KR20110017197A - Method for preparing air electrode of a single cell of a solid oxide fuel cell - Google Patents

Method for preparing air electrode of a single cell of a solid oxide fuel cell Download PDF

Info

Publication number
KR20110017197A
KR20110017197A KR1020090074758A KR20090074758A KR20110017197A KR 20110017197 A KR20110017197 A KR 20110017197A KR 1020090074758 A KR1020090074758 A KR 1020090074758A KR 20090074758 A KR20090074758 A KR 20090074758A KR 20110017197 A KR20110017197 A KR 20110017197A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
air electrode
solid oxide
oxide fuel
fuel cell
cathode
Prior art date
Application number
KR1020090074758A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
최진혁
유영성
이태희
Original Assignee
한국전력공사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사 filed Critical 한국전력공사
Priority to KR1020090074758A priority Critical patent/KR20110017197A/en
Publication of KR20110017197A publication Critical patent/KR20110017197A/en

Links

Images

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
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828—Coating with slurry or ink
    • H01M4/8835—Screen printing
    • 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
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8857—Casting, e.g. tape casting, vacuum slip casting
    • 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
    • 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
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

PURPOSE: A method for preparing an air electrode is provided to reduce process costs by removing multistage thermal process, to prevent thermal degradation in a high temperature heat treatment process of an air electrode material consisting of ceramic materials. CONSTITUTION: A method for preparing an air electrode in an end cell of solid oxide fuel cell consisting of an air electrode, electrolyte(13) and fuel anode(14) comprises the steps of: preparing a first air electrode(10); preparing a second air electrode(11); coating the first air electrode and second air electrode on the electrolyte by a screen printing or tape casting method; and drying the resultant in an oven at 200 °C or less within 10 minutes and drying.

Description

고체산화물 연료전지 단전지에서의 공기극의 제조방법{Method for preparing air electrode of a single cell of a solid oxide fuel cell}Method for preparing air electrode in a solid oxide fuel cell unit cell {Method for preparing air electrode of a single cell of a solid oxide fuel cell}

본 발명은 고체산화물 연료전지 단전지에서의 공기극 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 고체산화물 연료전지 발전시스템의 핵심인 단위전지의 제작비용 절감, 장기성능 향상 및 차세대 고체산화물 연료전지 단전지 기술인 금속지지체식 고체산화물 연료전지 단전지에서의 공기극 제작에 적용할 수 있는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a cathode in a solid oxide fuel cell unit cell. More specifically, it can be applied to reduce the production cost of unit cell, which is the core of solid oxide fuel cell power generation system, to improve long-term performance, and to fabricate cathodes in metal-supported solid oxide fuel cell unit cell, the next generation solid oxide fuel cell unit cell technology. It is about how.

일반적으로, 고체산화물 연료전지 발전시스템은 천연가스, 석탄가스 등 다양한 연료의 사용이 가능하며, 연소과정 없이 650℃ 이상의 고온에서 연료가 전기로 바뀌는 전기화학 반응에 의하여 전기를 생산함으로써, 소음 및 대기오염을 줄일 수 있는 차세대 발전방식으로 주목받고 있다.In general, the solid oxide fuel cell power generation system can use a variety of fuels, such as natural gas, coal gas, and produces electricity by the electrochemical reaction that the fuel is converted to electricity at a high temperature of more than 650 ℃ without the combustion process, noise and atmosphere It is attracting attention as a next generation power generation method that can reduce pollution.

고체산화물 연료전지 발전시스템의 구성요소 중 핵심이라 할 수 있는 단전지는 연료극, 전해질, 공기극의 적층 형상에 따라 크게 원통형(Tubular type)과 평판형(Planar type)으로 나뉘어진다. 이 중 기계적 강도를 유지하는 지지체 역할을 어떤 구성 요소가 담당하는지에 따라 전해질 지지체식, 연료극 지지체식 및 금속 지 지체식으로 나뉜다. 최근에는 상대적으로 낮은 온도에서의 운전이 용이한 연료극 지지체식 단전지와 신개념 단전지로 불리는 금속 지지체식 단전지 기술이 활발히 연구 개발 중에 있다. The core cell, which is the core component of the solid oxide fuel cell power generation system, is largely divided into a cylindrical type and a planar type according to the stacked shape of the anode, the electrolyte, and the cathode. Among them, the electrolyte support type, the anode support type, and the metal support type are divided according to which component plays the role of the support that maintains the mechanical strength. In recent years, researches have been actively conducted on a metal support unit cell technology, which is called an anode support unit cell and a new concept unit cell, which is easy to operate at a relatively low temperature.

연료극 지지체식 단전지와 금속 지지체식 단전지는 지지체를 형성한 후 연료극을 고온(1,400℃ 정도)에서 가소결한 후, 전해질을 코팅하고, 1,500℃ 이상의 고온에서 소결한다. 이 후 다층의 공기극 층을 코팅하고 각각의 층을 코팅한 후 통상적으로 전해질과 공기극, 그리고 공기극 층 사이의 입자간의 원활한 접합을 위해 1,000℃ 이상의 고온에서 열처리한다. 이에 따라 공기극 접합 공정에서만 3번 이상의 열처리가 필요하므로 시간적 경제적 공정 비용 소모가 불가피하였으며, 고온 열처리에 의한 공기극 재료의 열적 퇴화로 인한 장기 성능 감소라는 문제점을 갖고 있었다.In the anode support type cell and the metal support type cell, after the support is formed, the anode is pre-sintered at a high temperature (about 1,400 ° C.), and then the electrolyte is coated and sintered at a high temperature of 1,500 ° C. or more. Thereafter, a plurality of cathode layers are coated and each layer is coated, followed by heat treatment at a high temperature of 1,000 ° C. or higher for smooth bonding between the particles between the electrolyte, the cathode, and the cathode layer. As a result, it is inevitable to consume time and economic process cost because only three or more heat treatments are required in the cathode bonding process.

특히, 금속지지체식 고체산화물 연료전지 단전지의 제작에 있어서는 금속지지체의 고온에서의 부식을 최소화하기 위해 전 공정을 환원분위기에서 수행해야 한다는 제한 사항이 있다. 연료극 가소결 및 전해질 소결 공정에서는 연료극과 전해질이 고온의 환원분위기에서 안정하므로 문제가 없으나, 공기극 접합 공정이 환원분위기에서 수행될 경우 공기극으로 주로 사용되는 페로브스카이트 구조의 재료는 결정구조의 변화로 인해 전극활성과 전기 전도도가 급격히 감소한다는 문제점이 있다.In particular, in the manufacture of a metal support solid oxide fuel cell unit, there is a limitation that the entire process must be performed in a reducing atmosphere to minimize corrosion at high temperatures of the metal support. In the anode sintering and electrolyte sintering process, the anode and the electrolyte are stable in the high temperature reducing atmosphere, but there is no problem. However, when the cathode bonding process is performed in the reducing atmosphere, the material of the perovskite structure mainly used as the cathode changes in the crystal structure. Due to this, there is a problem that the electrode activity and the electrical conductivity is sharply reduced.

본 발명은 위에 상슬한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출한 것으로, 고체산화물 연료전지 단전지 제작 중 공기극 제작 공정에서 공기극의 각 코팅 단계별로 수행하는 1,000℃ 이상의 고온 열처리 공정 없이 각 층을 코팅 및 건조만을 수행하고, 운전 조건(예를 들면 650℃ 이상의 고온조건, 제작이 완료된 후 전처리 운전과 출력운전을 포함)에서 한 번에 공기극 접합을 수행함으로써 시간적, 경제적 공정비용을 절감할 수 있으며, 고온에서의 열처리 과정에서 재료의 열적 퇴화 문제를 제거함으로써 안정적인 장기성능을 확보할 수 있다.The present invention was derived to solve the problems as described above, coating and drying each layer without the high temperature heat treatment process of more than 1,000 ℃ performed by each coating step of the cathode in the cathode manufacturing process of the solid oxide fuel cell unit manufacturing Time and economic process costs can be reduced by performing cathode bonding at one time under operating conditions (for example high temperature of 650 ℃ or higher, including pre-treatment operation and output operation after fabrication is completed). The stable long-term performance can be secured by eliminating the problem of thermal degradation of the material during the heat treatment process.

또한 금속지지체식 고체산화물 연료전지 단전지 제작시 공기극 형성에 적용할 수 있다.In addition, it can be applied to the formation of the cathode when manufacturing a metal support solid oxide fuel cell unit cell.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의하여 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.Other objects and advantages of the invention will be described below and will be appreciated by the embodiments of the invention. In addition, the objects and advantages of the invention may be realized by the means and combinations indicated in the claims.

본 발명의 고체산화물 연료전지 공기극의 제조방법은, 공기극, 전해질, 연료극으로 구성되어 있는 고체산화물 연료전지의 단전지를 제조하는데 있어서, 공기극 재료 중에서 제1공기극(11)의 A site에 주기율표상의 란탄계열의 원소들인 La, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, Gd의 희토류 금속을 사용하고, 10~50몰%의 Ca, Sr의 알칼리토금속을 도핑하며, B site에는 Co, Mn, Ni, Cu, Fe의 전이금속을 사용하고, The method for producing a solid oxide fuel cell cathode according to the present invention is to manufacture a unit cell of a solid oxide fuel cell composed of an anode, an electrolyte, and an anode, wherein the lanthanum series on the periodic table is located at the A site of the first air electrode 11 in the cathode material. Ra, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, Gd rare earth metals are used, and 10-50 mol% of Ca, Sr alkaline earth metals are doped, and B site Co, Mn, Ni, Cu, Using a transition metal of Fe,

제2공기극(12)의 A site에 주기율표상 란탄계열의 원소들인 La, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, Gd의 희토류 금속을 사용하고, 10~50몰%의 Ca, Sr의 알칼리토금속을 도핑 하며, B site에는 Co, Mn, Ni, Cu, Fe의 전이금속에 10~50몰%의 Co, Mn, Ni, Cu, Fe의 전이금속을 도핑하고, In the A site of the second air electrode 12, rare earth metals of La, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, and Gd which are lanthanide series elements of the periodic table are used, and 10 to 50 mol% of alkaline earth metals of Ca and Sr are used. Doping, doping transition metals of Co, Mn, Ni, Cu, Fe 10 to 50 mol% Co, Mn, Ni, Cu, Fe to the B site,

상기 제1공기극(11) 및 제2공기극(12)을 스크린프린팅 또는 테이프 캐스팅법으로 전해질 위에 코팅한 후에 열처리 없이 200℃ 이하의 온도에서 10분 내외의 시간 동안 오븐에서 각각 건조시켜서 제조하는 것을 특징으로 한다. The first air electrode 11 and the second air electrode 12 are coated on the electrolyte by screen printing or tape casting, and then dried in an oven for about 10 minutes at a temperature of 200 ° C. or less without heat treatment. It is done.

본 발명에 의하면, 고체산화물 연료전지에서 공기극 제작시 기존에 사용하던 페로브스카이트계 재료를 이용하여 부가적인 또는 다단계의 열처리 공정 없이 In-situ 제작할 경우 열처리에 소요되는 시간적, 경제적 비용을 절감할 수 있으며, 세라믹 재료로 구성된 공기극 재료의 고온 열처리 과정에서의 열적 퇴화를 방지할 수 있고, 연료전지 제반성능 중 가장 확보하기 위해 많은 노력이 소요되는 장기성능 개선 효과도 얻을 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, in-situ fabrication without additional or multi-step heat treatment process using perovskite-based materials used in the cathode production in a solid oxide fuel cell can reduce the time and economic cost of heat treatment. In addition, it is possible to prevent thermal deterioration in the high temperature heat treatment process of the cathode material composed of a ceramic material, and also has an advantage of obtaining long-term performance improvement effect that requires a lot of effort to secure the most of the overall performance of the fuel cell.

또한, 최근 고체 산화물 연료 전지분야에서 기술적 난제로 지적되는 밀봉 및 기계적 강도문제를 해결하기 위해 연구개발 중인 금속 지지체식 고체산화물 연료전지의 공기극 제작에 필수 공정으로 적용할 수 있는 효과가 있다. In addition, there is an effect that can be applied as an essential process for manufacturing the cathode of the metal-supported solid oxide fuel cell under research and development in order to solve the sealing and mechanical strength problems that are recently pointed out as a technical challenge in the field of solid oxide fuel cells.

또한, 본 발명은 기존 공정인 고온의 환원 분위기에서 공기극 열처리를 거치지 않기 때문에 공기극 성능 저하 없는 고성능 금속 지지체식 단전지 개발이 가능하고, 이를 통해 단전지 대면적화가 쉽게 이루어질 수 있다.In addition, since the present invention does not undergo a cathode heat treatment in a high temperature reducing atmosphere, which is an existing process, it is possible to develop a high performance metal support unit cell without deteriorating cathode performance, and thus, a large area of the battery can be easily achieved.

또한, 기존 세라믹 지지체식 고체산화물 연료전지에 비해 높은 기계적 강도와 집전 성능 개선을 얻을 수 있으며, 단순한 공정을 통해 밀봉이 가능하게 되므로 고체산화물 연료전지 발전 시스템 대용량화 및 상용화에 기여힐 수 있는 효과가 있다.In addition, high mechanical strength and current collecting performance can be improved compared to the conventional ceramic support solid oxide fuel cell, and since the sealing can be achieved through a simple process, there is an effect that can contribute to the large capacity and commercialization of the solid oxide fuel cell power generation system. .

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical matters of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention various that can be substituted for them at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

첨부도면 중 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 단전지에 대한 개념도로서, 제1공기극(10), 제2공기극(11), 공기극 버퍼층(12), 전해질(13), 연료극(14)으로 구성되어 있다. 연료극(14)은 필요에 따라 구성분말의 입자크기 또는 기공도에 따라 2개 이상의 층으로 나누어질 수 있다. 통상적으로 전해질을 제외한 다른 모든 층은 공기 및 연료의 원활한 공급을 위해 기공을 가지고 있다.1 is a conceptual diagram of a unit cell of an anode-supported solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention. The first air electrode 10, the second air electrode 11, the air electrode buffer layer 12, The electrolyte 13 and the fuel electrode 14 are comprised. The anode 14 may be divided into two or more layers according to the particle size or porosity of the constituent powder, if necessary. Typically all layers except the electrolyte have pores for smooth supply of air and fuel.

제1공기극(10)은 ABO3의 페로브스카이트 구조를 갖는 세라믹 재료로 이루어 져 있으며, A site에는 주기율표상의 란탄계열의 원소들인La, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, Gd 등 희토류 금속이 사용되고, 10 ~ 50몰%의 Ca, Sr 등 알칼리토금속이 도핑된다. B site에는 Co, Mn, Ni, Cu, Fe 등 전이금속이 사용되며, 산소의 전기화학적 환원 반응에 참여하고 전도성 확보에도 기여한다. 대표적인 조성으로는 La0.6Sr0.4CoO3가 사용된다. The first air electrode 10 is made of a ceramic material having a perovskite structure of ABO 3 , and at the A site, rare earth metals such as La, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, and Gd, which are lanthanide-based elements on the periodic table. 10 to 50 mol% of Ca, Sr and the like are doped with alkaline earth metals. Transition metals such as Co, Mn, Ni, Cu, Fe are used for the B site, and participate in the electrochemical reduction reaction of oxygen and contribute to securing conductivity. As a representative composition, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 is used.

제2공기극(11)은 제1공기극(10)과 동일하게 ABO3의 페로브스카이트 구조를 갖는 세라믹 재료로 이루어져 있으며, A site에는 주기율표상의 란탄게열의 원소들인 La, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, Gd 등 희토류 금속이 사용되고, 10 ~ 50몰%의 Ca, Sr 등 알칼리토금속이 도핑된다. B site에는 Co, Mn, Ni, Cu, Fe 등 전이금속에 10 ~ 50몰%의 Co, Mn, Ni, Cu, Fe 등의 전이금속이 도핑된다. 대표적인 조성으로는 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3가 사용되며, 공기극 반응인 산소환원 반응에 참여하며, 산소이온 및 전자의 전도성 확보에 기여한다.The second air electrode 11 is made of a ceramic material having a perovskite structure of ABO 3 in the same way as the first air electrode 10, and the A site includes La, Y, Sc, Pr, Rare earth metals such as Nd, Sm and Gd are used, and alkaline earth metals such as Ca and Sr of 10 to 50 mol% are doped. The B site is doped with transition metals such as Co, Mn, Ni, Cu, Fe and 10 to 50 mol% of transition metals such as Co, Mn, Ni, Cu, and Fe. As a representative composition, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 is used, and participates in the oxygen reduction reaction, which is an air cathode reaction, and contributes to securing conductivity of oxygen ions and electrons.

공기극 버퍼층(12)은 전해질(주로 지르코니아 계열)과 공기극 사이의 고온에서의 반응에 의한 저항층 형성을 막기 위해 사용되며, Sm, Gd 등 희토류 금속이 도핑된 ZrO2를 주로 사용하고 도핑양은 5 ~ 25몰%이다. The cathode buffer layer 12 is used to prevent the formation of a resistive layer due to the reaction at high temperature between the electrolyte (mainly zirconia series) and the cathode. The cathode buffer layer 12 mainly uses ZrO 2 doped with rare earth metals such as Sm and Gd and has a doping amount of 5 to 25 mol%.

전해질(13)은 Y, Sc이 도핑된 ZrO2를 사용하며, 산소 이온 전도역할을 수행하고, 가스투과에 대한 기밀성을 유지하여 연료와 공기의 직접 혼합을 막는다. 연료극(14)에서는 연료의 산화반응을 일으키고 전자를 외부 집전층으로 전달한다.Electrolyte 13 uses ZrO 2 doped with Y and Sc, performs an oxygen ion conduction role, and maintains airtightness for gas permeation to prevent direct mixing of fuel and air. The anode 14 causes oxidation of the fuel and transfers electrons to the external current collecting layer.

종래의 기술은 고온에서 연료극(14) 가소결 및 전해질(13) 소결 공정 후 공기극 버퍼층(12)을 스크린프린팅, 테이프캐스팅 등의 방법으로 코팅한 후, 1000℃ 정도의 고온에서 접합을 수행하고, 제2공기극(11)을 스크린프린팅, 테이프캐스팅 등의 방법으로 코팅한 후 1000℃ 정도의 고온에서 접합을 수행하고, 제1공기극(10)을 스크린프린팅, 테이프캐스팅 등의 방법으로 코팅한 후 1000℃ 정도의 고온에서 접합을 수행하였다. 모든 열처리 공정은 공기 중에서 수행된다.The conventional technology is to coat the cathode buffer layer 12 by screen printing, tape casting or the like after the anode 14 is sintered and the electrolyte 13 sintering process at a high temperature, and then bonding is performed at a high temperature of about 1000 ° C. After coating the second air electrode 11 by a method such as screen printing or tape casting, bonding is performed at a high temperature of about 1000 ° C., and the first air electrode 10 is coated by a method such as screen printing or tape casting, and then 1000. Bonding was carried out at a high temperature of about ℃. All heat treatment processes are carried out in air.

그러나, 본 발명에서는 공기극 버퍼층(12), 제2공기극(11), 제1공기극(10)을 스크린프린팅, 테이프캐스팅 등의 방법으로 각각의 층을 코팅하고, 열처리 과정 없이 200℃ 이하의 온도에서 10분 내외의 시간 동안 오븐에서 건조시킴으로써 고온의 접합 공정에서 소요되는 시간적, 경제적 비용을 절약할 수 있다. 또한 1,000℃ 정도의 고온에 세 번 노출됨으로써 발생되는 열적 퇴화를 방지함으로써 장기 성능 개선에 기여할 수 있다.However, in the present invention, the cathode buffer layer 12, the second air electrode 11, and the first air electrode 10 are coated with each layer by a method such as screen printing and tape casting, and at a temperature of 200 ° C. or lower without heat treatment. Drying in the oven for about 10 minutes can save the time and economic costs of the hot joining process. In addition, it can contribute to long-term performance improvement by preventing thermal degradation caused by three exposures to a high temperature of about 1,000 ℃.

첨부 도면 중 도 3은 종래 기술인 1,000℃ 이상의 온도에서 공기극 버퍼층, 제1공기극, 제2공기극을 각각 열처리를 수행하여 제작된 고체산화물 연료전지 단전지의 장기성능 그래프이고, 도 4는 본 발명에 의해 제작된 고체산화물 연료전지 단전지의 장기성능 그래프이다. 도 3에 의하면, 종래 기술에 의해 제작된 단전지는 1,000시간 당 8% 정도의 성능 감소를 보였으나, 본 발명에 의해 제작된 단전지의 경우에는 도 4에 나타낸 바와 같이 800시간 동안 단전지의 성능 감소가 거의 나타나지 않았다.3 is a long-term performance graph of a solid oxide fuel cell unit cell manufactured by performing a heat treatment on a cathode buffer layer, a first air electrode, and a second air electrode at a temperature of 1,000 ° C. or more, according to the present invention. Long-term performance graph of the manufactured solid oxide fuel cell unit cell. According to Figure 3, the single cell produced by the prior art showed a performance reduction of about 8% per 1,000 hours, in the case of a single cell produced by the present invention as shown in Figure 4 the performance of the single cell for 800 hours There was little reduction.

첨부 도면 중 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속 지지체식 고체산화물 연료전지의 단전지에 대한 개념도로서, 제1공기극(20), 제2공기극(21), 공기극 버퍼층(22), 전해질(23), 연료극(24), 금속지지체(25)로 구성되어 있다. 제1공기극(20), 제2공기극(21), 전해질(23), 연료극(24)은 도 1의 상기 연료극 지지체식 연료전지의 단전지를 예시한 제1실시예와 동일하며, 금속지지체(25)는 페라이트계 스테인레스 스틸을 사용한다.2 is a conceptual diagram of a unit cell of a metal-supported solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention, the first air electrode 20, the second air electrode 21, the air electrode buffer layer 22, The electrolyte 23, the fuel electrode 24, and the metal support 25 are comprised. The first air electrode 20, the second air electrode 21, the electrolyte 23, and the fuel electrode 24 are the same as those of the first embodiment illustrating the unit cell of the anode support type fuel cell of FIG. 1, and the metal support 25 ) Uses ferritic stainless steel.

따라서, 연료극(24)을 금속지지체(25) 상에 형성한 후 연료극(24) 가소결 및 전해질(23) 소결 공정에서는 금속지지체의 부식을 방지하기 위해 환원 분위기에서 열처리를 수행하며, 이 과정에서 단전지 성능 저하는 발생하지 않는다. 그러나, 종래 기술을 적용하여 대기 중에서 공기극 층들을 고온에서 열처리하여 접합시 공기 중에서 수행할 경우 금속지지체의 급격한 부식이 발생하며, 환원분위기에서 수행할 경우 제1공기극(20)과 제2공기극(21)의 결정구조의 변화로 전극활성과 전도도가 크게 감소하게 된다.Therefore, after the anode 24 is formed on the metal support 25, the anode 24 is sintered and the electrolyte 23 is sintered to perform heat treatment in a reducing atmosphere to prevent corrosion of the metal support. No degradation in cell performance occurs. However, when the air electrode layers are heat-treated at high temperature in the air and applied in the air at the time of joining, the corrosion of the metal support occurs rapidly. In the reducing atmosphere, the first air electrode 20 and the second air electrode 21 are applied. Changes in the crystal structure of) significantly reduce electrode activity and conductivity.

이상과 같이 본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 이하의 특허청구범위 내에서 다양하게 개조 및 변화가 가능함은 물론이다.As described above, the present invention has been illustrated and described with reference to specific embodiments, but the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the following claims.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 지지체식 고체산화물 연료전지의 공기극 제작방법을 적용한 단전지의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a unit cell to which a cathode of the ceramic support-type solid oxide fuel cell according to the present invention is applied.

도 2는 본 발명에 따른 금속 지지체식 고체산화물 연료전지의 공기극 제작방법을 적용한 단전지의 개념도이다. 2 is a conceptual view of a unit cell to which a cathode of the metal support-type solid oxide fuel cell according to the present invention is applied.

도 3은 종래의 방법으로 열처리하여 제작된 고체산화물 연료전지 단전지의 장기성능 그래프이다.3 is a long-term performance graph of a solid oxide fuel cell unit cell manufactured by heat treatment by a conventional method.

도 4는 본 발명에 의하여 제작된 고체산화물 연료전지 단전지의 장기성능 그래프이다. 4 is a long-term performance graph of the solid oxide fuel cell unit cell manufactured according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10,20 ---- 제1공기극10,20 ---- first air electrode

11,21 ---- 제2공기극11,21 ---- second air electrode

12,22 ---- 공기극 버퍼층12,22 ---- cathode buffer layer

13,23 ---- 전해질13,23 ---- Electrolyte

14,24 ---- 연료극14,24 ---- anode

25 ---- 금속지지체25 ---- metal support

Claims (3)

공기극, 전해질, 연료극으로 구성되어 있는 고체산화물 연료전지의 단전지를 제조하는데 있어서, In manufacturing a single cell of a solid oxide fuel cell composed of an air electrode, an electrolyte, a fuel electrode, 공기극 재료 중에서 제1공기극(11)의 A site에 주기율표상 란탄계열의 원소들인 La, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, Gd의 희토류 금속을 사용하고, 10~50몰%의 Ca, Sr의 알칼리토금속을 도핑하며, B site에는 Co, Mn, Ni, Cu, Fe의 전이금속을 사용하고, In the cathode material, 10 to 50 mol% of Ca and Sr are used by using rare earth metals of La, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, and Gd, which are lanthanide-based elements, on the A site of the first air electrode 11. Doping alkaline earth metal, the transition site of Co, Mn, Ni, Cu, Fe is used for B site, 제2공기극(12)의 A site에 La, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, Gd의 희토류 금속을 사용하고, 10~50몰%의 Ca, Sr의 알칼리토금속을 도핑하며, B site에는 Co, Mn, Ni, Cu, Fe의 전이금속에 10~50몰%의 Co, Mn, Ni, Cu, Fe의 전이금속을 도핑하고, A rare earth metal of La, Y, Sc, Pr, Nd, Sm, Gd is used for the A site of the second air electrode 12, and 10 to 50 mol% of alkaline earth metal of Ca and Sr is doped. Doping transition metals of Co, Mn, Ni, Cu, Fe to 10 to 50 mol% of transition metals of Mn, Ni, Cu, and Fe, 상기 제1공기극(11) 및 제2공기극(12)을 스크린프린팅 또는 테이프 캐스팅법으로 전해질 위에 코팅한 후에 열처리 없이 200℃ 이하의 온도하에서 10분 내외의 시간 동안 오븐에서 건조시켜서 되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 단전지에서의 공기극의 제조방법.The first air electrode 11 and the second air electrode 12 are coated on the electrolyte by screen printing or tape casting, and then dried in an oven for about 10 minutes at a temperature of 200 ° C. or less without heat treatment. A method of manufacturing a cathode in a solid oxide fuel cell unit cell. 제1항에 따른 방법에 의한 고체산화물 연료전지 단전지의 공기극을 적용하여서 제작된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 단전지. A solid oxide fuel cell unit cell fabricated by applying the cathode of the solid oxide fuel cell unit cell according to the method of claim 1. 제2항에 따른 고체산화물 연료전지 단전지를 적용하여서 된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 스택. A stack of solid oxide fuel cells, characterized by applying the solid oxide fuel cell unit cell according to claim 2.
KR1020090074758A 2009-08-13 2009-08-13 Method for preparing air electrode of a single cell of a solid oxide fuel cell KR20110017197A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090074758A KR20110017197A (en) 2009-08-13 2009-08-13 Method for preparing air electrode of a single cell of a solid oxide fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090074758A KR20110017197A (en) 2009-08-13 2009-08-13 Method for preparing air electrode of a single cell of a solid oxide fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110017197A true KR20110017197A (en) 2011-02-21

Family

ID=43775305

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090074758A KR20110017197A (en) 2009-08-13 2009-08-13 Method for preparing air electrode of a single cell of a solid oxide fuel cell

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20110017197A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140030771A (en) * 2012-09-03 2014-03-12 한국전력공사 Current collector for increasing current collecting efficiency of solid oxide electrolysis cells or fuel cells and manufacturing method the same
KR20150028545A (en) * 2013-09-06 2015-03-16 한국전력공사 Method for preparing supported electrochemical cells and electrochemical cells thereby

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140030771A (en) * 2012-09-03 2014-03-12 한국전력공사 Current collector for increasing current collecting efficiency of solid oxide electrolysis cells or fuel cells and manufacturing method the same
KR20150028545A (en) * 2013-09-06 2015-03-16 한국전력공사 Method for preparing supported electrochemical cells and electrochemical cells thereby

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lu et al. Mo-doped Pr0. 6Sr0. 4Fe0. 8Ni0. 2O3-δ as potential electrodes for intermediate-temperature symmetrical solid oxide fuel cells
KR101934006B1 (en) Solid oxide fuel cell and solid oxide electrolysis cell including Ni-YSZ fuel(hydrogen) electrode, and fabrication method thereof
US20210344018A1 (en) Methods of fabricating solid oxide fuel cells
US11936080B2 (en) Alternative anode material for solid oxide fuel cells
Xu et al. Oxide composite of La0. 3Sr0. 7Ti0. 3Fe0. 7O3-δ and CeO2 as an active fuel electrode for reversible solid oxide cells
US20100186220A1 (en) Fabrication method of metal supported solid oxide fuel cell
JP3786402B2 (en) Method for introducing electrode active oxide into air electrode for solid oxide fuel cell
JP6370696B2 (en) Cell structure, electrolyte membrane-electrode assembly, and fuel cell
Wu et al. Fabrication of a high-performance nano-structured Ln 1− x Sr x MO 3− δ (Ln= La, Sm; M= Mn, Co, Fe) SOC electrode through infiltration
JP5226656B2 (en) Solid oxide fuel cell and method for producing solid oxide fuel cell
JP3871903B2 (en) Method for introducing electrode active oxide into fuel electrode for solid oxide fuel cell
Torres-Garibay et al. Ln0. 6Sr0. 4Co1− yFeyO3− δ (Ln= La and Nd; y= 0 and 0.5) cathodes with thin yttria-stabilized zirconia electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells
KR101179137B1 (en) Single cell of solid oxide fuel cell and method for manufacturing thereof
KR102154634B1 (en) Method for preparing supported electrochemical cells and electrochemical cells thereby
KR20110017197A (en) Method for preparing air electrode of a single cell of a solid oxide fuel cell
KR20160058275A (en) Metal-supported solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same
JP5483013B2 (en) Flat tube electrochemical cell and electrochemical reaction system
CN107994234A (en) Ceramic fuel cell and preparation method thereof
KR102186600B1 (en) Electrolyte for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell and method of preparing solid oxide fuel cell
KR101871349B1 (en) Cathode for solid oxide fuel cells and electrolysis cells, method for fabricating the same
TWI389376B (en) Solid oxide fuel cell and membrane electrode assembly used therein
KR20190100610A (en) Method for fabricating solid oxide fuel cell
JP4559255B2 (en) Solid oxide fuel cell and method for producing solid oxide fuel cell
KR20130075847A (en) Method for manufacturing metal supported solid oxide fuel cell
KR20110123146A (en) Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application