of 1 nm to 100 nm.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/KR2021/012256 WO2023038168A1 (en) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | Current collector comprising precious metal paste and 2d metal oxide, solid oxide fuel cell using same, and manufacturing method therefor |
KR1020210120121A KR102674322B1 (en) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | Current collector containing noble metal paste and 2D metal oxide, solid oxide fuel cell using same, and method for manufacturing same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210120121A KR102674322B1 (en) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | Current collector containing noble metal paste and 2D metal oxide, solid oxide fuel cell using same, and method for manufacturing same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20230037717A KR20230037717A (en) | 2023-03-17 |
KR102674322B1 true KR102674322B1 (en) | 2024-06-11 |
Family
ID=85506542
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020210120121A KR102674322B1 (en) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | Current collector containing noble metal paste and 2D metal oxide, solid oxide fuel cell using same, and method for manufacturing same |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102674322B1 (en) |
WO (1) | WO2023038168A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012009461A (en) * | 2011-10-13 | 2012-01-12 | Dainippon Printing Co Ltd | Solid oxide fuel cell |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101277893B1 (en) * | 2010-12-28 | 2013-06-21 | 주식회사 포스코 | Metal-supported solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same and solid oxide fuel cell stack using the metal-supported solid oxide fuel cell |
KR101253956B1 (en) * | 2010-12-28 | 2013-04-16 | 주식회사 포스코 | Method for manufacturing metal supported solid oxide fuel cell |
KR101405477B1 (en) * | 2011-12-29 | 2014-06-19 | 재단법인 포항산업과학연구원 | A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell |
KR101857747B1 (en) * | 2011-12-29 | 2018-05-15 | 재단법인 포항산업과학연구원 | A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell |
KR101335493B1 (en) | 2012-02-20 | 2013-12-02 | 한국지질자원연구원 | Flake silver paste with excellent electrical property and method of manufacturing the same |
KR20140082400A (en) * | 2012-12-24 | 2014-07-02 | 주식회사 포스코 | Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same |
KR20160054897A (en) * | 2014-11-07 | 2016-05-17 | 주식회사 엘지화학 | Composition for current colletor of solid oxide fuel cell, collector including the same and solid oxide fuel cell including the same |
KR20160058275A (en) * | 2014-11-14 | 2016-05-25 | 한국기계연구원 | Metal-supported solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same |
-
2021
- 2021-09-09 WO PCT/KR2021/012256 patent/WO2023038168A1/en active Application Filing
- 2021-09-09 KR KR1020210120121A patent/KR102674322B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012009461A (en) * | 2011-10-13 | 2012-01-12 | Dainippon Printing Co Ltd | Solid oxide fuel cell |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"Thermally stable current-collecting silver grid coated with ceramic-capping layer for low-temperature solid oxide fuel cells.", Ceramics International, vol.47, pp.8453-8460(2018.08.30.)* |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023038168A1 (en) | 2023-03-16 |
KR20230037717A (en) | 2023-03-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101699091B1 (en) | Advanced materials and design for low temperature sofcs | |
EP1788653A1 (en) | Film-formed article | |
WO2010007722A1 (en) | Interconnector material, intercellular separation structure, and solid electrolyte fuel cell | |
JP5160131B2 (en) | Electrolyte / electrode assembly and method for producing the same | |
JP2014510014A (en) | Sintering additive for ceramic devices obtained in low pO2 atmosphere | |
EP2461405A1 (en) | Solid oxide fuel cell | |
EP2369667B1 (en) | Electrode material, fuel cell including the same, and method of manufacturing the same | |
US20200212468A1 (en) | Solid electrolyte member, solid oxide fuel cell, water electrolysis device, hydrogen pump, and method for manufacturing solid electrolyte member | |
CN114016063B (en) | Solid oxide electrolytic cell and preparation method thereof | |
JP7291031B2 (en) | Solid electrolyte junction | |
US20040214070A1 (en) | Low sintering lanthanum ferrite materials for use as solid oxide fuel cell cathodes and oxygen reduction electrodes and other electrochemical devices | |
US20160156058A1 (en) | Composite material for fuel cell, method for producing composite material for fuel cell, and fuel cell | |
KR20190022978A (en) | Low temperature sintered electrolyte composite for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell using the same | |
JPWO2009001739A1 (en) | High temperature structural material and solid oxide fuel cell separator | |
JP4332639B2 (en) | Fuel cell and method for producing the same | |
JP5748593B2 (en) | Electrochemical cell | |
KR102674322B1 (en) | Current collector containing noble metal paste and 2D metal oxide, solid oxide fuel cell using same, and method for manufacturing same | |
JP3339983B2 (en) | Solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same | |
WO2019146493A1 (en) | Oxygen permeable element and sputtering target material | |
KR102674321B1 (en) | Metal support type solid oxide fuel cell including contacting layer | |
KR102674323B1 (en) | Current collector containing metal paste and 2D metal, ceramic support type solid oxide fuel cell using same, and method for manufacturing the same | |
KR102154634B1 (en) | Method for preparing supported electrochemical cells and electrochemical cells thereby | |
JP3342541B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
KR101180058B1 (en) | Double Perovskite Interconnect Materials and their Application Methods for Solid Oxide Fuel Cells | |
JP3570900B2 (en) | Solid oxide fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |