KR20090016911A - Method for electrode manufacturing of solid oxide fuel cell using aerosol nano combustion spray technique - Google Patents
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Abstract
Description
본원발명은 에어로졸 나노 스프레이 방식에 의해 기판에 전극 또는 전해질 프리커서를 코팅한 후 열처리를 수행하는 것에 의해 각각의 전극 또는 전해질 층을 개별적으로 소결하여 접착하지 않고 코팅 및 열처리에 의해 제조할 수 있도록 하는 나노스프레이 연소장치를 이용한 고체산화물 연료전지의 전극 제조방법에 관한 것이다.According to the present invention, the electrode or electrolyte precursor is coated on a substrate by an aerosol nano spray method, and then heat-treatment is performed so that each electrode or electrolyte layer can be manufactured by coating and heat-treatment without sintering individually. The present invention relates to an electrode manufacturing method of a solid oxide fuel cell using a nanospray combustion device.
일반 산업용 고체산화물 연료전지는 음극-전해질-양극의 순서로 적층된 단위전극(electrode)로 구성된다. 이러한 연료전지는 각 구성 층이 모두 어떤 조성이건 불문하고 소결체로 성형된 후 각 층을 연결하여 단위 전극으로 완성되기 때문에 또 다시 각 층을 접합하여 최종 소결과정을 거친 후에 전체적인 단위 연료전지(unit cell)로 완성된다. 그리고 필요한 경우 단위 전극을 여러 층으로 쌓아 스택(stack) 으로 구성하여 필요한 전력을 생산한다.A general industrial solid oxide fuel cell is composed of unit electrodes stacked in the order of cathode-electrolyte-anode. Such a fuel cell is formed of a sintered body, regardless of the composition of each constituent layer, and is then formed as a unit electrode by connecting the layers, and again, after the final sintering process by joining each layer, the entire unit cell Is completed. If necessary, the unit electrodes are stacked in a stack to produce a required power.
상기 종래기술의 연료전지의 제조 공정을 구체적으로 설명하면, 고체산화물 연료전지가 평판형(planar type)이건 원통형(cylindrical type)이건 간에 음극-전해질-양극의 구조로 구성되어 있고, 각 영역의 층은 원하는 조성의 산화물 분말을 사용하여 소결하거나 스크린 프린팅(screen printing) 후막인쇄 기술로 초기 성형을 실시한 후 다시 소결하여 최종 성형밀도를 얻음으로써 연료전지의 성능을 발휘할 수 있다.Specifically, the manufacturing process of the fuel cell of the prior art will be described in detail. The solid oxide fuel cell is composed of a cathode-electrolyte-anode structure, whether planar or cylindrical. The sintering may be performed using an oxide powder having a desired composition, or after initial molding using a screen printing thick film printing technique, followed by sintering again to obtain a final molding density, thereby exhibiting the performance of a fuel cell.
따라서 기술적으로는 각 소결체 층의 조성차이에 따른 열 팽창계수의 상이함, 광면적의 전극을 제조할 수 없는 한계점, 많은 수의 스택(stack)을 쌓을 수 없는 한계점 등으로 인해 대형의 고용량 연료전지의 제조가 어렵게 된다. 또한 대형화가 될수록 각 소결체 층의 평탄화가 어렵다.Therefore, technically, large-capacity fuel cells due to differences in coefficients of thermal expansion according to compositional differences between layers of sintered bodies, limitations in not manufacturing a large-area electrode, limitations in stacking a large number of stacks, etc. Manufacturing becomes difficult. In addition, as the size increases, the planarization of each sintered compact layer becomes difficult.
이러한 문제점으로 인해 현재 사용 가능한 개발품의 전극 면적은 최대 100 x 100 mm2 또는 200 x 200 mm2로 제한된다. 이러한 문제점을 가지고 계속 상품화를 추구할 경우 그 산업은 경쟁력을 상실하게 된다.Due to these problems, the electrode area of currently available developments is limited to a maximum of 100 x 100 mm 2 or 200 x 200 mm 2 . If you continue to commercialize with these problems, the industry will lose competitiveness.
따라서 본원발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 간단하고 경쟁력 있는 방법으로 고 특성의 고체산화물 연료전지의 제조를 위해 음극 지지형(anode-supported) 평판 연료전지 경우 음극 기판 위에 후속으로 전해질 및 양극 층을 나노 스프레이 코팅기술에 의해 단위 전극을 성형할 수 있도록 하고, 전해질 지지형(electrolyte-supported) 평판 연료전지의 경우 전해질 양 측에 음극 층 및 양극 층을 각각 코팅기술에 의해 단위 전극을 성형할 수 있도록 하는 나노스프레이 연소장치를 이용한 고체산화물 연료전지의 전극 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, in the case of a cathode-supported flat fuel cell for the manufacture of a high-performance solid oxide fuel cell in a simpler and more competitive way is followed on the cathode substrate The electrolytic and anode layers can be formed by nano spray coating technology, and in the case of electrolyte-supported flat fuel cells, the cathode and anode layers are coated on both sides of the electrolyte by coating technology. It is an object of the present invention to provide a method for producing an electrode of a solid oxide fuel cell using a nanospray combustion apparatus capable of forming an electrode.
상술한 목적을 달성하기 위한 본원발명의 나노스프레이 연소장치를 이용한 고체산화물 연료전지의 전극 제조방법은, 양극, 음극 및 전해질 층의 프리커서를 제조하는 프리커서 제조과정과; 상기 음극 프리커서를 이용하여 음극 지지층으로 되는 음극 기판을 소결생성하는 음극 지지층 생성과정과; 상기 음극 기판 상에 전해질 층의 프리커서를 에어로졸 나노 스프레이 방식에 의해 코팅한 후 열처리를 수행하여 전해질 층을 성형하는 전해질층 성형과정과; 상기 전해질층 상에 상기 양극 프리커서를 에어로졸 나노 스프레이 방식에 의해 코팅한 후 열처리를 수행하여 양극 층을 성형하는 양극층 성형과정;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Electrode manufacturing method of a solid oxide fuel cell using a nanospray combustion apparatus of the present invention for achieving the above object comprises a precursor manufacturing process for producing a precursor of the anode, cathode and electrolyte layer; A negative electrode support layer generating step of sintering a negative electrode substrate to be a negative electrode support layer using the negative precursor; Forming an electrolyte layer by coating a precursor of the electrolyte layer on the anode substrate by an aerosol nano spray method and then performing heat treatment; Anode layer forming process of forming a cathode layer by coating the cathode precursor by the aerosol nano spray method on the electrolyte layer and then performing a heat treatment.
상술한 목적을 달성하기 위한 본원발명의 나노스프레이 연소장치를 이용한 고체산화물 연료전지의 전극 제조방법은, 양극, 음극 및 전해질 프리커서를 제조하는 프리커서 제조과정과; 상기 전해질 프리커서를 이용하여 전해질 지지층으로 되는 전해질 기판을 소결생성하는 전해질 지지층 생성과정과; 상기 전해질 기판의 일 면에 음극 또는 양극 중 어느 하나의 프리커서를 에어로졸 나노 스프레이 방식에 의해 코팅한 후 열처리를 수행하고, 이 후 다른 하나의 프리커서를 상기 전해질 기판의 다른 면에 에어로졸 나노 스프레이 방식에 의해 코팅한 후 열처리를 수행하는 것에 의해 음극 과 양극 층을 성형하는 전극 성형과정;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Electrode manufacturing method of a solid oxide fuel cell using a nanospray combustion apparatus of the present invention for achieving the above object comprises a precursor manufacturing process for manufacturing a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte precursor; An electrolyte support layer generating step of sintering an electrolyte substrate which becomes an electrolyte support layer using the electrolyte precursor; One surface of the electrolyte substrate is coated with a precursor of either the cathode or the anode by the aerosol nano spray method, followed by heat treatment, and then another precursor is aerosol nano sprayed on the other side of the electrolyte substrate. It characterized by consisting of; electrode forming process of forming a cathode and an anode layer by performing a heat treatment after coating by.
상기 음극 프리커서는 상용 마이크론 입도의 분말로서 NiO : Zr2O3 : Y2O3 비율을 무게비로 0.7: 0.05 : 0.25로 구성되는 것을 특징으로 한다.The negative precursor is a commercially available micron particle size, characterized in that the NiO: Zr 2 O 3 : Y 2 O 3 ratio by weight ratio of 0.7: 0.05: 0.25.
상기 전해질 프리커서(precursor)는 Y2O3 : ZrO2 합성 비율이 8 : 92로 도핑(doped)된 Y2O3/ZrO2 혼합 나노 분말이 것을 특징으로 한다.The electrolyte precursor is a Y 2 O 3 / ZrO 2 mixed nanopowder doped with a Y 2 O 3 : ZrO 2 synthesis ratio of 8:92.
상기 전해질 프리커서는, 또한 크실렌(Xylene)으로 희석하여 분말의 무게비로 50% 함유율의 슬러리(slurry)를 만들고 볼밀링(ball milling)한 후 폴리비닐알콜(Poly vinyl alcohol)을 사용하여 5% 무게비율로 희석한 후 물을 사용하여 분말의 무게비가 0.3%가 되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.The electrolyte precursor is also diluted with xylene to make a slurry having a 50% content by weight of the powder, ball milling, and then 5% by weight of polyvinyl alcohol. After dilution with a ratio, it is characterized in that the weight ratio of the powder to 0.3% by using water.
상기 전해질 층 성형 과정은 이트리아(Y2O3)가 도핑된 지르코니아(ZrO2) 현탁액을 용액으로 하고 연소가스로서는 산소와 아세틸렌 또는 산소와 수소의 조합으로 하여 연소를 수행하는 것을 특징으로 한다.The process of forming the electrolyte layer is characterized in that combustion is carried out by using a solution of zirconia (ZrO 2 ) doped with yttria (Y 2 O 3 ) and oxygen and acetylene or a combination of oxygen and hydrogen as the combustion gas.
상기 전해질 층 성형과정에서 상기 음극 기판(anode)의 온도를 900~1200℃로 가열하면서 상기 에어로졸 나노 스프레이에 의한 코팅을 실시하는 것을 특징으로 한다.In the process of forming the electrolyte layer, the cathode is coated with the aerosol nano spray while heating the temperature of the anode (anode) to 900 ~ 1200 ℃.
상기 양극 프리커서는, (LaSr)MnO3, LaSrCoMnO3, (La0.8Sr0.2) (Co0.8Mn0.2)O3, (Sm0.2Ce0.8)O2, (La0.8Sm0.2)MnO2, SmCeO2 또는 LaSrMnO3 중 적어도 하나 이상을 기본 조성으로 하고, 상기 기본 조성의 서브마이크론 분말(< 1 micron meter)을 폴리 비닐 알코올(Poly Vinyl Alcohol) 기본조성의 유기용매로 희석한 것 또는 상기 기본 조성물의 금속원소가 함유된 염(salt)을 물 또는 알코올로 희석한 것 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.The anode precursors include (LaSr) MnO 3, LaSrCoMnO 3 , (La 0.8 Sr 0.2 ) (Co 0.8 Mn 0.2 ) O 3 , (Sm 0.2 Ce 0.8 ) O 2 , (La 0.8 Sm 0.2 ) MnO 2 , SmCeO 2 Or at least one of LaSrMnO 3 as a base composition and diluting the submicron powder (<1 micron meter) of the base composition with an organic solvent of a poly vinyl alcohol base composition or a metal of the base composition. A salt containing an element is characterized in that it is any one diluted with water or alcohol.
상기 에어로졸 나노 스프레이의 수행은, 연소가스의 일원으로 아세틸렌 또는 수소는 10 ~ 30 psi의 공급압력으로, 산소는 15 ~ 40 psi의 공급압력을 가하여 속도계를 사용하여 조절하며, 프리커서 용액은 0.4 ~1.0 mg/cm2의 속도로 연소 노즐(nozzle)을 통해 공급하는 것을 특징으로 한다.The aerosol nano spray is carried out using a speedometer by applying a supply pressure of 10 to 30 psi for acetylene or hydrogen as a member of combustion gas, and a supply pressure of 15 to 40 psi for oxygen, and a precursor solution of 0.4 to It is characterized in that the feed through the combustion nozzle (nozzle) at a rate of 1.0 mg / cm 2 .
상술한 본원발명은 종래기술의 연료전지 제조기술에서와 같이 각 전극 층의 개별적인 소결 공정을 거치지 않고 직접적인 표면코팅 기술에 의해 초 박형(수 십~수 천 마이크론 두께)의 전극을 성형할 수 있도록 하는 것에 의해 연료전지의 단위 전극의 제조를 용이하게 하며, 후속 열처리의 적절한 선택에 의해 고성능의 전기특성을 가지는 연료전지의 단위전극을 제조할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.The present invention described above allows the formation of ultra-thin (tens of tens to thousands of microns) of electrodes by a direct surface coating technique without going through the individual sintering process of each electrode layer as in the conventional fuel cell manufacturing technology. This facilitates the production of the unit electrode of the fuel cell, and provides the effect of making it possible to manufacture the unit electrode of the fuel cell having high performance electrical characteristics by appropriate selection of subsequent heat treatment.
이하, 첨부도면을 참조하여 본원발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본원발명의 처리과정을 나타내는 순서도이고, 도 2는 본원발명의 에어로졸 나노 스프레이 연소장치 구성도이며, 도 3은 본원발명에 의해 제조된 연료전지의 단위전극의 측면도이고, 도 4는 음극 지지형 평판연료전지 전극의 평면도이며, 도 5는 본원발명의 실시예에 따르는 음극 지지형 평판연료전지 전극의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.1 is a flow chart showing a process of the present invention, Figure 2 is a block diagram of the aerosol nano spray combustion apparatus of the present invention, Figure 3 is a side view of a unit electrode of a fuel cell manufactured by the present invention, Figure 4 is a cathode 5 is a plan view of a supported flat plate fuel cell electrode, and FIG. 5 is a graph showing electrical characteristics of a negative electrode supported flat plate fuel cell electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1에서 (가)는 음극 지지형 평판 연료전지 전극 제조과정을 나타내는 순서도이고, (나)는 전해질 지지형 평판 연료전지 전극 제조과정을 나타내는 순서도이다.In Figure 1 (a) is a flow chart showing the manufacturing process of the anode-supported flat fuel cell electrode, (b) is a flow chart showing the manufacturing process of the electrolyte-supported flat fuel cell electrode.
먼저 도 1의 (가)를 참조하여 음극 지지형 평판 연료전지 전극 제조과정을 설명하면 다음과 같다.First, the manufacturing process of the anode-supported flat fuel cell electrode will be described with reference to FIG. 1A.
먼저 1mm 정도의 두께를 가지는 음극 기판을 소결제조하고 원하는 조성물질을 현탁액 전구체(precursor)로 만든다. 음극 기판(61)은 상용 마이크론 입도의 분말을 사용하였으며, NiO : Zr2O3 : Y2O3 비율을 무게비로 0.7: 0.05 : 0.25 구성된다. 전해질 프리커서(precursor)로서는 Y2O3가 도핑(dopping)된 서브마이크론(1 < micron meter) ZrO2 분말을 유기용매와 원하는 조성으로 혼합하여 적절한 유기용매(주로 크실렌: Xylene)으로 희석하여 에어로졸 연소 원료로 사용하거나, Y 및 Zr이 함유된 염(salt)을 물 또는 알코올과 희석하여 에어로졸 연소원료로 사용한다.First, a negative electrode substrate having a thickness of about 1 mm is sintered to prepare a desired composition as a suspension precursor. As the negative electrode substrate 61, a commercial micron particle size powder was used, and the NiO: Zr 2 O 3 : Y 2 O 3 ratio was 0.7: 0.05: 0.25 by weight. As an electrolyte precursor, Y 2 O 3 doped submicron (1 <micron meter) ZrO 2 powder is mixed with an organic solvent in a desired composition, diluted with an appropriate organic solvent (primarily xylene) and aerosol. It is used as a combustion raw material, or a salt containing Y and Zr is diluted with water or alcohol and used as an aerosol combustion raw material.
마찬가지로 전해질 다음 층으로 코팅될 양극 물질층의 프리커서로서는 주로 LaSrCoMnO3, SmCeO2 또는 LaSrMnO3를 기본 조성으로 하는 물질을 사용하며 이들 조성의 서브마이크론 분말(< 1 micron meter)을 폴리 비닐 알코올(Poly Vinyl Alcohol) 기본조성의 유기용매로 희석하여 연소원료로 사용하거나 또는 각각의 금속원소가 함유된 염(salt)을 물 또는 알코올로 희석하여 연소 원료로 사용한다.(S11)Likewise, as a precursor of the anode material layer to be coated with the next layer of electrolyte, a material based on LaSrCoMnO 3 , SmCeO 2, or LaSrMnO 3 is mainly used. Submicron powders (<1 micron meter) having these compositions are used as polyvinyl alcohol (Poly Vinyl Alcohol) Dilute with organic solvent of basic composition and use it as combustion material or salt containing each metal element is diluted with water or alcohol and used as combustion material. (S11)
다음으로는 도 2의 에어로졸 나노 스프레이 연소장치와 전해질용 현탁액 연소원료를 사용하여 나노 스프레이를 실시한다. 이 과정에서 이트리아(Y2O3)가 도핑된 지르코니아(ZrO2) 현탁액(40)을 용액으로 하고 연소가스(10)로서는 산소와 아세틸렌 또는 산소와 수소의 조합으로 하여 연소를 수행한다. 이때 이미 준비된 음극 기판(anode)의 온도를 900~1200℃로 가열하면서 코팅을 실시함으로써 코팅층(음극과 전해질)의 부착 특성을 향상을 시킬 수 있다.Next, nano spraying is performed using the aerosol nano spray combustion apparatus of FIG. 2 and the suspension combustion material for electrolytes. In this process, zirconia (ZrO 2 )
상기 원료 스프레이 단계에서 연소가스(10)의 일원으로 아세틸렌 또는 수소는 10 ~ 30 psi의 공급압력으로, 산소는 15 ~ 40 psi의 공급압력을 가하여 속도계(20)를 사용하여 조절하며, 원료 용액은 펌프(30)에 의해 공히 0.4 ~1.0 mg/cm2 의 속도로 연소 노즐(nozzle)(50)을 통해 공급한다.(S12)In the raw material spraying step, acetylene or hydrogen is supplied as a member of the
상기와 같이 음극 기판 위에 1차 코팅된 전해질 층은 적절한 열처리에 의해 그 부착성과 조성을 최적화 하여 특성향상을 꾀할 수 있다.(S13)As described above, the electrolyte layer coated on the negative electrode substrate may be improved by optimizing its adhesion and composition by appropriate heat treatment.
다음으로 양극 물질 층을 도 2의 에어로졸 나노 스프레이 연소장치를 이용한 나노 스프레이에 의해 전해질 층 위에 코팅한다. 양극 코팅 층을 성형하기 위해 주로 (LaSr)MnO3의 기본 조성이 가장 최적의 조성이지만 필요한 경우 그 기본 조성에 Co를 첨가하여 (La0.8Sr0.2) (Co0.8Mn0.2)O3 조성으로 사용한다. 혹은 아예 (Sm0.2Ce0.8)O2 또는 (La0.8Sm0.2)MnO2 조성으로 최적화 된 물질을 사용한다. 선택된 조성의 나노 분말 또는 마이크론 분말을 폴리 비닐 알코올과 혼합하여 분산이 잘된 슬러리를 만든 후 추가로 물 또는 알콜과 희석하여 적절한 농도(주로 분말 무게농도 5 % 전후)의 묽은 원료용액을 제조한다. 전술한 바와 마찬가지로 연소가스로는 수소 또는 아세틸렌 가스를 단독 또는 같이 사용할 수 있고, 산소를 동시에 사용한다. 가스 공급압력은 전술한 바와 용액의 공급속도는 10~20 g/min(분)의 범위로 실시한다.(S14) The anode material layer is then coated onto the electrolyte layer by nano spraying using the aerosol nano spray burner of FIG. 2. In order to form the anode coating layer, the basic composition of (LaSr) MnO 3 is the most optimal composition, but if necessary, Co is added to the basic composition to use (La 0.8 Sr 0.2 ) (Co 0.8 Mn 0.2 ) O 3 . . Or a material optimized for (Sm 0.2 Ce 0.8 ) O 2 or (La 0.8 Sm 0.2 ) MnO 2 composition. Nano powder or micron powder of selected composition is mixed with polyvinyl alcohol to make a well-dispersed slurry, and further diluted with water or alcohol to prepare a dilute raw material solution of appropriate concentration (mainly around 5% by weight weight of powder). As described above, as the combustion gas, hydrogen or acetylene gas can be used alone or together, and oxygen is used simultaneously. The gas supply pressure is carried out in the range described above, and the supply rate of the solution is in the range of 10 to 20 g / min (min).
상기의 양극 층 나노 스프레이 코팅은 실온에서 실시하며, 적절한 두께의 코팅이 완료된 후, 900~1400 ℃ 범위에서 열처리를 실시하여 단단한 양극 층을 형성하게 된다(S15).The anode layer nano spray coating is carried out at room temperature, and after the coating of the appropriate thickness is completed, a heat treatment is performed in the range 900 ~ 1400 ℃ to form a rigid anode layer (S15).
상술한 처리과정에 의해 형성된 음극 지지형 평판 연료전지 전극이 도 3 (가) 및 도 4에 도시되어 있다.The negative electrode supported flat fuel cell electrode formed by the above-described process is shown in FIGS. 3A and 4.
다음으로 도 1의 (나)를 참조하여 전해질 지지형 평판 연료전지 전극 제조 방법을 설명한다.Next, a method of manufacturing an electrolyte-supported flat plate fuel cell electrode will be described with reference to FIG.
먼저 전해질 지지층을 소결제조하고, 원하는 물질의 조성을 가지는 음극 및 양극 물질층으로 되는 프리커서를 제조한다. 이때, 전해질 층, 양극 물질층, 음극 물질층의 조성비는 상술한 음극 지지형 평판 연료전지 전극의 제조 과정의 설명과 동일한 것으로 그 상세한 설명은 생략한다(S21).First, an electrolyte support layer is sintered to produce a precursor comprising a cathode and an anode material layer having a composition of a desired material. At this time, the composition ratio of the electrolyte layer, the positive electrode material layer, and the negative electrode material layer is the same as the description of the manufacturing process of the negative electrode-supported flat plate fuel cell electrode, and a detailed description thereof is omitted (S21).
양극 또는 음극 중 어느 하나의 층을 성형하기 위한 프리커서를 도 2의 에어로졸 나노 스프레이 연소장치를 이용하여 전해질 지지층 상에 코팅한다(S22).A precursor for forming one of the anode and the cathode is coated on the electrolyte support layer using the aerosol nano spray burner of FIG. 2 (S22).
다음으로 열처리를 수행하여 하나의 극의 성형을 완료한다(S23).Next, heat treatment is performed to complete molding of one pole (S23).
하나의 극의 성형이 완성되면 다른 하나의 극을 성형하기 위하여 전해질 지지층의 다른 면에 도 2의 에어로졸 나노 스프레이 연소장치를 이용하여 전재질 지지층 상에 코팅한다(S24).When the molding of one pole is completed, the other surface of the electrolyte support layer is coated on the material support layer by using the aerosol nano spray burner of FIG. 2 to form another pole (S24).
그리고 열처리를 수행하는 것에 의해 다른 전극의 성형을 완료한다(S25).Then, the forming of the other electrode is completed by performing heat treatment (S25).
도 1 (나)의 처리과정에 의해 형성된 전해질 지지형 평판형 연료전지 전극이 도 3의 (나)에 도시되어 있다.An electrolyte supported flat fuel cell electrode formed by the process of FIG. 1B is shown in FIG. 3B.
초 박형 고체산화물 연료전지를 제조하기 위해 음극 지지형 평판 연료전지(anode-supported planar type solid oxide fuel cell)를 선택하고 기판으로 사용할 음극(61) 판을 100 x 100 mm2의 면적으로 설정하여 음극 기판(61)을 제조하였 다. 상용 마이크론 입도의 분말을 사용하였으며, NiO : Zr2O3 : Y2O3 비율을 무게비로 0.7: 0.05 : 0.25 구성하여 최적의 기술로 혼합한 후 1400 ℃에서 1시간 소결하여 원하는 조성을 확인하였다. 소결 기술로 제조한 블록(block)은 단면적이 100 x 100 mm2가 되게끔 최적화 하였으며, 소결 후 두께가 1 mm 가 되게끔 와이어 방전가공을 실시하였다.To manufacture an ultra-thin solid oxide fuel cell, a cathode was selected by selecting an anode-supported planar type solid oxide fuel cell and setting a cathode (61) plate to be used as a substrate with an area of 100 x 100 mm 2 . The substrate 61 was manufactured. Commercial micron particle size powder was used, NiO: Zr 2 O 3 : Y 2 O 3 ratio by weight ratio of 0.7: 0.05: 0.25 by mixing in an optimal technique and then sintered at 1400 ℃ for 1 hour to confirm the desired composition. Blocks prepared by the sintering technique were optimized to have a cross-sectional area of 100 x 100 mm 2 , and wire discharge machining was performed to have a thickness of 1 mm after sintering.
후속으로 전해질을 나노 스프레이 공정으로 코팅하기 위해 전해질 프리커서(precursor)(40)을 합성하였다. 먼저, Y2O3 : ZrO2 합성 비율이 8 : 92로 도핑(doped)된 상용의 Y2O3/ZrO2 혼합 나노 분말을 크실렌(Xylene)으로 희석하여 분말을 무게비로 50% 함유율로 슬러리(slurry)를 만들고 24시간 볼밀링(ball milling)한 후 다시 폴리비닐알콜(Poly vinyl alcohol)을 사용하여 5% 무게비율로 희석한 후 물을 사용하여 분말의 무게비가 0.3%가 되게끔 최종 희석하였다.Subsequently, an
미리 준비된 전해질 코팅용 프리커서(precursor)를 에어로졸 나노 스프레이 연소 장치를 사용하여 코팅을 실시하는데, 프리커서(40)의 공급량을 17 g/min의 속도로 지정하고, 연소 가스는 수소와 산소를 사용하였다. 수소의 유량 압력을 20 psi로 하였고, 산소의 압력은 30 psi로 설정하였다. 전해질 층의 두께를 약 10 마이크론 미터(㎛)로 설정하여 전해질 층 성형작업을 마쳤다.A precursor for electrolytic coating prepared in advance is coated using an aerosol nano spray combustion apparatus, and the supply amount of the
스프레이 코팅을 마친 후 1100 ℃에서 2시간 소둔 열처리(annealing)을 실시 하여 전해질 층의 성형밀도를 극대화 하였다.After finishing spray coating, annealing was performed at 1100 ° C. for 2 hours to maximize molding density of the electrolyte layer.
후속으로 전해질이 코팅된 층위에 양극(cathode) 층 성형작업을 다시 도 2의 에어로졸 나노 스프레이 연소장치를 이용한 나노 스프레이 코팅으로 실시하기 위해 양극 물질(63)의 슬러리(slurry)를 합성하였다. 설계된 조성은 La0.8Sr0.2Co0.8Mn0.2 였고, 사용한 분말 입도는 500~700 나노미터 범위였다. 본 나노 분말은 Duramax CT-324라는 상용 분산제(dispersant)를 사용하여 폴리비닐알콜로 희석하는데 분말이 함유량을 무게비로 50 %로 먼저 실시하고, 그 후에 볼밀링(ball milling)처리를 48시간 계속하였다. 그 다음 다시 증류수를 첨가하여 분말 함유량을 무게비로 5% 범위로 희석하고, 최종으로 아이소 프로필 알코올과 증류수를 사용하여 총 분말이 무게비율을 0.3% 되게끔 희석하여 나노 스프레이용 프리커서 용액을 분비하였다.Subsequently, a slurry of the anode material 63 was synthesized to perform a cathode layer forming operation on the electrolyte-coated layer again by nano spray coating using the aerosol nano spray burner of FIG. 2. The designed composition was La 0.8 Sr 0.2 Co 0.8 Mn 0.2 and the powder particle size used was in the range of 500-700 nanometers. The nanopowder was diluted with polyvinyl alcohol using a commercially available dispersant called Duramax CT-324, which was first subjected to 50% by weight of the powder, followed by ball milling for 48 hours. . Then, distilled water was added again to dilute the powder content in the range of 5% by weight, and finally, isopropyl alcohol and distilled water were used to dilute the total powder to 0.3% by weight to secrete the nanospray precursor solution. .
양극(63) 층의 코팅은 준비된 프리커서(40)를 사용하여 공급 유량을 18 g/min으로 설정하고, 사용한 연소 가스로는 수소와 산소이며, 수소의 공급 압력을 30 psi, 산소의 압력은 40 psi로 설정하여 양극(40)의 두께가 약 40 마이크론 미터가 되도록 스프레이를 계속하였다. 그러나 코팅 중간에 간간히 스프레이를 멈추고 1100℃에서 1시간 정도의 열처리를 함으로써 유기성 바인더물질과 성형층의 밀도를 올리는 작업을 거쳤다.Coating of the anode 63 layer was carried out using the
양극 층의 코팅이 끝난 후 최종적으로 1100 ℃에서 2시간 후속 열처리를 거쳐 코팅작업의 마무리를 하였다.After the coating of the anode layer, the coating was finally finished by subsequent heat treatment at 1100 ° C. for 2 hours.
도 5는 상기 실시예에 따라 형성된 연료전지의 단위 전극의 전기적 특성을 나타내는 것으로서, 성형이 완료된 초정밀 고체산화물 연료전지의 성능평가를 사용온도 500 및 750 ℃에서 각각 실시한 결과를 나타낸다. 성능평가에 사용한 음극 측 연료는 수소이며, 양극 측 연료는 공기였다. 500℃ 성능 평가에서는 전류 밀도 700mA/cm2 에서 0.6V 의 전압치를 보였고, 이때 최대 전력밀도(power density)는 약 420mW/cm2의 특성을 보였다. 또한 사용온도 750 ℃ 에서 실시한 성능평가의 결과로는 전류밀도 900mA/cm2에서 약 0.6V의 전압을 보이면서 최대 전력밀도(power density)는 550mW/cm2의 값을 보였다.5 shows the electrical characteristics of the unit electrode of the fuel cell formed according to the embodiment, and shows the results of performing the performance evaluation of the ultra-precision solid oxide fuel cell is completed at the use temperature of 500 and 750 ℃, respectively. The cathode side fuel used for the performance evaluation was hydrogen, and the anode side fuel was air. In the performance evaluation at 500 ° C, a voltage value of 0.6 V was shown at a current density of 700 mA / cm 2 , and the maximum power density was about 420 mW / cm 2 . In addition, the results of the performance evaluation at the operating temperature of 750 ℃ showed a voltage of about 0.6V at a current density of 900mA / cm 2 and a maximum power density of 550mW / cm 2 .
도 1은 본원발명의 처리과정을 나타내는 순서도,1 is a flow chart showing a process of the present invention,
도 2는 본원발명의 에어로졸 나노 스프레이 연소장치 구성도,2 is a block diagram of an aerosol nano spray combustion apparatus of the present invention,
도 3은 본원발명에 의해 제조된 연료전지의 단위전극의 측면도,3 is a side view of a unit electrode of a fuel cell manufactured by the present invention;
도 4는 음극 지지형 평판연료전지 전극의 평면도,4 is a plan view of a negative electrode supported flat fuel cell electrode,
도 5는 본원발명의 실시예에 따르는 음극 지지형 평판연료전지 전극의 전기적 특성을 나타내는 그래프.Figure 5 is a graph showing the electrical characteristics of the negative electrode supported plate fuel cell electrode according to an embodiment of the present invention.
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