KR20130050402A - A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell - Google Patents

A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell Download PDF

Info

Publication number
KR20130050402A
KR20130050402A KR1020110115119A KR20110115119A KR20130050402A KR 20130050402 A KR20130050402 A KR 20130050402A KR 1020110115119 A KR1020110115119 A KR 1020110115119A KR 20110115119 A KR20110115119 A KR 20110115119A KR 20130050402 A KR20130050402 A KR 20130050402A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
metal support
layer
cell
oxide fuel
Prior art date
Application number
KR1020110115119A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101883401B1 (en
Inventor
문지웅
이성연
전중환
전재호
이재민
Original Assignee
재단법인 포항산업과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인 포항산업과학연구원 filed Critical 재단법인 포항산업과학연구원
Priority to KR1020110115119A priority Critical patent/KR101883401B1/en
Publication of KR20130050402A publication Critical patent/KR20130050402A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101883401B1 publication Critical patent/KR101883401B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1286Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8825Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8857Casting, e.g. tape casting, vacuum slip casting
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8878Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882Heat treatment, e.g. drying, baking
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8878Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8896Pressing, rolling, calendering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/126Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing cerium oxide
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0068Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071Oxides
    • H01M2300/0074Ion conductive at high temperature
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of a metal-supported solid oxide fuel cell is provided to easily control thickness of various layers, to improve productivity, and to improve strength and flexibility of fuel cells. CONSTITUTION: A manufacturing method of a metal-supported solid oxide fuel cell, which includes a metal support, a diffusion-preventing layer, a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer, comprises a step of laminating and attaching a green sheet, which is manufactured by tape-casting raw material powder composing the diffusion-preventing layer, fuel electrode layer, and solid electrolyte layer, on one side of the metal support, using a warm isotactic press process.

Description

금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법 {A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell} A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell}

본 발명은 고체 산화물 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 후속 열처리 공정에서 수축이 일어나지 않는 소결된 다공성 금속지지체 또는 가스 채널이 형성된 금속박판을 금속지지체로 사용하고 그 한쪽면에 확산방지층과 연료극층 그리고 고체전해질층을 각각 테이프 캐스팅 한 그린 시트를 차례로 적층하고 이를 동시 소성하여 금속지체형 고체산화물 연료전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly, a sintered porous metal support or a metal plate on which gas channels are formed, which does not shrink in a subsequent heat treatment process, as a metal support, and on one side thereof, a diffusion barrier layer and an anode layer. In addition, the present invention relates to a method of manufacturing a metal support solid oxide fuel cell by sequentially stacking green sheets obtained by tape casting the solid electrolyte layers, respectively, and simultaneously firing the green sheets.

고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 고체전해질층과, 고체전해질층의 일면에 위치하는 연료극(음극)과, 고체전해질층(막)의 다른 일면에 위치하는 공기극(양극)을 포함한다.A solid oxide fuel cell (SOFC) has a structure in which a plurality of electricity generating units each comprising a unit cell and a separator plate are stacked. The unit cell includes a solid electrolyte layer, a fuel electrode (cathode) located on one surface of the solid electrolyte layer, and an air electrode (anode) located on the other surface of the solid electrolyte layer (film).

공기극에 산소를 공급하고 연료극에 수소를 공급하면, 공기극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 고체전해질층을 지나 연료극으로 이동한 후 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다. 따라서 고체전해질층은 가스가 직접 통과할 수 없는 치밀한 이온전도성 층으로 이루어지고, 공기극 및 연료극은 가스투과가 용이한 다공성 구조와 혼합전도(전자 및 이온전도)성을 나타내어야 한다.When oxygen is supplied to the cathode and hydrogen is supplied to the anode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen at the cathode move through the solid electrolyte layer to the anode and react with hydrogen supplied to the anode to generate water. At this time, electrons flow from the anode to the external circuit in the process of consumption and transfer to the cathode, the unit cell uses the electron flow to produce electrical energy. Therefore, the solid electrolyte layer is composed of a dense ion conductive layer through which gas cannot pass directly, and the air electrode and the fuel electrode should exhibit a porous structure and mixed conductivity (electron and ion conductivity) which are easily permeable to gas.

고체산화물 연료전지로는 전해질 지지체형 셀(Electrolyte - Supported Cell(ESC)형과, 공기극 지지체형 셀형 또는 연료극 지지체형 셀형이 있다. 이 중에서 전해질 지지체형 셀형(ESC)은 기계적 지지체 역할을 하는 두꺼운 전해질 층과 얇은 연료극 층 및 공기극 층으로 구성된다. 전해질 지지체형 셀의 경우 기계적 지지체 역할에 필요한 100 ~ 500 um 두께의 고체전해질을 사용할 경우, 고체전해질의 오옴(Ohmic)저항이 크기 때문에 일정 수준의 단전지 성능을 얻기 위해서는 연료전지를 850~1000 ℃ 의 고온에서 운전해야 한다. 이 경우 스택과 주변장치(balance - of - plant, BOP)에 고가의 내열, 내 산화성 소재를 사용해야 하기 때문에 SOFC 제작 단가가 상승한다는 문제점이 있다.The solid oxide fuel cell includes an electrolyte-supported cell (ESC) type and an air electrode-supported cell type or an anode-supported cell type, among which an electrolyte-supported cell type (ESC) is a thick electrolyte that serves as a mechanical support. Layer, thin anode layer, and cathode layer In the case of the electrolyte support cell, when the solid electrolyte having a thickness of 100 to 500 um necessary for the mechanical support role is used, the ohmic resistance of the solid electrolyte is large. In order to achieve battery performance, fuel cells must be operated at high temperatures of 850 to 1000 ° C. In this case, expensive and heat resistant and oxidizing materials must be used for stacks and balance-of-plants (BOPs). There is a problem to rise.

연료극 지지체형 셀은 300 ~ 1000 um 두께의 연료극 층 위에 5 ~ 20um 두께의 얇은 고체전해질 층을 형성하여 전해질의 오옴(Ohmic)을 줄임으로써 800oC 미만의 중온으로 SOFC 작도온도를 온도를 낮출 수 있어 경제성이 개선되었지만, 세라믹 특유의 취성 파괴 문제를 극복해야만 상기 SOFC 스택의 신뢰성 확보가 가능하다. The anode support cell forms a thin solid electrolyte layer of 5 to 20 um thick on the anode layer 300 to 1000 um thick to reduce ohmicity of the electrolyte, thereby lowering the SOFC operating temperature to a medium temperature of less than 800 o C. Although the economical efficiency is improved, the reliability of the SOFC stack can be secured only when the brittle fracture problem peculiar to ceramics is overcome.

이에 반하여 금속지지체형 셀 (MSC)은 금속을 지지체로 사용하기 때문에 셀 제조 비용이 저렴 할 뿐만 아니라 매우 우수한 강도와 유연성을 갖는다.On the other hand, since the metal support cell (MSC) uses a metal as a support, it is not only inexpensive to manufacture a cell, but also has excellent strength and flexibility.

이러한 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 그 셀 구조가 금속지지체/연료극/고체전해질의 순서로 적층된 형태로 이루어진다.Such a metal-supported solid oxide fuel cell has a cell structure in which a metal support / an anode / a solid electrolyte are stacked in this order.

이러한 적층 구조에서 금속지지체 층과 연료극 층은 가스투과가 용이한 다공체 구조로하고, 고체전해질 층은 가스를 투과하지 않는 치밀 구조로 하는 것이 바람직하다.In such a laminated structure, it is preferable that the metal support layer and the anode layer have a porous structure that facilitates gas permeation, and the solid electrolyte layer has a dense structure that does not transmit gas.

또한 고체전해질 층은 금속지지체 및 연료극 층에 비하여 저항이 크기 때문에 가스 투과가 되지 않는 범위 내에서 가능한 두께가 얇은 것이 바람직하다.In addition, since the solid electrolyte layer has a higher resistance than the metal support and the anode layer, it is preferable that the thickness of the solid electrolyte layer is as thin as possible within the range where gas permeation is not possible.

금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법으로는 금속지지체와 연료극 층 그리고 고체전해질 층을 형성하는 분말을 각각 테이프캐스팅하여 제조한 그린시트를 적층(lamination) 후에 환원분위기에서 동시소성(co - firing) 하는 방법이 있다.As a method of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell, co-firing is performed in a reducing atmosphere after lamination of a green sheet manufactured by tape-casting powders forming a metal support, an anode layer, and a solid electrolyte layer, respectively. There is a way.

그러나 상기의 방법은 고체전해질층과, 연료극층, 금속 지지체층 각각의 열팽창 계수, 소결 수축률 등을 정밀하게 제어하고, 금속 지지체가 고온 동시소성 후에도 충분한 기공률을 갖도록 금속의 조성, 입자크기, 표면 거칠기 및 소성 분위기를 정밀하게 제어하여야만 한다는 문제점이 있다. 또한 이러한 제조방법은 셀을 대면적화 할 경우 각 층 간의 미세한 소결 수축률 및 열팽창 계수 차이로 인하여 셀에 핀 홀(pin - hole)이나 휨이 발생할 확률이 커지는 단점이 있다.However, in the above method, the composition of the metal, the particle size, the surface roughness and the surface roughness are controlled so that the solid electrolyte layer, the thermal expansion coefficient of each of the anode layer and the metal support layer, and the sintering shrinkage ratio are precisely controlled and the metal support has a sufficient porosity even after high- And the firing atmosphere must be precisely controlled. In addition, such a manufacturing method has a disadvantage in that a large pin-hole or warpage is more likely to occur in the cell due to the fine sintering shrinkage rate and thermal expansion coefficient difference between the layers when the cell is large.

또한 상기 방법에서는 동시 소성 과정에서 금속 지지체의 산화를 막기 위해 환원 분위기 소결을 하는데, 이때 연료극 구성 물질인 NiO 가 Ni 로 환원되어, 급격한 입자 성장 현상이 발생하여 연료극의 전기화학적 활성이 감소하여 셀 성능이 저하되는 문제점이 있다.In addition, in the above method, sintering is carried out in a reducing atmosphere to prevent oxidation of the metal support during the co-firing process. At this time, NiO, the anode constituent material, is reduced to Ni, resulting in rapid grain growth, thereby reducing the electrochemical activity of the anode, thereby improving cell performance. There is a problem of this deterioration.

금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀을 제조하는데 있어서, 열처리 공정에서 수축이 일어나지 않는 미리 소결된 다공성 금속지지체 또는 금속박판을 금속지지체로 사용하고, 상기 금속지지체 위에 형성되는 각 구성층을 제조하는데 있어서 각 구성 층을 테이프 캐스팅하고 이를, 적층 및 동시소성하는 공정을 이용하여, 경제성이 우수한 금속지지체형 셀 제조 방법을 제공한다.In manufacturing a cell for a metal support type solid oxide fuel cell, using a pre-sintered porous metal support or a metal sheet which does not occur shrinkage in the heat treatment process as a metal support, and in producing each component layer formed on the metal support Using a process of tape casting a constituent layer and laminating and co-firing, a method of manufacturing a metal support cell having excellent economy is provided.

본 발명의 일 실시예는 금속지지체, 확산방지층, 연료극층, 고체전해질층 그리고 공기극 층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법에 있어서, 상기 금속지지체의 한쪽면에 상기 확산방지층과 상기 연료극층 그리고 상기 고체전해질층을 구성하는 원료분말을 테이프 캐스팅하여 제조된 그린 시트를 온간등방압프레스(Warm Isostatic Press; WIP)공정을 이용하여 적층하여 접합하는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법을 제공한다.In one embodiment of the present invention, a metal support type solid oxide fuel cell cell manufacturing method comprising a metal support, a diffusion barrier layer, an anode layer, a solid electrolyte layer and a cathode layer, wherein the diffusion barrier layer and the one side of the metal support Metal support-type solid oxide, characterized in that the green sheet manufactured by tape casting the raw material powder constituting the anode layer and the solid electrolyte layer by laminating by using a warm isostatic press (WIP) process. It provides a fuel cell manufacturing method.

본 발명의 일실예는 사용하고자 하는 금속지지체로 후속 열처리 공정에서 수축이 일어나지 않는 소결된 다공성 금속지지체 또는 가스 채널이 형성된 금속박판을 사용하는 것이 바람직하다. In one embodiment of the present invention, it is preferable to use a sintered porous metal support or a metal plate on which gas channels are formed which do not shrink in a subsequent heat treatment process as a metal support to be used.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법은Method of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention

ⅰ) 상기 금속지지체를 준비하는 제1단계; I) a first step of preparing the metal support;

ⅱ) 상기 금속지지체의 어느 한쪽 면에 상기 온간등방압프레스(WIP) 공정을 이용하여 상기 확산방지층의 그린 시트와 상기 연료극층의 그린 시트 그리고 고체전해질층의 그린 시트를 차례로 적층하는 제2단계;Ii) a second step of sequentially stacking the green sheet of the diffusion barrier layer, the green sheet of the anode layer and the green electrolyte layer of a solid electrolyte layer on one surface of the metal support using the warm isotropic pressure press (WIP) process;

ⅲ) 상기 금속지지체 위에 적층된 상기 그린 시트의 결합제와 가소제를 제거하는 제3단계;Iii) removing the binder and the plasticizer of the green sheet stacked on the metal support;

ⅳ) 상기 바인더를 제거한 적층체를 냉간등방압프레스(CIP)공정을 실시하여 상기 확산방지층과 상기 연료극층 그리고 상기 고체전해질층을 압축 성형하는 제4단계;A fourth step of compressing the diffusion barrier layer, the anode layer, and the solid electrolyte layer by performing a cold isotropic press (CIP) process on the laminate from which the binder is removed;

ⅴ) 상기 냉간등방압프레스로 성형한 적층체를 동시소성하는 제5단계; 및Iii) a fifth step of simultaneously firing the laminate molded by the cold isotropic press; And

ⅵ) 상기 소결된 고체전해질층 위에 상기 공기극을 스크린 인쇄하는 제6단계; 를 포함하여 이루어진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법을 제공한다.Iii) screen printing the cathode on the sintered solid electrolyte layer; The present invention also provides a method of manufacturing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell.

이러한 본 발명의 제조방법에서 제2단계의 각 그린시트는 테이프 캐스팅에 의하여 형성하는 것이 바람직하다.In the manufacturing method of the present invention, each green sheet of the second step is preferably formed by tape casting.

그리고 본 발명의 제조방법에서 제2단계의 각 온간등방압프레스(WIP) 공정은 형성된 각 그린시트를 진공포장하고 상기 진공포장된 상기 적층체를 실린더 내부의 물 온도가 60~80℃로 유지되는 정수압프레스 장치에 넣고 100~300kgf/cm2 의 압력을 10~40분간 인가하여 실시하는 것이 바람직하다.In the manufacturing method of the present invention, each warm isotropic pressure press (WIP) process of the second step is to vacuum-pack each formed green sheet and maintain the temperature of the water inside the cylinder in the vacuum-packed laminate at 60 to 80 ° C. It is preferable to carry out by putting into a hydrostatic pressure press apparatus and applying the pressure of 100-300 kgf / cm <2> for 10-40 minutes.

또한 본 발명의 제조방법에서 제3단계에서 결합제와 가소제를 제거하는 공정은 공기중에서 분당 1~3 oC 의 승온 속도로 승온하면서 200oC, 350oC, 500℃ 에서 각각 2~5 시간 이상 유지하는 것이 바람직하다. In addition, the step of removing the binder and the plasticizer in the third step in the manufacturing method of the present invention is at least 2 ~ 5 hours at 200 o C, 350 o C, 500 ℃ while raising the temperature at an elevated temperature of 1 ~ 3 o C per minute in air It is desirable to maintain.

또한 본 발명의 제조방법에서 제4단계의 각 냉간등방압프레스(CIP)공정은 상기 적층체를 진공으로 포장한 다음 냉간등방압프레스기에 투입한 상태에서 냉간등방압프레스기에서 1,000~5,000kgf/cm2 의 등방압을 5~30분간 인가하여 실시하는 것이 바람직하다. In addition, in the manufacturing method of the present invention, each cold isostatic pressure press (CIP) step of the fourth step is 1,000 ~ 5,000kgf / cm in a cold isotropic pressure press in the state in which the laminate is packaged in a vacuum and then put into a cold isostatic press It is preferable to carry out by applying isotropic pressure of 2 to 5 to 30 minutes.

그리고 본 발명의 제조방법에서 제5단계의 소결은 아르곤 분위기의 소결로에서 1,000~1070℃ 범위에서 1~5 시간 범위로 열처리하는 것이 바람직하다. And the sintering of the fifth step in the production method of the present invention is preferably heat-treated for 1 to 5 hours in the range of 1,000 ~ 1070 ℃ in the sintering furnace of argon atmosphere.

또한 본 발명의 제조방법에서 제5단계의 공기극층은 셀 제조 단계에서는 별도의 열처리를 하지 않고, 스택 또는 셀 평가시 밀봉재를 접합하는 과정에서 750~850℃ 범위에서 열처리되는 것이 바람직하다. In addition, the cathode layer of the fifth step in the manufacturing method of the present invention is not heat-treated in the cell manufacturing step, it is preferable that the heat treatment in the range of 750 ~ 850 ℃ in the process of bonding the sealing material during the stack or cell evaluation.

한편, 본 발명의 제조방법에서 확산방지층은 CeO2, Ce1 - xLnxO2 , (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0 ~ 0.2) (La1 - xAx)Cr1 - yByO3 ±δ (A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5, δ=0~0.3), (La 1-x Ax)s Ti 1-y ByO3 ±δ (A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.6; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3), (Sr1 - xAx)sTi1 - yNbyO3 ±δ(A= Y, La, Gd, Sm 혹은 그 혼합물, x = 0.05~0.2; y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3) 중에서 단독 또는 하나 이상이 선택된 복합체인 것이 바람직하다.On the other hand, the diffusion barrier layer in the production method of the present invention, CeO 2, Ce 1 - x Ln x O 2 -δ, (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) (La 1 - x A x ) Cr 1 - y B y O 3 ± δ (A = Sr, Ca, or mixtures thereof x = 0.1-0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru or The mixture, y = 0 to 0.5, δ = 0 to 0.3), (La 1-x A x ) s Ti 1-y B y O 3 ± δ (A = Sr, Ca, or mixture thereof x = 0.1 to 0.6 B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru or mixtures thereof, y = 0 to 0.5; s = 0.9 to 1.0, δ = 0 to 0.3), (Sr 1 - x A x ) s Ti 1 - y Nb y O 3 ± δ (A = Y, La, Gd, Sm or mixtures thereof, x = 0.05 to 0.2; y = 0 to 0.5; s = 0.9 to 1.0, δ = 0 to 0.3) It is preferable that at least one of them is a selected complex.

이러한 확산방지층은 Ce0.9 Gd0.1 O1.95 조성 또는 상기 조성에 Co3O4를 0.2~0.8 wt% 첨가한 조성인 것이 더욱 바람직하다. The diffusion barrier layer is more preferably Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 composition or a composition in which 0.2 ~ 0.8 wt% of Co 3 O 4 is added to the composition.

그리고 이러한 확산방지층은 소결 후의 평균두께가 1~10 um 인 것이 바람직하다.And the diffusion barrier layer is preferably an average thickness of 1 ~ 10um after sintering.

또한 본 발명의 제조방법에서 연료극층은 NiO 와 (ZrO2)1-x(Y2O3)x(x=0.08~0.1)의 복합체, NiO와 (ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1-x(Yb2O3)x (x=0~0.06) 복합체, 그리고 NiO 와 Ce1 - xLnxO2 , (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2) 의 복합체 중 어느 하나의 복합체 또는 그 혼합물인 것이 바람직하다. In addition, in the manufacturing method of the present invention, the anode layer is a composite of NiO and (ZrO 2 ) 1-x (Y 2 O 3 ) x (x = 0.08 ~ 0.1), NiO and (ZrO 2 ) 0.90 (Sc 2 O 3 ) 0.1 -x (Yb 2 O 3 ) x (x = 0 ~ 0.06) of Complex, and NiO Ce 1 - to x Ln x O 2 -δ, ( Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) of any one of the complex or mixture of complexes is preferable.

이러한 연료극층은 NiO와 (ZrO2)0.92(Y2O3)0.08 고체전해질 분말의 복합체 또는 NiO와 Ce0 .9Gd0 .1O2 (δ=0~0.2) 고체전해질 분말의 복합체인 것이 더욱 바람직하고 이때 상기 복합체 중의 NiO 의 함량은 50~75 wt % 범위인 것이 바람직하다. The fuel electrode layer is NiO and (ZrO 2) 0.92 (Y 2 O 3) 0.08 The solid electrolyte powder or a composite NiO and Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 2 -δ (δ = 0 ~ 0.2) of the composite solid electrolyte powder It is more preferable that the content of NiO in the composite is preferably in the range of 50 ~ 75 wt%.

그리고 이러한 연료극층은 소결 후의 평균두께가 10um ~ 50 um 인 것이 바람직하다. In addition, the anode layer preferably has an average thickness of 10 μm to 50 μm after sintering.

또 다른 한편, 본 발명의 제조방법에서 고체전해질층은 Ce1 - xLnxO2 (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2)계 산화물인 것이 바람직하다. On the other hand, in the manufacturing method of the present invention, the solid electrolyte layer is preferably Ce 1 - x Ln x O 2 (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) -based oxide Do.

이러한 고체전해질층은 상기 산화물분말에 Co3O4, CoO, CuO, MnO, MnO2 의 전이금속 산화물 중 적어도 어느 하나 이상을 상기 고체전해질 분말에 대하여 0.2~2 wt% 범위에서 첨가한 혼합물인 것이 더욱 바람직하다.The solid electrolyte layer is a mixture in which at least one or more of transition metal oxides of Co 3 O 4 , CoO, CuO, MnO, and MnO 2 is added to the oxide powder in the range of 0.2 to 2 wt% based on the solid electrolyte powder. More preferred.

그리고 이러한 고체전해질층은 소결 후의 평균두께가 5 um ~ 30 um 인 것이 바람직하다. In addition, the solid electrolyte layer preferably has an average thickness of 5 um to 30 um after sintering.

본 발명은 이상과 같은 본 발명의 일 실시예 중 어느 하나의 제조방법에 의하여 제조된 연료전지용 셀을 사용하여 제조한 연료전지 스택 (Fuel Cell Stack) 또는 연료전지 발전 시스템(Fuel Cell Power Generation System)을 제공한다.The present invention is a fuel cell stack (Fuel Cell Stack) or fuel cell power generation system (Fuel Cell Power Generation System) manufactured using a fuel cell manufactured by any one of the manufacturing method of the present invention as described above To provide.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법은 후속 열처리 공정에서 소결 수축이 없는 미리 제조된 금속지지체 위에 테이프 캐스팅법으로 제조한 확산방지층과 연료극층 그리고 고체전해질 층의 그린 시트를 온간등방압프레스(Worm Isostatic Press; WIP)를 이용하여 차례로 적층한 다음 적층된 층을 다시 냉간등방압프레스(Cold Isostatic Press:CIP) 하여 소결하는 방법을 이용하여 제조함으로써, 각 구성층의 두께 조절이 용이하며, 양산성이 우수 할 뿐만 아니라, 셀 제조 온도를 낮추어, 고온에서 제조할 경우 발생할 수 있는 연료극 층의 니켈(Ni) 입자의 과도한 성장 문제를 해결할 수 있다는 기술적 효과가 있다.In the method of manufacturing a metal support-type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the diffusion barrier layer, the anode layer, and the solid electrolyte layer, which are manufactured by a tape casting method, are prepared on a pre-fabricated metal support having no sintering shrinkage in a subsequent heat treatment process. The sheets are laminated in sequence using a warm isostatic press (WIP), and then the laminated layers are manufactured using a method of sintering by cold isostatic press (CIP) again, thereby It is easy to adjust the thickness, excellent mass productivity, and lowers the cell manufacturing temperature, there is a technical effect that can solve the problem of excessive growth of nickel (Ni) particles of the anode layer that can occur when manufacturing at high temperatures.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 연료전지를 제조할 경우 적층과 소결공정의 수를 줄일 수 있어서 전체 제조 비용을 낮출 수 있다는 효과도 있다.Further, when the fuel cell is manufactured by the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, the number of stacking and sintering processes can be reduced, thereby reducing the overall manufacturing cost.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 연료전지를 제조할 경우 금속지지체를 사용하므로 세라믹 지지체형 고체산화물 연료전지에 비하여 제조 단가가 저렴 할 뿐만 아니라, 매우 우수한 강도와 유연성을 갖는 다는 기술적 효과가 있다.In addition, when the fuel cell is manufactured by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the metal support is used, and thus the manufacturing cost is lower than that of the ceramic-supported solid oxide fuel cell, and the technical effect is very excellent in strength and flexibility. There is.

이로 인하여 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀을 이용한 연료전지 스택 (Fuel Cell Stack) 및 연료전지 발전 시스템(Fuel Cell Power Generation System)은 열적, 기계적 충격과 진동에 강하고 급속 열 싸이클이 가능하다는 기술적 효과가 있다.Accordingly, the fuel cell stack and the fuel cell power generation system using the metal-supported solid oxide fuel cell fabricated according to an embodiment of the present invention can be applied to thermal and mechanical shock and vibration There is a technical effect that strong and rapid thermal cycling is possible.

또한 제조된 연료전지 셀을 이용할 경우 운송기기, 이동기기, 휴대용기기 등의 전원분야에서 기존의 세라믹 지지체형 SOFC 스택의 약점인 열적, 기계적 신뢰성을 향상시킬 수 있어서 고체산화물 연료전지의 상용화를 기대할 수 있다. In addition, the use of the manufactured fuel cell can improve the thermal and mechanical reliability, which is a weak point of the conventional ceramic support type SOFC stack in the field of power sources such as transportation equipment, mobile equipment, and portable equipment, and commercialization of the solid oxide fuel cell can be expected have.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms “a,” “an,” and “the” include plural forms as well, unless the phrases clearly indicate the opposite. As used herein, the term "comprising" embodies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element, and / or component, and other specific characteristics, region, integer, step, operation, element, component, and / or group. It does not exclude the presence or addition of.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Commonly used predefined terms are further interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure, and are not to be construed as ideal or very formal meanings unless defined otherwise.

이하에서는 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. These embodiments are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법은, 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀을 제조하는데 있어서, 후속 열처리 공정에서 수축이 일어나지 않는 소결된 다공성 금속지지체 또는 가스 채널이 형성된 금속박판을 금속지지체로 사용하고, 습식 분말공정을 이용하여 비교적 저온에서도 치밀한 고체전해질층을 제조할 수 있는 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다. In the method for manufacturing a metal support solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, in the manufacture of a cell for a metal support solid oxide fuel cell, a sintered porous metal support or gas channel which does not shrink in a subsequent heat treatment process is The metal support-type solid oxide fuel cell capable of producing a compact solid electrolyte layer at a relatively low temperature by using the formed metal sheet as a metal support and using a wet powder process can be manufactured.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법은, 금속지지체 위에 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀을 제조하는데 있어서, 두께 균일성 및 양산성이 뛰어난 테이프 캐스팅 공정으로 제조한 셀 구성 층을 온간등방압프레스(WIP) 공정, 결합제와 가소제 제거공정(binder burn out) 그리고 냉간등방압프레스(CIP)공정을 거쳐서 동시소성하여, 종래에는 1350~1400℃ 부근에서 가능했던 고체전해질의 치밀화를 1000~1070℃부근에서도 달성할 수 있다.Method for manufacturing a metal support solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, in manufacturing a cell for a metal support solid oxide fuel cell on a metal support, produced by a tape casting process excellent in thickness uniformity and mass production The cell layer is co-fired through a warm isotropic press (WIP) process, a binder and plasticizer removal process, and a cold isotropic press (CIP) process, which is a solid electrolyte previously possible at around 1350-1400 ° C. Densification can be achieved in the vicinity of 1000 ~ 1070 ℃.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법은, 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조하는데 있어서, 확산방지층과, 연료극 층, 고체전해질 층을 한꺼번에 적층 및 동시소성 함으로써 온간등방압프레스(WIP), 결합제 및 가소제의 제거, 냉간등방압프레스(CIP) 및 소결 공정의 수를 줄임으로써 제조시간 및 비용을 절감 할 수 있다.In the manufacturing method of the metal support solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, in the manufacture of the metal support solid oxide fuel cell, warming is achieved by laminating and co-firing the diffusion barrier layer, the anode layer, and the solid electrolyte layer at once. By reducing the number of isotropic presses (WIP), binders and plasticizers, cold isotropic presses (CIPs) and sintering processes, manufacturing time and costs can be reduced.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀을 제조하는 방법은 ⅰ) 금속지지체를 준비하는 단계(단계1); 와 ⅱ) 상기 금속지지체의 한쪽 면에 온간등방압프레스(WIP) 공정을 이용하여 확산방지층(Diffusion Barrier Layer; DBL)과 연료극층 그리고 고체전해질층의 그린 시트를 금속지지체의 한쪽면에 차례로 적층하는 단계(단계2); 와 ⅲ) 상기 적층체에서 상기 그린 시트의 결합제와 가소제를 제거(burn out)하는 단계(단계 3);와 ⅳ) 상기 결합제와 가소제를 제거한 적층체를 냉간등방압프레스(CIP)공정을 실시하여 확산방지층과 연료극 층을 압축하여 성형밀도와 층간 결합력을 높이는 단계(단계 4); 와 ⅴ) 상기 냉간등방압프레스로 성형한 적층체를 동시소성(Co-firing)하는 단계(단계 5); 및 ⅵ) 상기 소결된 적층체의 고체전해질 위에 공기극을 스크린 인쇄하는 단계(단계6)로 이루어 진다.Method of manufacturing a metal support-type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: i) preparing a metal support (step 1); And ii) sequentially laminating a green sheet of a diffusion barrier layer (DBL), an anode layer, and a solid electrolyte layer on one side of the metal support using a warm isotropic press (WIP) process on one side of the metal support. Step (step 2); And iii) burning out the binder and plasticizer of the green sheet from the laminate (step 3); and iii) performing a cold isotropic press (CIP) process on the laminate from which the binder and the plasticizer are removed. Compressing the diffusion barrier layer and the anode layer to increase molding density and interlayer bonding force (step 4); And iii) co-firing the laminate formed by the cold isotropic press (step 5); And iii) screen printing the cathode on the solid electrolyte of the sintered laminate (step 6).

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀을 제조하는 방법의 각 세부 공정에 대하여 순차적으로 설명한다.Hereinafter, each detailed process of a method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in sequence.

먼저 ⅰ) 금속지지체를 준비하는 단계(단계1)에 대하여 설명한다. First, the step (step 1) of preparing a metal support will be described.

금속지지체는 후속 열처리 공정에서 수축이 일어나지 않는 금속분말의 소결체 또는 금속박판을 기판으로 이용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 금속지지체는 연료 가스를 통과 시키기 위하여 3차원적인 연속기공 구조, 또는 다수의 관통 홀이 형성된 구조를 갖는 것이 바람직하다. The metal support is preferably used as a substrate using a sintered body or a thin metal plate of the metal powder does not shrink in the subsequent heat treatment process. In addition, the metal support preferably has a three-dimensional continuous pore structure, or a plurality of through holes formed in order to pass the fuel gas.

금속지지체용 소재는 고온 산화에 의한 전기 전도도 감소가 작고, 산화-환원 안정성(redox stability)이 있으며, 열팽창계수가 10~13 x10-6/oC 정도의 소재가 바람직하다. 이와 같이 금속지지체의 열팽창계수를 한정하는 이유는 금속지지체와 그 위에 적층되는 각 세라믹 기능 층 간에 열팽창 계수 차이를 적게하여 각 구성 요소간 열팽창 계수 차이로 인한 기능 층의 박리나 셀의 휨을 방지하기 위함이다.The material for the metal support has a small electric conductivity decrease due to high temperature oxidation, has redox stability, and a material having a thermal expansion coefficient of about 10 to 13 x 10 -6 / o C is preferable. The reason why the thermal expansion coefficient of the metal support is limited is to reduce the difference in thermal expansion coefficient between the metal support and each of the ceramic functional layers stacked thereon to prevent the separation of the functional layer and the warping of the cell due to the difference in thermal expansion coefficient between the respective components to be.

이와 같은 특성을 갖는 금속지지체용 소재로는 페라이트계 스테인리스 (Ferritic Stainless Steel)와 독일의 티센크룹(Tyssenkrupp)사의 제품명 Crofer22APU 와 Crofer22H그리고 일본의 히타치 금속(Hitachi Metal)사의 제품명ZMG232L이 있다. Metal support materials having such characteristics include Ferritic Stainless Steel, the product names Crofer22APU and Crofer22H of Tyssenkrupp, Germany, and the product name ZMG232L of Hitachi Metal, Japan.

또한 이와 같은 특성을 갖는, Fe-Cr 합금으로는 Fe-26Cr-(Mo, Ti, Y2O3)과 Fe-Cr-Mx 합금 (Mx=Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co, La, Y, Al)이 있다. 이와 같은 Fe-Cr계 합금의 경우 이러한 합금에 0~ 50 vol% 의 금속산화물 (doped-Zirconia, doped-Ceria, MgO, CaO, SrO, CoOx, ZnO, VOx, Cr2O3, FeO, MoOx, WOx, Ga2O3, Al2O3, TiO2 및 그 혼합물)을 혼합한 혼합물을 사용할 수도 있다. Also, Fe-Cr alloys having such characteristics include Fe-26Cr- (Mo, Ti, Y 2 O 3 ) and Fe-Cr-M x alloys (M x = Ni, Ti, Ce, Mn, Mo, Co). , La, Y, Al). In the case of such Fe-Cr alloys, 0 to 50 vol% of metal oxides (doped-Zirconia, doped-Ceria, MgO, CaO, SrO, CoO x , ZnO, VO x , Cr 2 O 3 , FeO, MoO x , WO x , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 and mixtures thereof) may be used.

다음은 ⅱ) 상기 금속지지체의 한쪽 면에 확산방지층과 연료극층 그리고 고체전해질의 그린 시트를 차례로 적층하는 단계(단계2)에 대하여 설명한다.Next, ii) a step (step 2) of sequentially stacking the diffusion barrier layer, the anode layer, and the green sheet of the solid electrolyte on one surface of the metal support will be described.

단계2에서 적층하는 확산방지층과 연료극층 그리고 고체전해질층은 테이프 캐스팅에 의하여 그린시트를 형성한 다음 온간등방압프레스(WIP) 공정을 이용하여 적층한다. 이때 테이프 캐스팅에 의해 형성된 확산방지층의 그린시트는 평균두께가 5 ~ 8um 이고, 연료극층 그린시트의 평균두께가 60~70 um 그리고 고체전해질층 시트의 평균두께는 25~35 um 이다. 각측의 최종 두께는 그린시트의 두께 및 적층 수를 변경하여 조절할 수 있다. The diffusion barrier layer, the anode layer, and the solid electrolyte layer laminated in step 2 are formed by tape casting, and then laminated using a warm isotropic press (WIP) process. The average thickness of the green sheet of the diffusion barrier layer formed by the tape casting is 5 ~ 8um, the average thickness of the anode layer green sheet is 60 ~ 70um and the average thickness of the solid electrolyte layer sheet is 25 ~ 35um. The final thickness of each side can be adjusted by changing the thickness and lamination number of the green sheet.

여기서 온간등방압프레스(WIP) 공정은 준비된 금속지지체의 한 쪽면에 확산방지층, 연료극층 고체전해질 층의 순서로 그린 시트를 차례로 배치하고 진공 포장을 한 다음 이를 실린더 내부의 물 온도가 60~80℃로 유지되는 온간등방압프레스 장치에 넣고 100~300kgf/cm2 의 압력을 10~40분간, 보다 바람직하게는 250~300kgf/cm2 의 압력을 15~30 분간, 더욱 바람직하게는 280kgf/cm2 의 압력을 30분간 인가하여 그린 시트를 적층 할 수 있다. 이러한 온간등방압프레스(WIP) 방법은 동종 혹은 이종의 그린시트뿐만 아니라 소결이 완료된 다공성 금속 지지체 또는 가스채널이 형성된 금속박판상에 연료전지용 셀을 구성하는 각 구성요소를 적층하여 접합 시키는데 유용한 공정이다.Here, the warm isostatic press (WIP) process is to arrange the green sheet in order of the diffusion barrier layer, the anode layer and the solid electrolyte layer on one side of the prepared metal support, vacuum packing, and then the water temperature inside the cylinder is 60-80 ℃. into the warm, etc. bangap press apparatus is maintained at 100 ~ 300kgf / cm 2 of a pressure of 10 ~ 40 min, more preferably 250 ~ 300kgf / cm 2 of pressure 15 ~ 30 minutes, and more preferably 280kgf / cm 2 The green sheet may be laminated by applying a pressure of 30 minutes. This warm isostatic press (WIP) method is a useful process for laminating and joining each component constituting a cell for fuel cells on a metal sheet on which a porous metal support or gas channel is formed, as well as homogeneous or heterogeneous green sheets.

단계2에서는 상기 적층공정을 통하여 금속지지체(기판) / 확산방지층(그린시트) / 연료극층(그린시트) / 고체전해질(그린시트)로 구성된 적층체가 제조된다. In step 2, a laminate comprising a metal support (substrate) / diffusion barrier layer (green sheet) / anode layer (green sheet) / solid electrolyte (green sheet) is manufactured through the lamination process.

확산방지층과 연료극 층 그리고 고체전해질 층의 그린 시트를 구성하는 상기 결합제와, 가소제는 테이프 캐스팅 과정에서는 용매에 녹은 상태로 존재하고, 용매가 건조된 후 그린 시트에서는 각 층의 구성 분말의 표면 및 사이 사이의 공간을 채우면서 그린 시트에 강도와 유연성을 부여하고, 단계2의 온간등방압프레스(WIP) 공정에 의하여 기판 및 각 층사이의 적층을 가능하게 하는 역할을 한다. The binder constituting the green sheet of the diffusion barrier layer, the anode layer, and the solid electrolyte layer, and the plasticizer are dissolved in a solvent during the tape casting process, and after the solvent is dried, in the green sheet, the surface of the constituent powder of each layer and between Filling the space between the green sheet provides strength and flexibility, and serves to enable the lamination between the substrate and each layer by the warm isotropic press (WIP) process of step 2.

단계2에서 적층하는 확산방지층은 가스와 전기는 통과시키면서, 금속지지체의 Fe, Cr 성분과 Ni 계 연료극의 Ni 사이의 상호 확산반응을 막는 기능을 한다. 이를 위해 확산방지층으로 사용 가능한 소재는 CeO2, Ce1 - xLnxO2 , (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0 ~ 0.2) (La1 - xAx)Cr1 - yByO3 ±δ (A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5, δ=0~0.3), (La 1-x Ax)s Ti 1-y ByO3 ±δ (A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.6; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3), (Sr1 - xAx)sTi1 - yNbyO3 ±δ(A= Y, La, Gd, Sm 혹은 그 혼합물, x = 0.05~0.2; y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3) 중에서 단독 또는 하나 이상이 선택된 복합체가 바람직하다. The diffusion barrier layer laminated in step 2 serves to prevent the interdiffusion reaction between the Fe and Cr components of the metal support and Ni of the Ni-based anode while allowing gas and electricity to pass therethrough. For this purpose, materials that can be used as the diffusion barrier layer are CeO 2 , Ce 1 - x Ln x O 2 , (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) (La 1 - x A x ) Cr 1 - y B y O 3 ± δ (A = Sr, Ca, or mixtures thereof x = 0.1-0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru or mixtures thereof , y = 0 to 0.5, δ = 0 to 0.3), (La 1-x A x ) s Ti 1-y B y O 3 ± δ (A = Sr, Ca, or mixtures thereof x = 0.1 to 0.6; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru or mixtures thereof, y = 0 to 0.5; s = 0.9 to 1.0, δ = 0 to 0.3), (Sr 1 - x A x ) s Only in Ti 1 - y Nb y O 3 ± δ (A = Y, La, Gd, Sm or mixtures thereof, x = 0.05 to 0.2; y = 0 to 0.5; s = 0.9 to 1.0, δ = 0 to 0.3) Or a complex in which at least one is selected.

확산방지층으로 사용되는 소재는 더욱 바람직하게는 Ce0.9 Gd0.1 O1.95 조성 또는 이러한 조성에 Co3O4를 0.2~0.8 wt%, 보다 바람직하게는 0.3 ~ 0.6 wt% , 더욱 바람직하게는 0.5wt% 범위로 첨가한 조성이 적합하다. Co3O4 의 첨가는 Ce0.9 Gd0.1 O1.95 의 소결을 촉진하여 기판 및 연료극 층과의 밀착성을 향상 시킬 수 있지만, 첨가량이 증가하면 확산방지층의 치밀성이 증가하여 연료가스의 통과를 방해하여 셀 성능을 감소시킨다. 그리고 이러한 확산방지층은 소결 후의 평균두께는 1~10 um, 보다 바람직하게는 2 ~ 6 um, 더욱 바람직하게는 3 ~ 4 um 범위이다. 확산방지층의 두께가 너무 얇으면 금속지지체의 표면조도의 영향으로 일부분 연료극과 금속지지체가 직접 접촉하는 부분이 발생하여 부분적으로 확산반응이 일어날 가능성이 높고, 너무 두꺼워지면 전기저항이 증가 할 수 있다.More preferably, the material used as the diffusion barrier layer has a composition of Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 or 0.2 to 0.8 wt%, more preferably 0.3 to 0.6 wt%, more preferably 0.5 wt% of Co 3 O 4 in such a composition. The composition added in the range is suitable. The addition of Co 3 O 4 may promote the sintering of Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 to improve the adhesion between the substrate and the anode layer.However, as the addition amount increases, the density of the diffusion barrier layer increases, which hinders the passage of fuel gas. Reduce performance. The diffusion barrier layer has an average thickness after sintering of 1 to 10 um, more preferably 2 to 6 um, and more preferably 3 to 4 um. If the thickness of the diffusion barrier layer is too thin, a portion of the direct contact between the anode and the metal support is generated due to the surface roughness of the metal support, so that a diffusion reaction is likely to occur, and if too thick, the electrical resistance may increase.

단계2에서 적층하는 연료극층은 세라믹 분말로서 NiO 와 (ZrO2)1-x(Y2O3)x(x=0.08~0.1)의 복합체, NiO와 (ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1-x(Yb2O3)x (x=0~0.06) 복합체, 그리고 NiO 와 Ce1 - xLnxO2 -?δ, (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2) 의 복합체 중 어느 하나의 복합체 또는 그 혼합물이 바람직하다. The anode layer laminated in step 2 is a ceramic powder of NiO and (ZrO 2 ) 1-x (Y 2 O 3 ) x (x = 0.08 ~ 0.1), NiO and (ZrO 2 ) 0.90 (Sc 2 O 3 ) 0.1-x (Yb 2 O 3 ) x (x = 0 ~ 0.06) of Complex, and NiO Ce 1 - x Ln x O 2 -? Δ, (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) is any one of the complex or mixture of complexes is preferable.

더욱 바람직하게는 연료극 층 세라믹 분말은 NiO와 (ZrO2)0.92(Y2O3)0.08 고체전해질 분말의 복합체 또는 NiO와 Ce0 .9Gd0 .1O2 (δ=0~0.2) 고체전해질 분말의 복합체이다. 여기서 이러한 복합체 중의 NiO의 함량은 50~75 wt %, 보다 바람직하게는 60wt% 범위이다. 이러한 연료극층은 소결 후의 평균 두께가 10um ~ 50 um, 보다 바람직하게는 30 ~ 40 um 이다. More preferably, the fuel electrode layer of ceramic powders NiO and (ZrO 2) 0.92 (Y 2 O 3) 0.08 NiO complexes or of the solid electrolyte powder and Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 2 -δ (δ = 0 ~ 0.2) It is a complex of solid electrolyte powder. The content of NiO in such composites here is in the range of 50-75 wt%, more preferably 60 wt%. The anode layer has an average thickness of 10 um to 50 um, more preferably 30 to 40 um after sintering.

한편 단계2에서 적층하는 고체전해질층은 Ce1 - xLnxO2 (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2)계 산화물이 바람직하다. 여기서 상기 고체전해질은 그 소결성을 더욱 향상 시키기 위하여 Co3O4, CoO, CuO, MnO 그리고 MnO2 와 같은 전이금속 산화물 중 적어도 어느 하나 이상을 상기 고체전해질 분말에 대하여 0.2 ~ 2 wt%, 보다 바람직하게는 Co3O4 를 0.8 ~ 1.2 wt %, 더욱 바람직하게는 1 wt% 범위에서 첨가한 혼합물인 것이 바람직하다. 소결 조제로 첨가하는 전이금속 산화물은 소결 온도 부근에서 일시적인 액상을 형성하여 물질이동을 통한 치밀화 및 입계 이동에 도움을 주어 치밀화를 돕는 역할을 하는데, 첨가량이 너무 작으면 소결 촉진 효과가 작으며, 과량인 경우에는 소결 후 잔류하는 전이금속에 의한 전자전도성으로 인하여 개회로 전압을 감소 시킬 수 있으므로 최적량을 첨가하는 것이 필요하다.On the other hand, the solid electrolyte layer laminated in step 2 is preferably Ce 1 - x Ln x O 2 (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) -based oxide. Wherein the solid electrolyte is 0.2 to 2 wt%, more preferably at least one of transition metal oxides such as Co 3 O 4 , CoO, CuO, MnO and MnO 2 to the solid electrolyte powder in order to further improve its sinterability Preferably it is a mixture in which Co 3 O 4 is added in the range of 0.8 to 1.2 wt%, more preferably 1 wt%. The transition metal oxide added as a sintering aid forms a temporary liquid phase near the sintering temperature to help densification and grain boundary movement through material movement and helps densification. If the addition amount is too small, the sintering promotion effect is small. In case of, it is necessary to add the optimum amount because the open circuit voltage can be reduced due to the electron conductivity by the transition metal remaining after sintering.

이와 같이 형성되는 고체전해질 층의 소결 후의 평균두께는 5 um ~ 30 um, 보다 바람직하게는 10 ~ 15um의 범위이다. SOFC 셀의 성능은 고체전해질의 두께가 얇을 수록 이온전도 저항이 줄어들기 때문에 증가하지만, 너무 얇으면 기판의 조도에 의한 고체전해질 층의 국부적인 결함을 통하여 연료가스와 공기가 직접 만나는 크로스 오버(cross over) 현상이 생기면 기전력이 감소할 뿐만 아니라, 그 부분을 중심으로 핫 스폿(hot spot)이 발생하여 셀의 성능 열화를 일으키기 때문에 크로스 오버(cross over) 현상이 발생하지 않는 수준의 적정 두께가 요구된다.The average thickness after sintering of the solid electrolyte layer thus formed is in the range of 5 um to 30 um, more preferably 10 to 15 um. The performance of an SOFC cell increases as the thickness of the solid electrolyte decreases as the ion conduction resistance decreases, but when too thin, the crossover of fuel gas and air directly meets through local defects in the solid electrolyte layer due to the roughness of the substrate. When the over phenomenon occurs, the electromotive force is not only reduced, but also a hot spot occurs around the portion, which causes deterioration of the cell performance. Therefore, an appropriate thickness that does not occur crossover phenomenon is required. do.

다음은 ⅲ) 상기 적층체에서 상기 그린 시트들의 결합제와 가소제를 제거(burn out)하는 단계(단계 3)를 설명한다. The following describes the step (step 3) of iii) burning out the binder and plasticizer of the green sheets from the laminate.

단계3 에서는 앞서 적층한 확산방지층과 연료극층 그리고 고체전해질층에 포함된 PVB 계 결합제와 알킬프탈레이트계 가소제를 제거하기 위하여 공기중 에서 분당 1~3 oC 의 승온 속도로 승온하면서 200oC, 350oC, 500℃ 에서 각각 2~5 시간 이상 유지하는 것이 바람직하다.In step 3, 200 o C, 350 while raising the temperature at a temperature of 1 to 3 o C per minute in air to remove the PVB-based binder and the alkyl phthalate-based plasticizer contained in the diffusion barrier layer, the anode layer, and the solid electrolyte layer. o It is preferable to keep it at C and 500 degreeC for 2 to 5 hours or more, respectively.

이와 같이 결합제와 가소제를 제거하는 것은 결합제와 가소제를 제거한 후에 생성된 분말 사이의 공간을 냉간등방압프레스(CIP)공정에서 압축하여 성형밀도를 향상 시키고자 하기 위함이다.As described above, the removal of the binder and the plasticizer is intended to improve the molding density by compressing the space between the powder produced after the removal of the binder and the plasticizer in a cold isotropic press (CIP) process.

다음은 ⅳ) 상기 적층체를 냉간등방압프레스(CIP)공정을 실시하는 단계(단계 4)에 대하여 설명한다.Next, the step (step 4) of performing the cold isotropic pressure press (CIP) process on the laminate will be described.

단계4 에서는 상기 적층체를 진공으로 포장한 다음 냉간등방압프레스기에 투입한 상태에서 냉간등방압프레스기에서 1,000~5,000 kgf/cm2 의 등방압을 5~30분간, 보다 바람직하게는 1,500~3,000 kgf/cm2 의 등방압을 5~30분간, 더욱 바람직하게는 2,000 kgf/cm2 의 등방압을 5 분간 인가하여 실시한다. 이와 같은 공정을 실시하게 되면 금속지지체 상에 적층된 확산방지층, 연료극층 그리고 고체전해질층의 성형밀도가 향상되고 밀착력 또한 높아지게 된다. In step 4, the laminate is vacuum packed and then placed in a cold isotropic press, and the isotropic pressure of 1,000 to 5,000 kgf / cm 2 is 5 to 30 minutes, more preferably 1,500 to 3,000 kgf in a cold isostatic press. / isotropic pressure of 2 cm and more preferably 5 ~ 30 minutes, is carried out by applying isotropic pressure for 5 minutes of 2,000 kgf / cm 2. When such a process is performed, the forming density of the diffusion barrier layer, the anode layer, and the solid electrolyte layer stacked on the metal support is improved, and the adhesion is also increased.

다음은 ⅴ) 상기 냉간등방압프레스로 성형한 적층체를 동시에 소성하는 단계(단계 5)를 설명한다.Next, the steps (step 5) of simultaneously burning the laminate molded by the cold isotropic press will be described.

단계 5에 의한 소결과정은 확산방지층/연료극층/고체전해질층을 소결을 한번에 실시하는 동시소성 공정으로서 각 층 별로 따로 소성하는 경우에 필요한 적층 및 소결 공정의 횟수를 줄임으로써 공정 시간 및 비용을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 고체전해질과 연료극층이 동시에 소결되는 경우 계면의 결합이 각 층별로 별도의 소결 공정을 갖는 경우에 비하여 더 우수하여 전기화학적 성능이 향상 되는 것도 기대 할 수 있다.The sintering process of step 5 is a simultaneous firing process in which the diffusion barrier layer, the fuel electrode layer, and the solid electrolyte layer are sintered at once, and the process time and cost are greatly increased by reducing the number of lamination and sintering processes required in case of firing separately for each layer. There is an advantage to reduce. In addition, when the solid electrolyte and the anode layer are sintered at the same time, the bonding of the interface is better than that of the case of having a separate sintering process for each layer, and thus the electrochemical performance can be expected to be improved.

단계5 에 의한 소결과정은 금속지지체의 산화를 방지하기 위하여 아르곤 분위기의 소결로에서 1000~1070℃ 범위에서 1~5 시간 범위로 열처리하는 것이다. 이러한 열처리 온도 범위는 1000oC 이하에서는 연료극과 확산층의 밀착력 및 고체전해질의 치밀성이 부족하고, 1070oC 이상에서는 금속지지체의 산화가 심하게 발생하기 때문이다. 이와 같이 소결을 실시하면 금속지지체의 산화를 막을 수 있으면서 아울러 층간의 밀착력과 고체전해질의 치밀화를 동시에 달성할 수 있다.The sintering process by step 5 is to heat treatment in an argon atmosphere sintering furnace for 1 to 5 hours in the range of 1000 ~ 1070 ℃ to prevent oxidation of the metal support. This heat treatment temperature range is because the adhesion between the anode and the diffusion layer and the compactness of the solid electrolyte is insufficient at 1000 ° C or less, and the oxidation of the metal support occurs badly at 1070 ° C or more. By sintering in this way, the oxidation of the metal support can be prevented, and the adhesion between the layers and the densification of the solid electrolyte can be simultaneously achieved.

예를 들어 고체전해질 층의 세라믹 재료로 Ce0.9Gd0.1O1.95 와 같은 세리아(Ceria)계 고체전해질은 통상 가스 타이트(tight)한 치밀화를 위한 소결온도가 1350~1400oC 의 비교적 높은 온도이지만, 상기 고체전해질 분말에 대하여 Co3O4 를 0.2 ~ 2 wt%, 보다 바람직하게는 0.8 ~ 1.2 wt %, 더욱 바람직하게는 1 wt% 범위에서 첨가한 혼합물을, 본 발명에서 제시한 공정을 사용하여 적용하는 경우에, 1000~1070℃ 부근의 비교적 저온 소결만으로 고체전해질의 기공이 충분히 제거되어 잔류기공을 통하여 연료가스와 공기가 직접 만나서 연소반응을 일으킬 수 없을 정도로 충분히 치밀하게 소결 할 수 있다. For example, Ceria-based solid electrolytes such as Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 as ceramic materials for solid electrolyte layers usually have a relatively high sintering temperature of 1350 to 1400 o C for gas tight densification. To the solid electrolyte powder, a mixture in which Co 3 O 4 is added in a range of 0.2 to 2 wt%, more preferably 0.8 to 1.2 wt%, and more preferably 1 wt%, is prepared using the process proposed in the present invention. In the case of application, the pores of the solid electrolyte are sufficiently removed only by relatively low temperature sintering in the vicinity of 1000 to 1070 ° C., so that the fuel gas and air can directly meet through the residual pores and sinter enough enough to cause a combustion reaction.

또한, 지금까지 알려진 종래의 방법에서는 금속박판이나 소결이 금속지지체와 같이 후속 열처리 공정시 소결 수축이 동반될 수 없는 기판위에 형성된 세라믹 층은 수축하지 않는 상기 기판이 적층된 세라믹 층의 수축 거동을 방해하는 제한소결 현상 (constrained sintering phenomenon)에 의하여 충분한 치밀화가 불가능 한 반면, 상기와 같이 단계 5에 의하여 고체전해질 층을 형성할 경우 금속지지체와의 밀착력과 성형밀도를 극대화하여 치밀화에 필요한 수축량을 크게 감소시켜, 1000~1070 ℃범위에서 연료극 층의 연료가스와 공기극 층의 공기가 직접 만나서 연소반응을 일으킬 수 없을 정도로 충분히 치밀한 고체전해질 층을 얻을 수 있다.마지막으로 ⅵ) 상기 고체전해질 위에 공기극을 스크린 인쇄하는 단계(단계6)에 대하여 설명한다.In addition, in the conventional methods known to date, the ceramic layer formed on the substrate which cannot be accompanied by sintering shrinkage during the subsequent heat treatment process, such as metal sheet or sintering, prevents the shrinkage behavior of the ceramic layer on which the substrate is not contracted. While sufficient densification is not possible due to the constrained sintering phenomenon, when forming the solid electrolyte layer by the step 5 as described above, the shrinkage required for densification is greatly reduced by maximizing the adhesion and forming density with the metal support. Let's make 1000 ~ 1070 It is possible to obtain a solid electrolyte layer that is sufficiently dense so that the fuel gas of the anode layer and the air of the cathode layer meet directly in the range of 0 ° C. so as not to cause a combustion reaction. Finally, screen printing the cathode on the solid electrolyte (step 6). ) Will be described.

단계 6은 스크린인쇄 공정에 의하여 공기극층을 형성하는 것으로, 공기극층은 셀 제조 과정에서는 별도의 열처리 없이 스택 또는 셀 평가 과정에서 밀봉재를 접합하는 온도인 750~850℃, 보다 바람직하게는 800oC에서 열처리 됨으로써 금속지지체형 고체산화물 연료전지 셀을 완성하게 된다.Step 6 is to form the cathode layer by the screen printing process, the cathode layer is a temperature for bonding the sealing material in the stack or cell evaluation process without a separate heat treatment in the cell manufacturing process 750 ~ 850 ℃, more preferably 800 o C By heat treatment at, the metal support-type solid oxide fuel cell is completed.

단계 6에서 형성하는 공기극층의 조성은 (A1- xBx)sFe1 - yCoyO3 (A = La, Gd, Y, Sm, Ln 혹은 그 혼합물, B = Ba, Sr, Ca 및 그 혼합물, Ln=lanthanides) 및 (La1-xSrx)sMnO3-δ과 같은 전기 전도성 산화물, 또는 상기 전기전도성 산화물에 고체전해질 조성의 분말을 10 ~ 50 vol% 범위로 첨가한 복합체로 이루어진 것이 바람직하다. 또한 공기극 층의 평균 두께는 10 um ~ 50 um 범위가 바람직하다.The composition of the cathode layer formed in step 6 is (A 1- x B x ) s Fe 1 - y Co y O 3 (A = La, Gd, Y, Sm, Ln or mixtures thereof, B = Ba, Sr , Ca and mixtures thereof, Ln = lanthanides) and (La 1-x Sr x ) s MnO 3-δ It is preferable that the conductive conductive oxide, or a composite of a solid electrolyte powder added to the electrically conductive oxide in the range of 10 to 50 vol%. In addition, the average thickness of the cathode layer is preferably in the range of 10 um to 50 um.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예를 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the following claims. Those who do it will easily understand.

Claims (20)

금속지지체, 확산방지층, 연료극층, 고체전해질층 그리고 공기극 층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법에 있어서,
상기 금속지지체의 한쪽면에 상기 확산방지층과 상기 연료극층 그리고 상기 고체전해질층을 구성하는 원료분말을 테이프 캐스팅하여 제조된 그린 시트를 온간등방압프레스(Warm Isostatic Press; WIP)공정을 이용하여 적층하여 접합하는 것을 특징으로 하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법.
In the method of manufacturing a cell for a metal support type solid oxide fuel cell comprising a metal support, a diffusion barrier layer, an anode layer, a solid electrolyte layer and an cathode layer,
The green sheet manufactured by tape casting the raw material powder constituting the diffusion barrier layer, the anode layer, and the solid electrolyte layer on one surface of the metal support is laminated by using a warm isostatic press (WIP) process. A method of manufacturing a cell for a metal support-type solid oxide fuel cell, characterized in that the bonding.
제1항에 있어서,
상기 금속지지체는 후속 열처리 공정에서 수축이 일어나지 않는 소결된 다공성 금속지지체 또는 가스 채널이 형성된 금속박판을 사용하는 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal support is a method of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell using a sintered porous metal support or a metal plate formed with a gas channel does not shrink in a subsequent heat treatment process.
제2항에 있어서,
상기 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법은
상기 금속지지체를 준비하는 제1단계;
상기 금속지지체의 어느 한쪽 면에 상기 온간등방압프레스(WIP) 공정을 이용하여 상기 확산방지층의 그린 시트와 상기 연료극층의 그린 시트 그리고 고체전해질층의 그린 시트를 차례로 적층하는 제2단계;
상기 금속지지체 위에 적층된 상기 그린 시트들의 결합제와 가소제를 제거하는 제3단계;
상기 결합제와 가소제를 제거한 적층체를 냉간등방압프레스(CIP)공정을 실시하여 상기 확산방지층과 상기 연료극층 그리고 상기 고체전해질층을 압축 성형하는 제4단계;
상기 냉간등방압프레스로 성형한 적층체를 동시소성하는 제5단계; 및
상기 소결된 고체전해질층 위에 상기 공기극을 스크린 인쇄하는 제6단계;
를 포함하여 이루어진 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
The method of claim 2,
The method for manufacturing the solid oxide fuel cell
A first step of preparing the metal support;
A second step of sequentially stacking the green sheet of the diffusion barrier layer, the green sheet of the anode layer, and the green electrolyte layer of the solid electrolyte layer on one surface of the metal support using the warm isotropic press (WIP) process;
Removing a binder and a plasticizer of the green sheets stacked on the metal support;
Performing a cold isotropic press (CIP) process on the laminate from which the binder and the plasticizer have been removed to compress and mold the diffusion barrier layer, the anode layer, and the solid electrolyte layer;
A fifth step of simultaneously firing the laminate molded by the cold isotropic press; And
A sixth step of screen printing the cathode on the sintered solid electrolyte layer;
Wherein the solid oxide fuel cell comprises a metal-supported solid oxide fuel cell.
제3항에 있어서,
상기 제2단계에서 상기 각 그린시트는 테이프 캐스팅에 의하여 형성하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
The method of claim 3,
And in the second step, the green sheets are formed by tape casting.
제4항에 있어서,
상기 제2단계에서 상기 온간등방압프레스(WIP) 공정은 형성된 각 그린시트를 진공포장하고 상기 진공포장된 상기 적층체를 실린더 내부의 물 온도가 60~80℃로 유지되는 온간등방압프레스 장치에 넣고 100~300kgf/cm2 의 압력을 10~40분간 인가하여 실시하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
In the second step, the warm isotropic pressure press (WIP) process is to vacuum-pack each formed green sheet and the vacuum-packed laminate to a warm isotropic pressure press device in which the water temperature in the cylinder is maintained at 60 to 80 ° C. Method of producing a metal support-type solid oxide fuel cell cell is carried out by applying a pressure of 100 ~ 300kgf / cm 2 for 10 to 40 minutes.
제4항에 있어서,
상기 제3단계에서 결합제와 가소제를 제거하는 공정은 공기중 에서 분당 1~3 oC 의 승온 속도로 승온하면서 200oC, 350oC, 500℃ 에서 각각 2~5 시간 이상 유지하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The step of removing the binder and the plasticizer in the third step is a metal support type which is maintained at 200 o C, 350 o C, and 500 ° C. for 2 to 5 hours or more while raising the temperature at an elevated temperature of 1 to 3 o C per minute in air. Method for producing a cell for a solid oxide fuel cell.
제4항에 있어서,
상기 제4단계에서 상기 각 냉간등방압프레스(CIP)공정은 상기 적층체를 진공으로 포장한 다음 냉간등방압프레스기에 투입한 상태에서 냉간등방압프레스기에서 1,000~5,000kgf/cm2 의 등방압을 5~30분간 인가하여 실시하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
In the fourth step, each cold isostatic press (CIP) process is carried out in a cold isostatic pressure press in the cold isotropic pressure press while packing the laminate in a vacuum, and then isotropic pressure of 1,000 ~ 5,000kgf / cm 2 A method for producing a cell for a metal support solid oxide fuel cell, which is applied for 5 to 30 minutes.
제4항에 있어서,
상기 제5단계에서, 상기 동시소성은 아르곤 분위기의 소결로에서 1,000~1070℃ 범위에서 1~5 시간 범위로 열처리하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
In the fifth step, the simultaneous firing is heat-treated in an argon atmosphere sintering furnace in the range of 1,000 ~ 1070 ℃ 1 to 5 hours in the manufacturing method of a cell for a metal support solid oxide fuel cell.
제4항에 있어서,
상기 제6단계에서 상기 공기극층은 셀 제조 과정에서는 별도의 열처리를 하지 않고, 스택 또는 셀 평가시 밀봉재의 접합온도인 750~850℃ 에서 열처리 되는 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법
5. The method of claim 4,
In the sixth step, the cathode layer is not subjected to a separate heat treatment in a cell manufacturing process, and a method of manufacturing a cell for a metal support-type solid oxide fuel cell which is heat treated at a bonding temperature of a sealant at 750 to 850 ° C. when a stack or a cell is evaluated.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 확산방지층은 CeO2, Ce1 - xLnxO2 , (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0 ~ 0.2) (La1 - xAx)Cr1 - yByO3 ±δ (A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5, δ=0~0.3), (La 1-x Ax)s Ti 1-y ByO3±δ (A= Sr, Ca, 혹은 그 혼합물 x = 0.1~0.6; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru 혹은 그 혼합물, y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3), (Sr1 - xAx)sTi1 - yNbyO3 ±δ(A= Y, La, Gd, Sm 혹은 그 혼합물, x = 0.05~0.2; y= 0 ~ 0.5; s = 0.9~1.0, δ=0~0.3) 중에서 단독 또는 하나 이상이 선택된 복합체인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
10. The method according to any one of claims 1 to 9,
The diffusion barrier layer is CeO 2, Ce 1 - x Ln x O 2 -δ, (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 ~ 0.3, δ = 0 ~ 0.2) (La 1 - x A x) Cr 1 - y B y O 3 ± δ ( A = Sr, Ca, or mixtures thereof x = 0.1 ~ 0.4; B = Mn, Co, Cu, Ni, V, Fe, Ti, Ce, Ru or mixtures thereof, y = 0 ~ 0.5, δ = 0 ~ 0.3) , (1-x A x La) s Ti 1-y B y O 3 ± δ (A = Sr, Ca, or mixtures thereof x = 0.1 ~ 0.6; B = Mn, Co, (Sr 1 - x A x ) s Ti 1 - y Nb (where n is an integer from 0 to 3) y O 3 ± δ (A = Y, La, Gd, Sm or a mixture thereof, x = 0.05 to 0.2; y = 0 to 0.5; s = 0.9 to 1.0 and δ = 0 to 0.3) Wherein said solid support is a composite metal supported solid oxide fuel cell.
제10항에 있어서,
상기 확산방지층은 Ce0.9 Gd0.1 O1.95 조성 또는 상기 조성에 Co3O4를 0.2~0.8 wt% 첨가한 조성인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
The method of claim 10,
The diffusion barrier layer is a Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 composition or a method for producing a metal support-type solid oxide fuel cell of the Co 2 O 4 0.2 ~ 0.8 wt% composition.
제11항에 있어서,
상기 확산방지층은 소결 후의 평균 두께가 1~10 um 인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
The method of claim 11,
Wherein the diffusion preventing layer has an average thickness after sintering of 1 to 10 μm.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료극층은 NiO 와 (ZrO2)1-x(Y2O3)x(x=0.08~0.1)의 복합체, NiO와 (ZrO2)0.90(Sc2O3)0.1-x(Yb2O3)x (x=0~0.06) 복합체, 그리고 NiO 와 Ce1 - xLnxO2 , (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2) 의 복합체 중 어느 하나의 복합체 또는 그 혼합물인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
10. The method according to any one of claims 1 to 9,
The fuel electrode layer is NiO and (ZrO 2) 1-x ( Y 2 O 3) x (x = 0.08 ~ 0.1) of the composite, NiO and (ZrO 2) 0.90 (Sc 2 O 3) 0.1-x (Yb 2 O 3 ) x (x = 0 to 0.06) of Complex, and NiO A composite of any one of Ce 1 - x Ln x O 2 - δ , (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 to 0.3 and δ = 0 to 0.2) or a mixture thereof. &Lt; / RTI &gt;
제13항에 있어서,
상기 연료극층은 NiO와 Ce0 .9Gd0 .1O2 (δ=0~0.2) 계 고체전해질 분말의 복합체인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
The method of claim 13,
Wherein the anode layer is a composite of NiO and Ce 0 .9 Gd 0 .1 O 2 (δ = 0 to 0.2) solid electrolyte powder.
제14항에 있어서,
상기 복합체 중의 NiO 의 함량은 50~75 wt % 범위인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
15. The method of claim 14,
NiO content of the composite is a method of manufacturing a cell for a metal support-type solid oxide fuel cell in the range of 50 ~ 75 wt%.
제14항에 있어서, 상기 연료극층은 소결 후의 평균 두께가 10um ~ 50 um 인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.15. The method of claim 14, wherein the anode layer has an average thickness of 10 um to 50 um after sintering. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체전해질층은 Ce1 - xLnxO2 (Ln=Gd, Sm, Y, x = 0.1~0.3, δ= 0~0.2)계 산화물인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
7. The method according to any one of claims 1 to 6,
Wherein the solid electrolyte layer is a system oxide of Ce 1 - x Ln x O 2 -? (Ln = Gd, Sm, Y, x = 0.1 to 0.3,? = 0 to 0.2) .
제16항에 있어서,
상기 고체전해질층은 상기 산화물에 Co3O4, CoO, CuO, MnO, MnO2 의 전이금속 산화물 중 적어도 어느 하나 이상을 상기 고체전해질 분말에 대하여 0.2~2 wt% 범위에서 첨가한 혼합물인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
17. The method of claim 16,
The solid electrolyte layer may be formed of a metal support which is a mixture obtained by adding at least one of Co 3 O 4 , CoO, CuO, MnO, and MnO 2 transition metal oxide to the solid oxide electrolyte in the range of 0.2 to 2 wt% A method of manufacturing a cell for a solid oxide fuel cell.
제18항에서 있어서,
상기 고체전해질층은 소결 후의 평균 두께가 5 um ~ 30 um 인 금속지지체형 고체산화물 연료전지용 셀의 제조방법.
19. The method of claim 18,
The solid electrolyte layer is a method of manufacturing a metal support-type solid oxide fuel cell cell having an average thickness of 5 um ~ 30 um after sintering.
제11항, 제15항 그리고 제18항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 연료전지용 셀을 사용하여 제조한 연료전지 스택 (Fuel Cell Stack) 또는 연료전지 발전 시스템(Fuel Cell Power Generation System). A fuel cell stack or a fuel cell power generation system manufactured using a fuel cell manufactured by the manufacturing method of any one of claims 11, 15 and 18.
KR1020110115119A 2011-11-07 2011-11-07 A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell KR101883401B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110115119A KR101883401B1 (en) 2011-11-07 2011-11-07 A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110115119A KR101883401B1 (en) 2011-11-07 2011-11-07 A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130050402A true KR20130050402A (en) 2013-05-16
KR101883401B1 KR101883401B1 (en) 2018-07-31

Family

ID=48660752

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110115119A KR101883401B1 (en) 2011-11-07 2011-11-07 A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101883401B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140137316A (en) * 2013-05-22 2014-12-02 주식회사 엘지화학 Porous support body and method for manufacturing the same
KR20150077489A (en) * 2013-12-27 2015-07-08 재단법인 포항산업과학연구원 Cell for metal supported solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004152585A (en) * 2002-10-30 2004-05-27 Kyocera Corp Cell of fuel cell and fuel cell
KR20090016911A (en) * 2007-08-13 2009-02-18 재단법인 포항산업과학연구원 Method for electrode manufacturing of solid oxide fuel cell using aerosol nano combustion spray technique
KR20100131732A (en) * 2009-06-08 2010-12-16 연세대학교 산학협력단 Sofc unit cell for hydrocarbon and the manufacturing method of the same
KR20110057932A (en) * 2009-11-25 2011-06-01 연세대학교 산학협력단 Planar sofc manufactured by the tape casting-cofiring method
KR20110113854A (en) * 2010-04-12 2011-10-19 한국과학기술원 Fabrication method of metal supported solid oxide fuel cell

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004152585A (en) * 2002-10-30 2004-05-27 Kyocera Corp Cell of fuel cell and fuel cell
KR20090016911A (en) * 2007-08-13 2009-02-18 재단법인 포항산업과학연구원 Method for electrode manufacturing of solid oxide fuel cell using aerosol nano combustion spray technique
KR20100131732A (en) * 2009-06-08 2010-12-16 연세대학교 산학협력단 Sofc unit cell for hydrocarbon and the manufacturing method of the same
KR20110057932A (en) * 2009-11-25 2011-06-01 연세대학교 산학협력단 Planar sofc manufactured by the tape casting-cofiring method
KR20110113854A (en) * 2010-04-12 2011-10-19 한국과학기술원 Fabrication method of metal supported solid oxide fuel cell

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140137316A (en) * 2013-05-22 2014-12-02 주식회사 엘지화학 Porous support body and method for manufacturing the same
KR20140137317A (en) * 2013-05-22 2014-12-02 주식회사 엘지화학 Porous support body and method for manufacturing the same
KR20150077489A (en) * 2013-12-27 2015-07-08 재단법인 포항산업과학연구원 Cell for metal supported solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR101883401B1 (en) 2018-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5219298B2 (en) Thin solid oxide battery
CA2723238C (en) Stack structure for laminated solid oxide fuel cell, laminated solid oxide fuel cell and manufacturing method
KR101162806B1 (en) Self-supporting ceramic membranes and electrochemical cells and electrochemical cell stacks including the same
KR101405477B1 (en) A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell
JP2009507356A (en) Ceramic membrane with integral seal and support, and electrochemical cell and electrochemical cell stack structure including the same
JP2011171289A (en) Electrolyte-electrode joined assembly, and producing method therefor
KR20140016947A (en) Sintering additives for ceramic devices obtainable in a low po2 atmosphere
KR101900819B1 (en) A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell
KR101937919B1 (en) A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell by tape lamination, Fuel Cell Stack and Fuel Cell Power Generation System manufactured by using the cell for fuel cell
JP4828104B2 (en) Fuel cell
KR101857747B1 (en) A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell
KR101883401B1 (en) A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell
KR20150028545A (en) Method for preparing supported electrochemical cells and electrochemical cells thereby
WO2011001930A1 (en) Method for manufacturing an electrolyte/electrode assembly
KR20120030788A (en) A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell
KR102163688B1 (en) Cell for metal supported solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same
KR102109730B1 (en) Method for fabricating solid oxide fuel cell
JP4544874B2 (en) Fuel cell and fuel cell
KR101873960B1 (en) A method of producing a cell for a solid oxide fuel cell, Fuel Cell Stack and Fuel Cell Power Generation System manufactured by using the cell for fuel cell
KR101871349B1 (en) Cathode for solid oxide fuel cells and electrolysis cells, method for fabricating the same
JP2011009174A (en) Method of manufacturing electrolyte-electrode assembly
KR101207122B1 (en) Porous-metal supported sofc and methods for manufacturing the same
KR101276690B1 (en) Solid oxide fuel cell having the improved electrodes and its preparation
US20230072908A1 (en) Rigidly Bonded Metal Supported Electro-Chemical Stack
KR20160030677A (en) Support for micro-solid oxide fuel cell and manufacturing method for micro-solid oxide fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant