KR20100134347A - Anode-supported electrolyte for solid oxide fuel cell and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 평판형 고체산화물 연료전지의 스택(stack)을 구성하는 단위전지(cell)에 관한 것으로써, 저온에서 연료극 지지체와 전해질을 동시에 소성할 수 있는 고체산화물 연료전지의 연료극 지지체형 전해질 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a unit cell constituting a stack of planar solid oxide fuel cells. The present invention relates to a fuel cell support electrolyte of a solid oxide fuel cell capable of simultaneously firing an anode support and an electrolyte at a low temperature, and It is to provide a manufacturing method.
연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의되며, 산화물 전해질을 통해 산화제(예를 들어, 산소)와 기상 연료(예를 들어, 수소)를 전기화학적으로 반응시킴으로써 직류 전기를 생산하는 에너지 전환 장치로써, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다.A fuel cell is defined as a cell that has the ability to produce direct current by converting the chemical energy of fuel (hydrogen) directly into electrical energy, and through the oxide electrolyte, oxidant (eg oxygen) and gaseous fuel (eg For example, as an energy conversion device for producing direct current electricity by electrochemically reacting hydrogen), unlike the conventional battery, it is characterized by continuously producing electricity by supplying fuel and air from the outside.
연료전지의 종류로는 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 비교적 낮은 온도에서 작동하는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells, DEMFC) 등이 있다.Fuel cell types include molten carbonate fuel cells (MCFCs), solid oxide fuel cells (SOFCs) operating at high temperatures, and phosphoric acid fuel cells operating at relatively low temperatures. Cell, PAFC), Alkaline Fuel Cell (AFC), Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), Direct Methanol Fuel Cells (DEMFC).
고체산화물 연료전지는 600~1000℃ 고온에서 연료(수소)와 산소(공기)의 전기화학반응에 의해 연료로부터 직접적으로 전기를 발생시키는 것으로, 연료전지 중 가장 발전효율이 높고, 폐열을 이용하여 열병합 발전이 용이하며, 이러한 특징으로 인해 고성능의 깨끗하고 효율적인 전원이 될 수 있는 잠재력을 가지며, 다양한 전력 발생 용도로서 개발되고 있다.Solid oxide fuel cell generates electricity directly from fuel by electrochemical reaction of fuel (hydrogen) and oxygen (air) at high temperature of 600 ~ 1000 ℃. It is the highest generation efficiency among fuel cells and uses cogeneration by using waste heat. It is easy to generate power, has the potential to be a high performance, clean and efficient power supply, and is being developed for various power generation applications.
평판형 고체산화물 연료전지는 연료극(anode)과 전해질(electrolyte) 및 공기극(cathode)으로 구성되는 단위전지(cell)의 다층 구조물(stack)로 형성된다. 통상적인 고체산화물 연료전지의 단위전지는, 연료극은 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, 이하, 'NiO'라 한다)와 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, 이하, 'YSZ'라 한다)의 복합체가 사용되고, 전해질은 YSZ가 사용되며, 공기극은 스트론튬 도핑된 란타늄 망가나이트(Lanthanum Strontium Manganite, 이하, 'LSM'이라 한다)(La0 .8Sr0 .2MnO3)와 YSZ의 복합체가 사용된다.The planar solid oxide fuel cell is formed of a multilayer stack of unit cells composed of an anode, an electrolyte, and a cathode. As a unit cell of a conventional solid oxide fuel cell, a composite of nickel oxide (hereinafter referred to as 'NiO') and yttria stabilized zirconia (hereinafter referred to as 'YSZ') is used as the anode. the electrolyte is a YSZ used, the air electrode is a strontium-doped lanthanum broken (referred to as lanthanum strontium Manganite, hereinafter, 'LSM') nitro (La 0 .8 Sr 0 .2 MnO 3) and YSZ of composite is used.
그런데, 고체산화물 연료전지의 단위전지의 제조 시 연료극과 전해질이 소성온도가 비슷함에도 불구하고 열팽창계수가 달라서 동시소성 시 휘어짐이나 크랙이 발생할 수 있으며, 자중을 이기지 못하고 단위전지가 깨지는 경우 등 소성에 어려움이 있다. 특히, 이러한 단위전지의 휘어짐이나 크랙은 단위전지의 면적이 증가 할수록 그 정도가 커진다. 이러한 문제점으로 인해 기존의 단위전지는 연료극, 전해질, 공기극을 각각 소성하여 제조하거나, 연료극을 먼저 소성한 후 연료극에 전해질을 코팅하여 소성하고 공기극을 도포하여 소성하는 방식으로 다단계로 소성하여 제조하였다. 이러한 기존의 단위전지 제조방법은 공정이 복잡할 뿐만 아니라 많은 시간과 인력을 요구하며, 생산 단가가 증가하는 문제점이 있다. 특히, 단위전지의 크기가 증가할수록 전해질을 얇고 균일하게 코팅하는 것이 어려워서 대면적 단위전지의 제조가 어렵고 성능이 저하되는 문제점이 있다.However, when the unit cell of the solid oxide fuel cell is manufactured, even though the anode and the electrolyte have similar firing temperatures, the thermal expansion coefficients may be different, which may cause warpage or cracks during simultaneous firing. There is difficulty. In particular, the warpage or crack of the unit cell increases as the area of the unit cell increases. Due to this problem, the conventional unit cell is manufactured by firing the anode, the electrolyte, and the cathode, respectively, or by firing the anode first and then baking the electrolyte by coating the electrolyte on the anode, and then firing the coating by applying the cathode. The existing unit cell manufacturing method has a problem that not only the process is complicated but also requires a lot of time and manpower, and the production cost increases. In particular, as the size of the unit cell increases, it is difficult to coat the electrolyte thinly and uniformly, making it difficult to manufacture a large area unit cell and deteriorating performance.
또한, 기존 전해질의 경우 소성온도가 1400℃ 이상 고온이라서 단위전지의 제조 시 시간이 길어지는 문제점이 있다.In addition, in the case of the existing electrolyte, since the firing temperature is higher than 1400 ° C., there is a problem in that the time is long when manufacturing the unit cell.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들은 고체산화물 연료전지의 스택을 구성하는 단위전지의 제조에 있어서, 연료극과 전해질을 동시소성할 수 있는 연료극 지지체형 전해질 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.Embodiments of the present invention for solving the above problems in the production of a unit cell constituting a stack of a solid oxide fuel cell, to provide a cathode support type electrolyte that can simultaneously fire the anode and the electrolyte and a method for manufacturing the same will be.
또한, 본 발명의 실시예들은 전해질의 소성온도를 낮추어 저온 소성이 가능한 연료극 지지체형 전해질 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, embodiments of the present invention to provide a cathode support type electrolyte capable of low-temperature firing by lowering the firing temperature of the electrolyte and a method of manufacturing the same.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 저온에서 동시소성이 가능한 고체산화물 연료전지의 연료극 지지체형 전해질의 제조방법은, 니켈 옥사이드(NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)를 혼합하여 제1 슬러리를 형성하는 단계, 상기 제1 슬러리를 이용하여 연료극 지지층 시트를 형성하는 단계, NiO와 YSZ를 혼합하여 제2 슬러리를 형성하는 단계, 상기 제2 슬러리를 이용하여 연료극 반응층 시트를 형성하는 단계, YSZ와 감마 알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3)를 혼합하여 전해질 슬러리를 형성하는 단계, 상기 전해질 슬러리를 이용하여 전해질 시트를 형성하는 단계, 상기 연료극 지지층 시트, 상기 연료극 반응층 시트, 상기 전해질 시트를 순차적으로 적층하여 적층체를 형성하는 단계, 상기 적층체를 라미네이션(lamination)하여 그린시트를 형성하는 단계, 상기 그린시트를 하소(calcinations)하여 솔벤트와 바인더를 제거하는 단계 및 상기 하소가 완료된 그 린시트를 소성하는 단계로 이루어질 수 있다.According to embodiments of the present invention for achieving the above object of the present invention, a method for producing a cathode support type electrolyte of a solid oxide fuel cell capable of co-firing at low temperatures, nickel oxide (NiO) and yttria stabilized zirconia (YSZ) mixing to form a first slurry, forming a cathode support layer sheet using the first slurry, mixing NiO and YSZ to form a second slurry, using the second slurry Forming a cathode reaction layer sheet, mixing YSZ and gamma aluminum oxide (γ-Al 2 O 3 ) to form an electrolyte slurry, forming an electrolyte sheet using the electrolyte slurry, the anode support layer sheet, Sequentially stacking the anode reaction layer sheet and the electrolyte sheet to form a laminate, and laminating the laminate. Drawn to form a sheet, and calcined (calcinations) of the green sheet may be formed of a step and the firing step of the calcination the lean sheet is completed to remove the solvent and binder.
실시예에서, 상기 전해질 슬러리는 상기 γ-Al2O3 가 상기 YSZ의 0.2wt 혼합 형성될 수 있다.In an embodiment, the electrolyte slurry may be formed by mixing 0.2 wt% of γ-Al 2 O 3 with the YSZ.
실시예에서, 상기 전해질 시트는 1 내지 5㎛의 두께로 형성되며, 상기 적층체는 한 장의 상기 전해질 시트가 적층될 수 있다. 또한, 상기 소성단계는 상기 하소가 완료된 적층체를 1200 내지 1300℃에서 35 내지 40㎏f/㎠의 하중으로 가압하여 소성할 수 있다.In an embodiment, the electrolyte sheet is formed to a thickness of 1 to 5㎛, the laminate may be stacked one sheet of the electrolyte sheet. In addition, the firing step may be baked by pressing the calcination is completed to a load of 35 to 40kgf / ㎠ at 1200 to 1300 ℃.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 저온 동시소성이 가능한 고체산화물 연료전지의 연료극 지지체형 전해질은, NiO와 YSZ가 혼합된 NiO/YSZ 서메트로 형성된 연료극 지지층, 상기 연료극 지지층 상에 적층되고 NiO/YSZ 서메트로 형성된 연료극 반응층 및 상기 연료극 반응층 상에 적층되고 상기 YSZ와 γ-Al2O3가 혼합되어 형성된 전해질층을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 연료극 지지층과 상기 연료극 반응층 및 상기 전해질층은 동시소성하여 형성될 수 있다.On the other hand, according to other embodiments of the present invention for achieving the above object of the present invention, the anode support type electrolyte of a solid oxide fuel cell capable of low-temperature co-fired, is formed of NiO / YSZ cermet mixed with NiO and YSZ The anode support layer, the anode reaction layer stacked on the anode support layer and formed of NiO / YSZ cermet, and the electrolyte layer stacked on the anode reaction layer and formed by mixing the YSZ and γ-Al 2 O 3 are formed. Here, the anode support layer, the anode reaction layer, and the electrolyte layer may be co-fired.
실시예에서, 상기 전해질은 상기 γ-Al2O3가 상기 YSZ의 0.2wt%로 혼합 형성될 수 있다. 그리고 1200 내지 1300℃에서 소성할 수 있다.In an embodiment, the electrolyte may be formed by mixing γ-Al 2 O 3 to 0.2wt% of the YSZ. And it can be baked at 1200 to 1300 ℃.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 저온 동시소성이 가능한 고체산화물 연료전지의 단위전지는, NiO/YSZ 서메트로 형성된 연료극 지지층, NiO/YSZ 서메트로 형성된 연료극 반응층, 상기 YSZ와 γ-Al2O3가 혼합되어 형성된 전해질층이 순서대로 적층 형성되고 동시소성하여 형성된 연료극 지지체형 전해질 및 상기 연료극 지지체형 전해질 상에 적층 형성되고 LSM과 상기 YSZ가 혼합된 LSM/YSZ 서메트로 형성된 공기극으로 형성될 수 있다.On the other hand, according to another embodiment of the present invention for achieving the above object of the present invention, the unit cell of the solid oxide fuel cell capable of low-temperature co-fired, the anode support layer formed of NiO / YSZ Cermet, NiO / YSZ Cermet The anode reaction layer, the electrolyte layer formed by mixing the YSZ and γ-Al 2 O 3 , are sequentially stacked on the anode support electrolyte and the anode support electrolyte formed by co-firing, and the LSM and the YSZ It can be formed with a cathode formed of a mixed LSM / YSZ cermet.
실시예에서, 상기 연료극 지지체형 전해질은 1200 내지 1300℃에서 소성하여 형성된다. 그리고 상기 공기극은 상기 LSM과 상기YSZ가 6:4의 중량비로 혼합 형성되고, 스크린 프린팅(screen printing) 방법으로 형성될 수 있다.In an embodiment, the anode support type electrolyte is formed by firing at 1200 to 1300 ° C. The cathode may be formed by mixing the LSM and the YSZ in a weight ratio of 6: 4, and may be formed by a screen printing method.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, YSZ 파우더에 소량의 γ-Al2O3를 첨가하여 전해질의 소성온도를 낮출 수 있으며, 단위전지 제조공정의 시간과 비용을 절감할 수 있다.As described above, according to the embodiments of the present invention, by adding a small amount of γ-Al 2 O 3 to the YSZ powder can lower the firing temperature of the electrolyte, it can reduce the time and cost of the unit cell manufacturing process have.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 기존의 전해질 및 단위전지 제조공정 자체를 변경하는 것이 아니라 전해질을 형성하기 위한 파우더에 γ-Al2O3를 첨가하는 것으로 전해질 및 단위전지의 소성온도를 낮출 수 있으므로 공정을 단순화시킬 수 있으며, 단위전지 제조공정에 쉽게 적용할 수 있다.Further, according to the embodiments of the present invention, the calcination temperature of the electrolyte and the unit cell is lowered by adding γ-Al 2 O 3 to the powder for forming the electrolyte, rather than changing the existing electrolyte and unit cell manufacturing process itself. The process can simplify the process and can be easily applied to the unit cell manufacturing process.
또한, 연속 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 연료극과 전해질을 제조하고 동시소성하여 연료극 지지체형 전해질(anode-supported electrolyte)를 제조할 수 있어서, 단위전지 제조공정의 시간과 비용을 절감할 수 있으며 생산성을 향상시킬 수 있다.In addition, the anode and the electrolyte may be manufactured and co-fired using a continuous tape casting method to manufacture an anode-supported electrolyte, thereby reducing the time and cost of the unit cell manufacturing process and improving productivity. You can.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments. In describing the present invention, a detailed description of well-known functions or constructions may be omitted for clarity of the present invention.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)의 연료극 지지체형 전해질(anode-supported electrolyte) 및 단위전지와 그 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료극 지지체형 전해질의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 도 1의 제조방법에 따라 제조된 연료극 지지체형 전해질의 단면 모식도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단위전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 4는 도 3의 방법에 따라 제조된 단위전지의 단면 모식도이다.Hereinafter, an anode-supported electrolyte, a unit cell, and a manufacturing method of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. It demonstrates in detail. For reference, FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a cathode support type electrolyte of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cathode support type electrolyte manufactured according to the method of FIG. 1. It is a schematic cross section of. 3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a unit cell of a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a unit cell manufactured according to the method of FIG. 3.
고체산화물 연료전지는 연료극(anode)과 전해질(electrolyte) 및 공기극(cathode)으로 구성되는 단위전지(cell)가 다층으로 적층(stack)되어 형성된다. 여기서, 고체산화물 연료전지의 단위전지는 연료극과 전해질로 구성된 연료극 지지체형 전해질을 제조하는 공정과 연료극 지지체형 전해질 상에 공기극을 형성하는 공정으로 이루어진다. 예를 들어, 연료극 지지체형 전해질은 연료극과 전해질이 테이프 캐스팅(tape casting) 방식을 이용하여 연속으로 형성되고 동시소성되어 형성된다. 그리고 단위전지는 상기와 같이 형성된 연료극 지지체형 전해질 상에 스 크린 프린팅 등의 방식으로 공기극을 형성하고 소성하여 형성된다.The solid oxide fuel cell is formed by stacking a plurality of unit cells composed of an anode, an electrolyte, and a cathode. Here, the unit cell of the solid oxide fuel cell comprises a process of manufacturing a cathode support electrolyte consisting of a fuel electrode and an electrolyte and a process of forming an air electrode on the anode support electrolyte. For example, in the anode support type electrolyte, the anode and the electrolyte are formed by continuous and co-fired by using a tape casting method. The unit cell is formed by forming and firing the cathode on the anode support type electrolyte formed as described above by screen printing or the like.
연료극 지지체형 전해질(10)은 도 2에 도시한 바와 같이, 연료극 지지층(11)과 연료극 반응층(12)으로 이루어진 연료극 지지체 상에 전해질층(13)이 적층된 구조를 갖는다. 그리고 단위전지(20)는 도 4에 도시한 바와 같이, 연료극 지지체형 전해질(10) 상에 소정 두께의 공기극층(21)이 적층된 구조를 갖는다.As shown in FIG. 2, the anode
본 실시예에 따른 단위전지(20)는, 연료극이 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, 이하, 'NiO'라 한다)와 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, 이하, 'YSZ'라 한다)가 혼합된 NiO/YSZ 서메트(cermet)로 형성되고, 전해질은 감마 알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3)와 YSZ가 혼합 형성되고, 공기극은 YSZ와 스트론튬 도핑된 란타늄 망가나이트(Lanthanum Strontium Manganite, 이하, 'LSM'이라 한다)(La0 .8Sr0 .2MnO3)가 혼합된 LSM/YSZ 서메트로 형성된다.In the
도 1을 참조하면, 연료극 지지체형 전해질(10)의 제조방법은, 우선, NiO와 YSZ를 혼합하여 제1 NiO/YSZ 슬러리를 형성한다(S11). 여기서, 제1 NiO/YSZ 슬러리는 NiO와 YSZ가 60:40으로 혼합되고, 기공체로써 카본 블랙이 10wt% 첨가되고, 솔벤트(solvent)와 분산제 및 바인더를 첨가하여 형성된다. 그리고 상기와 같이 혼합된 제1 NiO/YSZ 슬러리를 48시간 동안 볼밀(ball milling)한다.Referring to FIG. 1, in the method of manufacturing the anode support-
다음으로, 제1 NiO/YSZ 슬러리를 테이프 캐스팅하여 연료극 지지층 시트를 형성한다(S12). 예를 들어, 연료극 지지층 시트는 35 내지 45㎛의 두께로 형성된다.Next, the first NiO / YSZ slurry is tape casted to form a fuel electrode supporting layer sheet (S12). For example, the anode support layer sheet is formed to a thickness of 35 to 45 µm.
다음으로, NiO와 YSZ를 혼합하여 제2 NiO/YSZ 슬러리를 형성한다(S13). 여기서, 제2 NiO/YSZ 슬러리는 연료극 반응층(12)을 형성하기 위한 것으로, 제1 NiO/YSZ 슬러리와 마찬가지로, NiO와 YSZ에 카본 블랙 10wt%, 솔벤트(solvent), 분산제 및 바인더를 첨가하고 48시간 동안 볼밀하여 형성된다. 다만, 제2 NiO/YSZ 슬러리는 제1 NiO/YSZ 슬러리와 달리 NiO와 YSZ가 55:45로 혼합된다.Next, NiO and YSZ are mixed to form a second NiO / YSZ slurry (S13). Here, the second NiO / YSZ slurry is used to form the
다음으로, 제2 NiO/YSZ 슬러리를 테이프 캐스팅하여 10 내지 30㎛의 두께를 갖는 연료극 반응층 시트를 형성한다(S14).Next, the second NiO / YSZ slurry is tape cast to form a fuel electrode reaction layer sheet having a thickness of 10 to 30㎛ (S14).
다음으로, YSZ 분말에 나노 입자의 γ-Al2O3를 혼합하여 전해질 슬러리를 형성한다(S15). 여기서, γ-Al2O3는 0.1 내지 0.3wt%가 첨가될 수 있다. 그리고 γ-Al2O3가 혼합된 YSZ 분말에 솔벤트와 톨루엔, 에탄올, 분산제, 바인더를 혼합하고 48시간 볼밀한다.Next, γ-Al 2 O 3 of the nanoparticles are mixed with the YSZ powder to form an electrolyte slurry (S15). Here, γ-Al 2 O 3 may be added 0.1 to 0.3wt%. Then, the solvent and toluene, ethanol, a dispersant, and a binder are mixed with the YSZ powder mixed with γ-Al 2 O 3 and ball milled for 48 hours.
다음으로, 전해질 슬러리를 테이프 캐스팅하여 1 내지 5㎛의 두께를 갖는 전해질 시트를 형성한다(S16).Next, the electrolyte slurry is tape cast to form an electrolyte sheet having a thickness of 1 to 5 μm (S16).
다음으로, 연료극 지지층 시트와 연료극 반응층 시트 및 전해질 시트를 순차적으로 적층(S161)하여 적층체를 형성한다(S17). 예를 들어, 40㎛ 두께의 연료극 지지층 시트가 40 적층되어 연료극 지지층(11)이 형성되고, 연료극 지지층(11) 상에 20㎛ 두께의 연료극 반응층 시트가 한 장 적층되어 연료극 반응층(12)이 형성되고, 연료극 반응층(12) 상에 5㎛ 두께의 전해질 시트 한 장이 적층되어 전해질층(13)이 형성된다.Next, the anode support layer sheet, the anode reaction layer sheet, and the electrolyte sheet are sequentially stacked (S161) to form a laminate (S17). For example, a 40-μm-thick anode support layer sheet is stacked to form a
다음으로, 적층체를 라미네이션(lamination)하여(S171) 단위전지 그린시트(green sheet)를 형성한다(S18). 여기서, 그린시트 형성단계는 적층체를 소정 온도에서 가압하여 적층된 시트들이 서로 잘 접착되도록 하여 서로 박리되는 것을 방지, 특히, 연료극과 전해질층이 서로 박리되는 것을 방지하는 공정이다. 예를 들어, 적층체를 70 내지 90℃의 온도(예를 들어, 80℃)에서 400㎏f/㎠의 하중으로 가압하여 라미네이션한다.Next, the laminate is laminated (S171) to form a unit cell green sheet (S18). Here, the green sheet forming step is a process of pressing the laminate at a predetermined temperature so that the stacked sheets adhere well to each other to prevent them from being separated from each other, in particular, to prevent the anode and the electrolyte layer from being peeled from each other. For example, the laminate is pressed by a load of 400 kgf / cm 2 at a temperature of 70 to 90 ° C. (eg, 80 ° C.).
다음으로, 라미네이션이 완료된 그린시트에서 슬러리 형성 단계에서 혼합된 기공체와 솔벤트, 바인더, 분산제 등의 성분을 제거하기 위한 하소(calcinations) 단계를 수행한다(S181). 여기서, 하소 단계는 그린시트에서 제거하고자 하는 각 특성에 맞춰서 단계별로 진행된다. 예를 들어, 그린시트를 150℃에서 2시간 동안 열처리하여 솔벤트를 제거하고, 300℃로 승온시켜 2시간 동안 열처리를 통해 바인더의 결합을 끊고, 600℃로 승온시켜 2시간 동안 열처리를 통해 카본을 제거하며, 900℃에서 2시간 동안 열처리를 통해 잔류 카본을 제거하며, 1000℃에서 3시간 동안 열처리 후 상온을 유지하는 처리를 통해 기공체인 카본 블랙을 제거할 수 있다. 여기서, 하소 온도가 1000℃ 이하인 경우, 소성이 불량하여 파손이 발생하기 쉽고, 하소 온도가 1000℃ 이상인 경우에는 하소 단계에서 그린시트의 휘어짐이 심하게 발생하므로 1000℃ 근방의 온도에서 하소가 수행된다.Next, a calcinations step is performed to remove components such as pores, solvents, binders, and dispersants mixed in the slurry forming step in the green sheet in which lamination is completed (S181). Here, the calcination step is carried out step by step according to each characteristic to be removed from the green sheet. For example, the green sheet is heat treated at 150 ° C. for 2 hours to remove the solvent, the temperature is raised to 300 ° C. to disassociate the binder through heat treatment for 2 hours, and the temperature is raised to 600 ° C. to heat the carbon for 2 hours. To remove the residual carbon through heat treatment for 2 hours at 900 ℃, and to maintain the room temperature after heat treatment for 3 hours at 1000 ℃ can remove the carbon black pore body. Here, when the calcination temperature is 1000 ° C or less, it is easy to cause breakage due to poor calcination, and when the calcination temperature is 1000 ° C or more, the bending of the green sheet occurs severely in the calcination step, so that calcination is performed at a temperature near 1000 ° C.
다음으로, 하소 단계가 완료된 그린시트를 소성(S182)하여 연료극 지지체형 전해질(10)을 형성한다(S19). 예를 들어, 연료극 지지체형 전해질(10)은 약 1300℃에서 소성된다. 여기서, 소성 단계에서 휨이나 크랙과 같은 결함이 발생하는 것 을 방지하기 위해서, 그린시트에 소정의 하중을 가하여 가압 상태로 소성된다. 일 예로, 그린시트의 상부에 일정한 크기와 중량을 갖는 가압체를 두어서 가압하여 소성할 수 있다. 예를 들어, 가압체는 그린시트를 35 내지 40㎏f/㎠의 하중으로 가압하고, 그린시트를 균일하게 가압할 수 있도록 그린시트의 형상과 대응되는 소정의 블록 또는 평판 형태를 가질 수 있다. 또한, 가압체는 소성 단계에서 그린시트와 화학 반응이 발생하지 않는 안정한 재질로 형성되며, 가압체가 물리적/화학적으로 변형이 발생하지 않는 재질로 형성되며, 예를 들어, 지르코니아와 같은 세라믹 재질로 형성될 수 있다.Next, the green sheet having the calcining step is completed (S182) to form the anode support type electrolyte 10 (S19). For example, the anode support-
단위전지(20)는 상기와 같이 형성된 연료극 지지체형 전해질(10) 상에 공기극층(21)을 형성하고 소성하여 형성된다.The
도 3을 참조하면, 우선, LSM과 YSZ가 혼합된 LSM/YSZ 슬러리를 형성한다(S21). 여기서, LSM/YSZ 슬러리는 LSM과 YSZ가 60:40으로 혼합 형성된다.Referring to FIG. 3, first, an LSM / YSZ slurry in which LSM and YSZ are mixed is formed (S21). Here, the LSM / YSZ slurry is formed by mixing 60:40 LSM and YSZ.
다음으로, 연료극 지지체형 전해질(10)의 전해질층(13) 상에 LSM/YSZ 슬러리 스크린 프린팅(S211) 방식으로 도포하여 공기극층(21)을 형성한다(S22). 여기서, LSM/YSZ 슬러리를 3회 스크린 프린트하여 대략 50㎛ 두께의 공기극층(21)을 형성할 수 있다.Next, the
다음으로, 공기극층(21)이 형성된 연료극 지지체형 전해질(10)을 소성(S221)하여 단위전지(20)를 형성한다(S23). 예를 들어, 단위전지(20)는 1100 내지 1200℃에서 소성된다Next, the anode
본 발명의 실시예들에 따르면, 연속 테이프캐스팅 방법과 동시소성에 의해 연료극과 전해질을 동시에 형성할 수 있으므로 연료극 지지체형 전해질(10) 및 단위전지(20)의 제조공정을 단축시킬 수 있고, 시간과 비용을 절감할 수 있으며, 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 박막의 전해질을 형성할 수 있어서 단위전지(20)의 성능을 향상시킬 수 있다. 이는 전해질의 두께가 박막화될수록 전해질 내부에서 산소 이온의 이동 거리가 감소함에 따라 옴 저항과 분극 저항이 감소되고, 전해질과 연료극 사이의 접촉성과 반응성을 향상시킴으로써 단위전지(20)의 성능을 향상시킬 수 있기 때문이다.According to the embodiments of the present invention, since the anode and the electrolyte can be formed simultaneously by the continuous tape casting method and the simultaneous firing, the manufacturing process of the anode support-
또한, γ-Al2O3를 첨가함으로써 1200 내지 1300℃의 비교적 저온에서 연료극 지지체형 전해질(10)을 소성할 수 있어서 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 고온에서 소성한 것과 같이 조밀한 구조를 얻을 수 있다. 또한, 전해질 및 단위전지 제조공정에서 전해질 파우더에 γ-Al2O3를 첨가하는 것으로 소성온도를 낮출 수 있으므로 별도의 장치 또는 공정을 추가하지 않고 기존의 전해질 및 단위전지 제조공정을 적용할 수 있으며, 기존의 공정에 쉽게 적용할 수 있다는 장점이 있다.In addition, by adding γ-Al 2 O 3 , the anode support-
이하에서는 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 연료극 지지체형 전해질 및 단위전지의 성능에 대해서 설명한다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 단위전지의 성능 평가를 하기 위해서 상술한 제조방법에 따라 연료극 지지체형 전해질 및 단위전지를 제조하였다. 이하에서는 본 발명의 단위전지 제조방법에 따라 제조된 단위전지를 '실시예'라 한다. 그리고 실시예와 동일하게 단위전지를 형성하되, 다만, γ-Al2O3가 첨가되지 않은 YSZ 분말로 전해질을 형성하 고 실시예와 동일하게 1300℃에서 소성하여 연료극 지지체형 전해질을 제조하여 형성된 단위전지를 '비교예'라 한다.Hereinafter, the performance of a cathode support type electrolyte and a unit cell manufactured according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 7. Here, in order to evaluate the performance of the unit cell according to the embodiment of the present invention, a cathode support type electrolyte and a unit cell were manufactured according to the above-described manufacturing method. Hereinafter, a unit cell manufactured according to the unit cell manufacturing method of the present invention will be referred to as an 'example'. A unit cell was formed in the same manner as in the example, except that the electrolyte was formed of YSZ powder to which γ-Al 2 O 3 was not added, and then calcined at 1300 ° C. to prepare a cathode support-type electrolyte. A unit cell is called a "comparative example."
도 5는 실시예에서 연료극 지지체형 전해질의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 실시예는 전해질층의 두께가 10㎛ 이하인 것을 확인 할 수 있으며, 연료극은 가스 투과가 양호하도록 기공이 잘 발달되어 있으며, 연료극과 전해질의 계면 접촉 상태가 매우 양호한 상태임을 잘 알 수 있다5 is a scanning electron microscope (SEM) image of the anode support-type electrolyte in the embodiment. As shown in FIG. 5, the embodiment can confirm that the thickness of the electrolyte layer is 10 μm or less, and the fuel electrode has good pores so that gas permeation is good, and the interface contact state between the fuel electrode and the electrolyte is very good. I can see that
도 6a는 실시예에서 전해질층의 SEM 이미지이고, 도 6b는 비교예에서 전해질층의 SEM 이미지이다. 연료극과 공기극 사이의 가스 투과를 차단하기 위해서는 전해질이 조밀해야 하는데, 도 6a에 도시한 바와 같이, 실시예는 전해질층이 기공이 거의 없는 치밀한 고밀도 상태인 것을 알 수 있다. 이에 반해 비교예의 전해질층은 조밀하지 않고 기공이 형성되어 있어서 전해질층을 통해서 가스의 유출(leak)이 발생할 수 있음을 예측할 수 있다. 그리고 비교예의 경우 가스 유출로 인해 성능평가가 수행될 수 없었다.6A is an SEM image of the electrolyte layer in the example, and FIG. 6B is an SEM image of the electrolyte layer in the comparative example. In order to block gas permeation between the anode and the cathode, the electrolyte must be dense. As shown in FIG. 6A, the embodiment shows that the electrolyte layer is in a dense and dense state with almost no pores. On the other hand, the electrolyte layer of the comparative example is not dense and pores are formed, it can be expected that the leakage of gas through the electrolyte layer (leak) can occur. In the comparative example, performance evaluation could not be performed due to gas leakage.
도 7은 실시예의 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다. 여기서, 비교예는 상술한 바와 같이 가스 유출로 인해 성능 평가가 제대로 수행되지 못해서 도 7에는 실시예에 대한 성능 평가 결과만 기재하였다.7 is a graph showing the results of performance evaluation of the example. Here, in the comparative example, the performance evaluation was not properly performed due to the outflow of gas as described above, and thus, only the performance evaluation results for the example are described in FIG. 7.
우선, 실시예의 성능 평가를 위해서 800℃에서 3% 수분(H2O)를 포함한 수소 가스(H2)를 400㎖/min의 속도로 연료극으로 흐르게 하고, 공기를 500㎖/min의 속도로 공기극으로 흐르게 하여 8시간 환원 후 전류전압(I-V) 커브를 측정하고, 동시에 개회로 상태에서 임피던스를 측정하였다.First, for the performance evaluation of the embodiment, hydrogen gas (H 2 ) containing 3% water (H 2 O) at 800 ° C. was flowed to the anode at a rate of 400 mL / min, and air was flowed at a rate of 500 mL / min. After 8 hours of reduction, the current voltage (IV) curve was measured, and at the same time, the impedance was measured in the open circuit state.
도 7을 참조하면, 실시예는 출력성능이 0.58W/㎠로 높은 성능을 보여준다. 이는, 실시예가 저온에서 소성되었으나 전해질을 치밀하게 제조할 수 있으며, 박막의 전해질을 형성할 수 있으며 전해질 표면 균일성이 우수해서 단위전지의 미세구조 제어 및 가스 유출 방지 효과가 큰 것을 알 수 있다.Referring to Figure 7, the embodiment shows a high performance of 0.58W / ㎠ output performance. Although the embodiment is fired at a low temperature, it can be seen that the electrolyte can be densely manufactured, a thin film of electrolyte can be formed, and the electrolyte surface uniformity is excellent, so that the microstructure of the unit cell and the gas leakage prevention effect are large.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, the present invention has been described by specific embodiments such as specific components and the like, but the embodiments and the drawings are provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is limited to the above-described embodiments. In other words, various modifications and variations are possible to those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, and all the things that are equivalent to or equivalent to the scope of the claims as well as the claims to be described later belong to the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 연료극 지지체형 전해질의 제조방법을 설명하기 위한 순서도;1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a cathode support type electrolyte of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention;
도 2는 도 1의 제조방법에 따른 연료극 지지체형 전해질의 단면 모식도;2 is a schematic cross-sectional view of an anode support type electrolyte according to the manufacturing method of FIG. 1;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 단위전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도;3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a unit cell of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention;
도 4는 도 3의 제조방법에 따른 단위전지의 단면 모식도;4 is a schematic cross-sectional view of a unit cell according to the manufacturing method of FIG.
도 5는 실시예에서 연료극 지지체형 전해질의 주사전자현미경(SEM) 이미지;5 is a scanning electron microscope (SEM) image of the anode support-type electrolyte in the embodiment;
도 6a는 실시예에서 전해질층의 SEM 이미지;6A is an SEM image of an electrolyte layer in an embodiment;
도 6b는 비교예에서 전해질층의 SEM 이미지;6B is an SEM image of the electrolyte layer in the comparative example;
도 7은 실시예의 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.7 is a graph showing the results of performance evaluation of the example.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10: 연료극 지지체형 전해질 11: 연료극 지지층10: anode support type electrolyte 11: anode support layer
12: 연료극 반응층 13: 전해질층12: anode reaction layer 13: electrolyte layer
20: 단위전지(cell) 21: 공기극층20: cell 21: air cathode layer
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