KR20130047175A - Preparation method of solid oxide fuel cell having ceramic granule, and a fabrication thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전해질과 전극 간 계면 특성을 향상시켜 전지 성능이 개선된 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell having improved battery performance by improving an interface property between an electrolyte and an electrode, and a method of manufacturing the same.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 화석연료를 전지에너지로 변환시키는 과정에서 기존의 발전방식에 비해 CO2 배출량을 획기적으로 낮출 수 있는 친환경적이면서 고효율의 그린에너지로, 최근 그 중요성이 더욱 강조되고 있다. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is an eco-friendly and high-efficiency green energy that can drastically lower CO 2 emissions in the process of converting fossil fuel into battery energy. It is emphasized more.
고체산화물 연료전지는 고체전해질(solid electrolyte)이 있고, 양쪽에 애노드(연료극)과 캐소드(공기극)이 있으며 그 바깥쪽에 연결재(interconnect)가 있는 구조를 갖는다. 상기 고체전해질을 사이에 두고 양 전극에 산소와 수소를 공급해 주면 애노드와 캐소드 간에 산소 분압 차이가 형성되어 고체전해질을 통해 산소가 이동하려는 구동력이 생기게 된다. 이때 캐소드에서는 산소가 전자를 받아 산소이온으로 되어 전해질 막을 통과하여 애노드로 이동하고, 애노드에서는 산소 이온이 전자를 방출하고 수소가스와 반응하여 수증기로 된다. 이렇게 방출된 전자를 통해 전기에너지가 발생하게 되며 이 전기에너지를 인출하여 전력을 생산한다.A solid oxide fuel cell has a solid electrolyte, an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) on both sides, and an interconnecting structure (interconnect) on the outside thereof. When oxygen and hydrogen are supplied to both electrodes with the solid electrolyte interposed therebetween, an oxygen partial pressure difference is formed between the anode and the cathode, thereby driving a driving force to move oxygen through the solid electrolyte. At this time, the oxygen receives the electrons, becomes oxygen ions, passes through the electrolyte membrane, and moves to the anode. At the anode, oxygen ions release electrons and react with hydrogen gas to become water vapor. Electrical energy is generated through the emitted electrons, and the electrical energy is extracted to produce power.
상기 고체산화물 연료전지는 600~1000℃의 고온에서 작동되며 기존의 연료전지 중 가장 전력 변환 효율이 높으며, 다양한 연료를 사용할 수 있고, 폐열을 이용한 배열회수 및 복합발전이 가능하여 시스템의 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.The solid oxide fuel cell operates at a high temperature of 600-1000 ° C. and has the highest power conversion efficiency among existing fuel cells, and can use various fuels, and can recover heat and combine power generation using waste heat, thereby increasing system efficiency. There is an advantage to this.
이러한 고체산화물 연료전지는 고온에서 작동되므로 구성소재가 세라믹과 금속으로 이루어져 있어 재료의 기계적·화학적 안정성이 우수하고, 전해질의 손실/보충 문제가 없다. 그러나 전지 구성품이 고온을 견딜 수 있어야 하기 때문에 재료의 선택의 폭이 세라믹으로 제한될 수밖에 없다. 상기 세라믹 재료로 제조하는 경우에도 공정이 까다롭고 잘 제어된 분말제조 기술과 정밀한 성형기술 등 고난도의 기술을 요하기 때문에 제조단가가 높아지게 된다. Since the solid oxide fuel cell is operated at a high temperature, the component material is made of ceramic and metal, so the mechanical and chemical stability of the material is excellent, and there is no problem of loss / supplement of electrolyte. However, since battery components must be able to withstand high temperatures, the choice of materials is limited to ceramics. Even in the case of manufacturing the ceramic material, the manufacturing cost increases because the process is difficult and requires high-level technology such as well-controlled powder manufacturing technology and precise molding technology.
한편, 가장 일반적인 고체산화물 연료전지의 전해질 제조방법은 ㎛ 크기의 분말로부터 제조한 슬러리를 사용하는 테이프-캐스팅법(tape-casting) 및 침적코팅법(dip coating), 스크린 프린팅법(screen-printing) 등이 있으며, 그 중 박막을 제조하기 위해서 RF-스퍼터링 및 정전 분무 방식이 사용되고 있다.On the other hand, the most common method for producing an electrolyte of a solid oxide fuel cell is tape-casting, dip coating and screen-printing using a slurry prepared from a powder having a size of µm. Etc., among which RF-sputtering and electrostatic spraying methods are used.
RF-스퍼터링[L. Gerardo Jose et al, Microstructural Features of RF-sputtered SOFC Anode and Electrolyte Matrials, J. Elec., 13 691-695 2004], 화학기상증착법(CVD) [G. Meng et al, Novel CVD Techniques for Micro- and IT-SOFC Fabrication, Fuel Cells, 4 48-55 2004], 플라즈마-레이저 증착법(PLD, J.H. Joo et al, "Electrical conductivity of YSZ film grown by pulsed laser deposition", Thin Solid Films, 177 1053-1057 2006) 및 졸-겔(sol-gel)법 등의 반도체 공정을 사용한 전해질 박막화가 이루어질 수 있다. 또한, 본 출원인이 출원한 대한민국 특허공개 제2011-0004274호를 통해 정전 분무 공정으로 3㎛ 이하의 두께를 갖는 치밀한 박막 구조를 갖는 고체전해질 박막의 제조를 개시한 바 있다.RF-sputtering [L. Gerardo Jose et al, Microstructural Features of RF-sputtered SOFC Anode and Electrolyte Matrials, J. Elec., 13 691-695 2004], Chemical Vapor Deposition (CVD) [G. Meng et al, Novel CVD Techniques for Micro- and IT-SOFC Fabrication, Fuel Cells, 4 48-55 2004], PLD, JH Joo et al, "Electrical conductivity of YSZ film grown by pulsed laser deposition" , Thin Solid Films, 177 1053-1057 2006) and the thin film of the electrolyte using a semiconductor process such as sol-gel (sol-gel) method can be performed. In addition, the Korean Patent Application Publication No. 2011-0004274 filed by the present applicant has disclosed the production of a solid electrolyte thin film having a dense thin film structure having a thickness of less than 3㎛ by the electrostatic spraying process.
스퍼터링이나 정전 분무를 통해 제조된 고체전해질 박막은 치밀하고 매끈한 박막 구조를 가지는데, 이 경우 고체전해질과 접하는 전극, 특히 다공성 전극의 경우 고체전해질과 전극 간의 접촉 면적이 현저히 낮아진다. The solid electrolyte thin film manufactured by sputtering or electrostatic spraying has a dense and smooth thin film structure. In this case, the contact area between the solid electrolyte and the electrode is significantly lower in the case of an electrode contacting the solid electrolyte, particularly a porous electrode.
접촉 면적과 관련하여 전해질과 전극간의 계면 저항 증가를 억제하기 위해, 대한민국 특허공개 제2009-0061870호는 나노 사이즈의 YSZ 파우더를 이용하여 테이프 캐스팅을 통해 전해질을 형성함으로써, 전해질로 인한 고체산화물 연료전지의 출력 성능 저하를 억제할 수 있다고 개시하고 있다.In order to suppress the increase in the interfacial resistance between the electrolyte and the electrode with respect to the contact area, Korean Patent Publication No. 2009-0061870 discloses an electrolyte through tape casting using nano-sized YSZ powder, thereby forming a solid oxide fuel cell. It is disclosed that the decrease in output performance can be suppressed.
또한, 대한민국 특허공개 제2010-0091842호는 1차 입자인 YSZ 및 NiO가 나노 크기로 형성된 나노 다공성 복합체로 인해 비표면적이 높여, 특히 표면 상에 주름 구조를 가질 수 있어 삼상계면을 극대화시킴에 따라 고체전해질 연료 전지의 성능이 향상될 수 있다고 언급하고 있다. In addition, the Republic of Korea Patent Publication No. 2010-0091842 is due to the nanoporous composite formed by the nanoparticles of YSZ and NiO primary particles to increase the specific surface area, in particular can have a wrinkle structure on the surface to maximize the three-phase interface It is mentioned that the performance of solid electrolyte fuel cells can be improved.
이에 본 발명에서는 고체전해질과 전극 간 접하는 접촉 면적이 증가하여 이들 간 계면 특성이 개선되어 전지 성능을 향상할 수 있는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same, which can improve battery performance by increasing the contact area between the solid electrolyte and the electrode, thereby improving the interfacial properties therebetween.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다공성 박막으로 이루어진 애노드 및 캐소드와, 이들 사이에 개재된 고체전해질 박막을 포함하고, In order to achieve the above object, the present invention includes an anode and a cathode made of a porous thin film, and a solid electrolyte thin film interposed therebetween,
상기 캐소드와 접하는 고체전해질 박막 상에 세라믹 과립이 존재하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.Provided is a solid oxide fuel cell, wherein ceramic granules are present on a solid electrolyte thin film in contact with the cathode.
또한, 본 발명은 In addition,
다공성 애노드를 제조하고,Preparing a porous anode,
상기 다공성 애노드 상에 고체전해질 박막을 형성하고, Forming a solid electrolyte thin film on the porous anode,
상기 고체전해질 박막 상에 다공성 캐소드를 형성하는 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서,In the solid oxide fuel cell manufacturing method of forming a porous cathode on the solid electrolyte thin film,
상기 다공성 캐소드 형성 이전에 고체전해질 박막 상에 세라믹 원료 분말을 포함하는 슬러리 조성물을 정전 분무 후 열처리를 통해 세라믹 과립을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a solid oxide fuel cell comprising the step of forming a ceramic granules by electrothermal spraying and heat treatment after the slurry composition comprising a ceramic raw material powder on a solid electrolyte thin film prior to forming the porous cathode.
본 발명에 따라 제조된 고체산화물 연료전지는 전해질 박막 상에 위치하여 상기 전해질 박막과 전극 간의 접촉 면적을 증가시켜 이들 간 계면에서의 저항을 충분히 낮춤에 따라 전지 성능, 특히 고온에서의 전지 성능이 크게 향상하는 효과를 갖는다.The solid oxide fuel cell manufactured according to the present invention is located on the electrolyte thin film to increase the contact area between the electrolyte thin film and the electrode, thereby sufficiently lowering the resistance at the interface between them, thereby greatly increasing the battery performance, especially at high temperatures. Has the effect of improving.
도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지를 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명에서 사용한 정전 분무 장치의 모식도이다.
도 3은 실시예 1에서 제조한 고체산화물 연료전지의 단면 이미지이다.
도 4는 세라믹 과립을 보여주는 이미지 사진으로, (a)는 측면, (b)는 단면, (c)는 정면에서 보여주는 이미지이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 연료전지의 전압-전류 특성 변화를 보여주는 그래프이다.1 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell according to the present invention.
It is a schematic diagram of the electrostatic spray apparatus used by this invention.
3 is a cross-sectional image of the solid oxide fuel cell manufactured in Example 1. FIG.
Figure 4 is an image photograph showing the ceramic granules, (a) is a side, (b) is a cross-section, (c) is an image shown from the front.
5 is a graph showing changes in voltage-current characteristics of the fuel cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
고체산화물 연료전지는 애노드 상에 고체전해질 박막을 형성하고, 형성된 고체전해질 박막 상에 캐소드를 형성하여 제조하며, 바람직하기로 전극은 다공성 구조를, 고체전해질은 치밀한 박막 구조를 갖도록 제조한다. 그러나 이러한 구조에서 고체전해질이 치밀한 박막으로 형성되기 때문에 이와 접하는 다공성 구조를 갖는 전극과의 접촉 면적이 상대적으로 줄어들어 계면에서의 저항이 증가한다.The solid oxide fuel cell is manufactured by forming a solid electrolyte thin film on the anode and forming a cathode on the formed solid electrolyte thin film. Preferably, the electrode is manufactured to have a porous structure and the solid electrolyte has a dense thin film structure. However, in this structure, since the solid electrolyte is formed into a dense thin film, the contact area with the electrode having the porous structure in contact therewith is relatively reduced, thereby increasing the resistance at the interface.
이에 본 발명에서는 치밀한 박막 구조를 갖는 고체전해질과 다공성 전극과의 접촉 면적을 높여 이들 간 계면에서의 접촉 특성을 향상시킬 수 있도록 구조적으로, 상기 고체전해질 박막에 위치하고, 제조방법 적으로 정전 분무를 수행하여 공정을 단순화함과 동시에 다공성 전극과 고체전해질 박막 간의 접촉 면적을 증가시킨다.Therefore, the present invention is structurally located in the solid electrolyte thin film so that the contact area between the solid electrolyte having a dense thin film structure and the porous electrode can be improved to improve the contact characteristics at the interface therebetween, and electrostatic spraying is performed by the manufacturing method. Thereby simplifying the process and increasing the contact area between the porous electrode and the solid electrolyte thin film.
도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지를 보여주는 모식도이다. 도 1을 참조하면, 고체산화물 연료전지(100)는 애노드(101)과 캐소드(107), 이들 사이에 고체전해질(103)이 개재되며, 상기 고체전해질(103) 상부에 세라믹 과립(105)이 형성된다. 1 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell according to the present invention. Referring to FIG. 1, the solid
세라믹 과립(105)은 고체전해질 박막(103) 전면에 걸쳐 그 상부에 위치하며, 이때 상기 세라믹 과립(105)은 층(layer)을 형성할 정도로 존재하지 않는다. 도 4를 보면, 세라믹 과립(105)이 고체전해질 박막(103) 상부에 균일하게 형성됨을 확인할 수 있다.The
세라믹 과립(105)은 볼 형태의 구조를 가지며, 평균 입경이 1 내지 5㎛를 갖는다. 이러한 세라믹 과립(105)의 입경이 너무 작거나 큰 경우 적절한 계면 특성 향상 효과를 기대할 수 없다. 구체적으로, 평균 입경이 상기 범위 미만이면 세라믹 과립(105) 형성에 따른 고체전해질(103) 박막 영역의 비표면적을 충분히 증가시키지 못하고, 반대로 상기 범위를 초과하면 세라믹 과립(105)에 의해 고체전해질 박막(103)과 캐소드(107)의 접촉이 충분히 이루어지지 않는 문제가 발생한다. The
이러한 세라믹 과립(105)은 이미 언급한 바와 같이 층을 형성하지 않는 수준으로 형성하되, 고체전해질(103) 박막과 전극, 특히 캐소드(107)와의 직접적인 접촉이 충분히 이루어질 수 있도록 상기 고체전해질(103) 박막 전체 면적에 대해 10 내지 80%의 면적비 범위 내에서 형성하는 것이 바람직하다. 만약, 그 면적비가 상기 범위 미만이면 세라믹 과립(105) 형성에 따른 효과를 충분히 확보할 수 없고, 반대로 상기 범위를 초과하면 세라믹 과립(105)이 층 형태로 고체전해질(103) 박막 상에 형성되어 고체전해질(103)과 캐소드(107) 간의 직접적인 접촉 영역이 감소되어, 결과적으로 연료전지의 전지 특성이 저하되는 문제가 발생한다.As described above, the
이때, 세라믹 과립(105)은 고체전해질(103) 박막 상에 균일하게 분포될 수 있으며, 계면 저항이나 전지 특성에 영향을 줄 수 있도록 고체전해질(103)과 동일 또는 유사 재질을 사용한다. 바람직하기로, 이트리아 안정화 지르코니아(이하 'YSZ'라 한다), ZrO2계. CeO2계, Bi2O3계, LaGaO3계, ScSZ(Sc2O3-안정화 ZrO2), LSGM((La, Sr)(Ga, Mg)O3)계 산화물, LaMnO3계, (La, Sr)MnO3, Sr-도핑 LaMnO3, LaCoO3계, Sr-도핑된 LaCrO3(LSC), CeO2계, Gd-도핑 CeO2, Sm-도핑 CeO2, SrTiO3, Y-도핑 SrTiO3, 텅스텐 카바이드(WC), La0 .7Sr0 .3Cr3 -δ/YSZ, Sc-도핑 Zr02(100 중량%이하), LaGaMnOx 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.In this case, the
상기한 세라믹 과립(105)을 포함하는 고체산화물 연료전지(100)에 있어서, 애노드(101)와 캐소드(107)는 다공성 박막 구조를 가지며, 고체전해질(103) 박막은 치밀한 구조를 갖는다. In the solid
이때 애노드, 캐소드 및 고체전해질(101, 107, 103)의 재질은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 공지된 바의 재질이면 어느 것이든 가능하다.At this time, the material of the anode, the cathode and the solid electrolyte (101, 107, 103) is not particularly limited in the present invention, as long as it is a material known in the art.
일례로, 애노드(101) 재료로는 Ni-YSZ계, Ni-ScSZ계, Ni-CeO2계, (Ni, Gd)CeO2, (Ni, Sm)CeO2, (Co, YSZ)CeO2, (Co, Gd)CeO2, (Y1 - xCax)Fe1 - yCoyO3, (Gd1 -xSrx)sFe1-yCoyO3 또는 (Gd1 - xCax)sFe1 - yCoyO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하기로 GDC(Gd-도핑 CeO2)계를 사용하며, 0.1 내지 1.0mm의 두께를 갖는 다공성 박막으로 이루어진다. For example, the material of the
캐소드(107)는 LaMnO3계, Sr-도핑 LaMnO3(LSM), LaCoO3계, Sr-도핑된 LaCoO3(LSC), Sr,Fe-도핑된 LaCoO3(LSCF) SrCoO3계, Sm-도핑된 SrCoO3 (SSC) Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 (BSCF) 및 전해질 물질과의 혼합 조성으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하기로 BSCF를 사용하여, 0.1 내지 1.0mm의 두께를 갖는 다공성 막으로 이루어진다. CeO2계, Gd-도핑 CeO2, Sm-도핑 CeO2, SrTiO3, Y-도핑 SrTiO3, 텅스텐 카바이드(WC), La0 .7Sr0 .3Cr3 -δ/YSZ, Gd 또는 Sm-도핑 산화세륨(10~100 중량% 미만), Sc-도핑 Zr02(100 중량%이하), LaGaMnOx 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하기로 LaMnO3를 사용하여, 0.1 내지 1.0mm의 두께를 갖는 다공성 박막으로 이루어진다.
또한, 고체전해질(103)은 YSZ, ZrO2계. CeO2계, Bi2O3계, LaGaO3계, ScSZ(Sc2O3-안정화 ZrO2), LSGM((La, Sr)(Ga, Mg)O3)계 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하기로는 GDC를 사용하여, 5㎛ 이하의 박막으로 형성한다.In addition, the
상기 애노드, 캐소드 및 고체전해질(101, 107, 1033)은 상기 언급한 재질을 포함하여 공지된 바의 단층 박막 또는 다층 박막으로 형성이 가능하다.The anode, the cathode and the
이들을 포함하는 고체산화물 연료전지(100)는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 기판 상에 애노드 형성용 슬러리 조성물을 제조하여 테이프 캐스팅, 침적 코팅 및 스크린 코팅과 같은 습식코팅, 스퍼터링과 같은 증착 공정, 또는 정전 분무가 가능하다.The solid
특히, 세라믹 과립(105)은 상기 습식 코팅이나 스퍼터링을 통해 형성이 불가능하며, 정전 분무를 수행하여 형성할 수 있다.In particular, the
구체적으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 다공성 애노드를 제조하고, 상기 다공성 애노드 상에 고체전해질 박막을 형성하고, 상기 고체전해질 박막 상에 세라믹 원료 분말을 포함하는 슬러리 조성물을 정전 분무 후 열처리를 통해 세라믹 과립을 형성한 후, 그 상부에 다공성 캐소드를 형성하여 제조된다.
Specifically, in the solid oxide fuel cell according to the present invention, a porous anode is prepared, a solid electrolyte thin film is formed on the porous anode, and a slurry composition including ceramic raw material powder on the solid electrolyte thin film is subjected to electrostatic spraying and then heat treatment. After forming the ceramic granules through, it is prepared by forming a porous cathode on top.
이하 제조방법을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the manufacturing method will be described in detail.
먼저, 고체산화물 연료전지에 사용되는 애노드(anode, 연료극)을 준비한다.First, an anode used for a solid oxide fuel cell is prepared.
이때 애노드의 제조는 다양한 방법이 이루어질 수 있으며, 바람직하기로 애노드 형성용 분말을 이용하여 일축 압축 성형을 통해 제조한다.
At this time, the production of the anode can be made in a variety of ways, preferably by uniaxial compression molding using the powder for forming the anode.
다음으로, 상기 애노드 상에 고체전해질 박막을 형성한다.Next, a solid electrolyte thin film is formed on the anode.
고체전해질 박막의 형성 또한 공지 방법이 사용될 수 있으며, 바람직하기로 5㎛ 이하 두께의 치밀한 박막을 얻기 위해 정전 분무 방식을 통해 제조가 가능하다. 특히, 고체전해질 박막 또한 정전 분무 방식으로 제조할 경우, 그 상부에 형성되는 세라믹 과립 또한 정전 분무 방식으로 이루어지므로 동일한 장치와 방법을 통해 수행할 수 있어, 공정이 간편한 이점이 있다.
The formation of a solid electrolyte thin film may also be a well-known method. Preferably, the solid electrolyte thin film may be manufactured by electrostatic spraying to obtain a dense thin film having a thickness of 5 μm or less. In particular, when the solid electrolyte thin film is also produced by the electrostatic spray method, since the ceramic granules formed on the electrostatic spray method can also be carried out through the same apparatus and method, there is an advantage that the process is simple.
다음으로, 상기 고체전해질 박막 상에 세라믹 과립을 형성한다. Next, ceramic granules are formed on the solid electrolyte thin film.
세라믹 과립은 세라믹 원료 분말을 포함하는 슬러리 조성물을 이용하여 고체전해질 박막 상에 정전 분무 후 열처리를 거쳐 제조될 수 있다.Ceramic granules may be prepared through electrostatic spraying and heat treatment on a solid electrolyte thin film using a slurry composition containing a ceramic raw material powder.
이때 슬러리 조성물은 볼 형태를 가지며 마이크로 수준의 입경을 갖는 세라믹 과립을 형성하기 위해 세라믹 원료 분말과 함께, 상기 세라믹 원료 분말이 안정한 분산상을 이루고 정전 분무에 적합하도록 다양한 조성을 포함한다. In this case, the slurry composition includes various compositions such that the ceramic raw material powder forms a stable dispersed phase and is suitable for electrostatic spraying together with the ceramic raw material powder to form ceramic granules having a ball shape and having a micro level particle diameter.
특히, 세라믹 원료 분말은 평균 입경이 나노 수준, 바람직하기로 10nm 내지 900nm, 바람직하기로 10 내지 500nm인 것을 사용한다. 이러한 나노 수준의 세라믹 원료 분말은 정전 분무 후 열처리를 통해 분말 간의 재결합을 통해 볼 형태의 과립으로 제조가 가능하다. 이러한 입자 크기의 제한은 일예로 볼밀 공정과 같은 통상의 밀링 공정을 통해 수행이 가능하다. 볼밀 공정시 사용가능한 볼밀 장치는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 대표적으로 어트리터(attritor), 3-D mixer, 유성형볼밀(planetary ball-mill),진동볼밀(vibratory ball-mill), 수평식 볼밀(horizontal ball-mill) 등 다양한 볼밀 장치가 가능하다.In particular, the ceramic raw material powder uses an average particle diameter of nano level, preferably 10 nm to 900 nm, preferably 10 to 500 nm. The nano-level ceramic raw material powder can be prepared into ball-shaped granules through recombination between powders through electrostatic spraying and heat treatment. Such particle size limitation can be carried out through conventional milling processes such as, for example, ball mill processes. The ball mill apparatus that can be used in the ball mill process is not particularly limited in the present invention, and typically, an attritor, a 3-D mixer, a planetary ball mill, a vibratory ball mill, a horizontal ball mill Various ball mills are available, including horizontal ball mills.
상기 세라믹 원료 분말을 정전 분무 방법에 적용하기 위해 슬러리 조성물을 제조하기 위해 여러 첨가제가 사용될 수 있으며, 일례로 분산 안정성을 높이기 위한 분산제, 바인더 및 분산을 위한 용매를 포함하고, 추가적으로 정전 분무시 액적 형성을 위해 계면활성제와 가소제와 같은 첨가제를 포함한다. 상기 용매, 분산제, 바인더 및 첨가제는 기판에 도포 후 열처리를 통해 제거되고, 이러한 제거에 의해 나노 분말 간의 재결합이 이루어져 세라믹 과립을 형성한다.Various additives may be used to prepare a slurry composition for applying the ceramic raw material powder to an electrostatic spray method, and include, for example, a dispersant for increasing dispersion stability, a binder, and a solvent for dispersion, and additionally, forming droplets during electrostatic spraying. And additives such as surfactants and plasticizers. The solvent, the dispersant, the binder, and the additive are removed by heat treatment after coating on the substrate, and by this removal, recombination between the nanopowders is performed to form ceramic granules.
분산제로는 피쉬 오일, 인산계 에스테르, 폴리에틸렌글리콜에테르, 알킬술폰산염, 폴리카르복실산염, 알킬암모늄염, 하이퍼머케이디계(Hypermer™ KD) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용하고, 바람직하기로는 하이퍼머케이디계 중 KD-15를 사용한다.As the dispersant, one kind selected from the group consisting of fish oil, phosphoric acid ester, polyethylene glycol ether, alkyl sulfonate, polycarboxylate, alkyl ammonium salt, hypermerkaid (Hypermer ™ KD), and combinations thereof, Preferably, KD-15 is used in the hypermeradiide system.
계면활성제는 분산제와 함께 분무 단계에서 원료 분말을 보다 작은 크기의 액적으로 형성시키고, 슬러리 조성물 내 분산 안정성을 향상시키기 위해 사용한다. 상기 계면활성제로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으나, 비이온 계면활성제가 바람직하며, Tween-20, Triton X-100 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용하며, 바람직하기로는 Triton X-100을 사용한다.The surfactant is used together with the dispersant to form the raw powder into smaller droplets in the spraying step and to improve dispersion stability in the slurry composition. The surfactant is not particularly limited in the present invention, but a nonionic surfactant is preferable, and one selected from the group consisting of Tween-20, Triton X-100, and combinations thereof is used, and preferably Triton X- 100 is used.
바인더는 나노 분말끼리, 그리고 나노 분말로 이루어진 세라믹 과립과 하층의 고체전해질 박막 간의 결합력 또는 접착력을 높일 목적으로 사용한다. 상기 바인더는 PVB(폴리비닐부티랄), PVA(폴리비닐알코올), 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오즈 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용하고, 바람직하기로는 PVB를 사용한다.The binder is used for the purpose of increasing the bonding strength or adhesion between the nanopowders and the ceramic granules made of the nanopowders and the thin layer of the solid electrolyte. The binder is selected from the group consisting of PVB (polyvinyl butyral), PVA (polyvinyl alcohol), ethyl hydroxyethyl cellulose, and combinations thereof, and preferably PVB is used.
가소제는 분산제와 함께 정전 분무 단계에서 세라믹 분말을 보다 작은 크기의 액적 형성을 위해 사용하며, 대표적으로, 글리세롤, 에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 비스 2-에틸헥실 세바케이트, 디옥틸프탈레이트, 트리페닐포스페이트, 트리오일포스페이트, 부틸 벤질 프탈레이트, 디부틸프탈레이트, 폴리에틸렌글리콜 디메틸 에테르, 디메틸포름아미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용한슬러리 조성물의 분산매로 사용하는 용매는 비수계 용매가 사용될 수 있으며, 이러한 비수계 용매로는 고리형 카보네이트류, 사슬형 카보네이트류, 고리형 에스테르류, 사슬형 에스테르류, 고리형 에테르류, 사슬형 에테르류, 황 함유 유기용매로 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용한다. 바람직하기로, 상기 비수계 용매로는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 및 에틸메틸카보네이트가 가능하다.Plasticizers, together with dispersants, use ceramic powders for the formation of smaller droplets in the electrostatic spraying step, typically glycerol, ethylene glycol, polyethylene glycol, bis 2-ethylhexyl sebacate, dioctylphthalate, triphenylphosphate, As the solvent used as the dispersion medium of the slurry composition using one selected from the group consisting of trioyl phosphate, butyl benzyl phthalate, dibutyl phthalate, polyethylene glycol dimethyl ether, dimethylformamide, and a combination thereof, a non-aqueous solvent may be used. Such non-aqueous solvents are selected from the group consisting of cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic esters, chain esters, cyclic ethers, chain ethers, sulfur-containing organic solvents, and combinations thereof. 1 type is used. Preferably, the non-aqueous solvent may be ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate.
또한, 수계 용매가 사용될 수 있으며, 상기 수계 용매로는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 톨루엔, 물, 또는 이들의 혼합 용매가 가능하며, 바람직하기로는 이소프로판올, 톨루엔 혼합 용매를 사용한다.In addition, an aqueous solvent may be used, and the aqueous solvent may be methanol, ethanol, isopropanol, toluene, water, or a mixed solvent thereof. Preferably, an isopropanol or toluene mixed solvent is used.
이렇게 슬러리 조성물을 이루는 세라믹 원료 분말, 분산제, 계면활성제, 바인더, 가소제 및 용매 조성은 그 조성의 선택뿐만 아니라 정전 분무 공정에 적합하도록 각 조성이 갖는 효과를 발휘할 수 있도록 그 함량이 제어되어야 한다. 부연하면, 각 조성의 종류에 따라 각 슬러리 조성물의 분산 특성 및 세라믹 과립의 모폴로지가 달라질 수 있으므로 최적의 조성 선택이 중요하며, 이는 전술한 바의 조성 및 함량 범위 내에서 적절히 선별 선택될 수 있다.The composition of the ceramic raw material powder, dispersant, surfactant, binder, plasticizer and solvent constituting the slurry composition must be controlled so that the composition can exert the effect of each composition to be suitable for the electrostatic spray process as well as the selection of the composition. In other words, since the dispersion properties of each slurry composition and the morphology of the ceramic granules may vary according to the type of each composition, the optimal composition selection is important, which may be appropriately selected and selected within the composition and content ranges described above.
바람직하기로, 슬러리 조성물은 세라믹 원료 분말 100 중량부에 대하여 분산제 0.1 내지 10 중량부, 계면활성제 0.1 내지 10 중량부, 바인더 1 내지 25 중량부, 가소제 0.1 내지 10 중량부, 및 수계 용매 100 내지 500 중량부를 포함한다. Preferably, the slurry composition is 0.1 to 10 parts by weight of dispersant, 0.1 to 10 parts by weight of surfactant, 1 to 25 parts by weight of binder, 0.1 to 10 parts by weight of plasticizer, and 100 to 500 parts of aqueous solvent based on 100 parts by weight of ceramic raw material powder. It includes parts by weight.
슬러리 조성물 내 분산제의 함량이 상기 범위 미만이면 세라믹 원료 분말이 슬러리 조성물 내 균일하게 분산되지 않아, 각 슬러리 조성물 내 응집, 뭉침 또는 침전 등의 현상이 발생하고, 정전 분무 공정에서 노즐 막힘 현상을 유발한다. 반대로 상기 범위를 초과하여 사용하더라도 비용 대비 효과가 크게 증가하지 않으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.When the content of the dispersant in the slurry composition is less than the above range, the ceramic raw material powder is not uniformly dispersed in the slurry composition, so that phenomena such as agglomeration, agglomeration or precipitation in each slurry composition occur and cause nozzle clogging in the electrostatic spraying process. . On the contrary, even if it exceeds the said range, since cost-effectiveness does not increase significantly, it uses suitably within the said range.
또한, 슬러리 조성물 내 바인더의 함량이 상기 범위 미만이면 분무 후 기판 표면에 대한 세라믹 분말의 접착력이 저하되고, 상기 범위를 초과하면, 필요 이상으로 높은 바인더의 사용에 열처리 온도 및 시간이 증가할 뿐만 아니라 다공질 산화물 입자 내에 잔류할 우려가 있다.In addition, when the content of the binder in the slurry composition is less than the above range, the adhesion of the ceramic powder to the surface of the substrate after spraying is lowered. When the content of the binder exceeds the above range, the heat treatment temperature and time are not only increased for the use of the binder higher than necessary. There exists a possibility to remain in porous oxide particle.
특히, 슬러리 조성물에만 사용되는 계면활성제는 그 함량이 상기 범위 미만이면 원료 분말의 분산 특성이 나빠 슬러리 조성물 내 응집, 뭉침 또는 침전 등의 현상이 발생한다. 반대로 상기 범위를 초과하여 사용하더라도 비용 대비 효과가 크게 증가하지 않으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다. 또한, 가소제의 함량이 상기 범위 미만이면 슬러리 조성물의 분산 안정성이 저하되고, 반대로 상기 범위를 초과하여 사용하더라도 비용 대비 효과가 크게 증가하지 않으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.In particular, when the surfactant is used only in the slurry composition, if the content is less than the above range, the dispersing property of the raw material powder is poor, and phenomenon such as aggregation, agglomeration or precipitation in the slurry composition occurs. On the contrary, even if it exceeds the said range, since cost-effectiveness does not increase significantly, it uses suitably within the said range. In addition, when the content of the plasticizer is less than the above range, the dispersion stability of the slurry composition is lowered. On the contrary, even if the content of the plasticizer exceeds the above range, the cost-effectiveness does not increase significantly.
상기 슬러리 조성물의 제조는 통상의 방법이 사용될 수 있으며, 일예로 혼합기 내에 용매, 각종 첨가제(계면활성제, 분산제, 가소제, 바인더 등)를 넣어 혼합한 후, 세라믹 분말(예, YSZ 또는 LSM)을 첨가하여 균일하게 혼합하여 수행한다. A conventional method may be used to prepare the slurry composition. For example, a solvent, various additives (surfactant, dispersant, plasticizer, binder, and the like) are mixed in a mixer, and then ceramic powder (eg, YSZ or LSM) is added. By mixing evenly.
특히, 본 발명에 따른 슬러리 조성물은 입자 크기가 나노 수준의 분말을 사용하기 때문에 각각의 입자로 분산시키는 것이 대단히 중요하므로, 완전한 분산이 이루어질 수 있도록 분산제와 바인더의 종류 및 함량의 선정이 매우 중요하다. 상기 분산제-바인더는 피시오일-PVA, 또는 KD15-PVB의 조합으로 사용한 경우 높은 분산 안정성을 나타내었으며, 그중 KD15-PVB가 높은 용해도를 가져 가장 안정한 슬러리 분산성을 나타낸다.In particular, since the slurry composition according to the present invention has a particle size of nano-level powder, it is very important to disperse the particles into individual particles. Therefore, selection of the type and content of the dispersant and the binder is very important to achieve complete dispersion. . The dispersant-binder showed high dispersion stability when used in combination with fish oil-PVA, or KD15-PVB, of which KD15-PVB had the highest solubility and showed the most stable slurry dispersibility.
정전 분무 공정은 통상의 정전 분무 장치가 사용될 수 있으며, 바람직하기로 도 2에서 제시한 바의 장치를 사용하여 수행할 수 있다. 이때 도 2의 장치에 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 각 구성요소에 다른 장치가 삽입될 수 있다. The electrostatic spraying process may use a conventional electrostatic spraying device, and may be preferably performed using the apparatus as shown in FIG. In this case, another device may be inserted into each component by a person skilled in the art in the device of FIG. 2.
특히, 본 발명에서는 정전 분무시 경우 슬러리 조성물을 하향으로 분무하는 하향식 분무 방식을 통해 볼 형태의 세라믹 과립을 얻을 수 있다. 본 발명자들의 실험에 따르면, 상기 장치를 상향식으로 설치하여 수행할 경우 세라믹 과립을 얻을 수는 있으나 입자 크기가 균일하지 못한 문제가 발생하였다.In particular, in the present invention, it is possible to obtain ceramic granules in the form of a ball through a top-down spraying method in which the slurry composition is sprayed downward in the case of electrostatic spraying. According to the experiments of the present inventors, when the apparatus is installed in a bottom-up manner, ceramic granules can be obtained, but particle size is not uniform.
도 1에서 제시한 정전 분무 방법을 위한 장치는 정전 분무 챔버(10), 슬러리 조성물 저장조(11), 노즐(12), 시린지 펌프(13), 전위차 발생 장치(14), 기판(15), 기판 홀더(16), 온도 조절기(17), 및 스텝 모터(18)를 포함한다.The apparatus for the electrostatic spray method shown in FIG. 1 includes an
먼저, 이전 단계에서 제조된 다공성 애노드 상에 고체전해질 박막이 형성된 구조체를 기판(15)으로서 사용하여, 기판 홀더(16)에 장착한다.First, the structure in which the solid electrolyte thin film is formed on the porous anode prepared in the previous step is used as the
이어, 세라믹 과립 형성을 위한 슬러리 조성물을 슬러리 조성물 저장소(11)에 주입한 후, 시린지 펌프(13)를 이용하여 슬러리 조성물 저장소(11) 내 슬러리 조성물을 가압을 통해 노즐(12) 측으로 이송하여 정전 분무 공정을 수행한다..Then, after injecting the slurry composition for forming ceramic granules into the
상기 노즐(12)은 액적을 형성하기 위해 원통 형상을 가지며 내부를 따라 길고 가는 모세관 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이때 노즐(12)은 직경이 0.01~1.0 mm, 바람직하기로 0.31 mm인 것을 사용하여 마이크론 수준의 액적을 형성한다. 이러한 노즐(12)의 직경은 인가되는 전압, 슬러리 조성물의 농도 등을 적절히 고려하여 변형이 가능하다. The
노즐을 이용한 분무는 통상적으로 사용하는 드리핑 모드, 콘-젯 모드, 멀티-젯 모드가 가능하다. 이때 상기 드리핑 모드는 중력에 의해 적하하여 분무되는 방식이고, 콘-젯 모드는 전체적으로 균일한 액적으로 미세화되어 고르게 분무되는 방식으로 수행하며, 멀티-젯 모드는 콘-젯 모드에서 보다 큰 직류전압을 노즐에 인가하였을 때 형성되는 모드로써, 2개 혹은 그 이상으로 갈라져서 분무되는 방식이다. 본 발명에서는 다공질의 과립 형태로 얻기 위해 멀티-젯 모드로 수행하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로 4~6개의 분무 줄기를 이루는 멀티-젯을 유지하는 것이 효과적이다.Spraying using the nozzle is possible in the conventional dripping mode, cone-jet mode, multi-jet mode. At this time, the dripping mode is sprayed by dropping by gravity, and the cone-jet mode is performed in such a way that the atomization is uniformly atomized by the overall uniform droplets, and the multi-jet mode generates a larger DC voltage in the cone-jet mode. It is a mode that is formed when applied to the nozzle, is divided into two or more spraying method. In the present invention, it is preferable to carry out in the multi-jet mode in order to obtain in the form of porous granules, and more preferably, it is effective to maintain the multi-jet forming 4 to 6 spray stems.
상기 노즐(12)은 전기장을 발생시키는 전위차 발생 장치(14)와 연결된다. 이러한 전위차 발생 장치(14)는 접지가 음의 전하로 흐르는 경우 슬러리 조성물이 양의 전하로 대전되도록 한다.The
다음으로, 상기 노즐(12)을 이용해 슬러리 조성물을 분무하여 액적을 형성하고, 이러한 액적은 기판(15) 표면에 흡착한다.Next, a droplet is formed by spraying the slurry composition using the
이때 챔버 내 형성되는 전계에 의해 보다 미세하고 균일한 크기의 액적이 형성될 수 있으며, 전압을 조절함으로써 크기 제어가 가능하다. 일례로 전압이 크면 클수록 액적이 작아지며, 마이크론 수준의 액적을 형성하기 위해선 상기 전압은 1~20 kV, 바람직하기로 5~18 kV로 인가된다. At this time, droplets of finer and uniform size can be formed by the electric field formed in the chamber, and the size can be controlled by adjusting the voltage. For example, the larger the voltage, the smaller the droplet, and in order to form a micron level droplet, the voltage is applied at 1-20 kV, preferably 5-18 kV.
상기 액적의 크기는 슬러리 조성물의 유량에 비례하며(A.M. Ganan-Calvo, J.Aerosol.Sci.28,249, 1997), 용액 유량이 클수록 액적의 크기가 증가하고 건조를 통해 액적 내 용매 등의 제거에 의해 세라믹 과립이 형성된다.The droplet size is proportional to the flow rate of the slurry composition (AM Ganan-Calvo, J. Aerosol. Sci. 28,249, 1997), and the larger the flow rate of the solution, the larger the droplet size is and the removal of solvent in the droplets through drying. Ceramic granules are formed.
이때 상기 기판(15)은 노즐(12)과 소정 거리 이격하도록 배치하는데, 즉, 노즐-기판(12, 15) 간의 거리에 따라 형성된 다공질 산화물 입자의 모폴로지에 차이가 나타난다. 바람직하기로, 노즐-기판(12, 15)과의 거리는 1~10cm가 되도록 조절하여 수행한다.At this time, the
또한, 분무를 통해 이송되는 액적이 기판(15) 상에 균일하게 분포될 수 있도록 상기 기판 지지대(16)는 스텝 모터(18)와 연결한다. 상기 스텝 모터(18)는 한 축을 중심으로 왕복, 진동 및 회전운동 가능하도록 하는 장치로서, 기판(15) 상에 액적을 균일한 두께로 흡착시킨다.The
상기 분무를 통한 증착 시간은 최종 얻어지는 다공질 산화물 입자의 물성에 영향을 준다. 상기 증착 시간이 증가에 따라 나타낸 바와 같이 다공질 세라믹 과립으로 이루어진 층의 두께가 선형적으로 증가하여 증착 시간의 조절만으로 용이하게 제어할 수 있음을 알 수 있다.The deposition time through the spray affects the physical properties of the finally obtained porous oxide particles. As the deposition time is increased, it can be seen that the thickness of the layer made of porous ceramic granules increases linearly and can be easily controlled only by adjusting the deposition time.
상기 정전 분무 방법은 슬러리 조성물을 전계 분위기 하에 노즐을 통해 분무하여 수행하고, 이때 기판과 노즐간 거리는 1~10cm, 슬러리 유량은 0.1~10ml/h, DC 전압은 1~20kV, 분무 시간은 1분~60분 동안 수행한다. 바람직하기로는 기판과 노즐간 거리는 5~8cm, 슬러리 유량은 4~6ml/h, DC 전압은 5~10kV, 증착시간은 0.1분~20분 동안 수행한다.
The electrostatic spray method is carried out by spraying the slurry composition through a nozzle in an electric field atmosphere, wherein the distance between the substrate and the nozzle is 1 ~ 10cm, slurry flow rate is 0.1 ~ 10ml / h, DC voltage is 1 ~ 20kV, spraying time is 1 minute Perform for 60 minutes. Preferably, the distance between the substrate and the nozzle is 5 to 8 cm, the slurry flow rate is 4 to 6 ml / h, the DC voltage is 5 to 10 kV, and the deposition time is performed for 0.1 to 20 minutes.
다음으로, 상기 기판(15)에 흡착된 액적은 건조 및 열처리를 통해 액적 내 함유된 용매 및 부산물이 제거되어 세라믹 과립이 형성된다.Next, the droplets adsorbed on the
건조는 상온에서 수행하는 것이 바람직하며 이러한 건조 공정은 별도의 건조 장치를 통해 수행할 수 있으며, 본 발명에서는 기판(15)을 가열하여 수행한다. Drying is preferably carried out at room temperature and this drying process may be carried out through a separate drying device, in the present invention is carried out by heating the
특히 열처리는 세라믹 과립이 치밀한 구조를 가지며, 볼 형태로 고체전해질 박막 상에 충분히 형성할 수 있음과 동시에 상기 고체전해질 박막과 높은 접착력으로 지지될 수 있도록 충분히 높은 온도에서 수행한다. 상기 열처리는 200~1400℃에서 1~3시간 동안 수행하며, 이때 재질에 따라 상기 열처리 온도를 변화시킬 수 있다. 특히, 낮은 열처리 온도에서는 유기물이 충분히 제거되지 않고 세라믹 과립이 치밀한 구조가 아닌 다공성 구조로 얻어지기 때문에 비교적 고온에서 수행한다. 이때 열처리는 상기 정전 분무 챔버(10) 내에서 온도 조절기(16)의 온도 제어를 통해 수행하거나, 별도의 열처리 장치로 이송하여 수행할 수 있다. In particular, the heat treatment is carried out at a sufficiently high temperature so that the ceramic granules have a dense structure, can be sufficiently formed on the solid electrolyte thin film in the form of balls and can be supported by the solid electrolyte thin film with high adhesion. The heat treatment is carried out for 1 to 3 hours at 200 ~ 1400 ℃, at this time can change the heat treatment temperature according to the material. In particular, at a low heat treatment temperature, the organic material is not sufficiently removed and the ceramic granules are obtained in a porous structure rather than a dense structure, so they are performed at a relatively high temperature. In this case, the heat treatment may be performed by controlling the temperature of the
상기한 단계를 수행을 통해 기판(15) 상에 형성된 세라믹 과립은 입경이 1~5㎛인 볼 형태를 가지며, 기공이 없은 치밀한 구조를 갖는다. 이때 세라믹 과립이 치밀한 구조가 아닌 기공이 있는 다공성 과립일 경우 전해질과 캐소드 간 계면 특성의 증가가 가능할 수 있으나, 치밀한 전해질의 격자 안을 통해 이동하는 산소이온의 이동 통로가 줄어들게 되므로 치밀한 구조를 갖는 세라믹 과립 만큼 고체전해질과 캐소드 간의 계면 저항 감소 효과를 충분히 나타낼 수 없다. The ceramic granules formed on the
이와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 과립은 정전 분무시 인가 전압, 노즐-기판과의 거리, 기판 온도, 분무 시간, 열처리 온도 등의 조절을 통해 세라믹 과립의 모폴로지를 제어할 수 있다. 또한, 간단한 장비를 사용하고 상온 상압에서 공정이 가능함에 따라 공정이 용이하고 제조 비용을 크게 줄일 수 있게 되었다.
As described above, the ceramic granules according to the present invention can control the morphology of the ceramic granules by adjusting the applied voltage during electrostatic spraying, the distance from the nozzle-substrate, the substrate temperature, the spraying time, and the heat treatment temperature. In addition, the use of simple equipment and processing at room temperature and atmospheric pressure makes the process easier and significantly reduces manufacturing costs.
다음으로, 상기 세라믹 과립을 포함하여 고체전해질 박막 전체에 걸쳐 캐소드를 형성한다.Next, a cathode is formed over the entire solid electrolyte thin film including the ceramic granules.
이때 캐소드는 다공성 구조를 갖는 것이 바람직하며, 이 또한 고체전해질 박막과 같은 정전 분무 방식을 통해 제조가 가능하다.
In this case, the cathode preferably has a porous structure, which may also be manufactured through an electrostatic spray method such as a solid electrolyte thin film.
전술한 바의 방법을 거쳐 제조된 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 전해질 박막과 전극 간의 접촉 면적이 증가하여 이들 계면에서의 저항이 저감되어 결과적으로 연료전지의 성능 향상을 가져온다.In the solid oxide fuel cell according to the present invention manufactured by the above-described method, the contact area between the electrolyte thin film and the electrode is increased, so that the resistance at these interfaces is reduced, resulting in improved performance of the fuel cell.
본 발명의 실험예에 따르면, 세라믹 과립이 형성된 연료전지의 경우 형성되지 않은 연료전지에 비해 전압-전류 특성의 향상을 보였으며, 특히 400~800℃의 온도에서도 향상되는 효과를 확인할 수 있다.
According to the experimental example of the present invention, the fuel cell in which the ceramic granules were formed showed an improvement in voltage-current characteristics compared to the fuel cell that was not formed, and in particular, it was confirmed that the effect is improved even at a temperature of 400 ~ 800 ℃.
[실시예][Example]
이하 본 발명의 바람직한 실시예와 실험예를 제시한다. 그러나 하기한 예는 본 발명의 바람직한 일 예일 뿐 이러한 예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and experimental examples of the present invention are presented. However, the following examples are only preferable examples of the present invention, and the present invention is not limited to these examples.
실시예Example 1 One
NiO, GDC, 및 기공 형성제로 카본 블랙을 6:4:0.1의 중량비로 혼합한 다음, 디스크 형태의 기판으로 일축 가압성형하여 다공성 애노드(두께 약 1000㎛)을 제조하였다.Carbon black was mixed with NiO, GDC, and a pore former in a weight ratio of 6: 4: 0.1, and then uniaxially press-molded into a disk-shaped substrate to prepare a porous anode (thickness of about 1000 μm).
상기 애노드 상에 정전 분무를 수행하여 치밀한 박막 구조를 갖는 GDC 세라믹 전해질 박막(두께 10㎛)을 형성하였으며, 그 상부에 GDC 세라믹 과립을 형성하였다. 이어서, GDC 세라믹 과립이 형성된 GDC 세라믹 전해질 박막 전면에 걸쳐 다공성 캐소드 BSCF를 동일한 방식의 정전 분무를 통해 코팅하여 Ni-GDC/GDC/과립 GDC/BSCF 구조를 갖는 고체산화물 단위전지를 제조하였다. 이때 집전체로 Pt 페이스트를 사용하였다.Electrostatic spraying was performed on the anode to form a GDC ceramic electrolyte thin film (
상기 세라믹 전해질 박막, 세라믹 과립 및 캐소드는 각각의 슬러리 조성물을 제조 후, 도 1의 장치를 이용하여 정전 분무 공정을 통해 제조하였으며, 이때 조성 및 정전 분무 조건을 하기 표 1에 나타내었다.The ceramic electrolyte thin film, the ceramic granules, and the cathode were prepared through the electrostatic spraying process using the apparatus of FIG. 1 after preparing each slurry composition, wherein the composition and the electrostatic spraying conditions are shown in Table 1 below.
이소프로필 알코올/톨루엔(7:3) 50ml,
폴리비닐부티랄 0.5g5 g of GDC powder
50 ml of isopropyl alcohol / toluene (7: 3),
0.5 g of polyvinyl butyral
인가전압: 10kV,
노즐- 기판 거리: 7cm
분무시간: 20분
건조: 상온, 2시간
열처리: 1400℃, 3시간Slurry flow rate: 5mL / h
Applied voltage: 10kV
Nozzle-Board Distance: 7cm
Spray time: 20 minutes
Drying: room temperature, 2 hours
Heat treatment: 1400 ℃, 3 hours
이소프로필 알코올/톨루엔(7:3) 50ml,
Triton X-100: 0.6g
피시오일: 0.6g
PVB 바인더: 1.5g5 g of GDC powder
50 ml of isopropyl alcohol / toluene (7: 3),
Triton X-100: 0.6g
Fish oil: 0.6 g
PVB Binder: 1.5g
인가전압: 12kV,
노즐- 기판 거리: 5cm
분무시간: 10~30초
건조: 상온, 2시간
열처리: 1400℃, 1시간Slurry flow rate: 6mL / h
Applied voltage: 12kV,
Nozzle-Board Distance: 5cm
Spray time: 10-30 seconds
Drying: room temperature, 2 hours
Heat treatment: 1400 ℃, 1 hour
이소프로필 알코올/톨루엔(7:3): 50ml,
폴리비닐부티랄: 0.5g Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8
Isopropyl alcohol / toluene (7: 3): 50 ml,
Polyvinyl Butyral: 0.5g
인가전압: 10kV,
노즐- 기판 거리: 7cm
분무시간: 20분
건조: 상온, 2시간
열처리: 1150℃, 2시간Slurry flow rate: 5mL / h
Applied voltage: 10kV
Nozzle-Board Distance: 7cm
Spray time: 20 minutes
Drying: room temperature, 2 hours
Heat treatment: 1150 ℃, 2 hours
비교예Comparative example 1 One
상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 세라믹 과립을 제외하여 고체산화물 연료전지를 제조하였다.
A solid oxide fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except for ceramic granules.
실험예Experimental Example 1: 주사전자현미경 분석 1: Scanning Electron Microscope Analysis
상기 실시예 1에서 제조한 고체산화물 연료전지의 정면, 단면 및 표면에 대해 주사전자현미경을 이용하여 이미지를 측정하였으며, 얻어진 결과를 도 2 및 3에 나타내었다.Images of the solid oxide fuel cell prepared in Example 1 were measured using a scanning electron microscope, and the obtained results are shown in FIGS. 2 and 3.
도 3은 실시예 1에서 제조한 고체산화물 연료전지의 단면 이미지로서, 캐소드 및 애노드는 다공성 구조이며, 고체전해질 박막은 치밀한 구조로 형성됨을 알 수 있다.3 is a cross-sectional image of the solid oxide fuel cell prepared in Example 1, the cathode and the anode is a porous structure, it can be seen that the solid electrolyte thin film is formed in a dense structure.
도 4는 세라믹 과립을 보여주는 이미지 사진으로, 도 4의 (a)와 같이 세라믹 과립이 고체전해질 박막 상에 볼 형태로 형성됨을 알 수 있다. 이때 볼 크기는 약 3.5㎛ 수준으로 입자 크기가 거의 균일함을 알 수 있다.Figure 4 is an image showing the ceramic granules, as shown in Figure 4 (a) it can be seen that the ceramic granules are formed in a ball shape on the solid electrolyte thin film. At this time, the ball size is about 3.5㎛ level can be seen that the particle size is almost uniform.
또한, 단면 이미지인 도 4의 (b)에서 보이는 바와 같이 고체전해질 박막과 세라믹 과립 간 계면이 뚜렷이 존재하지 않아, 세라믹 과립이 높은 접착력으로 고체전해질 박막 상에 형성됨을 알 수 있다. In addition, as shown in (b) of FIG. 4, the interface between the solid electrolyte thin film and the ceramic granules is not clearly present, and thus, the ceramic granules are formed on the solid electrolyte thin film with high adhesion.
그리고, 도 4의 (c)에서 나타낸 바와 같이, 세라믹 과립은 고체전해질 박막 전면에 걸쳐 고루 분포하되, 층(layer)을 형성하지 않음을 알 수 있다. 또한, 이미지 프로그램(photoshop)을 이용하여 면적비를 측정한 결과, 10×5㎠의 면적에서 고체전해질 박막에 대해 세라믹 과립이 약 25%의 면적비로 존재함을 확인하였다.
And, as shown in Figure 4 (c), the ceramic granules are evenly distributed over the entire surface of the solid electrolyte thin film, it can be seen that does not form a layer (layer). In addition, when the area ratio was measured using an image program (photoshop), it was confirmed that the ceramic granules were present in the area ratio of about 25% with respect to the solid electrolyte thin film in the area of 10 × 5 cm 2.
실험예Experimental Example 2: 단위 전지 평가 2: unit cell evaluation
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 연료전지를 사용하여 온도 변화에 따른 전지 특성을 평가하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.Using the fuel cells prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was evaluated the battery characteristics according to the temperature change, the results are shown in FIG.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 연료전지의 전압-전류 특성 변화를 보여주는 그래프로서, 세라믹 과립이 형성된 실시예 1의 전지 특성이 최대 35.7%까지 향상되는 결과를 보였다.FIG. 5 is a graph showing a change in voltage-current characteristics of the fuel cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1, wherein the battery characteristics of Example 1 in which ceramic granules were formed were improved by up to 35.7%.
특히, 고온인 750℃에서 약 12.4%의 성능 향상과 저온인 550℃에서 35.7%의 높은 특성 향상을 보여, 저온 및 고온형 고체산화물 연료전지로서 사용이 가능함을 입증하였다.
In particular, the high performance of about 12.4% at high temperature 750 ℃ and 35.7% at low temperature 550 ℃ has proved that it can be used as a low-temperature and high-temperature solid oxide fuel cell.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 저온 뿐만 아니라 고온에서도 우수한 전지 특성을 보여 모든 온도 영역, 특히 400~800℃의 온도 범위에서 고체산화물 연료전지로서 사용이 가능하다.The solid oxide fuel cell according to the present invention exhibits excellent battery characteristics not only at low temperatures but also at high temperatures, and thus can be used as a solid oxide fuel cell in all temperature ranges, particularly in the temperature range of 400 to 800 ° C.
10: 정전 분무 챔버 11: 슬러리 조성물 저장조
12: 노즐 13: 시린지 펌프
14: 전위차 발생 장치 15: 기판
16: 기판 홀더 17: 온도 조절기
18: 스텝 모터10: electrostatic spray chamber 11: slurry composition reservoir
12: nozzle 13: syringe pump
14: potential difference generator 15: substrate
16: substrate holder 17: thermostat
18: step motor
Claims (15)
상기 캐소드와 접하는 고체전해질 박막 상에 세라믹 과립이 존재하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.An anode and a cathode made of a porous thin film, and a solid electrolyte thin film interposed therebetween,
Solid oxide fuel cell, characterized in that the ceramic granules on the solid electrolyte thin film in contact with the cathode.
NiO-GDC(gadolinium doped ceria) 애노드; BSCF(Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O3) 캐소드; GDC 전해질 박막; 및 상기 전해질 박막 상에 1~5㎛ 크기의 GDC 세라믹 과립이 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The method of claim 1, wherein the solid oxide battery
Gadolinium doped ceria (NiO-GDC) anodes; BSCF (Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O 3) cathode; GDC electrolyte thin film; And GDC ceramic granules having a size of 1 to 5 μm on the electrolyte thin film.
상기 다공성 애노드 상에 고체전해질 박막을 형성하고,
상기 고체전해질 박막 상에 다공성 캐소드를 형성하는 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서,
상기 다공성 캐소드 형성 이전에 고체전해질 박막 상에 세라믹 원료 분말을 포함하는 슬러리 조성물을 정전 분무 후 열처리를 통해 세라믹 과립을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.Preparing a porous anode,
Forming a solid electrolyte thin film on the porous anode,
In the solid oxide fuel cell manufacturing method of forming a porous cathode on the solid electrolyte thin film,
And forming ceramic granules through electrothermal spraying and thermally treating the slurry composition including the ceramic raw material powder on the solid electrolyte thin film before forming the porous cathode.
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