KR20110013802A - 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

고체 산화물 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지는, ⅰ) 전해질막과, ⅱ) 전해질막의 일면에 위치하는 양극과, ⅲ) 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극과, ⅳ) 음극에서 음극의 표면과 나란하게 형성되며, 음극보다 높은 기계적 강도를 가지는 다공성 세라믹 구조물로 이루어진 보강층을 포함한다.
본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지는 보강층에 의해 음극의 두께를 확대시키지 않고도 기계적 강도를 효과적으로 높일 수 있으며, 고체 산화물 연료 전지의 성능 저하를 유발하지 않는다.
고체 산화물, 연료 전지, 단위 전지, 전해질막, 양극, 음극, 보강층

Description

고체 산화물 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법 {UNIT CELL FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 고체 산화물 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기계적 강도를 향상시킨 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지는 단위 전지와 분리판을 포함하는 전기 생성 유닛을 복수개 적층한 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막, 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극), 및 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.
양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물을 생성한다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 고체 산화물 연료 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
단위 전지를 제조하기 위한 다양한 세라믹 공정이 개발되고 있으며, 이 가운 데 테이프 캐스팅법이 공지되어 있다. 테이프 캐스팅법을 이용하여 단위 전지를 제조하면 치밀한 전해질막을 형성할 수 있고, 전극 특성을 용이하게 제어할 수 있다. 그러나 완성된 단위 전지의 기계적 강도가 충분하지 못하므로, 단위 전지의 기계적 강도를 높이기 위한 개선 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 기계적 강도를 향상시킨 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지는, ⅰ) 전해질막과, ⅱ) 전해질막의 일면에 위치하는 양극과, ⅲ) 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극과, ⅳ) 음극에서 음극의 표면과 나란하게 형성되며, 음극보다 높은 기계적 강도를 가지는 다공성 세라믹 구조물로 이루어진 보강층을 포함한다.
보강층은 원형 또는 다각형의 개구부를 가질 수 있으며, 보강층의 개구부는 음극의 구성 물질로 채워질 수 있다. 보강층은 육각형의 개구부를 가지는 벌집 구조물로 이루어질 수 있다.
보강층은 음극의 내부, 전해질막을 향한 음극의 일면, 및 전해질막의 반대측을 향한 음극의 다른 일면 중 적어도 한 곳에 위치할 수 있다. 보강층은 이트리아(Y2O3), 칼시아(CaO), 및 스칸디아(Sc2O3) 중 어느 하나로 도핑된 지르코니 아(ZrO2)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법은, ⅰ) 전해질 시트와 복수의 음극 시트를 제조하는 단계와, ⅱ) 복수의 음극 시트 중 적어도 하나의 음극 시트 위에 세라믹 분말을 포함한 보강층 페이스트를 다공성 구조물 형태로 인쇄하여 보강층을 형성하는 단계와, ⅲ) 복수의 음극 시트 및 보강층이 형성된 적어도 하나의 음극 시트를 적층하여 음극 스택을 제조하고, 음극 스택 위에 전해질 시트를 적층하는 단계와, ⅳ) 음극 스택과 전해질 시트를 가열 압착 후 동시 소결하여 음극과 전해질막을 제조하는 단계와, ⅴ) 전해질막 위에 양극 재료를 도포 후 소결하여 양극을 제조하는 단계를 포함한다.
세라믹 분말은 이트리아(Y2O3), 칼시아(CaO), 및 스칸디아(Sc2O3) 중 어느 하나로 도핑된 지르코니아(ZrO2) 분말을 포함할 수 있으며, 보강층 페이스트에 대해 50중량% 내지 80중량%로 포함될 수 있다.
보강층이 형성된 음극 시트는 음극 스택의 내부와 음극 스택의 외면 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다. 보강층은 원형 또는 다각형의 개구부를 가질 수 있으며, 음극 스택과 전해질 시트의 가열 압착 및 동시 소결 과정에서 보강층의 개구부는 음극 물질로 채워질 수 있다.
본 발명에 의한 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지는 음극에 보강층을 형성함에 따라 음극의 두께를 확대시키지 않고도 기계적 강도를 효과적으로 높일 수 있 으며, 옴 저항 손실 또는 농도 분극 현상에 의한 고체 산화물 연료 전지의 성능 저하를 유발하지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 단위 전지 중 보강층의 평면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지(100)는 전해질막(12)과, 전해질막(12)의 일면에 위치하는 양극(14)과, 전해질막(12)의 다른 일면에 위치하는 음극(16)과, 음극(16)에 형성된 보강층(18)을 포함한다.
전해질막(12)은 Y, Sc, Sm, 및 Gd 중 어느 하나가 첨가된 지르코니아(ZrO2) 또는 세리아(CeO2)를 포함할 수 있다. 양극(14)은 페로브스카이트상 산화물인 La-Sr-Mn 산화물(LSM) 또는 La-Sr-Co-Fe 산화물(LSCF)을 포함할 수 있다. 음극(16)은 Ni과 이트리아 안정화 지르코니아의 복합체를 포함할 수 있다. 여기에서 언급한 전해질막(12) 양극(14) 및 음극(16)의 재료는 하나의 예일 뿐, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
보강층(18)은 음극(16)보다 높은 기계적 강도를 가지는 다공성 구조물로 이 루어지며, 원형 또는 다각형의 개구부(181)를 가진다. 보강층(18)의 개구부(181)는 음극(16) 물질로 채워져 보강층(18)이 음극(16)과 일체를 이룬다. 특히 보강층(18)은 구조적 안정성이 가장 우수한 육각형 벌집 구조로 이루어질 수 있다. 도 1과 도 2에 육각형 개구부(181)를 가지는 보강층(18)을 예로 들어 도시하였다.
보강층(18)은 음극(16)의 내부와 음극(16)의 외면 중 적어도 한 곳에서 음극(16)의 표면과 나란하게 일정한 두께로 형성된다. 보강층(18)은 20㎛ 내지 150㎛의 두께를 가질 수 있다. 보강층(18)의 두께가 20㎛ 미만이면 보강층(18)에 의한 강도 향상 효과가 미비해지고, 보강층(18)의 두께가 150㎛을 초과하면 단위 전지(100) 소결시 음극(16)이 벌어지거나 크랙 현상이 발생하게 된다. 따라서 전술한 두께의 보강층(18)을 여러장 배치함으로써 단위 전지(100)의 전기적인 물성 저하를 최소화하면서 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
보강층(18)은 기계적 강도 및 전기 전도성이 높으면서 음극(16) 물질과 전기적으로 반응하지 않는 세라믹 재료를 포함한다. 보강층(18)은 Ni에 대한 반응성이 없는 도핑된 지르코니아(ZrO2)를 포함할 수 있으며, 구체적으로 이트리아(Y2O3), 칼시아(CaO), 및 스칸디아(Sc2O3) 중 어느 하나로 도핑된 지르코니아를 포함할 수 있다. 특히 도핑된 지르코니아는 3몰%의 이트리아로 안정화된 지르코니아일 수 있다.
전술한 보강층(18)은 음극(16)과 단위 전지(100)의 기계적 강도를 높이고, 음극(16) 내에서 농도 분극을 감소시키는 역할을 하며, 음극(16) 물질과 반응성이 없으므로 음극(16)의 전기 전도 및 이온 전도를 방해하지 않는다.
이와 같이 본 실시예의 단위 전지(100)는 전술한 보강층(18)에 의해 두께 증가를 최소화하면서 기계적 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예의 단위 전지(100)는 고체 산화물 연료 전지 적용시 고체 산화물 연료 전지의 성능 저하를 유발하지 않는다.
즉, 단위 전지를 구성하는 요소들 중 하나, 예를 들어 음극의 두께를 확대시켜 단위 전지의 기계적 강도를 높이는 경우를 가정하면, 음극의 두께 증가로 인해 옴 저항 손실 또는 농도 분극 현상이 일어나 고체 산화물 연료 전지의 전기 화학적 특성이 감소하여 출력 밀도가 낮아질 수 있다. 더욱이 음극 재료의 소모량이 커져 제조 비용을 높일 수 있다.
본 실시예에서는 음극(16) 자체의 두께를 확대시키지 않고 단위 전지(100)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있으므로, 옴 저항 손실 또는 농도 분극 현상에 의한 고체 산화물 연료 전지의 성능 저하를 유발하지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3을 참고하면, 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법은, 전해질 시트와 복수의 음극 시트를 제조하는 제1 단계(S100)와, 적어도 하나의 음극 시트 위에 보강층 페이스트를 인쇄하여 보강층을 형성하는 제2 단계(S200)와, 복수의 음극 시트 및 보강층이 형성된 적어도 하나의 음극 시트를 적층하여 음극 스택을 제조하고, 음극 스택 위에 전해질 시트를 적층하는 제3 단계(S300)와, 적층된 음극 스택과 전해질 시트를 가열 압착 후 동시 소결하여 음극과 전해질막을 제조하는 제 4 단계(S400)와, 전해질막 위에 양극 재료를 도포 후 소결하여 양극을 제조하는 제5 단계(S500)를 포함한다.
제1 단계(S100)에서, 전해질 시트는 전해질 슬러리를 이용한 테이프 캐스팅법으로 제조되고, 음극 시트 또한 음극 슬러리를 이용한 테이프 캐스팅법으로 제조된다. 전해질 슬러리는 Y, Sc, Sm, 및 Gd 중 어느 하나가 첨가된 지르코니아(ZrO2) 또는 세리아(CeO2)를 포함할 수 있다. 음극 슬러리는 Ni과 이트리아 안정화 지르코니아의 복합체를 포함할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시한 제1 단계에서 사용되는 테이프 캐스팅 장치를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시한 테이프 캐스팅 장치의 부분 확대 단면도이다.
도 4와 도 5를 참고하면, 테이프 캐스팅 장치(200)는 바탕 필름(20)을 이송하는 한 쌍의 롤러(22)와, 슬러리를 제공받아 바탕 필름(20) 위에 도포하는 슬러리 챔버(24)와, 슬러리 챔버(26)에 부착되어 슬러리를 균일한 두께로 밀어내는 닥터 블레이드(26)와, 바탕 필름(20) 위에 도포된 슬러리를 건조시키는 건조 챔버(28)를 포함한다.
전술한 테이프 캐스팅 장치(200)를 이용하여 전해질 슬러리를 바탕 필름(20) 위에 도포 후 건조시켜 전해질 테이프를 제조하고, 같은 방법으로 음극 슬러리를 바탕 필름(20) 위에 도포 후 건조시켜 음극 테이프를 제조한다. 이어서 전해질 테이프와 음극 테이프를 원하는 크기로 절단 및 가공한 다음 바탕 필름을 제거하여 도 6에 도시한 바와 같이 전해질 시트(30)와 음극 시트(32)를 완성한다.
제2 단계(S200)에서, 이트리아, 칼시아, 및 스칸디아 중 어느 하나로 도핑된 지르코니아 분말을 바인더와 혼합하고, 이 혼합물을 가소제, 해교제, 및 용매와 혼합한 다음 교반하여 보강층 페이스트를 제조한다. 바인더는 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)일 수 있고, 용매는 알파 터피네올(α-terpineol)일 수 있다. 지르코니아 분말은 3몰% 이트리아 안정화 지르코니아 분말일 수 있다.
이때, 도핑된 지르코니아 분말은 보강층 페이스트에서 50중량% 내지 80중량%로 포함될 수 있다. 보강층 페이스트에 대한 도핑된 지르코니아 분말의 함량이 50중량% 미만이면, 건조시 크랙이 발생하거나 소결 후 치밀화가 일어나지 않게 되어 보강층의 기계적인 강도 특성이 저하될 수 있다. 보강층 페이스트에 대한 도핑된 지르코니아 분말의 함량이 80중량%를 초과하면, 보강층 페이스트의 유동성이 감소하여 음극 시트 위에 보강층 페이스트를 인쇄하는데 어려움이 발생할 수 있다.
도 7은 도 3에 도시한 제2 단계의 음극 시트와 보강층을 나타낸 사시도이다.
도 7을 참고하면, 음극 시트(32) 위에 보강층 페이스트를 다공성 구조물 형태로 스크린 인쇄 후 건조시켜 보강층(18)을 형성한다. 보강층(18)은 음극 시트(32)의 일면 전체에 균일한 두께로 형성되며, 원형 또는 다각형의 개구부(181)를 가지도록 형성된다. 도 7에서는 일례로 육각형 개구부를 가지는 보강층(18)을 도시하였다.
도 8은 도 3에 도시한 제3 단계의 음극 스택과 전해질 시트를 나타낸 분해 사시도이다.
도 8을 참고하면, 제3 단계(S300)에서 복수의 음극 시트(32)와 보강층(18)이 형성된 적어도 하나의 음극 시트(32)를 적층하여 음극 스택(34)을 형성하고, 음극 스택(34)의 일면에 적어도 하나의 전해질 시트(30)를 배치한다. 보강층(18)이 형성된 음극 시트(32)는 음극 스택(34)의 내부 및 음극 스택(34)의 외면 중 적어도 한 곳에 위치할 수 있다.
음극 스택(34)은 추후 음극(16)이 되고, 전해질 시트(30)는 추후 전해질막(12)이 되므로, 원하는 음극(16)의 두께 및 전해질막(12)의 두께를 고려하여 음극 시트(32)의 적층 수와 전해질막(30)의 적층 수를 조절한다. 또한, 원하는 단위 전지(100)의 두께 및 기계적 강도 특성에 맞추어 보강층(18)의 개수와 위치를 조절한다.
도 8에서는 일례로 보강층(18)이 형성된 3개의 음극 시트(32) 및 보강층(18)이 형성되지 않은 2개의 음극 시트(32)를 적층하여 음극 스택(34)을 형성하고, 음극 스택(34)의 일면에 하나의 전해질 시트(30)를 배치한 구성을 도시하였다. 음극 스택(34)의 구성과 전해질 시트(30)의 개수 등은 도시한 예에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다.
도 9는 도 3에 도시한 제4 단계의 음극과 전해질막을 나타낸 사시도이다.
도 9를 참고하면, 전술한 음극 스택(34)과 전해질 시트(30)를 가열 압착하여 원하는 모양으로 성형하고, 이를 원하는 크기로 절단한 다음, 가열 압착된 음극 스택(34)과 전해질 시트(30)를 동시 소결하여 음극(16)과 전해질막(12)을 제조한다. 가열 압착은 70℃ 내지 100℃에서 진행될 수 있으며, 동시 소결은 1,200℃ 내지 1,450℃에서 진행될 수 있다.
가열 압착 온도가 70℃ 미만이면 소결 후 보강층(18)이 분리되는 현상이 나타날 수 있고, 가열 압착 온도가 100℃를 초과하면 음극 스택(34)과 전해질 시트(30)에 주름이 발생하거나 소결 과정에서 정밀한 두께 조절이 어려워질 수 있다. 소결 온도는 음극(16)과 보강층(18)을 동시에 소결할 수 있는 온도 조건으로서, 전술한 범위를 벗어나면 음극(16)과 보강층(18)의 동시 소결이 이루어지지 않거나 휘어짐 현상이 나타나게 되며, 단위 전지(100)의 갈라짐과 크랙 현상을 유발할 수 있다.
제4 단계(S400)의 가열 압착 및 소결 과정에서 보강층(18)에 형성된 개구부(181)는 음극(16) 물질로 채워지므로, 보강층(18)은 음극(16)의 내부 또는 음극(16)의 외면에서 음극과 일체를 이루며 음극(16)에 단단하게 고정된다.
제5 단계(S500)에서 전해질막(12) 위에 양극 슬러리를 도포 후 소결하여 양극(14)(도 1 참조)을 형성한다. 양극 슬러리는 페로브스카이트상 산화물인 La-Sr-Mn 산화물(LSM) 또는 La-Sr-Co-Fe 산화물(LSCF)을 포함할 수 있다. 양극 슬러리의 소결은 900℃ 내지 1200℃에서 진행될 수 있다. 전술한 과정으로 양극(14)을 형성하여 전해질막(12)과 음극(16) 및 양극(14)으로 이루어진 단위 전지(100)(도 1 참조)를 완성한다.
도 10은 보강층을 구비하지 않은 비교예의 음극 및 보강층을 구비한 실시예의 음극에서 측정한 굽힘 강도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10에서 실시예 1은 중간에 하나의 보강층이 배치된 음극을 나타내고, 실시예 2는 일면에 하나의 보강층이 배치된 음극을 나타내며, 실시예 3은 중간에 하 나의 보강층이 배치되고 일면에 하나의 보강층이 배치된 음극을 나타낸다. 비교예의 음극 및 실시예 1 내지 실시예 3의 음극 모두 동일한 조성과 동일한 두께(대략 750㎛)를 가진다.
비교예 음극 및 실시예 1 내지 실시예 3의 음극에 대해 각각 4cm(가로)×0.4cm(세로) 크기의 시편을 제조하고, 유니버셜 테스트 머신을 이용하여 4 포인트 굽힘 테스트를 실행하였다. 10번의 테스트 결과값 중 최대값과 최소값을 제외한 나머지 8개 테스트 결과값의 평균을 구하여 그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10에 나타난 바와 같이, 보강층을 형성한 실시예 1 내지 실시예 3의 음극들이 보강층을 구비하지 않은 비교예의 음극보다 향상된 굽힘 강도 특성을 나타낸다. 특히 음극의 굽힘 강도는 보강층의 개수에 비례하여 증가하며, 실시예 3의 음극이 비교예의 음극보다 대략 2.1배 향상된 굽힘 강도를 나타낸다.
도 11은 보강층을 구비하지 않은 비교예의 단위 전지 및 보강층을 구비한 실시예의 단위 전지에서 측정한 굽힘 강도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11에서 실시예 4는 음극의 중간에 하나의 보강층을 배치한 단위 전지이고, 실시예 5는 전해질막 반대편의 음극 외면에 하나의 보강층을 배치한 단위 전지이며, 실시예 6은 음극의 중간에 하나의 보강층과 전해질막 반대편의 음극 외면에 하나의 보강층을 배치한 단위 전지를 나타낸다. 비교예 및 실시예 1 내지 3의 단위 전지들 모두 보강층을 제외한 나머지 구성과 조성은 모두 동일하게 이루어지며, 음극의 두께는 약 750㎛이다.
비교예의 단위 전지 및 실시예 1 내지 실시예 3의 단위 전지에 대해 각각 4cm(가로)×0.4cm(세로) 크기의 시편을 제조하고, 유니버셜 테스트 머신을 이용하여 4 포인트 굽힘 테스트를 실행하였다. 10번의 테스트 결과값 중 최대값과 최소값을 제외한 나머지 8개 테스트 결과값의 평균을 구하여 그 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11에 나타난 바와 같이, 음극에 보강층을 형성한 실시예 4 내지 실시예 6의 단위 전지들이 보강층을 구비하지 않은 비교예의 단위 전지보다 최대 1.6배 향상된 굽힘 강도 특성을 구현함을 확인할 수 있다. 특히 단위 전지의 굽힘 강도 또한 보강층의 개수에 비례하여 증가함을 알 수 있다.
도 12는 비교예의 단위 전지 및 실시예의 단위 전지에서 측정한 전류에 따른 전압 변화 및 전력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12에서 실시예의 단위 전지는 음극에 형성된 보강층을 포함하며, 비교예의 단위 전지는 보강층 없이 실시예의 단위 전지보다 대략 1.5배 두꺼우면서 실시예의 단위 전지와 동일한 기계적 강도를 가진다. 보강층의 유무와 단위 전지의 두께를 제외하고 비교예 및 실시예의 단위 전지는 동일한 구성 및 조성을 가진다.
비교예의 단위 전지 및 실시예의 단위 전지에 대해 800℃에서 3% H2O를 포함한 H2를 음극에 제공하고, 공기를 양극에 제공하여 8시간 환원 후 전기 로더를 이용하여 전류에 따른 전압 변화와 전력 변화를 측정하였다.
도 12에 나타난 바와 같이, 실시예의 단위 전지는 비교예의 단위 전지와 동일한 기계적 강도를 가지면서 전기 화학적 성능 면에서 거의 유사한 출력을 나타냄 을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 단위 전지 중 보강층의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시한 제1 단계에서 사용되는 테이프 캐스팅 장치를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시한 테이프 캐스팅 장치의 부분 확대 단면도이다.
도 6은 도 3에 도시한 제1 단계의 전해질 시트와 음극 시트를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 3에 도시한 제2 단계의 음극 시트와 보강층을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 3에 도시한 제3 단계의 음극 스택과 전해질 시트를 나타낸 분해 사시도이다.
도 9는 도 3에 도시한 제4 단계의 음극과 전해질막을 나타낸 사시도이다.
도 10은 보강층을 구비하지 않은 비교예의 음극 및 보강층을 구비한 실시예의 음극에서 측정한 굽힘 강도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 보강층을 구비하지 않은 비교예의 단위 전지 및 보강층을 구비한 실시예의 단위 전지에서 측정한 굽힘 강도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 비교예의 단위 전지 및 실시예의 단위 전지에서 측정한 전류에 따른 전압 변화 및 전력 변화를 나타낸 그래프이다.

Claims (10)

  1. 전해질막;
    상기 전해질막의 일면에 위치하는 양극;
    상기 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극; 및
    상기 음극에서 상기 음극의 표면과 나란하게 형성되며, 상기 음극보다 높은 기계적 강도를 가지는 다공성 세라믹 구조물로 이루어진 보강층
    을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보강층은 원형 또는 다각형의 개구부를 가지며, 상기 보강층의 개구부는 상기 음극의 구성 물질로 채워지는 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보강층은 육각형의 개구부를 가지는 벌집 구조물로 이루어지는 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 보강층은 상기 음극의 내부, 상기 전해질막을 향한 상기 음극의 일면, 및 상기 전해질막의 반대측을 향한 상기 음극의 다른 일면 중 적어도 한 곳에 위치 하는 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강층은 이트리아(Y2O3), 칼시아(CaO), 및 스칸디아(Sc2O3) 중 어느 하나로 도핑된 지르코니아(ZrO2)를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지.
  6. 전해질 시트와 복수의 음극 시트를 제조하는 단계;
    상기 복수의 음극 시트 중 적어도 하나의 음극 시트 위에 세라믹 분말을 포함한 보강층 페이스트를 다공성 구조물 형태로 인쇄하여 보강층을 형성하는 단계;
    상기 복수의 음극 시트 및 상기 보강층이 형성된 적어도 하나의 음극 시트를 적층하여 음극 스택을 제조하고, 상기 음극 스택 위에 상기 전해질 시트를 적층하는 단계;
    상기 음극 스택과 상기 전해질 시트를 가열 압착 후 동시 소결하여 음극과 전해질막을 제조하는 단계;
    상기 전해질막 위에 양극 재료를 도포 후 소결하여 양극을 제조하는 단계
    를 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 이트리아(Y2O3), 칼시아(CaO), 및 스칸디아(Sc2O3) 중 어 느 하나로 도핑된 지르코니아(ZrO2) 분말을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 상기 보강층 페이스트에 대해 50중량% 내지 80중량%로 포함되는 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 보강층이 형성된 음극 시트는 상기 음극 스택의 내부와 상기 음극 스택의 외면 중 적어도 한 곳에 배치되는 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보강층은 원형 또는 다각형의 개구부를 가지며, 상기 음극 스택과 상기 전해질 시트의 가열 압착 및 동시 소결 과정에서 상기 보강층의 개구부가 상기 음극 물질로 채워지는 고체 산화물 연료 전지용 단위 전지의 제조 방법.
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