KR20120132058A - Solid oxide fuel cell having the improved electrodes and its preparation - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A solid oxide fuel cell is provided to improve performance by uniformly maintaining porosity and particles in a negative electrode layer small and to restrain the crack generation and porous structure change of the negative electrode layer. CONSTITUTION: A solid oxide fuel cell comprises a negative electrode support, a negative electrode layer selectively formed on the negative electrode support, an electrolyte layer formed on the negative electrode support or negative electrode layer, and a positive electrode layer formed on the electrolyte layer. The negative electrode support comprises NiO, one or more components selected from a group consisting of YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC, and a heat-expansion-controllable oxide. The heat expansion ratio of the heat-expansion-controllable oxide is 7.0x10^(-6)/°C-10.0x10^(-6)/°C.

Description

전극 반응층이 개선된 고체산화물 연료 전지 및 그 제조 방법 {Solid oxide fuel cell having the improved electrodes and its preparation}Solid oxide fuel cell having improved electrode reaction layer and its manufacturing method

본 발명은 고체 산화물 연료전지의 음극지지체, 음극 층 및 전해질 층 및 양극 층의 형성에 관한 것으로서, 특히 음극 층의 구성입자 및 기공도를 작고 균일하게 유지하여 성능을 증가시키고, 연료전지의 사용 중에 반복된 산화 및 환원 조건에서도 음극 층의 기공구조 변화와 crack 발생이 억제되는 안정한 구조의 cell을 제작하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to the formation of a cathode support, a cathode layer and an electrolyte layer, and an anode layer of a solid oxide fuel cell, and in particular, to increase the performance by keeping the constituent particles and porosity of the cathode layer small and uniform, and during use of the fuel cell. The present invention relates to a method of fabricating a stable structured cell in which the pore structure of the cathode layer and cracking are suppressed even under repeated oxidation and reduction conditions.

고체 산화물 연료전지는 형태적으로 평판형, 관형, 평관형 등이 제작 사용되고 있으며, 대개의 경우 음극 (연료극) 지지체로서 NiO/YSZ, 전해질로서 YSZ (Yttria-stabilized Zirconia), GDC(Gadollium-doped Ceria) 등을 사용하며, 양극(공기극)으로 (La,Sr)MnO3나 (La,Sr)(Co,Fe)O3 등을 조합하여 보통 600?1,000℃의 높은 온도에서 운전되는 것이 잘 알려져 있다. The solid oxide fuel cell has a flat, tubular, flat tube type, and is generally used, and in most cases, NiO / YSZ as a cathode (fuel electrode) support, YSZ (Yttria-stabilized Zirconia) as an electrolyte, and GDC (Gadollium-doped Ceria) It is well known to operate at high temperature of 600 ~ 1,000 ℃ by combining (La, Sr) MnO 3 or (La, Sr) (Co, Fe) O 3 as anode (air cathode). .

고체 산화물 연료전지는 고온(800?1,000℃)에서는 단위 면적당 전기적 성능이 양호하나, 중고온(600?750℃)에서는 성능이 현저히 떨어지는 문제점이 있으며, 중고온에서 높은 발전 성능을 발현하기 위해 전극재료 개발이나 제작방법의 변화 등 많은 시도들이 있으나, 아직 뚜렷한 성과는 적다. The solid oxide fuel cell has good electrical performance per unit area at high temperatures (800 ~ 1,000 ℃), but has a problem that performance is remarkably degraded at high temperatures (600 ~ 750 ℃). There are many attempts, such as changes in development and production methods, but there are still few results.

고체 산화물 연료전지가 보다 낮은 온도 영역(600?700℃)에서 고 활성을 나타내는 경우, 연료 개질기의 운전 온도영역과 근접하여 시스템 설계가 보다 용이하며, stack 및 시스템 제작에 금속재질 사용의 선택폭이 넓어져 원가절감을 유도할 수 있으며, 특히 연료의 발전효율이 낮은 온도에서 높아지는 장점으로 전기 에너지 효율이 높게 유지되는 장점 등을 제공한다.If the solid oxide fuel cell exhibits high activity in the lower temperature range (600 to 700 ° C), the system design is easier because it is close to the operating temperature range of the fuel reformer, and the choice of using metal materials for stack and system fabrication is high. It can widen and induce cost reduction, and in particular, the power generation efficiency of the fuel is increased at a low temperature, thereby providing the advantage of maintaining high electrical energy efficiency.

이러한 이유로 중고온용 SOFC에서 전해질로서는 YSZ 대신에 O-- ion 전도성이 높은 GDC를 사용하여 전기전항을 줄이는 방법이 있으나, 이는 치밀한 소결을 얻는데 제약사항이 있어 일부 첨가제(sintering aid) 를 소량 첨가하는 방법 등이 제시되어 있다. 그러나 GDC 를 전해질 층의 재료로 사용하는 경우, NiO/YSZ 등의 지지체와 열팽창 계수가 상이하여 산화/환원이나 가동/정지가 반복되거나 운전조건(온도) 변화가 변화폭이 큰 조건에서는 적절하지 않으며, 또한 GDC가 수소(H2) 분위기에서 안정하지 못한 단점이 있다.For this reason, there is a method of reducing the electric potential by using GDC with high O - ion conductivity instead of YSZ as an electrolyte in a medium-temperature SOFC, but this method has a limitation in obtaining a dense sintering, so that a small amount of some sintering aid is added. And the like. However, when GDC is used as the material of the electrolyte layer, it is not suitable in the case where the support of NiO / YSZ and other thermal expansion coefficients is different so that oxidation / reduction or start / stop is repeated, or the operating condition (temperature) change is large. In addition, there is a disadvantage that GDC is not stable in the hydrogen (H 2 ) atmosphere.

다른 방법으로 YSZ 대신에 ScSZ (Scandium-doped Zirconia) 나 SmSZ (Samarium-doped Zirconia) 등을 사용하는 것이 연구자료 등에 제시되어 있으나, ScSZ나 SmSZ 등은 높은 온도의 환원조건에서 취약한 성질을 가지고 있어 장기 운전 신뢰성이 부족하며 특히 대면적의 일부에 고온 영역(hot spot)이 형성되는 경우 cell 에 crack이 개시되고 이는 심각한 cell 파괴로 연결될 수 있다. Alternatively, the use of ScSZ (Scandium-doped Zirconia) or SmSZ (Samarium-doped Zirconia) instead of YSZ has been suggested in the research data, but ScSZ and SmSZ, etc., are vulnerable under high temperature reducing conditions. Insufficient operational reliability, especially when hot spots are formed in part of a large area, causes cracks in the cell, which can lead to severe cell failure.

일반적으로 cell에서 crack 발생은 인접하는 계면의 열팽창 계수의 차이가 큰 경우나, 전해질에 변형이 발생 (기공 등 포함)하여 유발되는 것이 많다. 고체산화물 연료전지의 음극은 연료산화가 일어나는 부위로써, 제조되는 단계에서는 고온의 산화분위기를 거치며, 운전 중에는 수소(H2) 분위기가 유지됨으로써 음극재료가 환원(NiO -> Ni)되며, 이때 금속 Ni의 영향으로 음극의 열팽창 계수가 증가되어, 온도변화나 가동/정지가 이어지는 경우 cell 에 스트레스를 가하게 된다. In general, crack generation in a cell is often caused by a large difference in coefficient of thermal expansion of adjacent interfaces or deformation (including pores) in the electrolyte. The anode of the solid oxide fuel cell is a site where fuel oxidation occurs. During the manufacturing process, the cathode is subjected to a high temperature oxidation atmosphere. During operation, the cathode material is reduced (NiO-> Ni) by maintaining a hydrogen (H 2 ) atmosphere. Under the influence of Ni, the coefficient of thermal expansion of the cathode increases, stressing the cell in the event of a temperature change or start / stop.

또한 음극 지지체는 공기에 재 노출시에는 음극지지체의 기공내에서 Ni 금속이 다시 NiO로 산화되면서 부피가 팽창되어 주변의 crack을 유발 할 수 있는데, 이는 전해질에 결함이 있어 산소(O2)가 직접 음극(연료극)층에 도달되는 현상이 발생될 수 있다. 이를 피하기 위해 전해질 coating 을 균일하고 치밀하게 하며, 소결온도를 보통 1,400℃ 이상으로 하는 등의 여러 시도 등이 있으나, 특히 대면적 cell 에서는 전 면적에 대해 결함을 없애기 위해서는 전해질을 여러 번 coating하는 등의 작업이 적용되기도 한다.In addition, the cathode substrate is upon re-exposure to the air, the volume expansion while the Ni metal in the pores of the cathode support oxidation back to the NiO may be induced around the crack, which is that is defective in the electrolyte oxygen (O 2) directly The phenomenon of reaching the cathode (fuel electrode) layer may occur. In order to avoid this, there are various attempts such as making the electrolyte coating uniform and dense and sintering temperature of 1,400 ℃ or higher, but especially in large-area cells, it is necessary to coat the electrolyte several times in order to eliminate defects on the whole area. Work may be applied.

보통 cell은 음극지지체로서 NiO/YSZ (보통 55:45, 무게비)를 사용하며, 전해질로서 YSZ를 사용하고 이를 약 1,400℃ 내외의 고온에서 소결과정을 거치는데, 이때 음극지지체와 음극층의 미세 구조가 변형된다. 양극층에서는 소결온도가 약 1,200℃ 내외로서, 마찬가지로 소결과정 중에 발생되는 미세구조의 형상에 따라 cell 성능이 증감된다. 전해질과 접촉된 음극과 양극의 미세구조 영역을 반응 삼상 계면 (TPB ; Triple Phase of Boundary) 로 칭하며, 이를 미세하고 균일하게 하는 것이 반응 활성점을 보다 많이 제공함으로써 높은 cell 성능을 제공하는 방향으로 알려져 있다. Usually, the cell uses NiO / YSZ (usually 55:45, weight ratio) as the negative electrode support, and YSZ is used as the electrolyte and sintered at a high temperature of about 1,400 ° C., where the fine structure of the negative electrode support and the negative electrode layer is used. Is deformed. In the anode layer, the sintering temperature is about 1,200 ℃, the cell performance is increased or decreased according to the shape of the microstructure generated during the sintering process. The microstructure region of the anode and the anode in contact with the electrolyte is called the reaction triple phase of boundary (TPB), and it is known that the fine and uniformity of the structure provides high cell performance by providing more reaction active points. have.

SOFC cell 제작에서 요구되는 기본사항으로는, 고온에서 안정한 전해질 치밀막 형성, 반응 삼상계면의 미세구조 형성, 지지체와 전해질의 열팽창 계수를 잘 일치시키는 것 이외에도, 음극지지체의 기공도와 전기 및 전자 전도도를 잘 확보하는 것 역시 중요한 것으로 알려져 있다.The basic requirements for the fabrication of SOFC cells include the formation of a stable electrolyte dense film at high temperatures, the formation of microstructures in the reaction three-phase interface, the well matched thermal expansion coefficients of the support and the electrolyte, and the porosity and electrical and electronics of the cathode support. Good conductivity is also known to be important.

대표적으로 적용되는 음극지지체 (환원시 Ni/YSZ) 구조 내에서는 Ni 입자와 Ni 입자가 서로 연결되어 음극 지지체에서 보통 요구되는 수백 S/㎝수준의 충분한 전기전도도가 발현되며, 보통 NiO함량이 YSZ함량보다 많게 사용된다. 그러나 이는 음극지지체의 열팽창율나 산화/환원에 미치는 Nickel 영향이 크다는 것을 의미하나, 일반적인 제조과정에서는 음극지지체에서 환원후 전기전도도와 기체 투과를 위한 기공도(porosity)를 조절하는 것에 한정되고 있다. 말하자면 기공도 (porosity)를 높이기 위해 기공 형성제의 양이나 종류를 변경시키는 시도들이 많이 제시되어 있는 반면, 지지체나 cell의 안정성을 높이고 음극층의 활성점(TPB)를 증대시키는 시도는 많지 않다.Representatively applied negative electrode support (Ni / YSZ at the time of reduction) structure, Ni particles and Ni particles are connected to each other to express sufficient electrical conductivity of several hundred S / cm normally required in the negative electrode support, and NiO content is usually YSZ content Used more. However, this means that the influence of Nickel on the thermal expansion rate or oxidation / reduction of the negative electrode support is great, but in the general manufacturing process, it is limited to controlling the electrical conductivity and porosity for gas permeation after reduction in the negative electrode support. In other words, while many attempts have been made to change the amount or type of pore formers to increase porosity, few attempts have been made to increase the stability of the support or cell and to increase the active point (TPB) of the cathode layer.

즉 산화조건에서 제조된 cell 이 사용조건 즉, 환원 조건으로 변화될 때 음극지지체의 열팽창 계수가 전해질의 열팽창 계수와 차이가 크게 발생될 수 있고, 이는 환원조건에서 음극지지체와 전해질 계면에서 열적 스트레스(thermal stress) 및 층분리 (delamination) 등이 발생하는 등의 문제점이 제기된다. 또한 cell이 공기 중에 노출되었을 경우 심한 crack으로 발전하며, 이러한 예가 문헌(Solid State Ionics 176(2005) 847-859)에 잘 나타나 있다.That is, when the cell manufactured under the oxidizing condition is changed to the use condition, that is, the reducing condition, the thermal expansion coefficient of the negative electrode support may be largely different from the thermal expansion coefficient of the electrolyte. Problems such as thermal stress and delamination occur. In addition, when cells are exposed to air, they develop severe cracks, an example of which is shown in Solid State Ionics 176 (2005) 847-859.

이러한 문제를 피하기 위해, 고체 산화물 연료전지에서 음극, 전해질간의 재료구성에 따른 열팽창 특성과 산화-환원의 안정성에 대해서는 특허 US7,351,487 B2(2008) 에 제시된 바 있으며, 산화분위기에서 환원 분위기로 변화하면서 열 팽창율 차이가 거의 없고 전기전도성이 양호하며, crack 발생이 없고 양호한 셀 성능 결과를 제시하고 있다. 여기에서는 산화 환원시에 crack이 발생하는 NiO/YSZ 대신에, YSZ대신에 단일한 조성의 rare-earth metal oxide composite를 사용하였으며, 이는 대량화시에 재료적인 제약이 될 수도 있으며, 산화환원 반복 노출에 대한 특성은 제시되어 있지 않다.In order to avoid this problem, thermal expansion characteristics and oxidation-reduction stability according to the material composition between the anode and the electrolyte in a solid oxide fuel cell have been proposed in US Pat. No. 7,351,487 B2 (2008). It shows little difference in thermal expansion rate, good electrical conductivity, no cracking and good cell performance. Instead of NiO / YSZ where cracks occur during redox, instead of YSZ, a single-earth rare-earth metal oxide composite is used, which may be a material constraint during mass production, No characteristics are given.

또한 특허공개 10-2005-0004996에서는 NiO/YSZ 음극지지체에서 8YSZ (8mol % 치환된 zirconia) 대신 10YSZ (10mol % Y2O3 치환된 zirconia)를 사용함으로써 기계적 강도가 증가된 cell을 제시하였으나 산화 환원 조건 변화나 cell의 성능 등에 대해서는 언급하지 않았다.In addition, Japanese Patent Application Publication No. 10-2005-0004996 suggested a cell having increased mechanical strength by using 10YSZ (10mol% Y 2 O 3 substituted zirconia) instead of 8YSZ (8mol% substituted zirconia) in NiO / YSZ cathode support. No changes were made to conditions or cell performance.

또한 한국특허 공개 10-2005-0036914에서는 YSZ의 제1 세라믹 등으로 음극지지체의 1차 기본 골격을 만든 후, 1차 기본 골격에 형성된 기공을 통하여 전기전도성을 갖는 LaCrO3, SrTiO3계 같은 2차 세라믹 재료를 담지하고 이를 소성함으로써, Ni, Co, Cu 등의 금속성 성분을 사용하지 않고도 전기전도성을 갖는 음극지지체를 제조하는 방법을 제시하고 있다. 이는 연료전지에 있어서 내부 직접개질에도 과도한 탄소침적이 없이 cell성능을 제공하는 데 목적이 있으나, 전기 전도성이 1 S/㎝ 보다 적을뿐더러 제조된 cell의 성능 역시 높지 않다.In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2005-0036914 discloses a secondary skeleton such as LaCrO 3 and SrTiO 3 having electrical conductivity through pores formed in the primary skeleton, after forming the primary skeleton of the cathode support using the first ceramic of YSZ. By supporting a ceramic material and firing the same, a method of manufacturing a negative electrode support having electrical conductivity without using metallic components such as Ni, Co, and Cu is proposed. The purpose is to provide cell performance without excessive carbon deposition even in internal direct reforming in fuel cells, but the electrical conductivity is less than 1 S / cm and the performance of the manufactured cell is also not high.

NiO/YSZ 와 같이 NiO을 함유하는 서미트(Cermet)는 음극지지체의 전기 전도성과 높은 cell 성능을 제공하는 데 유효하나, 이상적인 경우에 한하여 NiO/YSZ 서미트에서 음극지지체의 기계적 골격이 YSZ와 YSZ가 직접 연결된 기본 골격구조를 이루면서 NiO가 YSZ-YSZ 골격 주변에 분포하여 존재하는 경우에는, 전해질의 YSZ 와 음극지지체 골격의 YSZ 가 동일 물질이기 때문에, 산화 조건이든 환원 조건이든 열팽창율이 같게 되고, 이는 상온과 1,000℃ 까지의 온도 변화에 대해서도 음극지지체 층과 전해질 층간의 열 팽창 정도가 같게 되고, 따라서 cell의 전극 계면 사이에 기계적 열적 안정성이 보장된다.Nitrogen-containing cermets, such as NiO / YSZ, are effective in providing electrical conductivity and high cell performance of the cathode support.In the ideal case, however, the mechanical framework of the cathode support in the NiO / YSZ thermite is YSZ and YSZ directly In the case where NiO is distributed around the YSZ-YSZ skeleton while forming the basic skeleton structure, the thermal expansion coefficient is the same regardless of the oxidation condition or the reduction condition because the YSZ of the electrolyte and the YSZ of the cathode support skeleton are the same materials. The degree of thermal expansion between the cathode support layer and the electrolyte layer is also the same for temperature changes up to and including 1,000 ° C, thus ensuring mechanical thermal stability between the electrode interfaces of the cells.

그러나 실제적인 경우, 평판형(planar type), 특히 평관형 (flat tube type) 또는 원통형(tubular type) 고체 산화물 연료전지의 음극지지체 제조의 경우 NiO를 YSZ 등과 결합제, 분산제, 물 등과 혼합하여 molding dies 를 통해 압출물 (extrudate) 평관을 형성하고, 이를 공기 중에서 건조 숙성 후 온도를 올리면서 유기물을 소성(calcining)하고, 여기에 YSZ 등의 전해질을 coating 및 소성한 이를 1,300?1,500℃에서 소결하는 과정에서, 음극지지체의 골격구조가 YSZ-YSZ간의 결합만이 아니라 NiO-NiO 결합도 크게 발생하며 이는 환원시에 Ni-Ni결합으로 나타나 운전조건에서 음극지지체의 열 팽창율을 급격히 증가시키는 요인이 된다. In practical cases, however, in the case of cathode support fabrication of planar type, especially flat tube or tubular solid oxide fuel cells, NiO is mixed with YSZ, binders, dispersants, water, etc. As for raising the extrudate (extrudate) to form a pyeonggwan, after drying, aging them in air to a temperature over the organic firing (calcining), and after this the electrolytes such as YSZ coating and firing the sintering them at 1,300? 1,500 ℃ In the process, the skeletal structure of the cathode support causes not only the bond between YSZ and YSZ but also NiO-NiO bond, which is a Ni-Ni bond at the time of reduction, which is a factor to rapidly increase the thermal expansion rate of the cathode support under operating conditions. .

보통 YSZ의 열팽창율은 약 10.5x10-6/℃, NiO는 약 10.5x10-6/℃ 정도, Ni는 14.5x10-6/℃ 이상으로 알려져 있으며, 이는 환원조건에서 음극지지체의 Ni-Ni 연결 부분에서 열팽창율 증가로 인해 전해질 YSZ 층과의 열적 stress 가 발생하거나, 장기 운전이나 운전-비운전 사이클에 따라 온도변화가 빈번함에 따라 열적 stress를 심화시키는 요인이 될 수 있다.Usually, the thermal expansion rate of YSZ is about 10.5x10 -6 / ℃, NiO is about 10.5x10 -6 / ℃, and Ni is known to be more than 14.5x10 -6 / ℃, which is Ni-Ni connection part of cathode support under reducing conditions Increasing the coefficient of thermal expansion may cause thermal stress with the electrolyte YSZ layer or intensify thermal stress due to frequent temperature changes in long-term operation or non-operational cycles.

특히 고온 환원조건에서 운전 후 공기 중에 노출되면서 cell의 재산화가 동반되며, 이때 NiO 의 산화부피 증가 및 재응집으로 cell crack 에 대한 영향이 더 커질 수 있다. 관련된 문헌연구 [Solid State Ionics 176(2005) 847-859]에서 보면 음극지지체의 기공구조가 미세한 경우 산화 환원과정에서 지지체 전체에서 눈에 뜨일 정도로 커다란 crack이 생성됨을 보이고 있으며, 지지체의 pore 구조는 어느 정도 큰 pore (coarse)로 구성되어야 함을 제시하고 있다.In particular, the cell reoxidation is accompanied by exposure to air after operation under high temperature reduction conditions, and the effect on the cell crack can be increased by increasing the oxidation volume and reagglomeration of NiO. Related literature studies [Solid State Ionics 176 (2005) 847-859] show that when the pore structure of the cathode support is minute, a large crack is generated in the entire support during the redox process. It suggests that it should consist of large pore (coarse).

이러한 현상은 NiO와 YSZ입자의 혼합상태에서 음극지지체의 제조과정 중에 기계적 골격구조가 YSZ 입자와 YSZ 입자 간으로 이루어지면서, NiO 또는 Ni는 YSZ골격주변에 연결되어 분포되는 이상적인 구조로 되기는 힘들며, 실제적인 음극지지체 연료전지에서 NiO/YSZ 경우에는 사용 중이나 사용 후에 많은 crack이 발생하는 것을 볼 수 있다. This phenomenon is difficult to achieve an ideal structure in which the NiO or Ni is connected and distributed around the YSZ skeleton while the mechanical skeleton structure is composed of YSZ particles and YSZ particles during the manufacturing process of the cathode support in the mixed state of NiO and YSZ particles. In case of NiO / YSZ in a typical anode support fuel cell, many cracks occur during and after use.

또 다른 문헌 [Journal of Power Sources 195 (2010) 1920-1925]에서는 전기전도체로서 고온(1,400℃정도)에서 환원된 (Sr,Y)TiO3 계와, 이온전도체로서 YSZ를 혼합하여 사용하는 방법도 제시되었다. 여기에서는 (Sr,Y)TiO3 의 열 팽창율이 YSZ의 그것과 거의 유사하여 산화환원 사이클(redox cycle)에 대해 지지체가 안정한 장점이 있으나, (Sr,Y)TiO3는 사용 중에 공기 중에 노출되어 일단 산화되면, 비록 소멸속도가 낮기는 하지만, 전기전도도가 소멸되고 필요한 전기전도도를 발생시키기 위해서는 약 1,200℃이상에서 수소 환원하는 과정이 필요한 단점이 제기되며, 이는 사실상 연료전지의 수명이 종료되는 것에 해당된다. 또한 이온전도체로서 YSZ와 혼합하여 음극지지체를 만드는 경우 고온에서 계면반응이 발생하여 전체적인 전기전도도가 수십 S/㎝ 이내로 감소하며, 특히 연료전지에 필요한 전기화학적 반응(electrochemical reaction) 성질이 매우 약하여 별도의 nickel 성분을 추가로 담지하는 과정이 필요하나, 담지되는 nickel 용액이 전해질과의 계면(반응계면, TPB)까지 침투되어 그 경계면에 농축되어야 하는 복잡한 방법이 요구된다.In another document [Journal of Power Sources 195 (2010) 1920-1925], a method of using a mixture of (Sr, Y) TiO 3 system reduced at high temperature (about 1,400 ° C) as an electrical conductor and YSZ as an ion conductor is also used. Presented. Here, the thermal expansion rate of (Sr, Y) TiO 3 is almost similar to that of YSZ, so that the support is stable to the redox cycle, but (Sr, Y) TiO 3 is exposed to air during use. Once oxidized, although the rate of extinction is low, there is a disadvantage that the process of hydrogen reduction at about 1,200 ° C. or more is required in order to dissipate the electrical conductivity and generate the required electrical conductivity. Yes. In addition, when the cathode support is made by mixing with YSZ as an ion conductor, an interfacial reaction occurs at high temperature, and the overall electrical conductivity is reduced to several tens of S / cm. In particular, the electrochemical reaction property required for the fuel cell is very weak, so The process of additionally supporting the nickel component is necessary, but a complicated method is required in which the supported nickel solution must penetrate to the interface with the electrolyte (reaction interface, TPB) and be concentrated at the interface.

한편 고체 산화물 연료전지의 제조과정은 연료전지의 크기, 종류나 연구자들에 따라 여러 방법들이 적용되고 있으나, 제작되는 cell의 소결과정과 온도는 사실상 거의 유사하게 진행된다. 예를 들면 지지체의 제작은 보통 1,000?1,300℃ 범위에서, 음극층은 900?1,300℃ 범위에서, 전해질은 1,300?1,500℃ 범위에서, 양극층은 1,000?1,300℃ 범위의 대기 조건에서 가열로에서 진행된다.On the other hand, the manufacturing process of the solid oxide fuel cell is applied according to the size, type, or researchers of the fuel cell, but the sintering process and the temperature of the fabricated cell are virtually similar. For example, the production of the support is usually in the range of 1,000 to 1,300 ° C., the cathode layer is in the range of 900 to 1,300 ° C., the electrolyte is in the range of 1,300 to 1,500 ° C., and the anode layer is performed in the furnace under atmospheric conditions in the range of 1,000 to 1,300 ° C. do.

앞에서 언급한 바와 같이 cell의 전기화학적 성능에 중요한 역할을 제공하는 음극과 양극의 삼상계면(TPB, 반응계면)의 미세구조 발달은 cell 소결 (sintering)과정에 따라 현저히 달라 질 수 있다.As mentioned above, the microstructure development of the three-phase interface (TPB, reaction interface) of the cathode and anode, which plays an important role in the electrochemical performance of the cell, can be significantly changed depending on the cell sintering process.

음극층의 삼상계면(반응계면)에서는 주로 H2 반응활성이 좋은 Ni이 기본적으로 사용되고 O-- 전달 매개체로 YSZ 등이 사용되는 것이 일반적이나, 고온의 소결 과정 중에 Ni 및 YSZ 입자크기 제어나 미세기공 형성을 향상시키는 방법 등에 대해서는 알려진 바가 없다. 다만 음극 기능층의 기공도를 높이기 위해 일부의 기공형성제 예를 들면 활성탄 등을 미리 첨가하는 예시 등이 제시된 예는 있다.In the three-phase interface (reaction interface) of the cathode layer, Ni, which mainly has good H 2 reaction activity, is basically used, and YSZ is commonly used as an O - transfer medium, but Ni and YSZ particle size control or fineness during high temperature sintering There is no known method for improving pore formation. However, there are examples in which some pore-forming agents, for example, activated carbon, etc., are added in advance to increase the porosity of the cathode functional layer.

쉽게 예상되는 바와 같이 음극층(음극기능층)에서 Ni 입자가 성장하거나, YSZ입자가 성장하거나, 또는 미세 기공이 적절히 발달하지 못하거나, 기공 폐색(막힘, closed pore) 경우에는 음극층의 성능이 현저히 감소됨을 예측할 수 있다. 특히 Ni및 YSZ의 입자 성장은, 전해질 층에서 음극층으로 전달된 산소이온[O--] 이 음극층(연료극층)에서 수소(H2)와 만나 반응되는 Ni-YSZ 접점의 수를 현격히 감소시키며, 이는 단위면적당의 O-- 전달 속도 즉 전자 전도도를 현격히 낮추어 연료전지 반응 성능을 낮추는 현상으로 이어진다. As can be easily expected, the performance of the cathode layer is poor when Ni particles grow in the cathode layer (cathode function layer), YSZ particles grow, micro pores do not develop properly, or pore occlusion (closed pores). It can be expected to be significantly reduced. In particular, the grain growth of Ni and YSZ, the oxygen ions delivered by the electrolyte layer on the anode layer [O -] significantly reduced the number of contact points are Ni-YSZ reaction met with hydrogen (H 2) in the negative electrode layer (anode layer) This leads to a drastic reduction in the O - transfer rate per unit area, or electron conductivity, resulting in a lower fuel cell reaction performance.

또한 양극층에서는 LSM 이나 LSCF 등과 같이 O2 흡착 및 활성화를 촉진하는 물질과 O-- 전달 매개체로 YSZ 등을 혼합하여 전해질에 coating하고 이를 공기 중에서 고온 소결하여 형성하는 것이 대부분이나, 이 경우 고온에서 LSM 이나 LSCF등의 입자와 YSZ 입자사이에 반응이 진행하여 비 전도성 물질, 예를 들면 La2Zr2O7 등이 생성되어 전기 저항을 증가시키며, LSM, LSCF, 또는 YSZ입자등이 성장하거나, 기공도를 너무 낮추는 등의 문제로, 양극의 전기화학적 성능을 현저히 감소시키는 결과를 초래한다.In addition, in the anode layer, a material that promotes O 2 adsorption and activation, such as LSM or LSCF, and YSZ as an O - transfer medium are mixed and coated on the electrolyte and formed by high temperature sintering in air. Reaction proceeds between particles such as LSM or LSCF and YSZ particles to produce a non-conductive material such as La 2 Zr 2 O 7 to increase electrical resistance, and to grow LSM, LSCF, or YSZ particles, Problems such as lowering the porosity too much result in a significant reduction in the electrochemical performance of the anode.

이를 피하기 위해 양극층을 소결하는 경우에는 온도를 낮추는 방향이 선호될 수도 있으나, 이 경우에는 양극층의 구성입자, 예를 들어 LSM, LSCF, YSZ 사이의 결합력이 감소하여 장기 성능 확보에 장애가 될 수도 있다.In order to avoid this, the direction of lowering the temperature may be preferred in the case of sintering the anode layer, but in this case, the bonding force between the constituent particles of the anode layer, for example, LSM, LSCF, and YSZ may be reduced, which may impede long-term performance. have.

또한 중고온용 cathode 재료로서 적합한 LSCF 는 고온에서 안정성이 더욱 작아서 상기의 문제점이 커지며, 이를 억제하기 위해서는 GDC 등으로 중간층을 만들거나 혼합하여 사용해야 하는 제약이 따른다.In addition, the LSCF, which is suitable as a medium-temperature cathode material, has a smaller stability at high temperature, thereby increasing the above problems, and in order to suppress this, an intermediate layer made of GDC or the like is used to be mixed.

상기와 같은 cell 제작의 여러 가지 문제점으로 인하여, 대형화를 지향하여 제작되는 고체산화물 연료전지에 있어서 실질적으로는 운전온도가 높은 경우, 예를 들면 적어도 800℃ 이상, 부분적으로는 750℃ 이상이 되는 경우에 그 성능이 발휘되는 한계를 가지고 있으며, 보다 낮은 온도에서 적정 성능을 발휘하기 위해서는 까다로운 재료선정과 복잡한 전극 구조를 형성해야 하는 어려움이 있다.Due to the various problems of the above-described cell fabrication, in the case of a solid oxide fuel cell manufactured for the purpose of enlargement, when the operating temperature is substantially high, for example, at least 800 ° C or more, and partially 750 ° C or more. Its performance is limited, and in order to achieve proper performance at lower temperatures, it is difficult to select difficult materials and form complicated electrode structures.

따라서 연료전지에서 필요한 전기화학적 반응성질이 우수한 nickel 성분을 사용하되, 산화상태나 환원상태에서 음극지지체와 전해질 간의 열팽창 차이를 동시에 최소화시켜, 전해질과 지지체와의 계면박리를 억제하고 전 온도 변화에 따른 계면간의 thermal stress를 줄이는 방법이 필요하며, 동시에 환원 후 재산화 분위기에 노출되어도 NiO재생성에 따른 crack이 발생하지 않는 방법이 필요하다.Therefore, nickel element with excellent electrochemical reactivity required in fuel cell is used, but minimizes the difference of thermal expansion between anode support and electrolyte in oxidation state or reduction state simultaneously to suppress interfacial separation between electrolyte and support and There is a need to reduce the thermal stress between the interfaces, and at the same time, a method that does not generate cracks due to NiO regeneration even after exposure to reoxidation atmosphere is required.

또한 음극지지체의 기공구조가 폐색 기공없이 잘 발달되며, 음극층(음극기능층) 과 전해질의 반응 계면 (TPB)에서 Ni 및 YSZ 등의 입자가 작고 균일하게되어 전자전도도가 높게 유지되면서 동시에 기공구조가 폐색 기공 없이 미세 기공을 유지하게 하며, 양극층에서도 LSM이나 LSCF와 YSZ 등과의 부반응이 억제되고 미세 입자로 유지되어 반응 활성점을 높게 제공하여, 전체적으로 전기화학적 반응 활성도를 높이는 과정이 필요하다.In addition, the pore structure of the negative electrode support is well developed without occluding pores, and particles of Ni and YSZ are small and uniform at the reaction interface (TPB) of the negative electrode layer (cathode functional layer) and the electrolyte to maintain a high electron conductivity while simultaneously maintaining a high pore structure. It is necessary to maintain fine pores without occluded pores, and to suppress side reactions of LSM, LSCF, YSZ, etc. in the anode layer and to maintain the fine particles to provide a high reaction activity point, thereby increasing the overall electrochemical reaction activity.

또한 전해질의 경우에는 보통 YSZ 얇은 경우(보통 ㎛이하) 가 유리하나, 대형 cell의 경우에는 제작 과정상이나 작업과정중의 손상을 피하고 결함을 줄이기 위해 실질적으로는 보통은 2회 정도로서 약 20 ㎛ 정도로 형성하는 것이 좋다. 이때 전해질의 종류는 지지체의 열팽창 계수나 고온 환원 분위기에서의 안정성 등에 따라 선정될 수 있다.In the case of electrolytes, YSZ is usually thinner (usually less than µm), but in the case of large cells, it is usually about twice as large as about 20 µm in order to avoid defects in the manufacturing process or work process and to reduce defects. Good to do. In this case, the type of electrolyte may be selected according to the thermal expansion coefficient of the support or the stability in a high temperature reducing atmosphere.

잘 알려진 바와 같이 NiO/YSZ등의 음극지지체 (음극 기능층이 코팅된 경우 포함)나 에 전해질을 coating하는 경우에는, 다공성(porous) 음극지지체를 전해질 슬러리용액(예를 들어 YSZ slurry solution)에 딥 코팅(dip-coating)하여 slurry를 coating하여 이를 건조하고, 공기 중에서 300?700℃정도에서 소성(calcining)하고 이를 1,300?1,500℃에서 치밀화 소결(sintering)하는 과정을 거친다.As is well known, in the case of coating an electrolyte on a cathode support (such as when a cathode functional layer is coated) or NiO / YSZ, a porous cathode support is dip into an electrolyte slurry solution (for example, an YSZ slurry solution). Coating (dip-coating) to coat the slurry and dry it, calcining (calcining) in the air at about 300 ~ 700 ℃ and densified sintering (sintering) at 1,300 ~ 1,500 ℃.

이 과정에서 NiO/YSZ 음극지지체의 골격 구조도 치밀해지며 기공이 매우 작게 변화된다. 이는 산화 환원 반복시에 미세 기공(micro pore)내에서 NiO 부피증가 및 재응집에 따라 cell내에서 crack이 유발되는 과정으로 연결된다. 또한 NiO/YSZ 음극지지체에서는 고온 조건에서 NiO/YSZ 음극지지체와 전해질 사이의 열팽창 차이가, 산화 조건에서는 차이가 없으나, 환원 조건에서는 크게 나타나는 단점이 있다.In this process, the skeletal structure of the NiO / YSZ anode support is also compacted and the pores are changed very small. This leads to a process that causes cracks in the cell as NiO volume increases and reaggregates in the micro pores during redox reduction. In addition, in the NiO / YSZ negative electrode support, the thermal expansion difference between the NiO / YSZ negative electrode support and the electrolyte at a high temperature condition is not different in the oxidizing condition, but has a disadvantage in that the reduction condition is large.

이를 개선하기 위해 전해질 (예를 들어 YSZ) 보다 열팽창 계수가 낮은 열팽창 조절용 물질을 지지체용 YSZ 대신에 일부 사용함으로써, 산화상태에서는 음극지지체의 평균적인 열 팽창율이 전해질(YSZ)보다 약간 적되, 환원상태에서는 전해질(YSZ)보다 큰 범위에 있음으로써, 전해질(YSZ)를 기준으로 산화 및 환원조건에서 열 팽창정도가 근접하게 하는 방법이 필요하다. 또한 열팽창 계수가 더 작은 물질을 지지체용 YSZ등과 함께 사용함에 있어서, 1,300?1,500℃에서 sintering후에 지지체의 기공이 0.1?20㎛ 범위를 일정량 유지하는 것도 필요하다.In order to improve this, the thermal expansion control material having a lower thermal expansion coefficient than that of the electrolyte (for example, YSZ) is partially used instead of the support YSZ, so that in the oxidation state, the average thermal expansion rate of the negative electrode support is slightly smaller than that of the electrolyte (YSZ). In this case, a method of bringing the thermal expansion degree closer to the electrolyte YSZ under oxidation and reduction conditions based on the electrolyte YSZ is required. In addition, in the case of using a material having a smaller thermal expansion coefficient with YSZ for the support, it is also necessary to maintain a certain amount of pores in the support in the range of 0.1 to 20 μm after sintering at 1,300 to 1,500 ° C.

음극지지체는, 음극지지체 (음극 기능층 코팅 경우 포함) 위에 coating된 전해질 YSZ 층과 함께 고온 (1,300?1,500℃)에서 소결 (co-sintering)을 거치면서 부피수축(shrinkage)이 발생하는데, 동시에 전해질(YSZ) 입자층도 치밀화 과정을 거치면서 leak hole 이 점차 소멸되고 전해질(YSZ) grain도 성장하고 grain boundary는 감소하는 과정을 거친다.The negative electrode support undergoes co-sintering at high temperature (1,300 ~ 1,500 ° C) together with the electrolyte YSZ layer coated on the negative electrode support (including the negative electrode functional layer coating). As the (YSZ) layer is densified, leak holes gradually disappear, electrolyte (YSZ) grains grow, and grain boundaries decrease.

그러나 음극지지체가 거칠고(coarse) 기공이 큰 경우에는, 지지체의 기공도 측면이나 cell 운전후 재산화시에 보다 안정한 구조를 제공할 수 있으나, 반면에 coating된 전해질 (YSZ등)의 layer 에 leak hole이 많이 잔류하고 grain boundary 가 다량 존재할 수 있으며, 이는 제작된 cell의 성능을 현저히 저하시키는 상반된 요인이 된다. 또한 입자의 소결특성을 늦춰 음극지지체의 소결시 부피 수축을 지연시켜 기공을 크게 유지하는 경우 역시 전해질 (YSZ) 입자의 코팅이 불균일하고, 소결 후에 전해질 (YSZ) layer에서 H2또는 O2가 통과하는 leak hole로서 존재하거나 전해질(YSZ) grain boundary도 많이 잔류하여 운전시 H2 또는 O2 leak 원인이 되기도 한다.However, in the case where the cathode support is coarse and the pores are large, the pore of the support may provide a more stable structure during reoxidation after lateral or cell operation, whereas leak holes in the layer of the coated electrolyte (YSZ, etc.) This may remain and a large amount of grain boundary may exist, which is a contradictory factor that significantly reduces the performance of the fabricated cell. In addition, when sintering characteristics of particles are delayed to delay volume shrinkage during sintering of the negative electrode support to maintain large pores, coating of electrolyte (YSZ) particles is uneven, and H 2 or O 2 passes through the electrolyte (YSZ) layer after sintering. It may exist as a leak hole or the electrolyte (YSZ) grain boundary may also remain, causing H 2 or O 2 leak during operation.

이러한 현상은 음극지지체가 coarse 한 것이 산화 환원에 안정한 cell을 만들 수 있다는 것과 전해질 YSZ 층의 치밀화가 잘 이루어 져야 하는 사실에 대해 서로 상반되는 현상이 될 수 있다. This phenomenon may be contrary to the fact that the coarse of the negative electrode support can make a cell stable to redox and that the densification of the electrolyte YSZ layer should be well done.

이에 따라 음극지지체의 열팽창 계수조정과 음극지지체의 기공구조 유지 및 전해질의 치밀화를 동시에 만족시키는 새로운 방법이 요구된다. 특히 열팽창 조절 산화물을 첨가하는 경우에는 NiO/YSZ 자체의 서미트(cermet)보다 소결 속도가 늦을 수 있으며, 이는 지지체 기공을 거칠게 형성시키는 데에는 도움이 되나, 음극기능층이나 전해질 층의 치밀 소결에는 장애요소로 잔존할 수 있다.Accordingly, there is a need for a new method that simultaneously satisfies the thermal expansion coefficient of the negative electrode support, maintains the pore structure of the negative electrode support, and densifies the electrolyte. In particular, when thermal expansion control oxide is added, the sintering speed may be slower than that of the cermet of NiO / YSZ itself, which may help to form rough pores of the support, but it may be an obstacle to dense sintering of the anode functional layer or the electrolyte layer. May remain.

거친 기공을 가지면서 고온(1,300?1,500℃) sintering시 부피수축이 적은 경우에도 코팅되는 음극기능층이나 전해질 층이 치밀화를 유도하기 위해서는, 음극지지체에 음극기능층 또는 전해질층의 용액 딥(dip)코팅을 실시한 후, 건조 단계에 들어가기 전에 별도의 장치에서, 음극지지체 내부로 진공을 걸어 용매를 제거함과 동시에 코팅층 입자 간의 밀집도를 높인 후, 건조, 소성 및 소결을 시행하는 단계가 필요하다.In order to induce densification of the anode functional layer or the electrolyte layer, which is coated even at a high temperature (1,300? 1,500 ° C) sintering with coarse pores, in order to induce densification, a solution dip of the anode functional layer or the electrolyte layer is provided on the anode support. After the coating, before the drying step, in a separate device, it is necessary to apply a vacuum to the inside of the negative electrode support to remove the solvent and to increase the density between the coating layer particles, followed by drying, firing and sintering.

상기와 같은 배경에서 본원 발명에서 해결하고자 하는 과제는 산화상태의 음극지지체의 열 팽창율이 전해질 층의 열팽창율 보다 낮게 되고, 동시에 환원상태에서는 전해질 층의 열팽창율 보다 높게 됨으로써, 고온의 산화 환원조건 모두에서 전해질의 열팽창 정도와 음극지지체의 열팽창 정도의 차이가 유사하게 하는 방법을 제공하는데 있다. The problem to be solved in the present invention in the background as described above is that the thermal expansion rate of the negative electrode support in the oxidation state is lower than the thermal expansion rate of the electrolyte layer, and at the same time the thermal expansion rate of the electrolyte layer in the reduced state, so that both high-temperature redox conditions To provide a method for the difference between the thermal expansion degree of the electrolyte and the thermal expansion degree of the negative electrode support is similar.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 열팽창이 조절된 음극 지지체의 넓은(coarse) 기공도 하에서도 반복된 산화환원 조건에서 cell의 crack을 방지하면서도, 기공도가 큰 음극지지체 위에 안정된 음극 기능층과 전해질 층을 형성하는 방법을 제공하는데 있다. Another problem to be solved by the present invention is a stable anode functional layer and an electrolyte on a large pore support while preventing the crack of the cell under repeated redox conditions even under the coarse porosity of the negative electrode support with thermal expansion A method of forming a layer is provided.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 음극기능층과 양극 기능층의 미세 구조를 작고 균일하게 조절함으로써, cell의 전기화학적 성능을 높여, 중고온 영역에서도 높은 성능을 발휘하는 cell 제작 방법을 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to improve the electrochemical performance of the cell by controlling the microstructures of the anode functional layer and the anode functional layer small and uniform, to provide a cell manufacturing method showing a high performance even in the mid-temperature range will be.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 전해질의 형성을 2 층으로 형성하여 대면적 cell에서도 결함이 없는 전해질 층을 형성하되, 음극층과 접하는 층에서는 고온 환원분위기에 안정한 재료를 사용하며, 양극(공기극)에 접한 부분에는 O-- ion 전도성이 높은 재료를 적용하여 cell의 고온 발생부에서도 안정한 성능을 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to form an electrolyte layer without formation of defects in a large-area cell by forming the electrolyte in two layers, in the layer in contact with the cathode layer using a stable material in a high temperature reducing atmosphere, the anode ( Air cathode) by applying a material with high O - ion conductivity to provide a stable performance even in the high temperature generating part of the cell.

본 발명에 따른 과제 해결 수단은 중고온에서도 전기화학적 성능을 발휘하고 장기 운전 안정성을 높이는 고체 산화물 연료전지의 단위 셀(cell)의 음극지지체, 음극 (기능)층, 전해질 및 양극 층을 형성함에 있어서, i) NiO/YSZ나 NiO/ScSZ, NiO/SmSZ, NiO/GDC로 이루어진 음극지지체에서 YSZ ScSZ, SmSZ, 또는 GDC의 일부를 그보다 열팽창율이 더 작고 환원조건에서 안정한 열팽창 조절 산화물로 사용하고 ii) 음극 지지체 또는 음극(기능)층 위에 전해질 재료로서 YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC 등이나 또는 이의 혼합물을 사용하여 전해질 막을 형성하며, iii) 음극 층, 전해질 층 및 양극 층을 코팅하고 용매를 제거, 건조하고 소성하고 고온에서 소결함에 있어, 900℃ 이상의 산소가 희박한 기류 하에서 소결이 진행되는 방법으로 제조된다. The problem solving means according to the present invention is to form a negative electrode support, a negative electrode (functional) layer, an electrolyte and an anode layer of a unit cell of a solid oxide fuel cell exhibiting electrochemical performance and high long-term operation stability even at high temperatures. i) Part of YSZ ScSZ, SmSZ, or GDC is used as NiO / YSZ or NiO / ScSZ, NiO / SmSZ, NiO / GDC as a thermal expansion control oxide having a smaller thermal expansion rate and stable under reducing conditions. ) YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC or the like or a mixture thereof as an electrolyte material on the negative electrode support or the negative electrode (functional) layer to form an electrolyte membrane, iii) coating the negative electrode layer, the electrolyte layer and the positive electrode layer and removing the solvent, In drying, firing and sintering at a high temperature, the sintering is produced in a manner in which oxygen of 900 ° C. or higher proceeds in a thin air stream.

본 발명에 있어서, 음극지지체는 NiO/YSZ, NiO/SmSZ, NiO/GDC 등의 서미트 등이 사용될 수 있으며, 가격이나 안정성 및 제작상의 문제가 적은 NiO/YSZ 사용하는 것이 바람직하다. YSZ의 경우, 고온과 수소조건의 환원 분위기 하에서도 안정하나, YSZ의 산소이온(O--) 전도도가 낮아 주로 고온에서 높은 성능이 발현되며, 한편으로 산화환원의 반복 분위기에서 쉽게 지지체 구조가 파괴(crack발생) 되는 문제점을 내포하고 있으므로, YSZ 일부를 그보다 열팽창 계수가 더 낮은 CaAl2O4, MgAl2O4, NiAl2O4, CuAl2O4, CoAl2O4 등의 spinel 이나 Y2O3, Yb2O3 등의 산화물 등과 혼합하여 사용하는 방법을 제공하며, YSZ 와의 혼합물에서 추가 산화물의 비율은 10?90%인 것을 특징으로 하고 있다. In the present invention, a negative electrode support may be used such as NiO / YSZ, NiO / SmSZ, NiO / GDC and the like, and it is preferable to use NiO / YSZ which is low in cost, stability and manufacturing problems. In the case of YSZ, a reducing atmosphere of a high temperature and hydrogen stable condition one, the oxygen ions of the YSZ (O -) conductivity is low and is mainly expressed in high performance high temperature, on the one hand, the support structure is easily destroyed in a repeated oxidation-reduction atmosphere in , YSZ 2 O is lower than the thermal expansion coefficient of a portion CaAl it involves the (crack occurrence), the problem is 4, MgAl 2 O 4, NiAl 2 O 4, CuAl 2 O 4, CoAl 2 O 4 spinel and Y, such as 2 Provided is a method of mixing with an oxide such as O 3 , Yb 2 O 3 and the like, characterized in that the ratio of the additional oxide in the mixture with YSZ is 10 ~ 90%.

본 발명의 실시에 있어서, 추가 열팽창 조절용 산화물의 열팽창 계수는 7.0x10-6/℃ ? 10.0x10-6/℃ 이며, 평균입자는 YSZ 보다 크며, 평균 0.1㎛ 보다 크되 좋게는 0.3㎛ 보다 크며 10㎛ 보다는 작다. 대표적으로 YSZ 의 열팽창 계수는 10.8x10-6/℃, Y2O3의 열팽창 계수는 약 8.1x10-6/℃ 정도로 알려져 있다. In the practice of the present invention, the coefficient of thermal expansion of the oxide for further thermal expansion adjustment is 7.0x10 -6 / 占? 10.0x10 -6 / ℃, the average particle is larger than YSZ, larger than the average 0.1㎛, preferably larger than 0.3㎛ and smaller than 10㎛. Typically, the thermal expansion coefficient of YSZ is 10.8 × 10 −6 / ° C., and the thermal expansion coefficient of Y 2 O 3 is about 8.1 × 10 −6 / ° C.

본 발명에서는 기존에 많이 사용되는 NiO/YSZ를 예로 들어서 설명하고 있지만, YSZ와 유사한 구조를 갖는 ScSZ, SmSZ 나 다른 구조의 GDC 등도 YSZ와 함께 사용될 수 있으며 본 설명이 NiO/YSZ 조성에 국한되지는 않는다.Although the present invention has been described using NiO / YSZ as an example, ScSZ, SmSZ, or other structure GDC having a similar structure to YSZ may also be used with YSZ, and the present description is not limited to NiO / YSZ. Do not.

본 발명에서는, NiO/YSZ 가 산화 환원의 반복 노출에 안정성이 부족한 것과 같이 YSZ 가 단독의 열팽창 조절용 산화물로 치환된 경우 예를 들어 NiO/MgAl2O4 경우는, 산화 환원의 반복 노출의 안정성이 없고 본 발명에서 추구하는 효과를 발현할 수 없는데, 이는 산화조건에서 제조되는 과정에 전해질 층과의 열팽창 차이가 크게 발생하거나 또는 환원 과정에서 전해질 층과의 열팽창 계수 차이가 크기 때문이다. 이에 따라 YSZ 경우에 다른 열팽창 계수 조절용 산화물과 혼합 사용하되, 적어도 10% 이상이 사용되어야만 효과를 높일 수 있다. In the present invention, when NiO / YSZ lacks stability for repeated exposure of redox, when YSZ is substituted with an oxide for thermal expansion alone, for example, when NiO / MgAl 2 O 4 , the stability of repeated exposure of redox is decreased. And the effect sought in the present invention cannot be expressed, because a large difference in thermal expansion with the electrolyte layer occurs in the process produced under oxidizing conditions or a large difference in coefficient of thermal expansion with the electrolyte layer in the reducing process. Accordingly, in the case of YSZ, mixed with other thermal expansion coefficient adjusting oxide, at least 10% or more can be used to increase the effect.

한편으로는 열팽창 조절 산화물을 YSZ 또는 ScSZ 등과 혼합된 상태에서 사용함에 있어, YSZ 또는 ScSZ 대신에 GDC (Gadollium-doped Ceria)나 환원 안정성과 전기전도성이 좋고 열 팽창율이 YSZ와 거의 비슷한 (Sr,Y)TiO3, (Y,Sr)CrO3 같은 Perovskite 산화물로 YSZ 또는 ScSZ의 일부를 추가로 대체, 혼합 사용하는 것도 가능하다.On the other hand, when the thermal expansion control oxide is mixed with YSZ or ScSZ or the like, GDC (Gadollium-doped Ceria) or reducing stability and electrical conductivity and thermal expansion rate of YSZ are almost similar to that of YSZ instead of YSZ or ScSZ. Perovskite oxides, such as TiO 3 and (Y, Sr) CrO 3 , can be used to further replace and mix some of YSZ or ScSZ.

본 발명에서는 고체산화물 연료전지 cell 제조에 있어 음극지지체에 음극 (기능)층과 전해질 층, 양극 층을 형성하고 제조 과정 중에 포함된 유기물 첨가제를 제거하기 위해 공기 중에서 소성한 후, 이어서 이를 보다 고온에서 소결을 실시함에 있어서, 지지체의 공극과 음극 층의 미세구조 및 양극 층의 미세 구조를 제어하기 위해, 질소 등과 같이 산소가 희박한 기류 하에서 실시하여 중고온에서 전기화학적 성능을 높이고 산화 환원의 반복된 노출에서도 안정한 cell 을 제공하게 된다. In the present invention, in the manufacture of a solid oxide fuel cell, a cathode (functional) layer, an electrolyte layer, and an anode layer are formed on a cathode support, and then fired in air to remove the organic additives included in the manufacturing process, and then, at a higher temperature. In sintering, in order to control the microstructure of the pore and cathode layer of the support and the microstructure of the anode layer, it is carried out under an oxygen-lean gas stream such as nitrogen to increase the electrochemical performance at high temperatures and repeated exposure of redox It also provides a stable cell.

본 발명에서는 cell 의 음극/양극의 전극 층이나 전해질 층의 형성을 주로 딥코팅(dip-coating)에 의해 설명하고 있으나, 이에 국한되지는 않으며, 이때 음극 지지체는 YSZ 대신에 열팽창 조절용 산화물이 포함된 산화물이 혼합 사용된다. In the present invention, the formation of the electrode layer or the electrolyte layer of the cathode / anode of the cell is mainly described by dip-coating, but the present invention is not limited thereto. In this case, the anode support includes an oxide for controlling thermal expansion instead of YSZ. Oxides are used for mixing.

음극지지체는 NiO를 약 50-70wt%, YSZ (또는 ScSZ등) 과 열팽창 조절 산화물의 혼합물을 약 30?50wt% 비율로 혼합하되, 추가되는 열팽창 조절 산화물의 비중이 낮은 것을 감안하여 NiO 사용비율이 조절될 수 있다. 보통 열팽창 조절용 산화물은 비중이 낮은 경우가 많으며, 이 경우 열팽창 조절용 산화물이 상대적으로 많은 부피를 차지하므로 NiO를 증가시켜도 전체적인 부피구성에는 큰 차이가 없다. 여기에 기공 조절제로써 활성탄이나 카본 블랙을 1?10wt%를 첨가하여 에탄올 용액상에서 약 1일 이상 볼밀링하여 에탄올을 건조 휘발시킨다.The negative electrode support mixes NiO about 50-70wt%, YSZ (or ScSZ, etc.) and the mixture of thermal expansion control oxide at a ratio of about 30-50 wt%. Can be adjusted. Usually, the thermal expansion control oxide has a low specific gravity, and in this case, the thermal expansion control oxide occupies a relatively large volume, so there is no significant difference in the overall volume composition even if NiO is increased. 1-10 wt% of activated carbon or carbon black is added as a pore control agent and ball milled for about 1 day or more in an ethanol solution to dry and volatilize the ethanol.

균일 혼합된 상기 분말 혼합체에 성형 보조제로써 1?10 wt% 결합제, 1?5% 분산제 등과 물을 넣고 5시간 이상 반죽한 다음, 2일 정도 숙성한 후 평관형 또는 튜브형의 압출기에서 압출한다. 압출된 성형품은 건조한 후 소성로에서 1,000?1,300℃에서 유기물을 태워 없애고 소성 및 소결을 시행하며, 이때 온도상승은 5℃/min미만으로 유지한다.1 to 10 wt% binder, 1 to 5% dispersant, and the like are added to the homogeneously mixed powder mixture, and then kneaded for at least 5 hours, and then aged for 2 days, and then extruded in a flat or tubular extruder. Extruded molded products are dried and then burned and burned with organic materials at 1,000 ~ 1,300 ℃ in a kiln, and then fired and sintered. At this time, the temperature rise is kept below 5 ℃ / min.

본 발명에서는 음극지지체의 거친(coarse) 기공에 따른 전해질 층에서의 hole 발생을 방지하고, 전해질 층과의 결합력을 증대시킴과 동시에, 음극층/전해질 층에서의 반응 활성점(TPB)을 증가시키기 위해 음극층(음극기능층)이 코팅된다. 음극 기능층은 NiO/YSZ, NiO/ScSZ, NiO/SmSZ, NiO/GDC 등을 사용하되, NiO 사용비율은 YSZ (또는 ScSZ, SmSZ, GDC) 와의 혼합물 대비 약 50 wt %를 사용하되 본 발명에서는 무게비 45%를 넘되 55% 를 넘지 않는 방법을 제공하며, 중고온용에서 전기화학적 성능이 높게 발현되기 위해서 음극 기능층은 NiO/YSZ 보다 NiO/ScSZ, NiO/SmSZ 또는 NiO/GDC 또는 이의 혼합물이 선호된다.In the present invention, it is possible to prevent hole generation in the electrolyte layer due to coarse pores of the negative electrode support, to increase the bonding force with the electrolyte layer, and to increase the reaction active point (TPB) in the cathode layer / electrolyte layer. The negative electrode layer (negative electrode functional layer) is coated. The cathode functional layer uses NiO / YSZ, NiO / ScSZ, NiO / SmSZ, NiO / GDC, etc., but the NiO ratio is about 50 wt% compared to the mixture with YSZ (or ScSZ, SmSZ, GDC). It provides a weight ratio of more than 45% but not more than 55%, and the NiO / ScSZ, NiO / SmSZ, or NiO / GDC or a mixture thereof is preferred to NiO / YSZ for high electrochemical performance at high temperature. do.

음극지지체는 슬러리 용액에 담구어 상압 하에서 딥 코팅(dip-coating)하여 균일한 두께로 코팅한 후, 이를 꺼내어 별도의 장치에서 지지체 내부에 진공을 걸어서 코팅 층에서 용매를 제거하면서, 동시에 코팅층을 밀집(dense)되게 하는 방법을 제공한다. 이는 건조중이나 가열 중에 NiO 나 YSZ의 입자 분리현상을 억제하면서 입자끼리의 연결성을 높이는 효과적인 방법을 제공한다. 본 발명에서 음극층의 최종 coating층의 두께는 3?30㎛, 좋게는 3?25㎛ 정도가 좋다. The negative electrode support is dipped in a slurry solution, dip-coated under atmospheric pressure, coated to a uniform thickness, and then taken out and vacuumed inside the support in a separate device to remove the solvent from the coating layer, while simultaneously coating the coating layer. It provides a way to (dense). This provides an effective method of increasing the connectivity between particles while suppressing particle separation of NiO or YSZ during drying or heating. In the present invention, the thickness of the final coating layer of the cathode layer is preferably 3 to 30 µm, preferably 3 to 25 µm.

음극기능층이 코팅된 지지체는 약 900?1,300℃에서 소성되는데, 온도를 상승시키면서 대략 500내지 700℃ 까지는 공기 중에서 실시하고, 적어도 900 ℃ 이상에서는 질소(N2) 등과 같이 산소가 희박한 기체로 치환하여 공급하는 방법을 제공하며, 산소가 희박한 기체의 종류로는 질소(N2), 아르곤 (Ar), 헬리움(He), 이산화탄소(CO2). 수증기 등이 사용될 수 있다. 이때 질소 등에서 O2, CO, H2 나 hydrocarbon 등의 잔존 농도는 5 부피 %, 좋게는 0.1부피% 이하로 하는 것이 좋다.The support coated with the negative electrode functional layer is calcined at about 900 to 1,300 ° C. The temperature is raised to about 500 to 700 ° C while raising the temperature, and at least 900 ° C or higher, and replaced with a gas such as nitrogen (N 2 ). It provides a method of supplying, the kind of oxygen-lean gas is nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), carbon dioxide (CO 2 ). Water vapor or the like can be used. At this time, the residual concentration of O 2 , CO, H 2 or hydrocarbon in nitrogen, etc. is preferably 5% by volume, preferably 0.1% by volume or less.

보통 전해질 코팅은 상압 하에서 dip-coating으로 진행되며, 특히 대형 cell의 경우 상압 하에서 딥 코팅을 실시하여 지지체 전체에 균일한 두께로 전해질이 코팅된다. 본 발명에서 전해질 형성 작업은 2회 이상을 하는 것이 leak hole발생을 억제시키며, 적어도 음극층에 접한 부분은 YSZ로, 양극 층에 접한 부분은 ScSZ, SmSZ 또는 GDC 로 하는 것을 특징으로 하고 있다. 각각의 코팅두께는 최종적으로 약 5?20㎛ 정도의 두께를 가지되 좋게는 10?15㎛ 정도로 사용된다.Normally, electrolyte coating is performed by dip-coating under atmospheric pressure. In particular, in the case of a large cell, dip coating is performed under normal pressure, and the electrolyte is coated with a uniform thickness throughout the support. In the present invention, the electrolyte forming operation is to prevent leak hole generation at least two times, at least the portion in contact with the cathode layer is YSZ, the portion in contact with the anode layer is characterized in that the ScSZ, SmSZ or GDC. Each coating thickness is about 5 ~ 20㎛ finally have a thickness of about 10 ~ 15㎛ used.

본 발명에서 딥 코팅이 실시되는 경우 상압 하에서 진행하되, 지지체를 꺼내어 별도의 장치에서 지지체 내부에 진공을 걸어 지지체 표면과 내면의 용매를 제거하면서 동시에 YSZ, ScSZ 또는 GDC 입자를 밀집되게 함으로써 소결시 치밀성을 높이고 leak hole 생성을 방지하도록 하는 방법을 제공한다. In the present invention, when the dip coating is carried out under normal pressure, the support is taken out and vacuumed inside the support in a separate device to remove the solvent on the surface and the inner surface of the support while simultaneously densifying the YSZ, ScSZ or GDC particles, thereby compacting It provides a way to increase the number of steps and prevent leak holes.

전해질이 코팅된 상기 음극지지체의 첫 번째 소결은 1,100?1,300℃에서 시행하고, 최종 소결은 1,300?1,500℃에서 시행하거나, 또는 전체 전해질 층을 한 번에 공소결(co-sintering)하여 치밀화된 전해질 막을 얻게 되며, 이때 온도 상승은 5℃/min 미만으로 하는 것이 좋으며, 더욱 좋게는 2℃/min 미만이 좋다. The first sintering of the anode support coated with electrolyte is carried out at 1,100 ~ 1,300 ° C, and the final sintering is carried out at 1,300 ~ 1,500 ° C, or the densified electrolyte by co-sintering the entire electrolyte layer at once. A film is obtained, in which the temperature rise is preferably less than 5 ° C / min, more preferably less than 2 ° C / min.

특히 전해질의 소결시 온도를 상승시키면서 대략 500내지 700℃ 까지는 대기 분위기에서 실시하고, 900℃ 이상에서는 질소(N2) 등과 같이 산소가 희박한 기체로 치환하여 공급하는 방법을 제공하며, 산소가 희박한 기체의 종류로는 질소(N2), 아르곤 (Ar), 헬리움(He), 이산화탄소(CO2). 수증기 등이 사용될 수 있다. 이때 질소 등에서 O2, CO, H2 나 hydrocarbon 등의 잔존 농도는 5 부피 %, 좋게는 0.1부피% 이하로 하는 것이 좋다. In particular, while increasing the temperature during the sintering of the electrolyte, it is carried out in the atmospheric atmosphere up to approximately 500 to 700 ℃, and at 900 ℃ or more provides a method of supplying by replacing with a gas such as nitrogen (N 2 ) lean, oxygen thin gas Types of nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), carbon dioxide (CO 2 ). Water vapor or the like can be used. At this time, the residual concentration of O 2 , CO, H 2 or hydrocarbon in nitrogen, etc. is preferably 5% by volume, preferably 0.1% by volume or less.

또한 음극 기능층과 전해질 층을 한번에 공소결 하는 것도 가능하며, 이 경우에도 900℃ 이상에서는 산소가 희박한 기체를 사용하여 소결을 진행하는 것이 요구된다.It is also possible to co-sinter the negative electrode functional layer and the electrolyte layer at once, and even in this case, it is required to proceed the sintering using a gas rarely oxygen at 900 ° C or higher.

양극 층은 보통 LSM/YSZ 나 LSM/ScSZ, LSCF/GDC등이 사용될 수 있으며 스크린 프린팅이나 테잎캐스팅 등으로 코팅한 후 1,000?1,200℃ 정도에서 소성하여 사용된다. 특히 양극층의 소결시 온도를 상승시키면서 대략 500내지 700℃ 까지는 공기 중에서 실시하고, 적어도 900℃ 이상에서는 질소(N2) 등과 같이 산소가 희박한 기체로 치환하여 공급하는 방법을 제공하며, 산소가 희박한 기체의 종류로는 질소(N2), 아르곤 (Ar), 헬리움(He), 이산화탄소(CO2). 수증기 등이 사용될 수 있다. 이때 질소 등에서 O2, CO, H2 나 hydrocarbon 등의 잔존 농도는 5 부피 %, 좋게는 0.1부피% 이하로 하는 것이 좋다.The anode layer is usually LSM / YSZ, LSM / ScSZ, LSCF / GDC, etc. can be used and coated by screen printing or tape casting, etc., and then fired at about 1,000 ~ 1,200 ℃. In particular, while increasing the temperature during the sintering of the anode layer is carried out in the air to approximately 500 to 700 ℃, and at least 900 ℃ or more provides a method of supplying by substituting with a gas sparing oxygen such as nitrogen (N 2 ), Types of gases include nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), and carbon dioxide (CO 2 ). Water vapor or the like can be used. At this time, the residual concentration of O 2 , CO, H 2 or hydrocarbon in nitrogen, etc. is preferably 5% by volume, preferably 0.1% by volume or less.

본 발명에서는 주로 딥 코팅에 의해 고체산화물 연료전지용 셀이 제작되는 것을 기준으로 설명되고 있으나, 셀의 지지체 및 음극, 전해질 양극을 형성하는 방법은 테잎 캐스팅이나 프린팅 방법으로도 제작될 수 있으며, 이 경우 셀 층을 형성하고 이를 소성한 후, 이를 고온에서 소결하는 과정에서 산소가 희박한 기류에서 진행하는 것에 대해서는 본 발명에서 설명된 효과와 동일하다. 또한 고체 산화물의 형태나 제작과정에 상관없이 음극 지지체의 조성, 음극(기능)층과 전해질 층을 구성하는 구성비에 대해서도 본 특허에서 설명되는 바와 동일한 효과를 갖는다. In the present invention has been described on the basis of mainly manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell by dip coating, the method of forming the support and the negative electrode, the electrolyte anode of the cell can also be produced by tape casting or printing method, in this case After forming the cell layer and calcining it, it proceeds in an air-lean stream of oxygen in the process of sintering it at a high temperature, the same as the effect described in the present invention. In addition, the composition ratio of the negative electrode support, the composition ratio of the negative electrode (functional) layer and the electrolyte layer, regardless of the form or manufacturing process of the solid oxide has the same effect as described in the present patent.

본 발명은 다른 일 측면에서, a) NiO, Co2O3, CuO 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 성분; b) YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 성분; 및 c) CaAl2O4, MgAl2O4, NiAl2O4, CuAl2O4, FeAl2O4, Y2O3, Yb2O3, Al2O3으로 이루어진 그룹에서 1종 또는 2종 이상 선택된 열팽창 조절 산화물을 포함하여 이루어지고, 여기서, a)는 50~70 중량%, b)+c)는 30~50 중량%이며, b)와 c)의 중량비는 1:9~9:1인 고체산화물 연료전지용 음극지지체를 제공한다. The present invention in another aspect, a) at least one component selected from the group consisting of NiO, Co 2 O 3 , CuO; b) at least one component selected from the group consisting of YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC; And c) one or two from the group consisting of CaAl 2 O 4 , MgAl 2 O 4 , NiAl 2 O 4 , CuAl 2 O 4 , FeAl 2 O 4 , Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Al 2 O 3 It comprises at least one selected thermal expansion control oxide, wherein a) is 50 to 70% by weight, b) + c) is 30 to 50% by weight, the weight ratio of b) and c) is 1: 9-9: Provided is a negative electrode support for a solid oxide fuel cell.

본 발명에 따라 중고온에 적용될 수 있는 고성능 전기화학적 성능을 제공하면서 고온의 산화/환원의 반복적 분위기에서 안정된 고체산화물 연료 전지셀이 제공되었다. According to the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell which is stable in a repetitive atmosphere of high temperature oxidation / reduction while providing high performance electrochemical performance that can be applied at a high temperature.

본 발명에 따른 전해질은 1개 이상의 층을 구성하며, 음극층, 전해질 층 및 양극 층을 고온에서 소결함에 있어서 대기와 접촉하지 않는 방법을 제공함으로써 음극 및 양극의 반응층의 미세구조를 균일하고 미세하게 유지시키는 기능을 제공하였다.The electrolyte according to the present invention constitutes one or more layers, providing uniform and fine structure of the reaction layer of the cathode and anode by providing a method that does not contact the atmosphere in the sintering of the anode layer, the electrolyte layer and the anode layer at high temperature. Function to maintain it.

또한 본 발명에서는 음극층에 산소이온(O--) 전도도가 좋은 ScSZ, SmSZ 등을 Ni와 함께 사용하여 중고온에서 고성능을 발휘하는 셀을 제조함에 함에 있어, 음극층과 접하는 부분에는 YSZ 등을 사용하고, 양극과 접하는 부분에 ScSZ, SmSZ, GDC 등을 사용하여 운전조건에서 안정한 전해질 구조 및 중고온에서 고성능의 전기화학적 성능을 제공하였다.In addition, in the present invention, the oxygen ion in the negative electrode layer (O -) and the like conductivity is here as the production of a cell that exhibits high performance in the good ScSZ, used on using SmSZ etc. with Ni, those parts in contact with the cathode layer YSZ In addition, ScSZ, SmSZ, GDC, etc. are used in contact with the anode to provide a stable electrolyte structure under operating conditions and high-performance electrochemical performance at high temperatures.

또한 본 발명에서는 음극지지체와 전해질 사이에 산화 및 환원 분위기에서 고온 열변형 차이가 적어 음극지지체와 전해질간의 열적인 스트레스나 계면분리가 발생하지 않으며, 동시에 산화분위기로 전환되는 경우에도 Ni 재산화에 따른 NiO 부피팽창에 의한 음극지지체를 포함한 cell에 crack이 발생하지 않는 방법을 제공한다.In addition, in the present invention, the difference in high temperature heat deformation in the oxidizing and reducing atmosphere between the negative electrode support and the electrolyte does not cause thermal stress or interfacial separation between the negative electrode support and the electrolyte, and at the same time when Ni is converted to the oxidation atmosphere, It provides a method that crack does not occur in a cell including a cathode support by NiO volume expansion.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하기 위해서 기재될 수 없다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. The following examples are intended to illustrate the invention and should not be described to limit the scope of the invention.

비교 예 1Comparative Example 1

음극지지체는 NiO를 55wt%, YSZ 45wt% 비율로 혼합하고, 여기에 기공 조절제로써 활성탄을 10wt%를 첨가하여 에탄올 용액 상에서 약 1일 이상 볼 밀링하여 균일 혼합하고 이를 꺼내어 에탄올을 건조 휘발시킨다.The negative electrode support was mixed with NiO at a rate of 55 wt% and YSZ 45 wt%, and 10 wt% of activated carbon was added thereto as a pore regulator to ball mill the ethanol solution for at least 1 day to uniformly mix and take out the ethanol to dry volatilize it.

균일 혼합된 상기 분말 혼합체에 성형 보조제로써 5wt% 결합제, 3wt% 분산제 등과 물을 넣고 5시간 이상 반죽한 다음, 2일 동안 숙성한 후 평관형 압출기에서 압출한다.5 wt% binder, 3 wt% dispersant and the like were added to the homogeneously mixed powder mixture as a molding aid, kneaded for at least 5 hours, aged for 2 days, and then extruded in a flat tube extruder.

압출된 성형품은 건조한 후 소성로에서 1,100℃까지 3℃/min로 가열하면서 유기물을 태워 없애고 음극지지체를 제조하였다. 이때 기공율은 45% 였다.The extruded molded product was dried and then burned off the organic material while heating at 3 ° C./min to 1,100 ° C. in a kiln to prepare a negative electrode support. At this time, the porosity was 45%.

제조된 음극지지체를 사용하여 NiO/YSZ 55:45 wt%용액으로 제조된 음극기능층 슬러리 용액을 상압 하에서 딥 코팅 하고 이를 대기 상태에서 건조후 가열로에 넣고 1,200 ℃까지 3℃/min 로 가열하면서 소성하였다. Cell 제작 후 음극 기능층의 두께는 15㎛ 정도였으며 음극지지체와 거의 동일한 형상을 유지하였다.Using the prepared negative electrode support, the negative electrode functional layer slurry solution prepared with NiO / YSZ 55:45 wt% solution was dip-coated under normal pressure, dried in air, then placed in a heating furnace, and heated to 3 ° C./min up to 1,200 ° C. Calcined. The thickness of the cathode functional layer after the fabrication of the cell was about 15㎛ and maintained almost the same shape as the cathode support.

위와 같이 음극 기능층이 코팅된 음극지지체를 YSZ 전해질 슬러리 용액에 넣고, 상압하에서 전해질 슬러리 용액으로 딥-코팅하였다. 이를 꺼내어 대기상태에서 건조하여 용매를 제거하였다. 이를 대기 상태에서 가열로에 넣고 1,200℃까지 3℃/min 로 가열하면서 2회 시행하였으며, 두 번째 소결은 1,400℃에서 시행하였다. 최종 cell 제작 후 전해질의 두께는 27㎛ 였으며, 산화상태에서 지지체의 평균 porosity는 20%, 평균 기공도는 0.6㎛ 였다.The negative electrode support coated with the negative electrode functional layer was put in the YSZ electrolyte slurry solution, and was dip-coated with the electrolyte slurry solution under normal pressure. This was taken out and dried in air to remove the solvent. This was put into a heating furnace in the air state and was performed twice while heating at 3 ° C./min to 1,200 ° C., and the second sintering was performed at 1,400 ° C. After fabrication of the final cell, the thickness of the electrolyte was 27 μm. The average porosity of the support in the oxidized state was 20% and the average porosity was 0.6 μm.

상기와 같이 제작된 상태에서 (La,Sr)MnO3 와 YSZ 가 60:40 무게비로 혼합된 공기극 슬러리를 제조하여 coating 및 건조하고, 그 위에 다시 (La,Sr)(Co,Fe)O3로 구성된 슬러리를 코팅한 후 건조하고, 이를 가열로에서 1,150℃ 까지 가열하여 소성하여 SOFC cell을 제작하였다.In the state prepared as described above, a cathode slurry prepared by mixing (La, Sr) MnO 3 and YSZ in a weight ratio of 60:40 was prepared, coated and dried, and again (La, Sr) (Co, Fe) O 3 The slurry was coated and dried, and then fired by heating to 1,150 ° C. in a heating furnace to prepare an SOFC cell.

SOFC cell을 연료전지 test 장치에 부착하고, 수소(H2)를 흘리면서 650℃ 까지 가열하여 환원하면서 개회로 전압(OCV: open circuit voltage)이 1.0 V전압이 된 후 800℃ 로 상승시켜 전류-전압 성능을 측정하였다. Attach the SOFC cell to the fuel cell test device, heat it down to 650 ℃ while flowing hydrogen (H 2 ), reduce the open circuit voltage (OCV) to 1.0V, and raise it to 800 ℃ The performance was measured.

이후 H2 공급을 중단(off)하고 5 시간 경과한 후 다시 H2 공급을 개시하고 전류 전압 특성을 측정한 후, 그대로 온도를 내리고 cell에서의 crack상태를 관찰 하였다. 이러한 실시 결과가 표 1에 나타나 있다.
After the H 2 supply was stopped (off) and after 5 hours, H 2 supply was started again and the current voltage characteristics were measured. Then, the temperature was lowered and the crack state was observed in the cell. The results of these runs are shown in Table 1.

실시 예 1Example 1

음극지지체는 전체 혼합물 기준으로 YSZ 24wt%과 열팽창 조절 산화물 MgAl2O4 를 5wt%, Y2O3 11wt% 비율로 혼합하고, 여기에 약 60wt%에 해당하는 NiO를 첨가한 혼합 분말을 만들었다. 여기에 기공 조절제로서 카본 블랙을 10wt%를 첨가하여 에탄올 용액상에서 1일 이상 볼밀링하여 균일 혼합하고, 이를 꺼내어 에탄올을 건조 휘발시켰다. 사용된 YSZ입자의 평균입자 크기는 0.5㎛, MgAl2O4 입자는 평균 2㎛ 였으며, MgAl2O4 에서 Mg 는 Al대비 0.4내지 0.5 정도의 비율을 갖는다.The negative electrode support was mixed with 24 wt% of YSZ and 5 wt% of thermal expansion control oxide MgAl 2 O 4 and 11 wt% of Y 2 O 3 based on the total mixture, and a mixed powder containing NiO of about 60 wt% was added thereto. 10 wt% of carbon black was added thereto as a pore controlling agent, and ball milled for at least one day on an ethanol solution to uniformly mix, and the ethanol was dried and volatilized. The average particle size of the YSZ particles used 0.5㎛, MgAl 2 O 4 particles, and the mean 2㎛, in MgAl 2 O 4 Mg have a ratio of approximately 0.4 to 0.5 compared to Al.

균일 혼합된 상기 분말 혼합체에 성형 보조제로써 5wt% 결합제, 3wt% 분산제 등과 물을 넣고 5시간 이상 반죽한 다음, 2일 동안 상온에서 숙성한 후 평관형 압출기에서 압출하였다. 5 wt% binder, 3 wt% dispersant, and the like were added to the homogeneously mixed powder mixture, and then kneaded for 5 hours or more, and aged at room temperature for 2 days, followed by extrusion in a flat tube extruder.

압출된 성형품은 건조한 후 소성로에서 1,100℃ 까지 3℃/min로 가열하면서 유기물을 태워 없애며 음극지지체를 제조하였다.The extruded molded article was dried and then heated to 3,100 / min in a firing furnace to burn off the organic material to prepare a negative electrode support.

음극기능층 코팅을 위해 NiO/ScSZ를 51:49 wt%로 구성되고 비교예 보다 저농도 슬러리 용액을 제조하고, 제조된 음극지지체를 음극 기능층 슬러리 용액에 딥 코팅 하였다. 이를 꺼내어 별도의 장치에서 지지체 내부에 50torr 정도로 진공을 걸어 지지체 내부에 함유된 용매와 외부 코팅된 층에 존재하는 용매를 제거하였다. 이를 대기 상태에서 가열로에 넣고 500℃까지 1℃/min 로 가열하면서 소성하고, 이후 질소 (N2 중 산소 불순물 90ppm 수준) 흐름하에서 1,200 ℃까지 승온하고 3시간 유지하면서 소결을 실시한 후, 2℃/min으로 상온으로 온도를 내렸다. Cell 제조 후 음극 기능층의 두께는 약 10㎛ 였다.NiO / ScSZ was composed of 51:49 wt% to prepare a negative electrode functional layer, and a lower concentration slurry solution was prepared than the comparative example, and the prepared negative electrode support was dip coated on the negative electrode functional layer slurry solution. This was removed, and vacuum was applied to the inside of the support in a separate apparatus at about 50 torr to remove the solvent contained in the support and the solvent present in the outer coated layer. It is put into a heating furnace in the atmospheric state and calcined while heating at 1 ° C./min up to 500 ° C., followed by sintering while raising the temperature to 1,200 ° C. under nitrogen (90 ppm oxygen impurity in N 2 ) flow and maintaining for 3 hours, followed by 2 ° C. The temperature was lowered to room temperature at / min. The thickness of the cathode functional layer after cell preparation was about 10 μm.

위와 같이 음극 기능층이 코팅된 음극지지체를 사용하여 전해질 1차 층을 코팅하였다. 비교예보다 저농도의 YSZ 전해질 슬러리 용액에 넣고, 상압 하에서 전해질 슬러리 용액으로 딥-코팅하였다. 이를 꺼내어 별도의 장치에서 지지체 내부에 50 torr 정도로 진공을 걸어 지지체 내부에 함유된 용매와 외부 코팅된 층에 존재하는 용매 등을 제거하였다. 이를 대기 상태에서 건조한 후 가열로에 넣고 500℃까지 1℃/min 로 가열하면서 소성하고, 이후 질소 (N2 중 산소 불순물 90ppm 수준) 흐름 하에서 1,200℃까지 승온하고 3시간 유지하면서 소결을 실시한 후, 2℃/min으로 상온으로 온도를 내렸다. As described above, the electrolyte primary layer was coated using a cathode support coated with a cathode functional layer. It was put in YSZ electrolyte slurry solution of lower concentration than the comparative example and was dip-coated with electrolyte slurry solution under normal pressure. This was removed and vacuum was applied to the inside of the support in a separate apparatus at about 50 torr to remove the solvent contained in the support and the solvent present in the outer coated layer. After drying in the air, the mixture was put into a heating furnace and calcined while heating at 1 ° C./min up to 500 ° C., followed by sintering while raising the temperature to 1,200 ° C. under nitrogen (90 ppm oxygen impurity level in N 2 ) and maintaining for 3 hours. The temperature was lowered to 2 ° C./min at room temperature.

전해질 코팅은 2회 실시되었으며 두 번째 코팅은 ScSZ 용액을 사용하여 코팅하였으며 농도는 YSZ와 같다. 2 번째 전해질 코팅은 500℃ 까지 1℃/min 로 가열하면서 소성하고, 이후 질소 (N2 중 산소 불순물 90ppm 수준) 흐름 하에서 1,350℃ 까지 승온하고 3시간 유지하면서 소결을 실시한 후, 2℃/min으로 상온으로 온도를 내렸다. 최종 cell 제작 후 전해질의 두께는 19㎛ 였으며, 산화상태에서 지지체의 평균 porosity는 23%, 평균 기공도는 1.4㎛ 였다.Electrolytic coating was carried out twice and the second coating was coated using ScSZ solution and the concentration was equal to YSZ. The second electrolyte coating was calcined while heating at 1 ° C./min to 500 ° C., followed by sintering while heating at 1,350 ° C. for 3 hours under a nitrogen (90 ppm level of oxygen impurity in N 2 ) flow, followed by 2 ° C./min. The temperature was lowered to room temperature. After fabrication of the final cell, the thickness of the electrolyte was 19 μm, and the average porosity of the support in oxidation state was 23% and the average porosity was 1.4 μm.

상기와 같이 제작된 상태에서 (La,Sr)MnO3 와 YSZ 가 50:50 혼합된 공기극 슬러리(양극 1차)를 제조하여 스프레이 방법으로 coating 및 건조하고, 그 위에 다시 (La,Sr)MnO3 (양극 2차)를 스프레이 방법으로 연속해서 코팅하고, 건조한 후 소성 및 소결을 실시하였다. 가열로의 온도가 500℃까지 1℃/min 로 가열하면서 소성하고, 이후 질소 (N2 중 산소 불순물 90ppm 수준) 흐름 하에서 1,150℃까지 승온하고 3시간 유지하면서 소결을 실시한 후, 2℃/min으로 상온으로 온도를 내렸다. In the state prepared as described above, a cathode slurry (positive electrode primary) in which (La, Sr) MnO 3 and YSZ were mixed 50:50 was prepared, coated and dried by a spray method, and again (La, Sr) MnO 3 (Anode Secondary) was continuously coated by the spray method, dried, and calcined and sintered. The furnace was calcined while heating at 1 ° C./min up to 500 ° C., and then sintered while heating at 1,150 ° C. and maintained for 3 hours under a flow of nitrogen (oxygen impurity in N 2 at 90 ppm), followed by 2 ° C./min. The temperature was lowered to room temperature.

양극층에 대해 3차는 (La,Sr)(Co,Fe)O3로 구성된 슬러리를 코팅한 후 건조하고 소성하였다. 마찬가지로 가열로의 온도가 500℃까지 1℃/min 로 가열하면서 소성하고, 이후 질소 (N2 중 산소 불순물 90ppm 수준) 흐름 하에서 1,050℃ 까지 승온하고 3시간 유지하면서 소결을 실시한 후, 2℃/min으로 상온으로 온도를 내렸다. For the anode layer, the tertiary was coated with a slurry composed of (La, Sr) (Co, Fe) O 3 , and then dried and calcined. Likewise, the temperature of the furnace is calcined while heating at 1 ° C./min up to 500 ° C., followed by sintering while heating the temperature up to 1,050 ° C. under nitrogen (90 ppm of oxygen impurities in N 2 ) and maintaining for 3 hours, followed by 2 ° C./min The temperature was lowered to room temperature.

이와 같이 제작된 SOFC cell을 연료전지 test 장치에 부착하고, 수소(H2)를 흘리면서 650 ℃까지 가열하여 환원하면서 개회로 전압 (OCV: open circuit voltage)이 1.0 V 전압이 된 후 700℃ 로 상승시켜 전류-전압 성능을 측정하였다.The SOFC cell fabricated as described above was attached to the fuel cell test apparatus, heated to 650 ° C while flowing with hydrogen (H 2 ), and reduced while the open circuit voltage (OCV) became 1.0 V and then increased to 700 ° C. Current-voltage performance was measured.

이후 H2 공급을 중단(off)하고 3 시간 경과한 후 다시 H2 공급을 개시하고 전류 전압 특성을 측정한 후, 그대로 온도를 내리고 cell에서의 crack상태를 관찰 하였다. 이러한 실시 결과가 표 1에 나타나 있다.
After the H 2 supply was stopped (off) and after 3 hours, the H 2 supply was started again and the current voltage characteristics were measured. Then, the temperature was lowered and the crack state was observed in the cell. The results of these runs are shown in Table 1.

실시 예 2 Example 2

실시 예 1과 같이 cell을 제작하고 cell 온도를 750℃ 로 한 것을 제외하고는 실시 예 1과 같으며, 이러한 실시 결과가 표 1에 나타나 있다.
A cell was prepared as in Example 1 and the cell temperature was the same as that in Example 1 except that the temperature was 750 ° C. The results of such an implementation are shown in Table 1.

실시 예 3 Example 3

음극지지체 및 음극 기능층, 양극은 실시 예 1과 같이 제조하고, 전해질 1차 층을 YSZ 대신 ScSZ를 사용하여, 전해질 1차 및 2차 층이 모두 ScSZ 로 구성되며, 온도 820℃에서 측정된 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 실시하였다. 이러한 실시 결과가 표 1에 나타나 있다.
The negative electrode support, the negative electrode functional layer, and the positive electrode were prepared as in Example 1, and the electrolyte primary layer was used as ScSZ instead of YSZ, and both the electrolyte primary and secondary layers consisted of ScSZ, measured at a temperature of 820 ° C. Except that was carried out as in Example 1. The results of these runs are shown in Table 1.

실시 예 4 Example 4

실시 예 1과 같이 음극 기능층, 전해질, 양극을 코팅하되, 소성과정을 모두 대기 중에서 실시한 것을 제외하고는 실시 예 1과 같다. 이를 사용하여 cell성능을 온도 800℃에 측정하였으며, 이러한 실시 결과가 표 1에 나타나 있다.
Coating the negative electrode functional layer, the electrolyte, and the positive electrode as in Example 1, except that the firing process was all performed in the air. Using this, the cell performance was measured at a temperature of 800 ° C., and these results are shown in Table 1.

실시 예 5 Example 5

실시 예 1과 같이 음극지지체는 전체 혼합물 기준으로 YSZ 24wt%과 열팽창 조절 산화물 MgAl2O4 를 5wt%, Y2O3 11wt% 비율로 혼합하고, 여기에 약 60wt%에 해당하는 NiO를 첨가한 혼합 분말을 만들었으며, 이후 과정을 실시예 1과 같이 하되, 소결과정에서 아르곤(산소 불순물 약 10ppm) 을 사용한 것을 제외하고는 실시 예 1과 같으며 이러한 실시 결과가 표 1에 나타나 있다.
As in Example 1, the negative electrode support was mixed with YSZ 24wt% and thermal expansion control oxide MgAl 2 O 4 at 5wt%, Y 2 O 3 11wt% based on the total mixture, and NiO corresponding to about 60wt% was added thereto. A mixed powder was prepared, but the process was performed as in Example 1, except that argon (oxygen impurity about 10 ppm) was used in the sintering process, and was the same as in Example 1, and the results of the implementation are shown in Table 1.

실시 예 6 Example 6

음극지지체에서 YSZ 23 wt%, MgAl2O4 5wt%, Y2O3 12wt%, Co3O4 1wt% 와 NiO 59wt% 를 혼합한 분말을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 실시하였다. 이러한 실시 결과가 표 1에 나타나 있다.As in Example 1 , except that 23 wt% of YSZ, 5 wt% of MgAl 2 O 4 , 12 wt% of Y 2 O 3 , 1 wt% of Co 3 O 4 and 59 wt% of NiO were used. The results of these runs are shown in Table 1.

Figure pat00001
Figure pat00001

Claims (18)

a) NiO; b) YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 성분; 및 c) 열팽창 조절 산화물을 포함하여 이루어진 연료전지 지지체와, 선택적으로 표면에 음극층이 형성된 음극지지체에 전해질층 및 양극층을 형성하고, 900℃ 이상의 산소가 희박한 기류 하에서 소결하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법.a) NiO; b) at least one component selected from the group consisting of YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC; And c) forming an electrolyte layer and an anode layer on a fuel cell support including a thermal expansion control oxide, and optionally on a cathode support having a cathode layer formed on the surface thereof, and sintering under a sparse stream of oxygen of 900 ° C. or higher. Cell production method for an oxide fuel cell. 제1항에 있어서,
산소가 희박한 기류로는 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬리움(He), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 또는 이들의 하나 이상의 복합 성분을 공급하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조 방법.
The method of claim 1,
Oxygen-lean streams are characterized by supplying nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) or one or more combinations thereof. Cell manufacturing method for an oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 산소가 희박한 기류는 0.01 torr 이하의 진공 상태인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법
The method of claim 1,
The oxygen-lean stream of air is a solid oxide fuel cell manufacturing method, characterized in that the vacuum state of less than 0.01 torr.
제1항 또는 제2항에 있어서,
산소 (O2) 농도는 5.0부피% 이하인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조 방법.
The method according to claim 1 or 2,
Oxygen (O 2 ) concentration is 5.0 vol% or less cell manufacturing method for a solid oxide fuel cell.
제1항 또는 제2항에 있어서,
소결시 수소(H2), 일산화탄소(CO), 또는 탄화수소류(hydrocarbon류)가 5.0부피% 이하인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조 방법.
The method according to claim 1 or 2,
A method for manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell, wherein the hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), or hydrocarbons (hydrocarbons) are 5.0 vol% or less during sintering.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결온도는 900℃ 이상 1,600℃ 이하에서 진행되며, 상기 전해질의 소결은 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬리움(He), 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2) 또는 이들의 혼합물이거나 진공이 걸려 있는 상태의 산소 희박 기류 하에서 진행되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료 전지용 셀 제조방법.The method of claim 1, wherein the sintering temperature is performed at 900 ° C. or higher and 1,600 ° C. or lower, and the sintering of the electrolyte is nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), A method of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell, characterized in that the water vapor (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ) or a mixture thereof or proceeds under an oxygen lean airflow under a vacuum. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전해질층은 음극층이 코팅된 음극지지체를 전해질 슬러리 용액 속에서 딥 코팅을 실시하고, 이를 꺼내어 외부에서 음극지지체 내부에 진공을 걸어, 음극지지체 및 음극기능층, 그리고 전해질 코팅 층에 잔류하는 용매를 제거한 후 건조 소성하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법.According to claim 1 or 2, wherein the electrolyte layer is subjected to a dip coating the negative electrode support coated with the negative electrode layer in the electrolyte slurry solution, and to take out the vacuum from the outside to the inside of the negative electrode support, the negative electrode support and the negative electrode function A layer and a method for manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell, characterized in that dry firing after removing the solvent remaining in the electrolyte coating layer. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전해질 층은 YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC, 또는 이들 중 하나 이상을 포함하여 다층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the electrolyte layer is formed of a multilayer including YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC, or one or more thereof. 제8항에 있어서, 음극층과 접하는 전해질층은 YSZ, 또는 GDC, ScSZ, SmSZ의 복합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조 방법.The method for manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein the electrolyte layer in contact with the cathode layer is made of YSZ or a composite of GDC, ScSZ, SmSZ. a) NiO, b) YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 성분, 및 c) 열팽창 조절 산화물을 포함하여 이루어진 음극 지지체;
상기 음극 지지체에 선택적으로 형성되는 음극층;
상기 음극지지체 또는 음극층에 형성된 전해질층; 및
상기 전해질층에 형성된 양극층
을 포함하여 이루어지며,
상기 열팽창 조절 산화물은 열팽창률이 7.0x10-6/℃?10.0x10-6/℃ 인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
an anode support comprising a) NiO, b) at least one component selected from the group consisting of YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC, and c) thermal expansion controlling oxides;
A cathode layer selectively formed on the cathode support;
An electrolyte layer formed on the negative electrode support or the negative electrode layer; And
Anode layer formed on the electrolyte layer
, ≪ / RTI >
The thermal expansion control oxide is a solid oxide fuel cell, it characterized in that the thermal expansion coefficient of 7.0x10 -6 /℃?10.0x10 -6 / ℃.
제10항에 있어서,
상기 열팽창 조절 산화물은 AB2O4 (A/B = 0.3-0.6) 형태를 갖는 복합산화물 CaAl2O4, MgAl2O4, NiAl2O4, CuAl2O4, FeAl2O4 이나 Y2O3, Yb2O3, Al2O3 으로 이루어진 그룹에서 1종 또는 2종 이상 선택된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 10,
The thermal oxide is adjusted AB 2 O 4 (A / B = 0.3-0.6) CaAl composite oxide in the form 2 O 4, MgAl 2 O 4 , NiAl 2 O 4, CuAl 2 O 4, FeAl 2 O 4 and Y 2 Solid oxide fuel cell, characterized in that at least one selected from the group consisting of O 3 , Yb 2 O 3 , Al 2 O 3 .
제11항에 있어서,
상기 열팽창 조절 산화물은 평균입도가 0.3㎛~10㎛ 인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 11,
The thermal expansion control oxide is a solid oxide fuel cell, characterized in that the average particle size of 0.3㎛ ~ 10㎛.
제11항에 있어서,
상기 음극층은 NiO/YSZ, NiO/ScSZ, NiO/SmSZ 또는 NiO/GDC 또는 이들의 혼합물로 이루어지며, NiO의 함량은 45~53 wt%이며, 셀에서 음극층의 두께는 1?30㎛, 또는 3?25㎛ 인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 11,
The cathode layer is made of NiO / YSZ, NiO / ScSZ, NiO / SmSZ or NiO / GDC or a mixture thereof, the NiO content is 45 ~ 53 wt%, the thickness of the cathode layer in the cell is 1 ~ 30㎛, Or 3 to 25 µm.
제11항에 있어서,
음극지지체는 NiO가 50-70wt%, YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 성분과 열팽창 조절 산화물이 30-50 wt%로 이루어지며,
YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 성분과 열팽창 조절 산화물은 1:9~9:1의 중량비를 이루는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 11,
The negative electrode support is made of 50-70wt% NiO, YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC and at least one component selected from the group consisting of 30-50 wt% of thermal expansion control oxide,
At least one component selected from the group consisting of YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC and the thermal expansion control oxide is a solid oxide fuel cell, characterized in that the weight ratio of 1: 9-9: 1.
제10-14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음극지지체, 음극층, 전해질층, 양극층 중 적어도 어느 하나는 900℃ 이상의 산소가 희박한 기류 하에서 소결된 소결층인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method according to any one of claims 10-14,
At least one of the negative electrode support, the negative electrode layer, the electrolyte layer, and the positive electrode layer is a solid oxide fuel cell, characterized in that the sintered layer sintered under a stream of oxygen lean 900 ℃ or more.
a) NiO, Co2O3, CuO 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 성분;
b)YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 성분; 및
c) CaAl2O4, MgAl2O4, NiAl2O4, CuAl2O4, FeAl2O4, Y2O3, Yb2O3, Al2O3으로 이루어진 그룹에서 1종 또는 2종 이상 선택된 열팽창 조절 산화물을 포함하여 이루어지고,
여기서, a) 50~70 중량%, b)+c) 30~50 중량%이며, b)와 c)의 중량비는 1:9~9:1인
고체산화물 연료전지용 음극지지체.
a) at least one component selected from the group consisting of NiO, Co 2 O 3 , CuO;
b) at least one component selected from the group consisting of YSZ, ScSZ, SmSZ, GDC; And
c) 1 or 2 species from the group consisting of CaAl 2 O 4 , MgAl 2 O 4 , NiAl 2 O 4 , CuAl 2 O 4 , FeAl 2 O 4 , Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Al 2 O 3 It is made of the above selected thermal expansion control oxide,
Here, a) 50 to 70% by weight, b) + c) 30 to 50% by weight, the weight ratio of b) and c) is 1: 9-9: 1
Cathode support for solid oxide fuel cell.
제16항에 있어서,
상기 음극지지체는 Perovskite 산화물을 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 음극지지체.
17. The method of claim 16,
The anode support is a cathode support for a solid oxide fuel cell further comprising a Perovskite oxide.
제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 음극지지체는 열팽창율이 산화상태에서는 전해질층보다 적고, 환원 상태에서는 전해질층보다 큰 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
18. The method according to claim 16 or 17,
The cathode support is a solid oxide fuel cell, characterized in that the thermal expansion rate is less than the electrolyte layer in the oxidation state, and larger than the electrolyte layer in the reduced state.
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