KR20140082400A - 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이며, 본 발명에서는 공기극층으로서 LSC-GDC 복합층을 다층의 구조로 형성시킴으로써, 우수한 성능을 갖는 대면적 단위전지의 제조를 가능하게 할 수 있다.

Description

고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법 {SOLID OXIDE FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고체산화물 연료전지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지는 일반적으로 연료전지 중 가장 높은 온도(700 ~ 1000℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능 하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 현재 활발히 이루어지고 있다.
고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 전기화학적 에너지 변환장치로서, 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극) 및 연료극(음극)으로 이루어진다. 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다.
그러나, 상기 공기극, 전해질 및 연료극을 기본으로 하는 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 여러 개의 단위 전지를 적층(스택)하여 연료 전지를 구성함으로써 상당량의 전력을 출력시킬 수 있게 되고, 나아가 다양한 발전 시스템 분야에 적용할 수 있게 된다. 상기 적층을 위해서, 한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극은 전기적으로 연결되어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 분리판(seperator)이 사용된다. 또한, 상기 공기극 또는 연료극과 분리판 사이에는 집전체(current collector)가 구비되어 공기극 또는 연료극이 분리판과 전기적으로 균일하게 접촉할 수 있게 한다. 이러한 집전체로는 세라믹 재질의 재료나 은 또는 백금이 사용될 수 있다.
한편, BSCF, LSC 등의 세라믹은 공기극으로서 매우 우수한 물질이지만, 높은 열팽창계수를 갖고, 상대적으로 낮은 열팽창계수를 갖는 전해질과 접촉해 있는 구조로 이루어져 있기 때문에, 대면적 연료전지에 적용시 전해질로부터 박리가 일어나는 문제가 있다. 따라서, 낮은 열팽창계수를 요구하는 작은 단위전지에 적용하거나, 낮은 온도에서만 사용해야하는 한계점이 존재한다.
본 발명의 일 측면은, 성능이 우수한 대면적 단위전지의 제조가 가능한 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 연료극 지지체;
상기 연료극 지지체 일면에 위치되는 연료극층;
상기 연료극층 일면에 위치되는 전해질층;
상기 전해질층 일면에 위치되는 반응방지층; 및
상기 반응방지층 일면에 위치되는 공기극층을 포함하고,
상기 공기극층은 2층 이상의 다층으로 구성되고, 상기 공기극층의 최내곽층은 LSC(Lanthanum Strontium Chromium oxide)-GDC(Gadolinia Doped Ceria) 복합층인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 연료극 지지체를 준비하는 단계;
상기 연료극 지지체의 일면에 연료극을 적층하는 단계;
상기 연료극의 일면에 전해질을 적층하는 단계;
상기 전해질의 일면에 반응방지층을 적층하여 적층체를 형성하는 단계;
상기 적층체를 소결하는 단계; 및
상기 소결된 적층체의 일면에 공기극층을 적층하는 단계를 포함하고,
상기 공기극층을 적층하는 단계는 상기 적층체 위에 LSC-GDC 복합층을 적층하는 단계;와 상기 LSC-GDC 복합층 위에 추가적인 공기극층을 적층하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 공기극층으로서 LSC를 포함하는 층을 최내곽층으로 구비함으로써, 성능이 우수한 대면적 단위전지를 갖는 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현례에 따른 고체산화물 연료전지를 나타내는 개략도이다.
도 2는 발명예와 비교예의 IV curve 측정 결과를 나타낸 것이다.
LSC와 LSCF는 대표적인 양극재로서, LSC는 LSCF 보다 높은 이온전도성을 가지고 있고 훨씬 뛰어난 촉매활성을 가지고 있음에도 불구하고 널리 사용되지 못하고 있다. 그 이유는 높은 열팽창계수 때문인데, 일반적으로 많이 사용되는 LSCF6428(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)의 열팽창계수는 13×10-6~18×10-6/K 정도이나, LSC의 열팽창계수는 20×10-6~23×10-6/K 정도로 LSCF계열에 비해 열팽창계수가 높다.
전해질이나 반응방지층으로서 주로 사용되는 GDC나 YSZ 물질의 낮은 열팽창계수(10×10-6~11×10-6/K)를 고려하면, LSC는 상기 GDC, YSZ에 비해 두 배 이상의 열팽창/수축을 하는 것이므로, 이들과 결합할 경우 결합강도의 약화가 매우 심할 수 있다. 따라서, 많은 고체산화물 연료전지 셀 들은 뛰어난 양극재인 LSC를 직접 사용하지 못하고 B-site에 촉매활성이 높은 Co 대신 Fe로 치환하여 열팽창계수를 떨어트림으로써 성능저하를 감수하는 대신에 양극-전해질 간의 결합강도를 확보하는 방식을 적용하고 있다.
이에, 본 발명자들은 양극재로서 가장 효과가 우수한 LSC를 적극 활용하기 위해 깊이 연구한 결과, 전해질 상에 형성되는 공기극층으로서 적정 수준의 열팽창 계수를 갖는 LSC-GDC 복합층을 포함하여 다층으로 형성시키는 경우, LSC를 사용하면서도 결합강도는 높아 기존의 LSC를 제외한 공기극층(예컨대, LSCF)에 비해 성능이 우수함은 물론, 경제적인 측면에서도 우수함을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 고체산화물 연료전지에 대하여 도 1을 참고하여 상세히 설명한다. 일반적으로 고체산화물 연료전지는 단위전지가 적층된 구조를 지칭하는 것이나, 본 발명에서는 이해를 돕기 위해 '고체산화물 연료전지'가 '단위전지'를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 구현례에 따른 고체산화물 연료전지를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하여 보면, 본 발명의 고체산화물 연료전지는 연료극 지지체(101)를 포함한다. 상기 연료극 지지체(101)는 다공질의 금속 산화물 분말을 원료로 하는 것이 바람직하며, 상기 금속 산화물은 Zr, Ce, Ti, Mg, Al, Si, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Y, Nb, Sn, La, Ta, V, Nd 산화물 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 Ni 산화물이 사용될 수 있다.
상기 연료극 지지체(101)의 일면에는 연료극층(103)을 포함한다. 상기 연료극층(103)은 NiO, YSZ(Yttria Stablized Zirconia), LSGM(Lanthanum Strontium Gallate Magnesite) 및 GDC(Gadolinia Doped Ceria)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
Ni은 대표적인 수소의 산화반응 촉매이면서도 가격이 저렴하여, 연료극으로 사용되는 대표적인 물질이다. 다만, Ni만으로 연료극층(101)을 형성할 경우, 기계강도가 매우 떨어지므로, 일반적으로 전해질 물질과 동일한 세라믹과 복합체를 이루어 서멧(Cermet)의 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이때, 세라믹 상으로는 YSZ, LSGM 및 GDC 등이 적용될 수 있다.
상기 연료극층(103)의 일면에는 전해질층(105)을 포함한다. 상기 전해질층(105)은 YSZ, LSGM 및 GDC로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
YSZ는 대표적인 이온전도체로 고온에서 높은 이온전도성을 가지면서 내산화성 또는 환원분위기에서의 강도 등 기본적인 물성이 뛰어나 고체산화물 연료전지에 전해질로서 많이 사용된다. LSGM과 GDC는 YSZ보다 훨씬 높은 이온전도도를 가지므로, 고체산화물 연료전지의 작동온도를 낮출 수 있는 물질이다.
상기 전해질층(105)의 일면에는 반응방지층(107)을 포함한다. 상기 반응방지층(107)은 GDC 및 SDC(Samarium Doped Ceria) 중 1종 또는 2종을 포함할 수 있다.
상기 반응방지층(107)은 전해질층(105)을 구성하는 물질과 후술하는 공기극층을 구성하는 물질의 반응을 방지하기 위한 목적에서 구비하는 것으로서, 예컨대 전해질층을 구성하는 물질로서 지르코니아계 산화물을 포함하고, 공기극층의 LSC 또는 LSCF를 포함하는 경우, 상기 공기극층을 소결하는 과정 또는 전지가 고온에서 작동하는 동안 상기 공기극층을 구성하는 LSC 또는 LSCF가 상기 전해질층을 구성하는 지르코니아계 산화물과 반응하여 이온 전도성 및 전기 전도성이 낮은 복합 산화물을 상기 전해질층과 공기극층 계면에 형성되는데, 상기와 같이 전해질층(105)의 일면에 반응방지층(107)을 포함함으로써 이를 방지할 수 있다.
상기 반응방지층(107)의 일면에는 공기극층(109)을 포함한다. 상기 공기극층(109)은 2층 이상의 다층으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 2층 또는 3층으로 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 공기극층(109)의 최내곽층은 LSC(Lanthanum Strontium Chromium oxide)-GDC(Gadolinia Doped Ceria) 복합층인 것이 바람직하다. 여기서 최내곽층은 전해질층(105) 쪽으로 위치하는 층을 의미하며, 바람직하게는 상기 반응방지층(107)과 인접하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 공기극층(109)은 최내곽층인 LSC-GDC 복합층 상에 LSM(LaSrMnO) 및 LSCF(LaSrCoFeO) 중 1종 또는 2종으로 이루어진 층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
LSM은 YSZ로 이루어진 전해질을 갖는 연료전지에서 양극으로 사용되는 가장 대표적인 물질이다. 상기 LSM은 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 가지며, 이온전도성은 거의 없고, 전자전도성은 뛰어나다. 또한, YSZ와의 반응도 잘 일어나지 않아 내열화성이 우수하다. 다만, 이온전도성이 없기 때문에, 산소의 환원반응은 반드시 기체, 전해질 및 LSM이 만나는 3상계면에서만 이루어지게 된다.
LSCF는 페로브스카이트 구조이면서도 상기 LSM에 비해 더 높은 전자전도도와 일정 수준 이상의 이온전도성을 갖기 때문에 반응이 3상계면에 국한되지 않고, 더 높은 성능을 보이는 재료이다. 다만, LSCF는 YSZ와 반응하여 2차상을 형성하므로, 전해질층(YSZ)과 공기극층(LSCF) 사이에는 반응방지층을 형성할 것이 요구된다.
한편, 상기 LSC-GDC 이외로 추가되는 양극 재료들은 반응면적을 극대화시키기 위하여 GDC, YSZ 등의 이온전도체와 결합시켜 복합체로 사용하기도 하며, 예컨대 LSCF를 이용하는 경우, LSCF 단층, LSCF-GDC 단층으로 형성할 수도 있으며, LSCF-GCD와 LSCF를 순차적으로 갖는 복합층으로도 형성할 수 있다.
본 발명에서 공기극층(109)으로서 LSC-GDC 복합층을 포함하는 구성은 본 발명의 핵심이 되는 구성으로서, 기존에 성능 향상의 목적으로 전해질층 상에 LSC로만 이루어진 공기극층을 형성시키는 경우, 전해질층과 공기극층의 열팽창계수 차이에 따른 박리 등의 문제점을 해결할 수 있는 바람직한 구성인 것이다.
즉, 일반적으로 전해질층(105)은 106/K~116/K의 열팽창계수를 갖고, LSC에 의한 공기극층은 20×10-6~23×10-6/K 정도의 열팽창계수를 갖는다. 따라서, 전해질층 위에 LSC계의 공기극층을 형성시킬 경우 성능은 향상되지만, LSC계 공기극층은 전해질층에 비해 2배 이상의 열팽창/수축을 함에 따라 공기극층이 박리되는 문제를 갖는다.
이에, 본 발명의 발명자들은 반응성이 높아 성능 향상에 유리한 LSC를 이용하면서도 박리 등의 문제가 없는 셀을 제조하기 위한 목적에서, 전해질층(105) 상에 LSC를 포함하는 공기극층(109), 바람직하게는 LSC-GDC 복합층을 가지면서 다층으로 이루어지는 공기극층(109)을 형성시키고자 하였다.
이때, 공기극층(109)의 최내곽층을 LSC 단독으로 형성시킬 경우, 여전히 열팽창계수가 낮은 전해질층 위에 열팽창계수가 높은 LSC층이 형성되는 것으로서, 기존의 문제를 근본적으로 해결할 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 20×10-6~23×10-6/K 정도의 열팽창계수를 갖는 LSC와 12×10-6/K 정도의 열팽창계수를 갖는 GDC를 혼합하여 LSC 보다는 낮고 GDC 보다는 높은 열팽창계수를 갖는 물질을 제조하고, 이를 공기극층(109)의 최내곽층으로서 적용함으로써 LSC에 의한 성능은 확보하면서도, 박리 등의 문제가 없는 셀의 제조를 가능하게 하였다.
더욱이, 대면적 셀의 경우, 실제 운전 중의 온도편차가 커 국부적으로 700℃ 이하로 떨어지는 부분에서도 양극반응을 원활하게 해주기 위해서는 LSC와 GDC의 복합층인 것이 바람직하다. 즉, 저온으로 갈수록 양극반응이 저하되므로 반응면적의 극대화를 위해서는 GDC와 같은 이온전도체와 혼합함으로써 LSC의 양극 성능을 극대화할 수 있는 것이다.
상기 공기극층(109)의 최내곽층을 이루는 LSC-GDC 복합층의 LSC의 비율은 50~80%인 것이 바람직하다. LSC의 비율이 80%를 초과하게 되면 LSC-GDC 층의 열팽창계수가 거의 LSC 단층의 열팽창계수와 비슷해지므로 바람직하지 못하고, 반면 LSC의 비율이 50% 미만인 경우에는 양극반응이 원활하게 일어나기 어려우므로 바람직하지 못하다.
또한, 상기 LSC-GDC 복합층은 평균두께 1~3μm의 얇은 층으로 형성시킴이 바람직한데, 이때 LSC-GDC 층 두께가 1μm 미만이면 열팽창계수를 줄이는 효과를 얻기 어려우며, 반면 3μm를 초과하게 되면 열팽창계수를 줄이는 효과는 우수하겠지만, 대면적으로 단위 셀(unit cell)을 형성하는 경우에는 박리가 일어나는 문제가 있다.
그런데, 1~3μm의 평균두께로 LSC-GDC 복합층을 포함하는 공기극층은 90mm×90mm 이상의 대면적 셀에 적용하여도 박리 등의 문제가 없다. 따라서, 공기극층으로서 LGS-GDC 복합층을 평균두께 1~3μm으로 포함하는 경우, 효율도 향상시키면서 대면적 셀의 제조를 가능하게 한다.
높은 열팽창계수를 갖는 물질이 양극재로 사용될 때 박리나 고착강도가 일어나는 이유는, 양극이 고온에서 열처리가 되어 전해질에 고착된 뒤 온도가 상온으로 내려오면서 더 급격하게 수축되기 때문이다. 이때, 양극은 수축을 해야하고, 이 수축은 수평방향과 수직방향의 수축으로 나타나는데, 상기 수평방향의 수축이 박리현상의 원인이 된다. 즉, 일반적으로 막의 두께가 두꺼워질수록 건조 또는 소결 후 박리, 갈라짐, 고착강도 저하 등이 현저하게 나타나는데, 이러한 형상은 막의 두께가 두꺼울 경우 수직방향으로의 수축보다 수평방향으로의 수축이 더 용이해지기 때문이다. 만약, 반대로 막의 두께가 현저하게 얇아지게 되면(예컨대, 막 두께가 3μm 미만으로 되는 경우) 수평방향으로의 수축은 너무 어려워지고 대부분 수직방향으로의 수축이 일어나게 된다. 이는, constrained sintering의 원리와 같은 것으로 이해할 수 있다.
하지만, 본 발명에서는 공기극층(109)으로서 LSC-GDC 복합층을 최내곽층으로 하면서, 상기 LSC-GDC 복합층 상에 LSM 또는 LSCF계의 층을 더 포함하는 구조를 갖기 때문에, 기존의 공기극층 보다 얇게 형성시킬 수 있다.
즉, LSC는 LSCF 보다 표면반응이 훨씬 빠르므로 양극에서 상대적으로 작은 반응면적으로도 좋은 성능을 나타낼 수 있다 (Solid State Ionics 135(2000) 603-612). 따라서, 얇은 LSC-GDC 복합층을 포함하여 이루어지는 공기극층(109)은 통상 LSCF로만 이루어지는 공기극층에 비해 얇게 형성시킬 수 있으며, 이에 따라 값비싼 양극재를 덜 사용하게 되므로 전체 셀 가격이 저하되는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 고체산화물 연료전지는 연료극 지지체를 제조하는 단계; 상기 연료극 지지체의 일면에 연료극을 적층하는 단계; 상기 연료극의 일면에 전해질을 적층하는 단계; 상기 전해질의 일면에 반응방지층을 적층하여 적층체를 형성하는 단계; 상기 적층체를 소결하는 단계; 및 상기 소결된 적층체의 일면에 공기극층을 적층하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있으며,
상기 공기극층을 적층하는 단계는 상기 적층체 위에 LSC-GDC 복합층을 적층하는 단계;와 상기 LSC-GDC 복합층 위에 추가적인 공기극층을 적층하는 포함한다.
상기 연료극 지지체를 제조하는 단계는, 금속 산화물 분말을 원료로 하여 테이프 캐스팅법 또는 압출법을 이용하여 제조될 수 있으며, 이때 금속 산화물 분말은 후속하는 환원공정을 통해 환원되어 금속 지지체로 형성될 수 있다.
상기 연료극 지지체의 제조가 완료되면, 연료극 지지체의 일면에 연료극을 적층하고, 상기 연료극의 일면에 전해질을 적층하고, 상기 전해질의 일면에 반응방지층을 순차적으로 적층하여 적층체를 제조한다. 상기 연료극, 전해질과 반응방지층을 순차적으로 적층시키는 단계는 테이프 캐스팅법, 스크린 인쇄법 및 습식 스프레이법 중 어느 하나의 방법으로 각각 제조될 수 있다.
이후, 상기에 의해 제조된 적층체를 소결한다. 이때, 소결온도는 1300~1400℃로 설정함이 바람직하다.
상기 적층체의 소결이 완료되면, 상기 적층체의 일면에 공기극층을 적층하여 단위전지로서 제조한다. 이때, 공기극층의 적층은 상기한 연료극 또는 전해질의 적층과 동일한 방법에 의할 수 있으며, 특히 공기극층의 최내곽층을 이루는 LSC-GDC 복합층은 켈린더링된 메쉬(mesh)를 사용하는 스크린 인쇄법을 이용할 수 있다.
상기 공기극층은 최내곽층으로서 LSC-GDC 복합층 이외에 추가적인 공기극층을 더 포함할 수 있으며, 이때 추가적인 공기극층으로는 LSM 및 LSCF 중 1종 또는 2종을 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 LSCF계 층을 1층 또는 2층으로 더 포함함으로써 상기 공기극층은 다층 구조를 갖도록 이루어질 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하지는 않는다.
( 실시예 1)
본 발명에 따라 공기극층으로서 LSC-GDC 복합층을 포함하여 이루어지는 공기극층을 갖는 셀의 효율을 측정하기 위하여, 기존의 LSC-GDC 복합층이 없는 LSCF계의 공기극층으로 이루어진 셀을 각각 스크린 프린팅 방법으로 제조한 후, 이들 셀의 IV(Current-Voltage) Curve를 측정하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
이때, 셀을 제조함에 있어서 300mm×200mm의 크기로 제작하면서, 전해질로는 YSZ, 반응방지층으로는 GDC, 공기극층으로는 LSC-GDC/LSCF-GDC/LSCF 복합층을 사용하여 스크린 프린팅 방법으로 적층하여 제조하였으며, 상기 LSC-GDC 복합층은 LSC와 GDC를 1:1로 혼합하여 켈린더링된 메쉬(mesh)를 사용하는 스크린 인쇄법으로 두께 1~3μm 범위 내로 제조하였다.
이후, 상기 제조된 각 셀의 효율은 750℃에서 실시함으로써 평가하였다.
측정 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 공기극층으로서 LSC-GDC 복합층을 갖는 발명예의 경우, LSC-GDC 복합층을 포함하지 않는 비교예에 비해 성능이 우수하게 향상된 것을 확인할 수 있다.
한편, 처음에는 전해질층(YSZ)/반응방지층(GDC)상에 공기극층으로서 LSC-GDC 복합층을 얇게 형성시킴으로써, 성공적인 대면적 셀을 제작하였다. 그러나, 이 셀은 기존의 LSCF 기반의 공기극층을 갖는 셀보다 성능이 좋지 못하였다. 이는, LSC, LSCF와 같은 이온전도성의 양극재들은 전해질과의 계면에서뿐만 아니라 전해질과의 거리가 떨어져 있는 공기극층의 부분에서까지 양극반응을 일으키는데, 공기극층을 제조함에 있어서 높은 성능의 LSC를 이용함으로써 대면적인 셀의 제조는 가능하였지만, 반면 이러한 LSC 사용에 의해 공기극층의 두께가 충분하지 못함에 따라 반응면적의 손실이 일어난 것이다.
이에, 본 발명자들은 공기극층을 제조함에 있어서, LSC-GDC 복합층과 함께 그 위에 LSCF계의 층을 더 형성시킴으로써 상기 문제를 해결할 수 있었다. 즉, 앞에서도 설명하였지만 도 2에 나타낸 바와 같이 전해질(YSZ)/반응방지층(GDC) 위에 LSC-GDC와 LSCF-GDC/LSCF를 순차적으로 형성시킨 셀(발명예)의 경우, 기존 전해질(YSZ) 위에 LSCF-GDC/LSCF만을 포함하는 셀(비교예)에 비해 월등히 뛰어난 성능을 보임을 알 수 있다.
( 실시예 2)
상기 실시예 1에서 효과를 확인한 LSC-GDC 복합층의 두께에 따른 셀의 효율을 측정하였다.
셀 제조시, 셀의 크기는 10mm×10mm, 90mm×90mm, 200mm×300mm, 250mm×250mm로 설정하여, 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 전해질층(YSZ), 반응방지층(GDC), 공기극층(LSC-GDC/LSCF-GDC/LSCF 복합층)을 각각 스크린 프린팅 방법으로 적층하였으며, LSC-GDC 복합층은 LSC와 GDC를 1:1로 혼합하여 켈린더링된 메쉬(mesh)를 사용하는 스크린 인쇄법으로 제조하였다. 이때, LSC-GDC 복합층의 두께를 변화(10μm 이상, 6~7μm, 1μm 미만)시켜 가면서 공기극층을 제조하였다.
측정 결과, 공기극층 중 LSC-GDC 복합층의 두께를 10μm 이상으로 형성시키면, 셀의 크기가 작은 경우(10mm×10mm), 큰 경우 모두 공기극층이 박리되는 현상이 발생하였다. 따라서, 셀의 효율을 측정할 수 없었다.
LSC-GDC 복합층의 두께를 6~7μm로 형성시키는 경우, 셀의 크기가 작은 경우와 큰 경우 모두 셀의 제조는 가능하였지만, 각각의 셀의 효율을 측정하는 과정에서 공기극층의 박리가 발생하였다. 이는, 공기극층의 결합(고착) 강도가 약하기 때문인 것으로 볼 수 있다.
또한, LSC-GDC 복합층의 두께를 1μm 미만으로 형성시키고자 하였을 때에는 스크린 프린팅에 의해 복합층 자체를 전혀 형성시킬 수 없었다. 즉, 두께가 너무 얇은 층은 구현이 불가한 것을 확인하였다.
이에 반면, LSC-GDC 복합층의 두께를 1~3μm로 형성시키는 경우, 셀의 크기가 작은 경우와 큰 경우 모두 성능이 우수하게 측정되었으며, 특히 대면적 크기를 갖는 셀의 경우에서도 박리 등의 발생 없이 성능이 우수하였다 (도 2의 발명예 참조).
101.....연료극 지지체 103.....연료극층
105.....전해질층 107.....반응방지층
109.....공기극층

Claims (15)

  1. 연료극 지지체;
    상기 연료극 지지체 일면에 위치되는 연료극층;
    상기 연료극층 일면에 위치되는 전해질층;
    상기 전해질층 일면에 위치되는 반응방지층; 및
    상기 반응방지층 일면에 위치되는 공기극층을 포함하고,
    상기 공기극층은 2층 이상의 다층으로 구성되고, 상기 공기극층의 최내곽층은 LSC(Lanthanum Strontium Chromium oxide)-GDC(Gadolinia Doped Ceria) 복합층인 고체산화물 연료전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 LSC-GDC 복합층은 평균두께가 1~3μm인 고체산화물 연료전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 LSC-GDC 복합층은 열팽창 계수가 12×10-6/K~23×10-6/K인 고체산화물 연료전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 LSC-GDC 복합층을 구성하는 LSC의 비율이 50~80%인 고체산화물 연료전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연료극층은 NiO, YSZ(Yttria Stablized Zirconia), LSGM(Lanthanum Strontium Gallate Magnesite) 및 GDC로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전해질층은 YSZ, LSGM, 및 GDC로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 반응방지층은 GDC 및 SDC(Samarium Doped Ceria) 중 1종 또는 2종인 고체산화물 연료전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 공기극층은 LSC-GDC 복합층 외에 LSM(Lanthanum Strontium Manganite) 및 LSCF(Lanthanum Strontium Cobaltite Ferrite) 중 1종 또는 2종을 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 LSM 및 LSCF는 YSZ와 GDC 중 1종 또는 2종과 결합된 복합체인 고체산화물 연료전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지는 90mm×90mm 이상의 대면적을 갖는 고체산화물 연료전지.
  11. 연료극 지지체를 준비하는 단계;
    상기 연료극 지지체의 일면에 연료극을 적층하는 단계;
    상기 연료극의 일면에 전해질을 적층하는 단계;
    상기 전해질의 일면에 반응방지층을 적층하여 적층체를 형성하는 단계;
    상기 적층체를 소결하는 단계; 및
    상기 소결된 적층체의 일면에 공기극층을 적층하는 단계를 포함하고,
    상기 공기극층을 적층하는 단계는 상기 적층체 위에 LSC-GDC 복합층을 적층하는 단계;와 상기 LSC-GDC 복합층 위에 추가적인 공기극층을 적층하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 추가적인 공기극층은 LSM 및 LSCF 중 1종 또는 2종으로 이루어진 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 LSM 및 LSCF는 YSZ와 GDC 중 1종 또는 2종과 결합된 복합체인 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 LSC-GDC 복합층은 켈린더링된 메쉬(mesh)를 사용하는 스크린 인쇄법에 의해 제조되는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 적층체를 소결하는 단계는 1300~1400℃에서 실시하는 것인 고체산화물 연료전지의 제조방법.
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