KR20120086113A - Anode for solid oxide fuel cell and fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of a negative electrode material is provided to use zirconium compound or nickel compound as a porogen, thereby capable of obtaining a negative electrode material satisfying porosity, contraction percentage, strength, electric conductivity, gas permeability of a negative electrode. CONSTITUTION: A manufacturing method of a negative electrode material comprises a step of mixing a porogen and a solvent; a step of molding a negative electrode support by using the mixture; a step of sintering the molded product; and a step of reducing the sintered product. The pore-forming agent is one or two more selected from a group consisting of a zirconium compound, and a nickel compound. The negative electrode material is one of a negative electrode support or a negative electrode functional layer.

Description

고체산화물 연료전지용 음극재 및 그 제조방법{Anode for solid oxide fuel cell and fabrication method thereof}Anode for solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof {Anode for solid oxide fuel cell and fabrication method

본 발명은 고체산화물 연료전지용 음극재 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지르코늄 화합물 또는 니켈 화합물을 새로운 기공형성제로서 사용하여 고체산화물 연료전지용 음극재인 음극 지지체 또는 음극 기능층의 기공율과 수축율을 원하는 수준으로 조절할 수 있는 고체산화물 연료전지의 음극재의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a negative electrode material for a solid oxide fuel cell, and more particularly, using a zirconium compound or a nickel compound as a new pore-forming agent, and wants the porosity and shrinkage of the negative electrode support or negative electrode functional layer, which is a negative electrode material for a solid oxide fuel cell. It relates to a method for producing a negative electrode material of a solid oxide fuel cell that can be adjusted to a level.

통상 연료전지라 함은 수소나 천연가스 등의 연료를 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 장치로서 높은 효율과 무공해, 무소음 등의 특성으로 인하여 미래의 주요한 에너지 기술의 하나로 인식되고 있다. A fuel cell is a device that generates electricity by reacting fuel such as hydrogen or natural gas with oxygen, and is recognized as one of the main energy technologies of the future because of its high efficiency, pollution-free, and noise-free characteristics.

연료전지에는 여러 가지 종류가 있는데 이 중 고체산화물 연료전지(SOFC)는 그 전해질로서 고체산화물인 지르코니아 세라믹스(ZrO2)나 세리아(CeO2) 또는 란타늄-스트론튬-가돌리늄-마그네슘 산화물(LSGM)을 사용하는 것을 의미한다. 이때 상기의 고체산화물들은 고온에서의 열적 안정성과 이온 전도성을 향상시키기 위한 목적으로 통상 이트리아(Y2O3), 세리아(CeO2), 스칸디아(Sc2O3) 산화가돌리늄(Gd2O3) 등의 안정화제를 적당량 함유한다.There are many types of fuel cells, among which solid oxide fuel cells (SOFC) use zirconia ceramics (ZrO 2 ), ceria (CeO 2 ) or lanthanum-strontium-gadolinium-magnesium oxide (LSGM) as solid electrolytes. I mean. The solid oxides are generally yttria (Y 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ), scandia (Sc 2 O 3 ) gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ) for the purpose of improving thermal stability and ion conductivity at high temperature. And an appropriate amount of stabilizer.

고체산화물 연료전지(SOFC)의 단위 셀은 상기의 고체 전해질들을 가운데 두고 한쪽 면에는 음극 재료를, 그리고 다른 쪽면에는 양극 재료를 부착한 형태로 만들어진다. 통상적인 음극 재료로서는 산화니켈(NiO)과 안정화 지르코니아의 혼합물이 사용되고 있으며, 양극 재료로서는 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM)이나 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF) 등이 사용되고 있다.The unit cell of the solid oxide fuel cell (SOFC) is made of the solid electrolytes in the center, with a cathode material on one side and an anode material on the other side. As a conventional cathode material, a mixture of nickel oxide (NiO) and stabilized zirconia is used, and as the anode material, lanthanum-strontium-manganese oxide (LSM), lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF), or the like is used.

종래의 고체산화물 연료전지(SOFC)의 단위 셀 제조방법으로는 먼저 적당한 두께(약 200㎛ 내외)의 치밀한 전해질 소결체를 통상적인 로에서 소결하여 제조한 뒤 한쪽 면에는 음극 재료를, 그리고 다른 쪽 면에는 양극 재료를 코팅하여 열처리함으로써 제작하는 방법(전해질 지지형)이 알려져 있다.In the conventional method of manufacturing a unit cell of a solid oxide fuel cell (SOFC), first, a dense electrolyte sintered body of a suitable thickness (about 200 μm) is manufactured by sintering in a conventional furnace, and then a negative electrode material is formed on one side and the other side. Known is a method (electrolyte support type) produced by coating and heat treatment of a positive electrode material.

또 다른 방법으로는 먼저 음극 재료인 NiO와 지르코니아 분말의 혼합체를 통상적인 세라믹스 성형공정에 따라 적당한 두께(약 1mm 내외)로 성형하고 상대적 저온, 예를들어 1300 내지 1400℃에서 1차 소결하여 가소결체로 제작한 뒤, 그 위에 고체산화물인 전해질을 통상적인 세라믹스 코팅 방법 예를들어 슬러리 코팅이나 스프레이 코팅 등으로 얇게(약 5 - 20㎛ 내외) 코팅한 뒤 소결로에서 1400-1500℃의 온도 구간에서 약 1 - 5시간 유지하는 방법으로 2차 소결을 행하고, 다시 상기의 전해질 층의 윗면에 양극재료 예를들어 LSM이나 LSCF 등을 코팅하고 상기와 유사한 방법으로 3차 소결을 행하여 소결체로 제작하는 방법(음극 지지형)이 알려져 있다.As another method, first, a mixture of NiO and zirconia powder, which is a negative electrode material, is molded to a suitable thickness (about 1 mm) according to a conventional ceramic molding process, and firstly sintered at a relatively low temperature, for example, 1300 to 1400 ° C. After the solid oxide electrolyte was coated on it with a thin layer (approximately 5-20㎛), for example, by slurry coating or spray coating, a solid oxide electrolyte was applied at a temperature range of 1400-1500 ° C. in a sintering furnace. Secondary sintering is carried out by the method of holding for about 1 to 5 hours, and then a cathode material such as LSM or LSCF is coated on the upper surface of the electrolyte layer, and third sintering is carried out by a method similar to the above to produce a sintered body. (Cathode support type) is known.

상기의 음극 지지형 고체산화물 연료전지에 사용되는 음극재는 단위 셀 구조를 지탱하기 위한 적당한 강도를 가짐과 아울러 연료 기체로서, 주로 수소나 천연가스 등이 충분히 투과하여 반응할 수 있도록 높은 기공율과 기체 투과성을 가져야만 한다. 이러한 음극재의 제조방법은 주로 통상적인 세라믹스 제조방법을 따르는데, 즉 NiO와 안정화 지르코니아 분말의 혼합체에 소결 도중 치밀화 현상을 방해하여 기공이 남도록 하는 첨가제, 즉 주로 흑연 또는 카본이나 녹말 등의 기공형성제를 첨가하여 성형한 뒤 소결하는 방법이 알려져 있다.The negative electrode material used in the negative electrode-supported solid oxide fuel cell has a moderate strength to support the unit cell structure, and is a fuel gas, and mainly has high porosity and gas permeability so that hydrogen or natural gas can sufficiently penetrate and react. Must have The manufacturing method of the negative electrode material mainly follows the conventional ceramics manufacturing method, that is, an additive that prevents the densification phenomenon during the sintering in the mixture of NiO and stabilized zirconia powder, so that the pores remain, that is, mainly graphite or carbon or starch forming agent such as starch A method of sintering after addition by molding is known.

고체산화물 연료전지 내 음극재에서의 전기화학반응은 기공-YSZ-Ni 3개의 상이 만나는 계면 즉 TPB(Triple-Phase Boundary)라 불리우는 3상 계면에서 일어나며 따라서 단위체적당 3상 계면이 많이 형성될수록 연료전지의 성능이 증가하게 된다. 3상 계면으로의 빠른 연료공급을 위해서는 충분한 기공률을 갖도록 다수의 큰 기공을 형성시키는 것이 유리하지만, 공급된 연료의 전기화학 반응이 일어나는 3상 계면의 양은 오히려 감소하게 되고 그 결과 연료전지의 성능은 저하되게 된다. 반면 단위체적당 3상 계면의 양을 증가시키기 위해 미세기공 만으로 기공을 형성시키면 반대로 연료공급 속도가 저하되어 역시 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다. The electrochemical reaction of the anode material in the solid oxide fuel cell occurs at the three-phase interface called TPB (Triple-Phase Boundary) where the three phases of the pore-YSZ-Ni meet. Will increase performance. Although it is advantageous to form a large number of large pores with sufficient porosity for fast fuel supply to the three phase interface, the amount of the three phase interface at which the electrochemical reaction of the supplied fuel takes place is rather reduced and as a result the performance of the fuel cell is reduced. Will be degraded. On the other hand, if the pores are formed by only micropores in order to increase the amount of the three-phase interface per unit volume, the fuel supply speed is lowered, which also lowers the performance of the fuel cell.

기존의 기술에서는 충분한 기공률을 위해서 조대입자를 이용하여 치밀화를 억제하거나, 기공 형성제를 이용하여 기공율을 확보하려 하였다. 조대입자를 이용한 기공은 대체적으로 기공의 크기가 커서 3상 계면의 형성이 작다. 또 녹말 및 활성탄 또는 카본 등의 기공 형성제를 이용하면 기공 형성제끼리의 응집 및 분산성의 문제로 인한 불균일한 미세구조를 생성하고, 이를 해결하기 위해서는 분산제와 용매의 양이 증가하며 혼합시간이 증가되어야 한다. 또한 많은 기공형성제의 사용은 오랜 시간의 탈지공정이 추가로 필요하다. 이는 음극재의 건조 및 탈지공정에서 많은 시간을 소요할 뿐만 아니라 불균일한 수축의 결과로 변형 및 크랙을 발생시킨다.In the existing technology, for the sake of sufficient porosity, coarse particles are used to suppress densification or pore formers to secure porosity. Pores using coarse particles generally have a large pore size, resulting in a small three-phase interface. In addition, the use of pore formers such as starch, activated carbon or carbon creates a non-uniform microstructure due to cohesion and dispersibility of the pore formers, and to solve this problem, the amount of dispersant and solvent is increased and the mixing time is increased. Should be. In addition, the use of many pore formers requires the addition of a long time degreasing process. This not only takes a lot of time in the drying and degreasing process of the negative electrode material but also generates deformation and cracks as a result of uneven shrinkage.

이에, 현재까지 개발된 고체산화물 연료전지용 음극재의 미세조직 개선을 통해 가스반응(전기화학반응)의 활성(electrochemical activity)이 부족한 문제점을 개선할 필요가 있다.Therefore, there is a need to improve the problem of the lack of electrochemical activity of the gas reaction (electrochemical reaction) by improving the microstructure of the anode material for a solid oxide fuel cell developed so far.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 지르코늄 화합물 또는 니켈화합물을 기공형성제로서 사용하여 원하는 고체산화물 연료전지의 음극의 특성 예를들어, 기공율, 수축율, 강도, 전기전도도, 가스투과율 등을 얻을 수 있도록 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, the characteristics of the negative electrode of the desired solid oxide fuel cell using a zirconium compound or a nickel compound as a pore-forming agent, for example, porosity, shrinkage, strength, electrical conductivity, gas permeability An object of the present invention is to provide a method for producing a negative electrode material for a solid oxide fuel cell, which can be obtained.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법에 있어서, 지르코늄 화합물 및 니켈 화합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 기공 형성제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a solid oxide fuel cell for a solid oxide fuel cell, characterized in that in the method for producing a negative electrode material, one or more pore formers selected from the group consisting of a zirconium compound and a nickel compound. Provided is a method for producing a negative electrode material.

상기 고체산화물 연료전지용 음극재는 음극 지지체 또는 음극 기능층 중 어느 하나일 수 있다.The anode material for a solid oxide fuel cell may be any one of a cathode support and a cathode functional layer.

상기 음극 지지체는 산화니켈, 안정화 지르코니아, 지르코늄 화합물 및 니켈 화합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 기공 형성제 및 용매를 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 이용하여 음극 지지체를 성형하는 단계; 상기 성형체를 소결하는 단계; 및 상기 소결체를 환원시키는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.The negative electrode support may include mixing any one or two or more pore formers and a solvent selected from the group consisting of nickel oxide, stabilized zirconia, zirconium compound, and nickel compound; Molding an anode support using the mixture; Sintering the molded body; And reducing the sintered body.

상기 소결 공정은 600℃까지 0.5~2℃/min의 속도로 승온한 후 1~10℃/min의 승온속도로 1000℃~1200℃에서 0.5~2시간 동안 가소결하는 단계; 및 1~10℃/min의 승온속도로 1300~1450℃에서 0.5~5시간 동안 공소결하는 단계를 포함할 수 있다.The sintering process is a step of pre-sintering for 0.5 to 2 hours at 1000 ℃ ~ 1200 ℃ at a temperature rising rate of 1 ~ 10 ℃ / min after heating up to a rate of 0.5 ~ 2 ℃ / min to 600 ℃; And it may include the step of co-sintering for 0.5 to 5 hours at 1300 ~ 1450 ℃ at a temperature rising rate of 1 ~ 10 ℃ / min.

상기 음극 기능층은 가소결한 음극 지지체를 공소결하기 전에 딥코팅을 통해 슬러리를 음극 지지체 상에 코팅하여 형성되는 것으로서, 상기 슬러리는 산화니켈, 안정화 지르코니아, 지르코늄 화합물 및 니켈 화합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 기공 형성제 및 용매를 혼합하여 제조될 수 있다.The negative electrode functional layer is formed by coating the slurry on the negative electrode support through deep coating before co-sintering the pre-sintered negative electrode support, the slurry being any selected from the group consisting of nickel oxide, stabilized zirconia, zirconium compound and nickel compound. It can be prepared by mixing one or more pore formers and a solvent.

본 발명에서 사용된 상기 지르코늄 화합물은 수산화 지르코늄, 탄산 지르코늄, 황산 지르코늄 및 지르코늄 옥시클로라이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.The zirconium compound used in the present invention may be any one or two or more selected from the group consisting of zirconium hydroxide, zirconium carbonate, zirconium sulfate and zirconium oxychloride.

본 발명에서 사용된 상기 니켈 화합물은 수산화 니켈, 탄산 니켈, 초산 니켈, 염화 니켈, 질산 니켈 및 설파민산 니켈로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.The nickel compound used in the present invention may be any one or two or more selected from the group consisting of nickel hydroxide, nickel carbonate, nickel acetate, nickel chloride, nickel nitrate and nickel sulfamate.

본 발명에서 사용된 상기 안정화 지르코니아는 3 내지 10 몰%의 이트리아를 함유한 지르코니아일 수 있다.The stabilized zirconia used in the present invention may be zirconia containing 3 to 10 mol% of yttria.

또한, 본 발명에서 사용된 상기 기공 형성제는 전분, 카본블랙, 그라파이트 및 구형 폴리머로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 더 포함할 수 있다.In addition, the pore-forming agent used in the present invention may further include any one or two or more selected from the group consisting of starch, carbon black, graphite and spherical polymer.

상기 구형 폴리머는 1 내지 10㎛의 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate: PMMA) 또는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcoholl: PVA) 중 어느 하나일 수 있다.The spherical polymer may be any one of 1 to 10 μm of polymethylmethacrylate (PMMA) or polyvinyl alcohol (PVA).

본 발명에서 음극 지지체 또는 음극 기능층을 제조하기 위하여, 산화니켈 30 내지 60 중량% 및 안정화 지르코니아 40 내지 70 중량%로 이루어진 음극재 100 중량부에 대하여, 지르코늄 화합물 및 니켈 화합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 기공 형성제 0.01 내지 50 중량부를 혼합하여 사용할 수 있다.In order to prepare a negative electrode support or a negative functional layer in the present invention, any one selected from the group consisting of a zirconium compound and a nickel compound, based on 100 parts by weight of a negative electrode material consisting of 30 to 60% by weight of nickel oxide and 40 to 70% by weight of stabilized zirconia 0.01 to 50 parts by weight of one or more pore formers may be mixed and used.

이때, 산화니켈의 함량이 상기 범위를 벗어나면 Ni 금속의 연결이 끊어져 전기전도도가 낮아지고 이로 인해 생성된 전하의 이동에 문제가 야기될 수 있고, 안정화 지르코니아의 함량이 상기 범위를 벗어나면 지르코니아의 연결이 끊어져 산소이온의 이동에 문제가 야기될 수 있으며, 기공 형성제의 함량이 상기 범위를 벗어나면 음극지지체의 강도와 전기전도도의 저하 또는 기공률의 부족에 의한 연료공급 지연 등에 따른 연료전지의 성능저하를 야기할 수 있다.At this time, when the content of nickel oxide is out of the range, the Ni metal is disconnected, thereby lowering the electrical conductivity, which may cause a problem in the generated charge transfer, and when the content of the stabilized zirconia is out of the range, It may cause a problem in the movement of oxygen ions due to the disconnection, and if the content of the pore-forming agent is out of the above range, the performance of the fuel cell due to the delay of fuel supply due to the decrease in the strength and electrical conductivity of the negative electrode support or the lack of porosity May cause degradation.

상기 성형 공정은 프레스 성형 또는 압출 성형 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있으며, 상기 압출 성형 시에는 20 ~ 40 MPa의 압력이 인가될 수 있다. 또한, 상기 환원 공정은 소결체를 5 부피% 수소를 함유하는 아르곤 존재 하 800 내지 1000℃에서 2 내지 4시간 동안 열처리 하여 수행될 수 있다.
The molding process may be performed by any one of press molding or extrusion molding, and a pressure of 20 to 40 MPa may be applied during the extrusion molding. In addition, the reduction process may be performed by heat-treating the sintered body at 800 to 1000 ℃ for 2 to 4 hours in the presence of argon containing 5% by volume hydrogen.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

우선, 음극 지지형 고체산화물 연료전지에서 음극 지지체는 다층구조 단전지의 지지체 역할을 해야 하기 때문에 기계적인 물성을 갖춰야 하며, 동시에 연료의 산화반응을 위한 전기화학적인 물성을 만족시켜야 한다. 또한, 전기전도도나 기체투과도가 우수해야 한다.First, in the negative electrode supported solid oxide fuel cell, the negative electrode support must serve as a support of the multi-layered unit cell, and thus must have mechanical properties, and at the same time, satisfy the electrochemical properties for the oxidation reaction of the fuel. In addition, electrical conductivity or gas permeability should be excellent.

음극에서의 기계적인 물성은 지지체 자체의 강도는 물론 지지체 위에 올라가는 전해질층과의 열팽창계수도 가능한 합치되는 범위이어야 제조 과정이나 동작시의 열 사이클 과정 중 결함 발생을 방지할 수 있다. 음극은 단순한 전기를 뽑아내는 전달체로서의 역할 뿐만 아니라 음극에서의 연료의 산화반응을 가능케 하는 역할도 해야 하므로 단순 금속소재를 음극으로 사용할 수 없다. The mechanical properties of the negative electrode should be within the range of not only the strength of the support itself but also the thermal expansion coefficient with the electrolyte layer rising on the support to prevent the occurrence of defects during the heat cycle during manufacturing or operation. Since the cathode should not only serve as a carrier for extracting electricity, but also enable the oxidation reaction of the fuel in the cathode, a simple metal material cannot be used as the cathode.

연료의 산화반응을 활성화시키기 위해서는 음극에 활성이 높은 촉매성분이 포함되어야 함은 물론 활성 반응점의 농도 또한 음극 내에 높게 유지되야 한다. 또한 음극 지지체형 단전지에서의 음극 지지체는 연료의 전기화학 반응이 일어나는 반응점까지 연료를 원활하게 공급하고, 연료의 산화 반응 시 생성되는 수증기를 원활하게 배출시켜야 하기 때문에 반응물이나 생성물의 이동이 용이한 통로로서의 기공을 포함하는 다공성 구조를 가져야 한다.In order to activate the oxidation reaction of the fuel, not only the catalyst component having high activity should be included in the cathode, but also the concentration of the active reaction point must be kept high in the cathode. In addition, the anode support in the anode support unit cell smoothly supplies fuel to the reaction point at which the electrochemical reaction of the fuel occurs and smoothly discharges water vapor generated during the oxidation reaction of the fuel. It must have a porous structure that includes pores as a passageway.

이와 같은 물성들을 동시에 만족시키기 위하여 음극은, 이온 전도성 산화물과 전기화학적 활성을 가지면서도 전기전도도가 우수한 금속 복합체를 주로 사용하는데 여기서 산화물과 금속의 복합체의 조성을 조절하여 기계적 강도와 열팽창계수를 맞추고, 아울러 서로 상반되는 물성인 전기전도도 및 가스투과도의 조합이 최적화가 되도록 조성을 조절하게 된다. 또한 복합체의 기공율은 기계적인 물성과 가스투과도를 고려하여 결정하며, 연료의 활성 반응점이 허용 기공율 범위에서 최대가 되도록 조절되어야 한다.In order to satisfy these properties at the same time, the cathode mainly uses a metal composite having an electrical conductivity while having an electrochemical activity with an ion conductive oxide, wherein the composition of the oxide and the metal is adjusted to adjust the mechanical strength and the coefficient of thermal expansion. The composition is adjusted to optimize the combination of electrical conductivity and gas permeability, which are opposite properties. In addition, the porosity of the composite is determined in consideration of mechanical properties and gas permeability, and should be adjusted to maximize the active reaction point of the fuel in the allowable porosity range.

도 1은 음극재로서 사용되는 복합 분말 중 기공 형성제의 양에 따른 지지체의 소결 수축율과 환원한 후 기공율의 변화를 나타낸 것으로, PMMA와 같은 구형 폴리머의 첨가에 따른 추가적인 소결수축율은 없었고, 구형 폴리머가 증가할수록 기공율은 증가하여 9 중량%의 PMMA을 사용한 경우 기공율과 수축율이 각각 40.9% 및 20.7%로 나타났다. 그리고, 음극 지지체의 소결수축율은 전해질층(22%)과 비슷해야하는데, 이를 위하여 PMMA와 카본블랙을 첨가한 지지체인 P10_C5 지지체의 높은 소결수축율은 가소결 온도를 높임으로써 낮출 필요가 있다. 따라서, 가소결 온도를 1100℃(P10_C5)에서 1150℃(P10_C5*)로 증가시킴으로써 가소결 수축율을 감소시켰고, P10_C5의 소결수축율을 기공률의 변화 없이 22.4%로 낮출 수 있었다. 1 shows the sintering shrinkage rate of the support and the porosity after reduction according to the amount of the pore-forming agent in the composite powder used as the negative electrode material, there was no additional sintering shrinkage rate with the addition of the spherical polymer such as PMMA, spherical polymer As porosity increased, the porosity and shrinkage were 40.9% and 20.7%, respectively, when 9 wt% of PMMA was used. In addition, the sinter shrinkage rate of the anode support should be similar to that of the electrolyte layer (22%). For this purpose, the high sintering shrinkage rate of the P10_C5 support, which is the support containing PMMA and carbon black, needs to be lowered by increasing the sintering temperature. Therefore, by increasing the sintering temperature from 1100 ° C. (P10_C5) to 1150 ° C. (P10_C5 * ), the sinter shrinkage was reduced, and the sinter shrinkage of P10_C5 could be lowered to 22.4% without changing the porosity.

도 2는 음극재로서 사용되는 복합 분말의 조성 변화에 따라 얻어진 음극 지지체의 미세구조를 나타낸 것으로, a 및 b는 9 중량%의 구형 PMMA를 첨가하여 제조된 음극 지지체의 미세구조이며, 구는 대략 직경이 5㎛로 균질하고 지지체 내부에 균일하게 분포되어 있으며, 기공끼리 서로 연결되어 있다. c 및 d는 a 및 b의 조성에 카본블랙을 4 중량% 첨가하여 제조된 음극 지지체의 미세구조이며, a 및 b와 비교하여 큰 기공 사이의 미세기공을 생성하였으며 증가시켰다. 즉 카본블랙의 첨가는 PMMA의 증가에 의해 야기되는 것과 반대로 기공율은 큰 영향력을 미치지 않았으나 수축율을 증가시키고 카본블랙이 없는 지지체에 비해서 큰 기공 사이의 미세기공이 더 많았다. 게다가 PMMA의 구조로부터 생겨나는 큰 기공은 전체적으로 평균 크기가 줄어들었다. 이는 카본블랙이 첨가된 지지체가 카본블랙이 없는 지지체의 것보다 추가로 기공형성제를 첨가했음에도 불구하고 기공율의 변화에는 영향력을 미치지 않는다.Figure 2 shows the microstructure of the negative electrode support obtained by changing the composition of the composite powder used as the negative electrode material, a and b are the microstructure of the negative electrode support prepared by adding 9% by weight of the spherical PMMA, sphere is approximately diameter It is homogeneous at 5 micrometers, it is distributed uniformly inside a support body, and pores are mutually connected. c and d are the microstructure of the negative electrode support prepared by adding 4% by weight of carbon black to the composition of a and b, and produced and increased micropores between large pores compared to a and b. In other words, the addition of carbon black caused the increase in PMMA, but the porosity did not have a significant influence, but the shrinkage was increased, and there were more micropores between large pores than the support without carbon black. In addition, the large pores resulting from the structure of the PMMA reduced the average size as a whole. This has no effect on the change in porosity even though the support with carbon black added a pore-forming agent in addition to that of the support without carbon black.

카본블랙의 높은 소수성 표면특성과, 큰 표면적 때문에 특히 수계작업에서 카본블랙의 분산이 매우 어려운 과제이다. 카본블랙은 일반적으로 초기 나노 크기의 입자끼리 결합으로 구성된 많은 응집체로 구성되어 있다. 이러한 구조 때문에 카본블랙은 매우 다공성이고 그러므로 매우 큰 표면적을 가진다. 이러한 카본블랙입자의 표면특성은 다른 산화물 입자의 것과 매우 다르다. 이런 점들은 카본블랙과 산화물 입자의 슬러리 혼합을 방해하며, 특히 슬러리의 카본블랙이 나노미터의 크기이며 높은 수분흡수력 때문에 높은 고형분 함량을 얻기 어렵다. Due to the high hydrophobic surface properties and large surface area of carbon black, dispersion of carbon black is very difficult, especially in water-based operations. Carbon black is generally composed of many aggregates composed of bonds between the initial nano-sized particles. Because of this structure, carbon black is very porous and therefore has a very large surface area. The surface properties of these carbon black particles are very different from those of other oxide particles. These points hinder the slurry mixing of the carbon black and the oxide particles, and particularly, the carbon black of the slurry is nanometer in size and has a high solids content because of high water absorption.

이러한 관점에서 카본블랙 대체물로써 새로운 기공형성제로 지르코늄 화합물 또는 니켈 화합물이 본 발명에서 사용되었다. 새로운 기공형성제의 장점은 카본블랙보다 표면특성이 우수하고, 지지체에 사용되는 산화물 입자의 표면 특성과 비슷하며, 카본블랙의 입자보다 더 크며, 비 다공성이다. 게다가 상기 기공형성제는 지지체 본체를 구성하는 구성요소인 Zr 또는 Ni으로 이루어지며, 소결 시에 지르코니아 또는 산화니켈로 변한다. In this respect, a zirconium compound or nickel compound was used in the present invention as a new pore forming agent as a carbon black substitute. The advantages of the new pore formers are that they have better surface properties than carbon black, are similar to the surface properties of the oxide particles used for the support, are larger than the particles of carbon black, and are non-porous. In addition, the pore-forming agent is composed of Zr or Ni, which is a component constituting the support body, and changes to zirconia or nickel oxide upon sintering.

카본블랙 4 중량% 대신 수산화 지르코늄 4 중량%를 9 중량% PMMA 지지체에 추가한 경우, 수축율과 기공율에 대한 수산화 지르코늄의 첨가 영향은 카본블랙을 넣은 지지체와 비슷한 것으로 관찰되었다. 소결동안 수산화 지르코늄에서 지르코니아로 상의 변화로 발생하는 부피 변화 때문에, 수산화 지르코늄 입자의 자리에 미세한 기공이 형성되었고 이는 카본블랙의 역할과 같다. 도 2 중 e 및 f에 나타난 바와 같이, 큰 기공 사이에 미세구조는 PMMA 기공형성제만 사용한 지지체(도2 중 a 및 b)의 것보다 매우 다공성이다.When 4% by weight of zirconium hydroxide was added to the 9% by weight PMMA support instead of 4% by weight of carbon black, the effect of addition of zirconium hydroxide on the shrinkage and porosity was observed to be similar to that with carbon black. Due to the volume change caused by the zirconium hydroxide to zirconia phase change during sintering, fine pores were formed in the place of the zirconium hydroxide particles, which is the role of carbon black. As shown in e and f in FIG. 2, the microstructures between the large pores are more porous than those of the support (a and b in FIG. 2) using only PMMA pore formers.

게다가 PMMA에 의해 발생한 큰 기공은 소결동안 줄어들고 그것의 평균 크기 또한 약간 줄어들었다. 이는 PMMA와 카본블랙을 첨가하여 제조한 지지체(P10_C5)와 거의 같다. 그러므로 PMMA와 수산화 지르코늄을 첨가하여 제조한 지지체(P10_Z5)의 지지체의 미세구조의 결과와 기공율(38.8%), 그리고 소결수축율(21.7%)은 고성능의 지지체로써 충분히 충족될 수 있다.In addition, the large pores generated by PMMA decreased during sintering and its average size also slightly decreased. This is almost the same as the support (P10_C5) prepared by adding PMMA and carbon black. Therefore, the microstructure of the support of the support (P10_Z5) prepared by adding PMMA and zirconium hydroxide, porosity (38.8%), and sintering shrinkage (21.7%) can be sufficiently satisfied as a high-performance support.

도 3a는 지지체의 전기전도도를, 도 3b는 지지체의 2축강도의 변화를 기공형성제의 함량에 따라 나타낸 것이다. 도 1에서 기술된 바와 같이 기공율을 증가시키는데 기여하는 PMMA의 함량을 증가함으로써 전기전도도와 2축강도는 일정하게 감소하였다. 반대로 도 3에서처럼 PMMA 지지체에 카본블랙의 첨가는 전기전도도와 2축강도에 별 영향력을 끼치지 않는다. 이러한 추가적인 첨가제는 앞서 언급한 바와 같이 기공률에 변화를 거의 가져오지 않는다. 카본블랙의 첨가는 전기전도도 및 기계적 강도와 덜 민감하다. Figure 3a shows the electrical conductivity of the support, Figure 3b shows the change in the biaxial strength of the support according to the content of the pore-forming agent. As described in FIG. 1, the electrical conductivity and biaxial strength were constantly reduced by increasing the content of PMMA, which contributes to increasing porosity. On the contrary, as shown in FIG. 3, the addition of carbon black to the PMMA support has little effect on the electrical conductivity and biaxial strength. These additional additives rarely change the porosity as mentioned above. The addition of carbon black is less sensitive to electrical conductivity and mechanical strength.

또한, 전기전도도와 기계적 강도에서의 비슷한 거동은 수산화 지르코늄을 첨가제로 사용한 지지체에서도 관찰되었다. 그러나 수산화 지르코늄이 기공형성제로 보다 우수한 것으로 판단된다. 수산화 지르코늄을 첨가한 음극 지지체(P10_Z5)의 전기전도도와 기계적 강도는 각각 3337 S/cm 및 148 MPa이며, 이러한 물성은 같은 기공율을 가진 다른 NiO-YSZ 복합 지지체에 비하여 높은 것이다. 게다가 가스투과율 또한 0.047 cm2/(cm H2O)?min로 일반적인 지지체의 가스투과도보다 높았다Similar behaviors in electrical conductivity and mechanical strength were also observed in supports using zirconium hydroxide as an additive. However, zirconium hydroxide is believed to be better as a pore-forming agent. The electrical conductivity and the mechanical strength of the zirconium hydroxide-added negative electrode support (P10_Z5) are 3337 S / cm and 148 MPa, respectively, and these physical properties are higher than those of other NiO-YSZ composite supports having the same porosity. In addition, the gas permeability was also 0.047 cm 2 / (cm H 2 O) min, which was higher than that of the general support.

따라서, 소결하는 동안 형성된 PMMA의 자리의 큰 기공은 가스의 투과에 기여하는 반면, 수산화 지르코늄 또는 카본블랙으로 형성된 미세기공은 환원공정 동안 추가적으로 형성되고, 전지의 성능에 결정적인 삼상계면을 상당히 증가시킨다. 이렇게 크고 작은 기공의 상호 역할은 연료전지의 성능을 상당히 향상시킬 수 있다.Thus, the large pores in the site of PMMA formed during sintering contribute to gas permeation, while the micropores formed of zirconium hydroxide or carbon black are additionally formed during the reduction process and significantly increase the three-phase interface which is critical to the performance of the cell. The interaction of these large and small pores can significantly improve the performance of fuel cells.

도 4는 실시예에 따라 제조한 NiO-YSZ 음극 지지체의 온도에 따른 전기전도도를 나타낸 것으로, 음극은 환원 분위기의 작동 온도에서 전자의 흐름을 위해 충분히 높은 전기전도도가 필요하기 때문에 도 4와 같이, 일반적인 작동온도 750℃에서 1000 S/cm 이상의 전기전도도는 같은 기공률을 가진 다른 문헌의 음극 지지체보다 높은 것이다. Figure 4 shows the electrical conductivity according to the temperature of the NiO-YSZ cathode support prepared according to the embodiment, since the negative electrode needs a sufficiently high electrical conductivity for the flow of electrons at the operating temperature of the reducing atmosphere, as shown in Figure 4, At a typical operating temperature of 750 ° C, the electrical conductivity of 1000 S / cm or more is higher than that of other literatures with the same porosity.

도 5는 56 중량% NiO-(44-x) 중량% YSZ-x 중량% Zr(OH)4의 조성을 가지는 복합 분말에 수산화 지르코늄의 첨가량에 따른 음극 기능층의 소결수축율과 기공율의 변화를 나타낸 것으로, 소량의 수산화 지르코늄을 첨가한 경우에서는 수산화 지르코늄의 양을 증가시키면 기공율은 증가하지만 더 추가할수록 기공율의 증감은 줄어들고 기공율은 포화되는 경향을 나타내었다. 수산화 지르코늄의 첨가에 의해 영향을 받는 기공율의 증가는 소결 과정에서 수산화 지르코늄이 지르코니아로의 상변화 때문에 생기는 기공의 형성에 기여할 수 있다. 반면에 수산화 지르코늄의 첨가에 따른 소결수축율은 미미하여, 소결수축율이 대략 22%로 유지되었고, 이는 전해질층과 지지체의 소결수축율에 관련이 있다. 4.4 중량%의 수산화 지르코늄을 이용한 음극 기능층은 그 기공율과 소결수축율이 각각 31.8%와 21.6%이었고 이는 기능층 조성으로써 매우 적합한 수준으로 판단된다. 특히 지지체(P10_Z5)의 3337 S/cm인 것과 비교하여 높은 전기전도도(4045 S/cm)는 분극 활동을 막음으로써 연료전지 동작에 유익할 것으로 판단한다.5 is a graph showing changes in sinter shrinkage and porosity of a cathode functional layer depending on the amount of zirconium hydroxide added to a composite powder having a composition of 56 wt% NiO- (44-x) wt% YSZ-x wt% Zr (OH) 4 In the case of addition of a small amount of zirconium hydroxide, the porosity increased as the amount of zirconium hydroxide increased, but as the addition, the porosity decreased and the porosity was saturated. The increase in porosity affected by the addition of zirconium hydroxide can contribute to the formation of pores resulting from the phase change of zirconium hydroxide to zirconia during the sintering process. On the other hand, the sinter shrinkage rate was small due to the addition of zirconium hydroxide, and the sinter shrinkage rate was maintained at approximately 22%, which is related to the sinter shrinkage rate of the electrolyte layer and the support. The porosity and sinter shrinkage of the cathode functional layer using 4.4% by weight of zirconium hydroxide were 31.8% and 21.6%, respectively. In particular, it is determined that the high electrical conductivity 4045 S / cm of the support P10_Z5 will be beneficial to fuel cell operation by preventing polarization activity.

도 6은 본 발명에 따라 제조된 음극 지지체 및 음극 기능층의 계면 분극 저항을 나타낸 것으로, 음극 지지체 위에 음극 기능층을 구성함으로써 삼상계면의 증가를 도입함으로써 계면 저항으로 인한 분극 현상을 줄일 수 있었다.Figure 6 shows the interfacial polarization resistance of the negative electrode support and the negative electrode functional layer prepared according to the present invention, by configuring the negative electrode functional layer on the negative electrode support to reduce the polarization due to the interface resistance by introducing an increase in the three-phase interface.

도 7a 및 도 7b는 다양한 함량의 수산화 지르코늄을 첨가하여 제조된 음극 기능층의 미세구조를 나타낸 것으로, 대략 1㎛의 기공이 기능층에 전체적으로 균일하게 분포되어 있고 서로 기공 경로 망을 형성하기 위해서 연결되어 있다. 수산화 지르코늄을 첨가하지 않고 준비한 기능층의 기공율은 환원 처리 후 22.8%이고 수산화 지르코늄 4.4 중량%가 첨가되어 기여한 기공은 9%로 평가되었다. 즉, 4.4 중량% 수산화 지르코늄을 이용한 기능층의 환원 후 기공율은 31.8%이었다. 이러한 미세기공이 있는 음극 기능층은 전기화학적으로 매우 활동적인 반응 표면을 제공하고, 셀의 성능을 향상시킨다.7A and 7B illustrate the microstructure of a cathode functional layer prepared by adding various amounts of zirconium hydroxide, wherein pores having a thickness of about 1 μm are uniformly distributed throughout the functional layer and connected to each other to form a pore path network. It is. The porosity of the functional layer prepared without the addition of zirconium hydroxide was 22.8% after the reduction treatment, and the pore contribution was 9% due to the addition of 4.4% by weight of zirconium hydroxide. That is, the porosity after reduction of the functional layer using 4.4 wt% zirconium hydroxide was 31.8%. These microporous cathode functional layers provide a highly chemically active reaction surface and improve cell performance.

도 8은 전해질층/기능층/지지체층을 1400℃에서 3시간 소결한 후 900℃ 수소분위기에서 환원한 단면을 나타낸 것으로, 전해질층은 대략 3㎛이고 결함이 없이 완전히 치밀한 것을 확인할 수 있었다. 다공성 지지체 위에 결함이 없는 완전히 치밀한 YSZ 전해질층의 제조는 여전히 주요 과제인데, 기능층은 내부의 큰 기공의 존재 때문에 거친 지지체의 표면을 부드럽게 해 주고 전해질층이 앉을 표면의 거침을 향상시킨다. 향상된 표면 거칠기는 전해질층에 생성되는 결함의 가능성을 줄여준다. 게다가 기능층은 균일하고 미세한 기공구조를 가지고 전해질층과 지지체를 단단히 결합한다.FIG. 8 shows a cross section of the electrolyte layer / functional layer / support layer sintered at 1400 ° C. for 3 hours and then reduced at 900 ° C. in a hydrogen atmosphere. The electrolyte layer was approximately 3 μm and was completely compact without defects. The production of a completely dense YSZ electrolyte layer free of defects on the porous support is still a major challenge, with the functional layer smoothing the surface of the rough support due to the presence of large pores therein and improving the roughness of the surface on which the electrolyte layer will sit. Improved surface roughness reduces the likelihood of defects created in the electrolyte layer. In addition, the functional layer has a uniform and fine pore structure to tightly bond the electrolyte layer and the support.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법은, PMMA와 같은 구형 폴리머에 의해 생성된 큰 기공을 통해 가스의 수송을, 지르코늄 화합물 또는 니켈 화합물을 이용한 미세기공을 통해 삼상접점(TPB)의 길이를 증가시킬 수 있으며, 기공 형성제로써 PMMA와 같은 구형 폴리머만을 사용한 음극재와 비교하여 지르코늄 화합물 또는 니켈 화합물을 PMMA와 함께 사용한 복합 기공형성제로 제조된 음극재는 전체 수축률을 조정할 수 있고, 동시에 기공률을 조정할 수 있으며, 고체산화물 연료전지용 음극재의 취약점인 강도, 전기전도도 및 가스투과율 또한 매우 우수하다.In the method of manufacturing a negative electrode material for a solid oxide fuel cell according to the present invention, the transport of gas through large pores produced by a spherical polymer such as PMMA, and the length of a three-phase junction (TPB) through micropores using a zirconium compound or a nickel compound Compared with the negative electrode material using only spherical polymer such as PMMA as the pore forming agent, the negative electrode material made of the composite pore forming agent using zirconium compound or nickel compound together with PMMA can adjust the overall shrinkage rate and at the same time The strength, electrical conductivity and gas permeability, which are the weak points of anode materials for solid oxide fuel cells, are also very good.

도 1은 다양한 기공형성제를 이용하여 제조된 음극 지지체의 기공 및 소결 수축 변화를 나타낸 것이다(*는 1150℃에서 가소결한 음극 지지체를 의미함).
도 2는 다양한 기공형성제를 이용하여 제조된 음극 지지체의 미세구조를 나타낸 SEM 사진으로서, a 및 b는 9 중량% PMMA(P10), c 및 d는 9 중량% PMMA 및 4 중량% 카본블랙(P10_C5), e 및 f는 9 중량% PMMA 및 4 중량% 수산화 지르코늄(P10_Z5)을 의미한다.
도 3은 다양한 기공형성제를 이용하여 제조된 음극 지지체의 전기전도도(a) 및 2축 강도(b)를 나타낸 것이다(*는 1150℃에서 가소결한 음극 지지체를 의미함).
도 4는 다양한 기공형성제를 이용하여 제조된 음극 지지체의 온도에 따른 전기전도도 변화를 나타낸 것이다(*는 1150℃에서 가소결한 음극 지지체를 의미함).
도 5는 수산화 지르코늄 함량 변화에 따른 음극 지지체의 기공(a) 및 소결 수축(b) 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 다양한 기공형성제를 이용하여 제조된 음극 지지체 및 음극 기능층의 계면 분극 저항을 나타낸 것이다(*는 97 부피% H2-3 부피% H2O 분위기를 의미함).
도 7은 4.4 중량%의 수산화 지르코늄이 첨가된 음극 기능층의 미세구조를 나타내는 SEM 사진이다.
도 8은 음극 기능층 및 전해질층으로 코팅된 음극 지지체의 SEM 사진이다.
Figure 1 shows the pore and sintered shrinkage change of the negative electrode support prepared by using various pore-forming agent ( * means a plastic support sintered at 1150 ℃).
Figure 2 is a SEM photograph showing the microstructure of the negative electrode support prepared using various pore-forming agents, a and b is 9% by weight PMMA (P10), c and d is 9% by weight PMMA and 4% by weight carbon black ( P10_C5), e and f mean 9% by weight PMMA and 4% by weight zirconium hydroxide (P10_Z5).
Figure 3 shows the electrical conductivity (a) and biaxial strength (b) of the negative electrode support prepared using various pore-forming agents ( * refers to the negative electrode support sintered at 1150 ℃).
Figure 4 shows the electrical conductivity change according to the temperature of the negative electrode support prepared by using various pore-forming agent ( * means a negative electrode support sintered at 1150 ℃).
Figure 5 shows the change in pore (a) and sintering shrinkage (b) of the negative electrode support according to the zirconium hydroxide content changes.
Figure 6 shows the interfacial polarization resistance of the negative electrode support and the negative electrode functional layer prepared using a variety of pore-forming agent ( * means 97% by volume H 2 -3% by volume H 2 O atmosphere).
7 is a SEM photograph showing the microstructure of a cathode functional layer to which 4.4 wt% of zirconium hydroxide is added.
8 is a SEM photograph of a negative electrode support coated with a negative electrode functional layer and an electrolyte layer.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by these examples.

<실시예 1> 수산화 지르코늄을 이용한 음극 지지체 제조Example 1 Preparation of Anode Support Using Zirconium Hydroxide

NiO-YSZ 음극 지지체의 제조를 위하여, 먼저 상업적으로 사용되는 산화니켈(NiO-FP, Sumitomo Metal Mining Co., LTD., Tokyo, Japan)과 8 몰% 이트리아를 함유한 YSZ(TZ-8YS, Tosho Co., Shunan, Japan)를 사용하였다. 이때, 입자경 분석기(LS 13 320, Porous Material Inc., Brea, CA, USA)로 측정한 YSZ 및 NiO 분말의 평균 입자경은 각각 0.2 및 0.3μm이었다. 그리고, PMMA(LDX-50, Sunjin Chem. Co., Ltd., Ansan, Korea), 카본블랙(HIBLACK 170, Evonik Carbon Korea, Incheon, Korea), 수산화 지르코늄(97%, Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO,USA) 분말을 기공형성제로 사용하였다. 이때, PMMA는 구형 모양이고 평균 입자경이 5μm이었다. For the preparation of the NiO-YSZ negative electrode support, first commercially available nickel oxide (NiO-FP, Sumitomo Metal Mining Co., LTD., Tokyo, Japan) and YSZ containing 8 mol% yttria (TZ-8YS, Tosho Co., Shunan, Japan). At this time, the average particle diameters of the YSZ and NiO powders measured by a particle size analyzer (LS 13 320, Porous Material Inc., Brea, CA, USA) were 0.2 and 0.3 μm, respectively. And PMMA (LDX-50, Sunjin Chem. Co., Ltd., Ansan, Korea), carbon black (HIBLACK 170, Evonik Carbon Korea, Incheon, Korea), zirconium hydroxide (97%, Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) powder was used as pore-forming agent. At this time, PMMA was spherical and the average particle diameter was 5 micrometers.

음극 지지체 제조를 위한 복합 분말의 조성은 하기 표 1과 같으며, 각 복합 분말을 용매인 메탄올이 들어있는 폴리에틸렌 병에서 6시간 동안 볼밀하였고, 이때 분산제로 EFKA 4401(Ciba Canada Ltd., Mississauga, Canada)을 사용하였으며, 50℃에서 밤샘 건조한 후 아게이트 유발에서 빻은 후 성형하였다.The composition of the composite powder for preparing the negative electrode support is shown in Table 1 below, and each composite powder was ball milled for 6 hours in a polyethylene bottle containing methanol as a solvent, wherein EFKA 4401 (Ciba Canada Ltd., Mississauga, Canada) was used as a dispersant. ) Was dried overnight at 50 ° C. and then ground in an agate mortar and then molded.

분류Classification 메탄올
(g)
Methanol
(g)
EFKA 4401 (g)EFKA 4401 (g) NiO(g)NiO (g) 8YSZ(g)8YSZ (g) PMMA(g)PMMA (g) 카본블랙(g)Carbon black (g) Zr(OH)4
(g)
Zr (OH) 4
(g)
음극
지지체
cathode
Support
P0P0 4040 1One 5656 4444 00
P2P2 4040 1One 5656 4444 22 P6P6 4040 1One 5656 4444 66 P8P8 4040 1One 5656 4444 88 P10P10 4040 1One 5656 4444 1010 P10_C5P10_C5 4040 1One 5656 4444 1010 55 P10_Z5P10_Z5 4040 1One 5656 4444 1010 55 음극
기능층
cathode
Functional layer
Z4.4Z4.4 4040 1One 5656 39.639.6 4.44.4

이러한 복합 분말을 20mm 직경의 디스크에서 30MPa의 압력으로 눌렀다. 얻어진 분말 성형체를 1100℃에서 1시간 동안 예비소결하여 다루기 용이할 정도의 충분한 기계적 강도를 갖도록 하였다. 상기 분말 성형체는 600℃까지는 2℃/min의 속도로, 600℃에서 1100℃까지는 5℃/min의 속도로 예비소결 온도까지 가열하였고, 그후 160℃에서 1시간, 350℃에서 3시간 및 600℃에서 1시간 동안 유지하였다. 상기 예비소결 성형체를 치수 및 칭량한 후, 5℃/min의 속도로 1400℃까지 가열하여 소결하고, 1400℃에서 3시간 동안 유지하였다. 상기 소결 성형체를 치수 및 칭량한 후, 5 부피% 수소를 함유하는 아르곤 존재 하에서 900℃, 3시간 동안 열처리 하여 소결 성형체 중의 NiO를 Ni로 환원시켰다. 그후, 환원 디스크의 치수 및 칭량을 다시 수행하였다. 이러한 측정은 각 열처리 공정 중 야기되는 수축율과 디스크의 기공율을 측정하기 위한 것이다.This composite powder was pressed at a pressure of 30 MPa on a 20 mm diameter disk. The powder compact obtained was presintered at 1100 ° C. for 1 hour so as to have sufficient mechanical strength to facilitate handling. The powder compact was heated to a presintering temperature at a rate of 2 ° C./min up to 600 ° C., at a rate of 5 ° C./min up to 600 ° C. to 1100 ° C., and then 1 hour at 160 ° C., 3 hours at 350 ° C., and 600 ° C. Was maintained for 1 hour. The presintered molded body was measured and weighed, and then sintered by heating to 1400 ° C. at a rate of 5 ° C./min, and maintained at 1400 ° C. for 3 hours. After the sintered compact was dimensioned and weighed, NiO in the sintered compact was reduced to Ni by heat treatment at 900 ° C. for 3 hours in the presence of argon containing 5% by volume hydrogen. Thereafter, the dimensions and weighings of the reducing disks were carried out again. These measurements are intended to measure the shrinkage and porosity of the disks that occur during each heat treatment process.

<실험예 1> 소결수축율과 기공율 평가Experimental Example 1 Evaluation of Sintering Shrinkage and Porosity

실시예에서 제조된 음극 지지체의 기공율을 아르키메데스 방법에 의해 측정하였다. The porosity of the negative electrode support prepared in Example was measured by the Archimedes method.

도 1은 복합 분말 중 기공형성제의 양에 따른 음극 지지체의 소결수축율과 환원한 후 기공율의 변화를 나타낸다. 여기서 가로축은 기공형성제의 종류와 0~10까지의 PMMA의 양을 의미하며, 구형 폴리머의 증가에 따라 기공율의 증가를 확인할 수 있었다. 그러나 수축율은 큰 변화가 없이 22%대에 머물렀다. 즉 구형 폴리머의 증가에 따른 소결수축율 변화는 무시할 만한 수준이었다. 또한 구형 폴리머는 구형의 큰 기공을 형성하였고 전체 소결공정을 통해서 상당히 안정하여 소결 후 대부분이 기공으로 남아 있었다.1 shows the sinter shrinkage rate of the negative electrode support and the porosity after reduction according to the amount of the pore-forming agent in the composite powder. Here, the axis of abscissas means the type of pore-forming agent and the amount of PMMA from 0 to 10, and the porosity was increased with the increase of the spherical polymer. However, shrinkage remained at 22% without any significant change. In other words, the change in sinter shrinkage rate with the increase of spherical polymer was negligible. In addition, the spherical polymer formed large pores of the spherical shape and was fairly stable through the entire sintering process, and most of them remained pores after sintering.

이러한 결과로부터 구형 폴리머의 첨가에 따른 추가적인 소결수축율은 없었고, 구형 폴리머가 증가할수록 기공율은 증가하여 PMMA 9 중량%일 때 기공율과수축율이 각각 40.9% 및 20.7%를 나타내었다. From these results, there was no additional sintering shrinkage according to the addition of the spherical polymer. As the spherical polymer was increased, the porosity increased to 40.9% and 20.7%, respectively, when the PMMA was 9% by weight.

한편, 알려진 바와 같이 음극 지지체의 소결수축율은 전해질층(22%)과 비슷해야 한다. 이런 관점으로 P10C5 지지체(PMMA와 카본블랙을 첨가한 지지체)의 높은 소결수축율은 가소결 온도를 높임으로써 낮출 필요가 있다. 가소결 온도를 1100℃에서 1150℃로 증가시킴으로써 가소결 수축율을 감소시켰고, P10_C5의 소결수축율을 기공율의 변화 없이 도 1에서처럼 22.4%로 낮출 수 있었다. 기공율 (40.1%)과 소결수축율(22.4%), 그리고 음극 지지체의 미세구조는 고성능의 음극 재료로써의 요구조건을 충분히 만족시킨다.On the other hand, as is known, the sinter shrinkage rate of the negative electrode support should be similar to that of the electrolyte layer (22%). In view of this, the high sintering shrinkage rate of the P10C5 support (the support containing PMMA and carbon black) needs to be lowered by increasing the sintering temperature. By increasing the sintering temperature from 1100 ° C to 1150 ° C, the sintering shrinkage was reduced, and the sintering shrinkage of P10_C5 could be lowered to 22.4% as in Figure 1 without changing the porosity. Porosity (40.1%), sinter shrinkage rate (22.4%), and the microstructure of the negative electrode support sufficiently satisfy the requirements of high performance negative electrode material.

<실험예 2> 미세구조 평가Experimental Example 2 Evaluation of Microstructure

실시예에서 제조된 음극 지지체의 미세구조를 주사전자현미경(SEM, S-4200, Hitachi High-technologies Co., Ltd., Tokyo, Japan)으로 관찰하였다.The microstructure of the negative electrode support prepared in Example was observed with a scanning electron microscope (SEM, S-4200, Hitachi High-technologies Co., Ltd., Tokyo, Japan).

도 2 중 a 및 b는 9 중량%의 PMMA를 첨가하여 제조된 음극 지지체의 미세구조로서, 구는 대략 직경이 5㎛로 균질하고 지지체 내부에 균일하게 분포되어 있으며, 기공끼리 서로 연결되어 있었다. In Figure 2 a and b is a microstructure of the negative electrode support prepared by adding 9% by weight of PMMA, the spheres are homogeneously approximately 5㎛ in diameter, uniformly distributed inside the support, the pores were connected to each other.

도 2 중 c 및 d는 a 및 b 조성에 카본블랙을 4 중량% 첨가하여 제조된 음극 지지체의 미세구조로서, a, b와 비교하여 큰 기공 사이의 미세기공을 생성하고 증가시켰다. 즉 카본블랙의 첨가는 PMMA의 증가에 의해 야기되는 것과 반대로 기공율은 큰 영향력을 미치지 않았으나 수축율을 증가시키고 카본블랙이 없는 지지체에 비해서 큰 기공 사이의 미세기공이 더 많다. 게다가 PMMA의 구조로부터 생겨나는 큰 기공은 전체적으로 평균크기가 줄어들었다. 이는 카본블랙이 첨가된 지지체가 카본블랙이 없는 지지체의 것보다 추가로 기공형성제를 첨가했음에도 불구하고 기공율의 변화에는 영향력을 미치지 않았다.In Figure 2 c and d is a microstructure of the negative electrode support prepared by adding 4% by weight of carbon black to the a and b composition, compared to a, b to generate and increase the micropores between large pores. In other words, the addition of carbon black caused the increase of PMMA, but the porosity did not have a significant influence, but it increased the shrinkage rate and more micropores between the large pores than the support without carbon black. In addition, the large pores resulting from the structure of PMMA reduced the average size as a whole. This had no effect on the change in porosity even though the carbon black added support added additional pore formers than that of the carbon black free support.

한편, 도 2 중 e 및 f는 c 및 d 조성에서 카본블랙 4 중량% 대신에 수산화 지르코늄 4 중량%를 첨가하여 제조된 음극 지지체의 미세구조로서, 수산화 지르코늄의 첨가에 따른 수축율과 기공율의 영향은 카본블랙을 넣은 지지체와 비슷한 것으로 관찰되었다. 소결동안 수산화 지르코늄에서 지르코니아로 상의 변화로 발생하는 부피 변화 때문에, 수산화 지르코늄 입자의 자리에 미세한 기공이 형성되고 이는 카본블랙의 역할과 같다. 즉, 큰 기공 사이에 미세구조는 PMMA 기공형성제만 사용한 지지체(도 2 a와 b)의 것보다 매우 다공성인 것으로 나타났다.On the other hand, Figure 2 e and f is a microstructure of the negative electrode support prepared by adding 4% by weight of zirconium hydroxide instead of 4% by weight of carbon black in the c and d composition, the effect of shrinkage and porosity according to the addition of zirconium hydroxide It was observed to be similar to the support with carbon black. Due to the volume change resulting from the zirconium hydroxide to zirconia phase change during sintering, fine pores are formed in the place of the zirconium hydroxide particles, which is the role of carbon black. That is, the microstructure between the large pores appeared to be more porous than that of the support (FIG. 2a and b) using only the PMMA pore former.

게다가, PMMA에 의해 발생한 큰 기공은 소결동안 줄어들고 그것의 평균 크기 또한 약간 줄어들었다. 이는 PMMA와 카본블랙을 첨가해 제조한 지지체(P10C5)와 거의 같다. 그러므로 P10Z5의 지지체의 미세구조의 결과와 기공율(38.8%), 그리고 소결수축율(21.7%)은 고성능의 지지체로써 충분히 충족되리라 판단되었다.In addition, the large pores generated by PMMA were reduced during sintering and its average size was also slightly reduced. This is almost the same as the support (P10C5) prepared by adding PMMA and carbon black. Therefore, the results of microstructure, porosity (38.8%), and sintering shrinkage (21.7%) of P10Z5 support were judged to be sufficient as high-performance supports.

<실험예 3> 전기전도도, 기계적인 강도 및 가스투과율 평가Experimental Example 3 Electrical Conductivity, Mechanical Strength, and Gas Permeability Evaluation

실시예에서 제조된 음극 지지체의 전기전도도를 4-점 탐침 표면저항측정기(CMT-SR1000N, Chang Min Co., Ltd., Sungnam, Korea)와 DC 전압(UP-3005D, Unicorn Tech Co., Ltd., Anyang, Korea)과 디지털 멀티미터(Model 2000 6-1/2-Digit DMM, Keithley Instruments Inc., Cleveland, OH, USA)로 측정하였으며, 기계적인 강도를 2축강도(ISO6872:2008E, AG 500E, Shimadzu Co., Kyoto, Japan)로 측정하였다.The electrical conductivity of the negative electrode support prepared in Example was measured using a 4-point probe surface resistance meter (CMT-SR1000N, Chang Min Co., Ltd., Sungnam, Korea) and DC voltage (UP-3005D, Unicorn Tech Co., Ltd.). , Anyang, Korea) and a digital multimeter (Model 2000 6-1 / 2-Digit DMM, Keithley Instruments Inc., Cleveland, OH, USA), and the mechanical strength was measured using biaxial strength (ISO6872: 2008E, AG 500E, Shimadzu Co., Kyoto, Japan).

도 3a는 음극 지지체의 전기전도도를, 도 3b는 음극 지지체의 2축강도의 변화를 기공형성제의 함량에 따라 나타낸 것이다. 도 1에서 살펴본 바와 같이 기공율을 증가시키는데 기여하는 PMMA의 함량을 증가함으로써 전기전도도와 2축강도는 일정하게 감소하였다. 반면, 도 3에서처럼 PMMA 지지체에 카본블랙의 첨가는 전기전도도와 2축강도에 별다른 영향력을 끼치지 않았다. 이러한 카본블랙의 첨가는 앞서 언급한 바와 같이 기공율에 변화를 거의 가져오지 않았다. 카본블랙의 첨가는 전기전도도와 기계적 강도와도 덜 민감한 것으로 나타났다. Figure 3a shows the electrical conductivity of the negative electrode support, Figure 3b shows the change in the biaxial strength of the negative electrode support according to the content of the pore-forming agent. As shown in FIG. 1, the electrical conductivity and biaxial strength were constantly decreased by increasing the content of PMMA, which contributes to increasing porosity. On the other hand, the addition of carbon black to the PMMA support as shown in Figure 3 did not have a significant effect on the electrical conductivity and biaxial strength. The addition of such carbon black caused little change in porosity as mentioned above. The addition of carbon black was found to be less sensitive to electrical conductivity and mechanical strength.

또한, 수산화 지르코늄을 첨가제로 사용한 지지체에서도 전기전도도와 기계적 강도에서의 비슷한 거동이 관찰되었으나, 수산화 지르코늄이 기공형성제로 보다 우수한 것으로 나타났다. 수산화 지르코늄을 첨가한 음극 지지체(P10Z5)의 전기전도도와 기계적 강도는 각각 3337 S/cm 및 148 MPa이며, 이러한 물성은 같은 기공율을 가진 다른 NiO-YSZ 복합 지지체에 비하여 높은 것이다. Similar behaviors in electrical conductivity and mechanical strength were also observed in the support using zirconium hydroxide as an additive, but zirconium hydroxide was found to be better as a pore-forming agent. The electrical conductivity and mechanical strength of the zirconium hydroxide-added negative electrode support (P10Z5) are 3337 S / cm and 148 MPa, respectively, and these physical properties are higher than those of other NiO-YSZ composite supports having the same porosity.

게다가 투과도측정기(CFP-1500 AEL, Porous Material Inc., Ithaca, NY, USA)를 이용하여 측정한 지지체의 가스투과율 또한 0.047 cm2/(cm H2O)?min로 일반적인 지지체의 가스투과도보다 높았다.In addition, the gas permeability of the support, measured using a permeability meter (CFP-1500 AEL, Porous Material Inc., Ithaca, NY, USA), was also 0.047 cm 2 / (cm H 2 O) min, which was higher than that of a typical support. .

<실험예 4> 온도에 따른 전기전도도 변화 평가Experimental Example 4 Evaluation of Electrical Conductivity Change According to Temperature

실시예에서 제조된 음극 지지체의 온도에 따른 전기전도도를 실험예 3과 동일한 방법으로 측정하였다. Electrical conductivity according to the temperature of the negative electrode support prepared in Example was measured in the same manner as in Experiment 3.

음극은 환원분위기의 작동온도에서 전자의 흐름을 위해 충분히 높은 전기전도도가 필요하기 때문에 도 4와 같이, 일반적인 작동온도 750℃에서 1000 S/cm 이상의 전기전도도는 같은 기공율을 가진 다른 문헌의 음극 지지체보다 높게 나타났다(J. Solid State Electrochem. 11 (2007) 1295-1301). 이러한 전도 거동은 전형적인 금속의 거동을 따른다. 전기전도도는 온도가 증가하면 감소하고 전도는 Ni의 연결을 통해 일어나는 것으로 보인다. 따라서, 실시예의 음극 지지체는 전기전도도가 충분히 높고 기공율과 기계적 강도의 측면에서도 모두 음극지지체로 사용가능한 것으로 확인되었다.Since the negative electrode requires a sufficiently high electrical conductivity for the flow of electrons at the operating temperature of the reducing atmosphere, as shown in FIG. 4, the electrical conductivity of 1000 S / cm or more at a general operating temperature of 750 ° C. is higher than that of the negative electrode support of other documents having the same porosity. High (J. Solid State Electrochem. 11 (2007) 1295-1301). This conducting behavior follows the behavior of typical metals. Electrical conductivity decreases with increasing temperature, and conduction appears to occur through the connection of Ni. Therefore, it was confirmed that the negative electrode support of the example is sufficiently high in electrical conductivity and can be used as the negative electrode support in terms of porosity and mechanical strength.

<실시예 2> 수산화 지르코늄을 이용한 음극 기능층 및 전해질층 제조Example 2 Preparation of Cathode Functional Layer and Electrolyte Layer Using Zirconium Hydroxide

음극 기능층과 YSZ 전해질층은 가소결한 지지체를 슬러리 딥-코팅 방법을 이용하여 제조하였으며 1400℃에서 3시간 동안 공기 중에서 공소결 하였다. 음극 지지체 위의 기능층과 전해질층을 제조하기 위한 보다 상세한 공정은 다음과 같다.The anode functional layer and the YSZ electrolyte layer were prepared by sintering the pre-sintered support using a slurry dip-coating method and co-sintered in air at 1400 ° C. for 3 hours. A more detailed process for preparing the functional layer and the electrolyte layer on the negative electrode support is as follows.

즉, 1150℃에서 1시간 동안 가소결한 음극 지지체 위에 기능층을 제조하기 위해서, NiO-YSZ 복합 분말에 수산화 지르코늄을 첨가하여 딥-코팅 슬러리를 준비하였다. 이때, NiO-YSZ 복합 분말의 조성은 56 중량% NiO, 39.6 중량% YSZ 및 4.4 중량% Zr(OH)4로 이루어졌고, 상기 복합 분말은 1 중량%의 EFKA 4401 분산제를 포함한 메탄올에서 지르코니아 볼을 이용하여 18시간 동안 습식 볼밀을 수행하였다. 여기에 3 중량%의 폴리비닐 부티랄 수지 바인더(Butvar B-98, Solutia Inc., St. Louis, MO, USA) 및 2 중량%의 디옥틸 프탈레이트 (DOP, 99.0%, Samchun Pure Chem. Co., Ltd., Pyongtack, Korea)) 가소제를 첨가한 후 5시간 동안 추가 볼밀을 수행하였다. 볼밀이 끝난 후 딥코팅 슬러리의 고형분 함량이 10 중량%가 되도록 희석하였다. 기능층(Z4.4)은 딥코팅 기계를 이용하여 슬러리에 30초간 2회 공정하여 가소결 지지체에 형성하였다. That is, to prepare a functional layer on the negatively sintered negative electrode support at 1150 ° C. for 1 hour, zirconium hydroxide was added to the NiO-YSZ composite powder to prepare a dip-coating slurry. At this time, the composition of the NiO-YSZ composite powder was composed of 56% by weight NiO, 39.6% by weight YSZ and 4.4% by weight Zr (OH) 4 , the composite powder is a zirconia ball in methanol containing 1% by weight of EFKA 4401 dispersant. Wet ball mill was performed for 18 hours. This includes 3% by weight of polyvinyl butyral resin binder (Butvar B-98, Solutia Inc., St. Louis, MO, USA) and 2% by weight of dioctyl phthalate (DOP, 99.0%, Samchun Pure Chem. , Ltd., Pyongtack, Korea)) additional ball mill was performed for 5 hours after the addition of the plasticizer. After the ball mill was finished, the solid content of the dip coating slurry was diluted to 10% by weight. The functional layer Z4.4 was formed twice on the slurry for 30 seconds using a dip coating machine to form a sintered support.

기능층이 코팅된 음극 지지체는 상온에서 1시간 동안 건조(또는 가소결) 후 기능층 위에 딥코팅 공정을 통해 전해질층을 제조하였다. 전해질층 코팅에 사용된 슬러리는 기능층의 코팅에 사용된 슬러리와 같은 공정에 의해 준비되었다. 기능층이 코팅된 음극 지지체는 전해질 슬러리에 30초씩 2회 담그고, 상온에서 1시간 건조하였다. The negative electrode support coated with the functional layer was dried (or sintered) at room temperature for 1 hour to prepare an electrolyte layer through a dip coating process on the functional layer. The slurry used for coating the electrolyte layer was prepared by the same process as the slurry used for coating the functional layer. The negative electrode support coated with the functional layer was immersed twice in an electrolyte slurry for 30 seconds and dried at room temperature for 1 hour.

기능층과 전해질층이 코팅된 음극 지지체는 1400℃에서 3시간 공소결하였다. 균일하고 얇은 YSZ 전해질층과 음극 기능층을 형성하기 위해서 딥코팅은 두가지 목적을 위해 두 번 실행되었다. 하나는 기능층과 전해질층의 강도를 보증하기 위해서이고 다른 하나는 소결 공정과 건조 동안 전해질층의 아주 작은 구멍이 생기는 것을 막기 위해서이다.The negative electrode support coated with the functional layer and the electrolyte layer was co-sintered at 1400 ° C. for 3 hours. To form a uniform and thin YSZ electrolyte layer and cathode functional layer, dip coating was performed twice for two purposes. One is to ensure the strength of the functional and electrolyte layers and the other is to prevent the formation of tiny holes in the electrolyte layer during the sintering process and drying.

<실험예 5> 수산화 지르코늄의 첨가량에 따른 음극 기능층의 소결수축율과 기공율의 변화 검토Experimental Example 5 Investigation of Changes in Sintering Shrinkage and Porosity of Anode Functional Layer According to Zirconium Hydroxide Addition

실험예 1과 동일한 방법으로 수산화 지르코늄의 첨가량에 따른 음극 기능층의 소결수축율과 기공율의 변화를 검토하였다.In the same manner as in Experimental Example 1, the change of the sinter shrinkage rate and the porosity of the anode functional layer according to the addition amount of zirconium hydroxide was examined.

도 5는 56 중량% NiO-(44-x) 중량% YSZ-x 중량% Zr(OH)4의 조성을 가지는 혼합 분말에 수산화 지르코늄의 첨가량에 따른 음극 기능층의 소결수축율과 기공율의 변화를 나타낸 것으로, 소량의 수산화 지르코늄을 첨가한 경우에는 수산화 지르코늄의 양을 증가시키면 기공율은 증가하지만 더 추가할수록 기공율의 증감은 줄어들고 기공율은 포화되는 경향을 나타내었다. 수산화 지르코늄의 첨가에 의해 영향을 받는 기공율의 증가는 소결과정에서 수산화 지르코늄이 지르코니아로의 상변화 때문에 생기는 기공의 형성에 기여할 수 있다. 반면, 수산화 지르코늄의 첨가에 따른 소결수축율은 미미하여, 소결수축율이 대략 22%로 유지되었고, 이는 전해질층과 지지체의 소결수축율에 관련이 있었다. 4.4 중량%의 수산화 지르코늄을 이용한 기능층은 그 기공율과 소결수축율은 각각 31.8%와 21.6%이고 이는 기능층 조성으로써 매우 적합한 수준으로 간주되었다. 특히 지지체 P10Z5의 3337 S/cm과 비교하여 높은 전기전도도(4045 S/cm)는 분극 활동을 막음으로써 연료전지 동작에 유익할 것으로 판단되었다.5 is a graph showing changes in sinter shrinkage and porosity of a cathode functional layer depending on the amount of zirconium hydroxide added to a mixed powder having a composition of 56 wt% NiO- (44-x) wt% YSZ-x wt% Zr (OH) 4 In the case of addition of a small amount of zirconium hydroxide, the porosity increased as the amount of zirconium hydroxide increased, but as the addition, the porosity decreased and the porosity was saturated. The increase in porosity influenced by the addition of zirconium hydroxide may contribute to the formation of pores resulting from the phase change of zirconium hydroxide to zirconia during sintering. On the other hand, the sinter shrinkage rate was small due to the addition of zirconium hydroxide, and the sinter shrinkage rate was maintained at approximately 22%, which was related to the sinter shrinkage rate of the electrolyte layer and the support. The functional layer using 4.4% by weight of zirconium hydroxide has porosity and sinter shrinkage of 31.8% and 21.6%, respectively. In particular, high electrical conductivity (4045 S / cm) compared to 3337 S / cm of the support P10Z5 was determined to be beneficial for fuel cell operation by preventing polarization activity.

<실험예 6> 음극 지지체 및 음극 기능층의 계면 저항 평가Experimental Example 6 Evaluation of Interface Resistance of Anode Support and Anode Functional Layer

실시예에서 제조한 음극 지지체와 음극 기능층의 계면 저항을 측정하기 위하여, 임피던스 분석기(an impedance analyzer (1260A Impedance/Gain-Phase Ana- lyzer, AMETEK Solartron, Farnborough, United Kingdom)를 사용하여 a.c. 임피던스를 측정하였다. 이때, 800℃의 젖은 수소 분위기(3부피% H2O - 97 또는 5 부피% H2 - 밸런스 Ar) 하 0.1 내지 105 Hz의 주파수 범위 이상에서 50 mV의 여자 전압을 이용하여 선형 반응을 확인하였다. In order to measure the interface resistance between the negative electrode support and the negative electrode functional layer prepared in Example, an impedance impedance was measured using an impedance analyzer (1260A Impedance / Gain-Phase Analyzer, AMETEK Solartron, Farnborough, United Kingdom). Linear reaction using an excitation voltage of 50 mV over a frequency range of 0.1 to 105 Hz in a wet hydrogen atmosphere (3 vol% H 2 O-97 or 5 vol% H 2 -balance Ar) at 800 ° C. It was confirmed.

도 6과 같이, 음극 지지체의 계면 저항은 음극 기능층의 형성에 의해 개선됨을 확인할 수 있었다. 게다가, 습식 분위기에서 수소 농도를 5 부피%에서 97 부피%로 증가한 경우 중간 주파수 아크가 거의 사라짐에 따라 분극 현상은 음극에서 전하 전달 반응에 의해 초래된다고 판단되었다.As shown in FIG. 6, the interfacial resistance of the negative electrode support was improved by the formation of the negative electrode functional layer. In addition, when the hydrogen concentration was increased from 5% to 97% by volume in the wet atmosphere, it was judged that the polarization phenomenon was caused by the charge transfer reaction at the cathode as the intermediate frequency arc almost disappeared.

<실험예 7> 음극 기능층의 미세구조Experimental Example 7 Microstructure of Cathodic Functional Layer

실험예 2와 동일한 방법으로 수산화 지르코늄의 첨가량에 따른 음극 기능층의 미세구조의 변화를 검토하였다.In the same manner as in Experimental Example 2, the change in the microstructure of the anode functional layer according to the addition amount of zirconium hydroxide was examined.

도 7a 및 도 7b는 수산화 지르코늄의 0~4.4 중량%까지 첨가하여 제조된 음극 기능층의 미세구조를 나타낸 것으로, 대략 1㎛의 기공이 기능층에 전체적으로 균일하게 분포되어 있고 서로 기공 경로 망을 형성하기 위해서 연결되어 있다. 수산화 지르코늄을 첨가하지 않고 준비한 기능층의 기공율은 환원처리 후 22.8%이고 수산화 지르코늄 4.4 중량%가 첨가되어 기여한 기공은 9%로 평가되었다. 도 5와 같이, 4.4 중량% 수산화 지르코늄을 이용한 기능층의 환원 후 기공율은 31.8%이었다. 이러한 미세기공이 있는 음극 기능층은 전기화학적으로 매우 활동적인 반응 표면을 제공하고, 셀의 성능을 향상시킬 수 있다.7a and 7b show the microstructure of the cathode functional layer prepared by adding 0 to 4.4% by weight of zirconium hydroxide, the pores of approximately 1㎛ are uniformly distributed throughout the functional layer and form a pore path network with each other Is connected to The porosity of the functional layer prepared without the addition of zirconium hydroxide was 22.8% after the reduction treatment, and the pore contribution was 9% due to the addition of 4.4% by weight of zirconium hydroxide. As shown in FIG. 5, the porosity after reduction of the functional layer using 4.4 wt% zirconium hydroxide was 31.8%. These microporous cathode functional layers provide an electrochemically active reaction surface and can improve cell performance.

도 8은 전해질층/기능층/지지체층을 1400℃에서 3시간 동안 소결한 후 900℃ 수소 분위기에서 환원한 단면을 나타낸 것으로, 전해질층은 대략 3㎛이고 결함이 없이 완전히 치밀한 것을 확인할 수 있었다. 8 shows a cross section of the electrolyte layer / functional layer / support layer sintered at 1400 ° C. for 3 hours and then reduced at 900 ° C. in a hydrogen atmosphere. The electrolyte layer was approximately 3 μm and was completely compact without defects.

<실시예 3> 탄산니켈을 이용한 음극 지지체 및 음극 기능층 제조Example 3 Preparation of Anode Support and Anode Functional Layer Using Nickel Carbonate

앞서 언급한 음극 지지체의 제조 및 음극 기능층의 제조방법과 동일하며, 각 조성은 하기 표 2에 나타내었다.It is the same as the manufacturing method of the negative electrode support and the negative electrode functional layer mentioned above, each composition is shown in Table 2 below.

분류Classification 메탄올
(g)
Methanol
(g)
EFKA 4401 (g)EFKA 4401 (g) NiO(g)NiO (g) 8YSZ(g)8YSZ (g) PMMA(g)PMMA (g) NiCO3?2Ni(OH)2?4H2ONiCO 3 -2Ni (OH) 2 -4H 2 O
음극
지지체
cathode
Support
P10_NC5P10_NC5 4040 1One 5656 4444 1010 55
NCNC 4040 1One 39.239.2 4444 16.816.8 음극
기능층
cathode
Functional layer
NCNC 4040 1One 39.239.2 4444 16.816.8

PMMA와 탄산니켈을 이용한 음극 지지체 P10_NC5의 전체 수축율과 소결 수축율, 그리고 환원 후 기공율은 각각 24.8%, 21.8%, 44%를 나타내었다. 그리고 탄산니켈만 이용한 음극 지지체 NC의 전체 수축율과 환원 후 기공율은 각각 24.4%, 35%를 나타내었다. The total shrinkage, sintering shrinkage, and post-reduction porosity of the cathode support P10_NC5 using PMMA and nickel carbonate were 24.8%, 21.8%, and 44%, respectively. The total shrinkage and post-reduction porosity of the anode support NC using only nickel carbonate were 24.4% and 35%, respectively.

<실시예 4> 탄산지르코늄을 이용한 음극 지지체 제조 및 음극 기능층 제조<Example 4> Preparation of negative electrode support and production of negative electrode functional layer using zirconium carbonate

앞서 언급한 음극 지지체의 제조 및 음극 기능층의 제조방법과 동일하며, 각 조성은 하기 표 3에 나타내었다.It is the same as the manufacturing method of the negative electrode support and the negative electrode functional layer mentioned above, each composition is shown in Table 3 below.

분류Classification 메탄올
(g)
Methanol
(g)
EFKA 4401 (g)EFKA 4401 (g) NiO(g)NiO (g) 8YSZ(g)8YSZ (g) PMMA(g)PMMA (g) [ZrO2]2?CO2?xH2O[ZrO 2 ] 2 ? CO 2 ? XH 2 O
음극
지지체
cathode
Support
P10_ZC5P10_ZC5 4040 1One 5656 4444 1010 55
ZCZC 4040 1One 5656 17.617.6 26.426.4 음극
기능층
cathode
Functional layer
ZCZC 4040 1One 5656 17.617.6 26.426.4

PMMA와 탄산지르코늄을 이용한 음극 지지체 P10_ZC5의 전체 수축율과 소결 수축율, 그리고 환원 후 기공율은 각각 26.1%, 21.1%, 41.4%를 나타내었다. 그리고 탄산지르코늄만 이용한 음극 지지체 ZC의 전체 수축율과 환원 후 기공율은 각각 26.2%, 35%를 나타내었다.
The total shrinkage, sintering shrinkage, and post-reduction porosity of the anode support P10_ZC5 using PMMA and zirconium carbonate were 26.1%, 21.1%, and 41.4%, respectively. The total shrinkage and post-reduction porosity of the negative electrode support ZC using only zirconium carbonate were 26.2% and 35%, respectively.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims (13)

고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법에 있어서, 지르코늄 화합물 및 니켈 화합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 기공 형성제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.A method for producing a negative electrode material for a solid oxide fuel cell, the method for producing a negative electrode material for a solid oxide fuel cell, characterized in that any one or two or more pore formers selected from the group consisting of a zirconium compound and a nickel compound are added. 청구항 1에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 음극재는 음극 지지체 또는 음극 기능층 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.The method of claim 1, wherein the anode material for a solid oxide fuel cell is any one of a cathode support or a cathode functional layer. 청구항 2에 있어서, 상기 음극 지지체는,
산화니켈, 안정화 지르코니아, 지르코늄 화합물 및 니켈 화합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 기공 형성제 및 용매를 혼합하는 단계;
상기 혼합물을 이용하여 음극 지지체를 성형하는 단계;
상기 성형체를 소결하는 단계; 및
상기 소결체를 환원시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.
The method according to claim 2, wherein the negative electrode support,
Mixing one or two or more pore formers and a solvent selected from the group consisting of nickel oxide, stabilized zirconia, zirconium compound and nickel compound;
Molding an anode support using the mixture;
Sintering the molded body; And
Reducing the sintered body
Method for producing a negative electrode material for a solid oxide fuel cell comprising a.
청구항 3에 있어서, 상기 소결은 600℃까지 0.5~2℃/min의 속도로 승온한 후 1~10℃/min의 승온속도로 1000℃~1200℃에서 0.5~2시간 동안 가소결하는 단계; 및 1~10℃/min의 승온속도로 1300~1450℃에서 0.5~5시간 동안 공소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.The method of claim 3, wherein the sintering is performed by heating at a rate of 0.5 to 2 ° C./min up to 600 ° C. and then sintering at 1000 ° C. to 1200 ° C. for 0.5 to 2 hours at a temperature rising rate of 1 to 10 ° C./min; And co-sintering at 1300 to 1450 ° C. for 0.5 to 5 hours at a temperature increase rate of 1 to 10 ° C./min. 청구항 4에 있어서, 상기 음극 기능층은,
가소결한 음극 지지체를 공소결하기 전에 딥코팅을 통해 슬러리를 음극 지지체 상에 코팅하여 형성되는 것으로서, 상기 슬러리는 산화니켈, 안정화 지르코니아, 지르코늄 화합물 및 니켈 화합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 기공 형성제 및 용매를 혼합한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.
The method according to claim 4, wherein the cathode functional layer,
It is formed by coating the slurry on the negative electrode support through deep coating prior to co-sintering the pre-sintered negative electrode support, wherein the slurry is any one or two or more pores selected from the group consisting of nickel oxide, stabilized zirconia, zirconium compound and nickel compound A method for producing a negative electrode material for a solid oxide fuel cell, characterized in that a mixing agent and a solvent are mixed.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 지르코늄 화합물은 수산화 지르코늄, 탄산 지르코늄, 황산 지르코늄 및 지르코늄 옥시클로라이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.The method of claim 1 or 2, wherein the zirconium compound is any one or two or more selected from the group consisting of zirconium hydroxide, zirconium carbonate, zirconium sulfate and zirconium oxychloride. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 니켈 화합물은 수산화 니켈, 탄산 니켈, 초산 니켈, 염화 니켈, 질산 니켈 및 설파민산 니켈로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.The negative electrode material of claim 1 or 2, wherein the nickel compound is any one or two or more selected from the group consisting of nickel hydroxide, nickel carbonate, nickel acetate, nickel chloride, nickel nitrate, and nickel sulfamate. Manufacturing method. 청구항 3에 있어서, 상기 안정화 지르코니아는 3 내지 10 몰%의 이트리아를 함유한 지르코니아인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.The method of claim 3, wherein the stabilized zirconia is a zirconia containing 3 to 10 mol% of yttria. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 기공 형성제는 전분, 카본블랙, 그라파이트 및 구형 폴리머로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.The method of claim 1 or 2, wherein the pore-forming agent further comprises any one or two or more selected from the group consisting of starch, carbon black, graphite and spherical polymer. 청구항 9에 있어서, 상기 구형 폴리머는 1 내지 10㎛의 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate: PMMA) 또는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcoholl: PVA) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.The method of claim 9, wherein the spherical polymer is any one of 1 to 10 μm of polymethyl methacrylate (PMMA) or polyvinyl alcohol (PVA). . 청구항 3에 있어서, 상기 혼합물은 산화니켈 30 내지 60 중량% 및 안정화 지르코니아 40 내지 70 중량%로 이루어진 음극재 100 중량부에 대하여, 지르코늄 화합물 및 니켈 화합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 기공 형성제 0.01 내지 50 중량부를 혼합한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.The method according to claim 3, wherein the mixture is formed of one or two or more pores selected from the group consisting of a zirconium compound and a nickel compound with respect to 100 parts by weight of the negative electrode material consisting of 30 to 60% by weight nickel oxide and 40 to 70% by weight stabilized zirconia Method for producing a negative electrode material for a solid oxide fuel cell, characterized in that the mixture of 0.01 to 50 parts by weight. 청구항 3에 있어서, 상기 성형은 프레스 성형 또는 압출 성형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.The method of manufacturing a negative electrode material for a solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the molding is any one of press molding and extrusion molding. 청구항 3에 있어서, 상기 환원은 소결체를 5 부피% 수소를 함유하는 아르곤 존재 하 800 내지 1000℃에서 2 내지 4시간 동안 열처리 하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극재의 제조방법.

The method of claim 3, wherein the reduction is performed by heating the sintered body at 800 to 1000 ° C. for 2 to 4 hours in the presence of argon containing 5% by volume of hydrogen.

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