KR20160030625A - Method for manufacturing proton conducting solid oxide fuel cell and proton conducting solid oxide fuel cell using the method - Google Patents

Method for manufacturing proton conducting solid oxide fuel cell and proton conducting solid oxide fuel cell using the method Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a proton conducting solid oxide fuel cell and the proton conducting solid oxide fuel cell employing the same. The purpose of the present invention is to manufacture a large-area proton conducting solid oxide fuel cell which can be commercially utilized in an easy method. To achieve the purpose, the main invention point is that an oxygen ion conductor is transformed into a proton conductor through a reaction by performing low-temperature heat treatment in a space with controlled atmosphere. According to the present invention, a uniform and fine fuel electrode structure as well as a compact proton conductor electrolyte with excellent conductivity can be obtained even without going through high-temperature sintering, and a large-area proton conducting solid oxide fuel cell with excellent performance is finally provided.

Description

프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지 {METHOD FOR MANUFACTURING PROTON CONDUCTING SOLID OXIDE FUEL CELL AND PROTON CONDUCTING SOLID OXIDE FUEL CELL USING THE METHOD}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a proton conductor solid oxide fuel cell and a proton conductor solid oxide fuel cell produced by the method,

본 발명은 프로톤 전도성을 갖는 고체산화물 연료전지와 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 프로톤 전도성을 갖는 전해질층 및/또는 프로톤 전도성을 갖는 연료극층을 포함하는 고체산화물 연료전지와 이의 제조방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a solid oxide fuel cell including an electrolyte layer having proton conductivity and / or an anode layer having proton conductivity, and a method of manufacturing the same. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid oxide fuel cell having proton conductivity and a method for manufacturing the same. .

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)는 일반적으로 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질층과, 전해질층의 일면에 위치하는 연료극(음극)과 전해질층의 다른 일면에 위치하는 공기극(양극)을 포함한다.A solid oxide fuel cell generally has a structure in which a plurality of electricity generating units each comprising a unit cell and a separator plate are laminated. The unit cell includes an electrolyte layer and a cathode (anode) located on one side of the electrolyte layer and an anode (anode) located on the other side of the electrolyte layer.

일반적으로 고체산화물 연료전지는 전해질층의 옴 저항(Ohmic resistance)을 줄이고, 연료극과 공기극의 분극 저항(Polarization resistance)을 줄이기 위하여 700~1000℃의 고온에서 운전해야 한다. 그런데, 700~1000℃의 고온 운전은 연료극 미세 구조의 조대화, 분리판에서의 크롬 휘발, 공기극의 크롬 피독, 분리판 부식, 제2상 생성 등과 같은 다양한 문제를 발생시켜 연료전지의 장기 성능 저하를 유발한다. 뿐만 아니라, 고온 작동을 위한 분리판 및 BOP(Balance of Plant) 기기용 재료는 고온에서 내산화성이 우수한 고가의 금속 소재가 사용되어야 하므로, 고체산화물 연료전지의 상업화에 있어 큰 장애 요인이 된다.In general, a solid oxide fuel cell must be operated at a high temperature of 700 to 1000 ° C in order to reduce the ohmic resistance of the electrolyte layer and to reduce the polarization resistance of the fuel electrode and the air electrode. However, operation at a high temperature of 700 to 1000 ° C causes various problems such as coarsening of the fuel electrode microstructure, chrome volatilization in the separator, chromium poisoning of the air electrode, separation plate corrosion, generation of the second phase, ≪ / RTI > In addition, materials for separator plates and BOP (Balance of Plant) equipment for high-temperature operation must be used in high-priced metal materials having excellent oxidation resistance at high temperatures, which is a serious obstacle to the commercialization of solid oxide fuel cells.

이러한 이유들로 인하여, 고체산화물 연료전지의 작동 온도를 중저온 영역대인 400~600℃ 범위로 낮추고자 하는 연구가 진행되고 있다.For these reasons, studies are underway to lower the operating temperature of the solid oxide fuel cell to 400-600 ° C, which is the mid and low temperature range.

그런데, 중저온 영역에서의 운전을 위해서는 낮은 온도에서도 높은 전도도를 갖는 전해질 재료를 사용하는 것이 필수적이다. 산소 이온을 (O2-)을 전하 전달 물질로 사용하는 산소 이온 전도체에 비하여 모빌리티가 높은 프로톤(H+)을 전하전달 물질로 사용하는 프로톤 전도체를 전해질로 사용하면 낮은 온도에서도 높은 전기 전도도를 얻을 수 있다.However, it is necessary to use an electrolyte material having a high conductivity even at a low temperature for operation in the middle low temperature region. When a proton conductor using proton (H + ) having high mobility as a charge transfer material is used as an electrolyte compared to an oxygen ion conductor using oxygen ions (O 2- ) as a charge transfer material, high electric conductivity is obtained even at a low temperature .

이러한 프로톤 전도체로 대표적인 물질로는 이트륨 도핑 바륨 지르코니아(Yttrium doped barium zirconia: BaZr1-xYxO3-d, 0<x≤0.2, 0≤d≤0.3, 이하 'BZY'라 함), 이트륨 도핑 바륨 세레이트(Yttrium doped barium cerate: BaCe1-yYyO3-d, 0<y≤0.2, 0≤d≤0.3, 이하 'BCY'라 함)가 있으며, 이중에서도 BZY는 기계적, 화학적 안정성이 매우 좋고, 입자 전기 전도도가 매우 높아 저온용 프로톤 전도체로 매우 유망한 소재로 주목 받고 있다.Typical examples of such proton conductors include yttrium doped barium zirconia (BaZr 1-x Y x O 3 -d , 0 <x? 0.2, 0? D? 0.3, hereinafter referred to as BZY) BZY is a chemical compound that is mechanically and chemically bonded to the surface of a substrate. The BZY is a metal oxide having a chemical formula of BaTiO 3 -y Y y O 3 -d , 0 < y ? 0.2, 0? D? 0.3, It is very promising as a proton conductor for low temperature because of its high stability and very high particle electric conductivity.

그러나, BZY는 난소결성 물질이라 1600℃ 이상에서도 치밀화가 어려울 뿐만 아니라, 고온에서 바륨(Ba)이 휘발하여 전기 전도도를 저하시키는 단점이 있다. 또한, 고온 공법을 통해 BZY를 전해질 재료로 형성할 경우, 연료극의 조대화, 연료극과의 열적 미스매칭 등을 유발하기 때문에 상업적으로 활용하기 어렵다.However, since BZY is an ozone-depleting substance, densification is difficult even at 1600 DEG C or more, and barium (Ba) is volatilized at a high temperature to deteriorate electric conductivity. Further, when BZY is formed of an electrolyte material through a high-temperature method, it is difficult to be commercially used because it causes coarsening of the anode and thermal mismatching with the anode.

BZY의 치밀화 온도를 낮추기 위하여, BZY에 산화아연(ZnO), 산화구리(CuO), 산화니켈(NiO) 등의 첨가제가 활용되고 있으나, 이러한 첨가제는 전기 전도도의 저하를 유발한다.In order to lower the densification temperature of BZY, additives such as zinc oxide (ZnO), copper oxide (CuO) and nickel oxide (NiO) are used for BZY, but these additives cause deterioration of electrical conductivity.

한편, 펄스레이저증착(PLD) 공정과 같은 박막 공정을 통하여 높은 전기 전도도를 갖은 방향성 박막을 얻을 수 있으나, 공정 조건 및 기판 조건에 따라 전도도가 크게 차이가 난다. 특히, 단결정 기판이 아닌 실제 고체산화물 연료전지에 사용되는 연료극을 기판으로 사용할 경우 방향성 박막을 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 증착 가능한 영역이 매우 국소 영역이므로 상업적으로 활용할 수 없는 치명적 단점이 있다.On the other hand, a directional thin film with high electrical conductivity can be obtained through a thin film process such as a pulsed laser deposition (PLD) process, but the conductivity varies greatly depending on processing conditions and substrate conditions. In particular, when a fuel electrode used in a solid oxide fuel cell other than a single crystal substrate is used as a substrate, not only a directional thin film can be obtained, but also a fissile region is a very local region.

한국공개특허공보 제2012-0027875호Korean Patent Publication No. 2012-0027875

본 발명은 1600℃ 이상의 고온공정을 적용하지 않고도, 상업적으로 활용 가능한 대면적의 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지를 제조하는 방법과 이 방법에 의해 제조된 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지를 제공하는 것을 과제로 한다.It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a commercially available proton conductor solid oxide fuel cell having a large area and a proton conductor solid oxide fuel cell manufactured by the method, .

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 산소 이온 전도체를 포함하는 전해질층 또는 연료극층을 구비한 고체산화물 연료전지를, 상변화를 통해 상기 산소 이온 전도체를 프로톤 전도체로 변화시키는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a solid oxide fuel cell comprising an oxygen ion conductor and an electrolyte layer comprising the oxygen ion conductor, or a solid oxide fuel cell comprising the anode layer, wherein the oxygen ion conductor is changed to a proton conductor through a phase change. A method of manufacturing a solid oxide fuel cell is provided.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 상변화는 분위기 열처리에 의해 이루어질 수 있다.In the method according to the present invention, the phase change may be achieved by an atmosphere heat treatment.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 분위기는 상기 산소 이온 전도체를 포함하는 전해질층 또는 연료극층을 구성하는 물질과 반응하여 프로톤 전도체를 포함하는 전해질층 또는 연료극층으로 상변화시킬 수 있는 성분을 포함하는 기상 분위기일 수 있다.In the method according to the present invention, the atmosphere may include an electrolyte layer containing the oxygen ion conductor or a substance capable of reacting with a substance constituting the fuel electrode layer to change into an electrolyte layer containing a proton conductor or an anode layer It can be a weather atmosphere.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 열처리는 600~1400℃에서 1~100시간 동안 수행될 수 있다.In the method according to the present invention, the heat treatment may be performed at 600 to 1400 ° C for 1 to 100 hours.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 전해질층은, 펄스레이저 증착, 스퍼터링 증착, 스크린 프린팅 후 소결, 에어로졸 후막 증착, 테이프 적층 후 동시 소결 등의 방법 중 하나 이상을 적용하여 형성될 수 있다.In the method according to the present invention, the electrolyte layer may be formed by applying at least one of pulsed laser deposition, sputter deposition, sintering after screen printing, aerosol thick film deposition, simultaneous sintering after tape lamination, and the like.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 연료극층은, 니켈(Ni), 산화니켈(NiO) 중에서 선택된 1종 이상과 산소 이온 전도체을 포함하는 복합체로 이루어지며, 이 복합체는 추가로 산소 이온 전도체를 10~90%의 분자비로 포함할 수 있다.In the method according to the present invention, the anode layer is composed of a composite containing at least one selected from the group consisting of nickel (Ni) and nickel oxide (NiO) and an oxygen ion conductor, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 90% &lt; / RTI &gt;

본 발명에 따른 방법에 있어서, 산소 이온 전도체를 포함하는 전해질층 또는 연료극층을 구비한 고체산화물 연료전지는 추가로 지지층을 구비하고, 상기 지지층은 니켈(Ni), 산화니켈(NiO) 중 1종 이상과 10~90% 분자비의 산소 이온 전도체를 포함하는 복합체, 스테인리스강, 니켈(Ni), 니켈-철(Ni-Fe), 코발트-니켈(Co-Ni)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.In the method according to the present invention, the solid oxide fuel cell having an electrolyte layer or an anode layer comprising an oxygen ion conductor further comprises a support layer, wherein the support layer is one of nickel (Ni), nickel oxide (Ni), nickel-iron (Ni-Fe), and cobalt-nickel (Co-Ni) &Lt; / RTI &gt;

본 발명에 따른 방법에 있어서, 산소 이온 전도체는, 지르코니아(ZrO2)계 산화물, 세리아(CeO2)계 산화물 중의 선택된 1종일 수 있고, 이 산소 이온 전도체는 이트리아(Y2O3), 스칸디아(Sc2O3) 및 산화가돌리늄(Gd2O3) 중 1종 이상의 안정화제를 1~30% 원자비로 포함할 수 있다.In the method according to the present invention, the oxygen ion conductor may be selected from among zirconia (ZrO 2 ) oxide and ceria (CeO 2 ) oxide, and the oxygen ion conductor is selected from yttria (Y 2 O 3 ) (Sc 2 O 3 ) and gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ) in an atomic ratio of 1 to 30%.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 분위기 열처리는 산소 이온 전도체를 포함하는 전해질 또는 연료극을 구비한 고체산화물 연료전지를 분위기 형성용 분말로 덮은 후 가열하는 방식일 수 있다.In the method according to the present invention, the atmosphere heat treatment may be a method in which a solid oxide fuel cell having an electrolyte including an oxygen ion conductor or a fuel electrode is covered with a powder for forming an atmosphere and then heated.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 분위기 형성용 분말은, 이트륨 도핑 바륨 지르코네이트 (BaZr1-xYxO3-d, 0<x≤0.2, 0≤d≤0.3), 이트륨 도핑 바륨 세레이트(BaCe1-yYyO3-d, 0<y≤0.2, 0≤d≤0.3), 탄산바륨(BaCO3) 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물일 수 있다.In the method according to the present invention, the atmosphere forming powder is preferably at least one selected from the group consisting of yttrium-doped barium zirconate (BaZr 1-x Y x O 3 -d , 0 <x? 0.2, 0? D? 0.3) rate (BaCe 1-y y y O 3-d, 0 <y≤0.2, 0≤d≤0.3), may be one kind or a mixture thereof selected from the group consisting of barium carbonate (BaCO 3).

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 프로톤 전도체는, 바륨 지르코네이트(BaZrO3)와 바륨 세레이트(BaCeO3)의 복합체인 BaZrxCe1-xO3-d(0<x≤1.0, 0≤d≤0.3)로 이루어질 수 있으며, 상기 복합체에는 추가로 이트리아(Y2O3), 산화이터븀(Yb2O3), 산화니오디뮴(Nd2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3) 중 1종 이상의 첨가제가 1~30% 원자비로 포함될 수 있다.In the method according to the present invention, the proton conductor, barium zirconate (BaZrO 3), barium and three rates (BaCeO 3) of the composite of BaZr x Ce 1-x O 3 -d (0 <x≤1.0, 0 (Y 2 O 3 ), ytterbium (Yb 2 O 3 ), niobium oxide (Nd 2 O 3 ), praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ) may be contained at an atomic ratio of 1 to 30%.

또한, 상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 전해질 또는 연료극을 구비한 고체산화물 연료전지로, 상기한 방법들에 의해, 상기 전해질 또는 연료극 중 하나 이상이 산소 이온 전도체를 포함하는 물질에서 프로톤 전도체를 포함하는 물질로 상변화된, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell comprising an electrolyte or a fuel electrode, wherein at least one of the electrolyte or the anode has a proton conductor in a material containing an oxygen ion conductor Wherein the proton conductor is a solid oxide fuel cell.

본 발명에 따른 연료전지에 있어서, 추가로 연료극에 인접한 지지층을 포함할 수 있다.The fuel cell according to the present invention may further include a support layer adjacent to the anode.

본 발명에 의하면, 상업적으로 활용 가능한 크기를 갖는 중저온 작동형 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to manufacture a medium-low-temperature-operated proton conductor solid oxide fuel cell having a commercially available size.

특히, 본 발명에 의하면, 기술적으로 완성도도 높고 일부 상업적으로 활용되고 있는 산소 이온 전도체 고체산화물 연료전지를 간단한 분위기 열처리를 통해서 용이하게 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지로로 변환되기 때문에, 종래 1600℃ 이상의 고온 소결에 따른 휘발, 전기전도도 저하의 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 고비용 소결공정을 제거함으로써 셀 제조에 있어 가격 경쟁력을 확보할 수 있게 된다.Particularly, according to the present invention, since the oxygen-ion conductor solid oxide fuel cell, which is technically complicated and partially utilized, is easily converted into a proton conductor solid oxide fuel cell through simple atmosphere heat treatment, It is possible not only to solve the problems of volatilization and electric conductivity lowering due to sintering but also to eliminate costly sintering process and to secure price competitiveness in cell manufacturing.

또한, 연료극의 미세 구조 조절에 활용되면, 미세한 프로톤 전도체 입자를 균일하게 분포시킬 수 있어, 반응 면적이 극대화되고 이에 따라 분극 저항이 감소되어 연료전지 성능이 크게 향상된다.In addition, when used to control the microstructure of the fuel electrode, fine proton conductor particles can be uniformly distributed, maximizing the reaction area, and thus reducing the polarization resistance, thereby greatly improving fuel cell performance.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸 것으로, 산소이온 전도체 고체산화물 연료전지가 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지로 상변화되는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예 1에 따라 1200℃ 및 1350℃에서 각각 열처리한 후의 고체산화물 연료전지의 단면에 대한 성분분석결과를 나타낸 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예 1에 따라 열처리를 수행하기 전과, 1200℃ 및 1350℃에서 각각 열처리한 후의 고체산화물 연료전지의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 실시예 2에 따른 구조를 갖는 산소이온 전도체 고체산화물 연료전지가 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지로 상변화되는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따라, 1200℃에서 열처리한 후의 고체산화물 연료전지의 단면에 대한 성분분석결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따라 열처리를 수행하기 전과, 1200℃에서 열처리한 후의 고체산화물 연료전지의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 연료극층의 프로톤 전도체 입자가 BZY 니켈 입자 위에 매우 미세하고 균일하게 분포된 상태를 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예 2에 따라 분위기 열처리를 수행하기 전과 후의 연료전지의 성능을 평가한 결과를 나타낸 것이다.
FIGS. 1A and 1B show an embodiment of the present invention, schematically illustrating a process in which an oxygen ion conductor solid oxide fuel cell is phase-changed into a proton conductor solid oxide fuel cell.
FIGS. 2A and 2B are graphs showing the results of a component analysis for a cross-section of a solid oxide fuel cell after heat treatment at 1200 ° C. and 1350 ° C., respectively, according to Example 1 of the present invention.
FIGS. 3A to 3C are scanning electron micrographs of cross sections of a solid oxide fuel cell after heat treatment at 1200.degree. C. and 1350.degree. C. before heat treatment according to Embodiment 1 of the present invention, respectively.
FIG. 4 schematically illustrates a process in which an oxygen ion conductor solid oxide fuel cell having the structure according to Embodiment 2 is phase-changed into a proton conductor solid oxide fuel cell.
5 is a graph showing the results of a component analysis on a cross section of a solid oxide fuel cell after heat treatment at 1200 ° C according to Example 2 of the present invention.
6 is a scanning electron micrograph of a cross section of the solid oxide fuel cell before the heat treatment is performed according to the second embodiment of the present invention and after the heat treatment at 1200 ° C.
FIG. 7 is a scanning electron microscope (SEM) image showing that the proton conductor particles of the anode layer are very finely and uniformly distributed on the BZY nickel particles according to the second embodiment of the present invention.
8A and 8B show the results of evaluating the performance of the fuel cell before and after performing the atmosphere heat treatment according to the second embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 대표적인 실시예를 기초로 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 아래에서 개시되는 실시예들에 한정되지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 아래의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail based on representative embodiments of the present invention. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and can be implemented in various forms. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation only as the scope of the invention mayinpower a person skilled in the pertinent art to a comprehensive understanding. Is defined.

본 발명은, 산소 이온 전도체를 포함하는 전해질층 또는 연료극층을 구비한 연료전지를, 분위기가 제어된 공간에서 비교적 낮은 온도의 열처리를 함으로써, 상기 산소 이온 전도체를 프로톤 전도체로 상변화시키는 원리를 통해, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지를 제조하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a fuel cell comprising an oxygen ion conductor or a fuel cell having an anode layer by performing a heat treatment at a relatively low temperature in an atmosphere controlled atmosphere to change the oxygen ion conductor into a proton conductor , And a proton conductor solid oxide fuel cell.

종래의 BZY를 포함하는 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지를 제조함에 있어서는, 1600℃ 이상의 매우 높은 소결온도에서만 BZY 미세 입자를 치밀화할 수 있는데 비해, 본 발명에 의하면, 치밀화시킨 YSZ층과 BaO를 600~1200℃ 정도의 낮은 온도 영역에서 반응시키기 때문에 BZY의 치밀도를 확보하는데 고온 열처리가 필요하지 않게 된다. 이에 따라, 고온 공정에 따른 바륨(Ba) 휘발의 문제점, 연료극의 조대화, 연료극과의 열적 미스매칭 등의 문제점을 해소할 수 있게 된다.In manufacturing a proton conductor solid oxide fuel cell including a conventional BZY, the BZY fine particles can be densified only at a very high sintering temperature of 1600 DEG C or more. According to the present invention, the densified YSZ layer and BaO are formed in a range of 600 to 1200 The heat treatment at a high temperature is not required in order to ensure the compactness of BZY. Accordingly, problems such as barium (Ba) volatilization due to the high temperature process, coarsening of the fuel electrode, and thermal mismatch with the fuel electrode can be solved.

일예로, 전해질층은, 고체산화물 연료전지에 활용되고 있는 대표적인 산소 이온 전도체인 이트륨 안정화 지르코니아(Yttrium stabilized zirconia: YSZ)와 산화바륨(BaO)의 반응을 통해, BZY로 이루어진 프로톤 전도체를 포함하는 전해질층을 얻을 수 있다.For example, the electrolyte layer can be formed by the reaction of yttrium stabilized zirconia (YSZ) and barium oxide (BaO), which are typical oxygen ion conductors used in solid oxide fuel cells, and an electrolyte comprising a proton conductor made of BZY Layer can be obtained.

또한, 다른 예로, 연료극층에 사용되는 프로톤 전도체도 본 발명에 따른 방법으로 용이하게 상(phase)을 바꿀 수 있다. 예를 들어 종래의 대표적인 Ni-YSZ 연료극 복합체에서 YSZ를 BZY로 변화시킴에 따라 Ni-BZY 복합체로 만들 수 있다.Further, as another example, the proton conductor used for the anode layer can be easily changed in the method according to the present invention. For example, in a typical Ni-YSZ fuel electrode composite, a Ni-BZY composite can be formed by changing YSZ to BZY.

특히, 이때 상변화된 BZY는 매우 작은 미세 입자로 변화되어 Ni 입자 위에 균일하게 분포되므로 반응 면적의 극대화에 매우 유용하며, 이와 같은 반응 면적의 극대화는 분극 저항(Polarization Resistance)을 크게 감소시킴에 따라 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.In particular, since the phase-changed BZY is changed into very small fine particles and is uniformly distributed on the Ni particles, it is very useful for maximizing the reaction area. Such maximization of the reaction area greatly reduces the polarization resistance, The performance of the battery can be improved.

상기 상변화는 분위기 열처리에 의해 이루어질 수 있는데, 상기 분위기는 상기 산소 이온 전도체와 반응하여 프로톤 전도체로 상변화를 유발시킬 수 있는 성분을 포함하는 기상(vapor phase)으로 이루어지는 것이 바람직하다.The phase change may be performed by an atmosphere heat treatment, and the atmosphere preferably comprises a vapor phase containing a component capable of reacting with the oxygen ion conductor to cause a phase change to a proton conductor.

또한, 상기 열처리 온도는 600℃ 미만일 경우 BaO와 YSZ의 반응이 원활하지 않고, 1400℃를 초과할 경우 BZY 이외의 원하지 않는 제2상(Second Phase)이 생성될 수 있기 때문에, 600~1400℃가 바람직하고, 보다 바람직한 범위는 1000~1400℃이다. 또한, 열처리 시간은 1시간 미만일 경우 반응이 충분하지 못하여 원하는 영역을 충분히 상변화 시킬 수 없고, 100시간 초과일 경우 과소결에 의해 입자가 조대해지거나 제2상이 생성될 수 있으므로, 1~100시간이 바람직하다.If the heat treatment temperature is lower than 600 ° C, the reaction between BaO and YSZ is not smooth. If it exceeds 1400 ° C, an undesired second phase other than BZY may be generated. Therefore, And more preferably in the range of 1000 to 1400 ° C. If the heat treatment time is less than 1 hour, the reaction is not sufficient and the desired region can not be sufficiently phase-changed. If the heat treatment time is more than 100 hours, the particles may be coarsened or the second phase may be generated due to over- desirable.

상기 전해질층은, 펄스레이저 증착, 스퍼터링 증착, 스크린 프린팅 후 소결, 에어로졸 후막 증착, 테이프 적층 후 동시 소결과 같은 다양한 막 형성 방법으로 형성될 수 있다.The electrolyte layer may be formed by various film forming methods such as pulsed laser deposition, sputter deposition, sintering after screen printing, aerosol thick film deposition, and simultaneous sintering after tape lamination.

상기 연료극층은, 니켈(Ni), 산화니켈(NiO) 중에서 선택된 1종 이상과, 산소 이온 전도체를 포함하는 복합체로 이루어질 수 있으며, 상기 복합체는 산소 이온 전도체 10~90% 분자비로 포함할 수 있다.The anode layer may be composed of a composite containing at least one selected from the group consisting of nickel (Ni) and nickel oxide (NiO) and an oxygen ion conductor, and the composite may include the oxygen ion conductor at a molecular ratio of 10 to 90% .

상기 고체산화물 연료전지는 지지층을 구비할 수 있으며, 지지층은 니켈(Ni), 산화니켈(NiO) 중에서 선택된 1종 이상과 산소 이온 전도체를 포함하는 복합체, 스테인리스강, 니켈(Ni), 니켈-철(Ni-Fe), 코발트-니켈(Co-Ni)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.The solid oxide fuel cell may have a support layer. The support layer may be a composite including at least one selected from the group consisting of nickel (Ni) and nickel oxide (NiO) and an oxygen ion conductor, a stainless steel, nickel (Ni) (Ni-Fe), and cobalt-nickel (Co-Ni).

상기 산소 이온 전도체는, 바람직하게 지르코니아(ZrO2)계 산화물과 세리아(CeO2)계 산화물 중에서 선택된 1종 이상과, 이트리아(Y2O3), 스칸디아(Sc2O3) 및 산화가돌리늄(Gd2O3) 중에서 선택된 1종 이상의 안정화제를 1~30원자%로 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명이 상기 산소 이온 전도체에 한정되는 것은 아니며, 산소 이온 전도체에서 분위기 열처리를 통해 프로톤 전도체로 상변화가 가능한 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.Preferably, the oxygen ion conductor is at least one selected from the group consisting of zirconia (ZrO 2 ) oxide and ceria (CeO 2 ) oxide, yttrium oxide (Y 2 O 3 ), scandia (Sc 2 O 3 ) and gadolinium oxide Gd 2 O 3 ) in an amount of 1 to 30 atomic%. However, the present invention is not limited to the above-mentioned oxygen ion conductor, and any oxygen ion conductor can be used without limitation as long as it is a material capable of phase-changing into a proton conductor through an atmosphere heat treatment.

또한, 상기 분위기 열처리는, 산소 이온 전도체를 포함하는 전해질 또는 산소 이온 전도체를 포함하는 연료극을 구비한 고체산화물 연료전지, 또는 상기 지지층을 추가로 포함하는 고체산화물 연료전지를, 상기 산소 이온 전도체를 프로톤 전도체로 상변화시킬 수 있는 반응 성분을 포함하는 분말로 덮은 후 가열하여, 상기 분말에서 발생하는 반응가스가 상기 고체산화물 연료전지에 침투하여 반응시키는 방법으로 수행될 수 있다.The atmosphere heat treatment may be performed by a solid oxide fuel cell having an anode including an oxygen ion conductor or a fuel electrode including an oxygen ion conductor or a solid oxide fuel cell further comprising the support layer, A method of covering a solid oxide fuel cell with a powder containing a reaction component capable of phase-changing into a conductor and then heating the solid oxide fuel cell so that a reaction gas generated in the powder penetrates and reacts with the solid oxide fuel cell.

이때, 상기 분위기 형성용 분말은, 이트륨 도핑 바륨 지르코니아(Yttrium doped barium zirconia: BaZr1-xYxO3-d, 0<x≤0.2, 0≤d≤0.3), 이트륨 도핑 바륨 세레이트(Yttrium doped barium cerate: BaCe1-yYyO3-d, 0<y≤0.2, 0≤d≤0.3), 탄산바륨(BaCO3) 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 그러나, 본 발명의 분위기 형성용 분말이 상기 물질에 한정되는 것은 아니며, 산소 이온 전도체와 반응하여 프로톤 전도체로 상변화시키는 반응물질을 포함하는 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.At this time, the atmosphere forming powder may be at least one selected from the group consisting of yttrium doped barium zirconia (BaZr 1-x Y x O 3 -d , 0 <x? 0.2, 0? D? 0.3), yttrium doped barium sulfate doped barium cerate: BaCe 1-y y y O 3-d, 0 <y≤0.2, 0≤d≤0.3), it may be one kind or a mixture thereof selected from the group consisting of barium carbonate (BaCO 3). However, the atmosphere-forming powder of the present invention is not limited to the above-mentioned material, and any material including a reaction material which reacts with the oxygen ion conductor to change its phase to the proton conductor can be used without limitation.

또한, 상기 프로톤 전도체는, 바륨 지르코네이트(BaZrO3)와 바륨 세레이트(BaCeO3)의 복합체인 (BaZrxCe1-xO3-d, 0<x≤1.0, 0≤d≤0.3)로 되어 있으며, 이 복합체는 이트리아(Y2O3), 산화이터븀(Yb2O3), 산화니오디뮴(Nd2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3) 중에서 선택된 1종 이상의 첨가제가 1~30% 원자비로 포함될 수 있다.
Further, the proton conductor is preferably (BaZr x Ce 1-x O 3 -d, 0 < x ? 1.0, 0? D? 0.3) which is a complex of barium zirconate (BaZrO 3 ) and barium cerate (BaCeO 3 ) Wherein the composite is at least one selected from yttria (Y 2 O 3 ), ytterbium (Yb 2 O 3 ), nioxide (Nd 2 O 3 ), and praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ) The additive may be included at 1 to 30% atomic ratio.

[실시예 1][Example 1]

도 1은 실시예 1에 따른 구조를 갖는 산소이온 전도체 고체산화물 연료전지가 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지로 상변화되는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.FIG. 1 schematically shows a process in which an oxygen ion conductor solid oxide fuel cell having the structure according to Example 1 is phase-changed to a proton conductor solid oxide fuel cell.

상기 산소이온 전도체 고체산화물 연료전지는, 전해질층(1)과, 연료극층(2)과, 상기 전해질층(1)과 접촉하여 기계적 강도를 확보하기 위한 지지층(3)으로 구성된다.The oxygen ion conductor solid oxide fuel cell comprises an electrolyte layer 1, an anode layer 2, and a support layer 3 for securing mechanical strength in contact with the electrolyte layer 1.

이중, 전해질층(1)은, 이트륨(Y)이 도핑된 지르코니아(ZrO2)로 이루어진 층으로, 테이프 캐스팅법으로 제조된 얇은 시트를 상기 연료극층 및 지지층 시트와 함께 압착하여 1350℃에서 동시에 소결하는 방법으로 제조되었다.The electrolyte layer 1 is a layer made of zirconia (ZrO 2 ) doped with yttrium (Y), and a thin sheet produced by a tape casting method is squeezed together with the anode layer and the support layer sheet and sintered simultaneously at 1350 ° C &Lt; / RTI &gt;

본 발명의 실시예 1에서는, 전해질층(1)을 이트륨(Y)이 도핑된 지르코니아(ZrO2)(Zr0.84Y0.16O2-d)로 형성하였으나, 이외에도 지르코니아(ZrO2)계 산화물, 세리아(CeO2)계 산화물 등이 사용될 수 있으며, 고온에서 열적 안정성과 이온 전도성을 향상시키기 위하여 이트리아(Y2O3), 스칸디아(Sc2O3) 및 산화가돌리늄(Gd2O3)등의 안정화제를 일부 함유할 수 있다. 이때 안정화제의 첨가량은 1원자% 미만일 경우 이온 전도도가 매우 낮아져 전해질층으로 사용하기 어렵고, 30원자% 초과일 경우 제2상(Second phase)이 형성되거나 마찬가지로 이온전도도가 낮아지므로, 1~30원자%로 첨가하는 것이 바람직하다.In the first embodiment of the present invention, the electrolyte layer 1 is formed of zirconia (ZrO 2 ) (Zr 0.84 Y 0.16 O 2 -d ) doped with yttrium (Y), but other than zirconia (ZrO 2 ) such as (CeO 2) based oxide and the like may be used, in order to improve the thermal stability and ionic conductivity at high temperatures, the yttria (Y 2 O 3), scandia (Sc 2 O 3) and gadolinium oxide (Gd 2 O 3) Some stabilizers may be included. If the addition amount of the stabilizer is less than 1 atomic%, the ionic conductivity becomes very low, which is difficult to use as the electrolyte layer. When the amount is more than 30 atomic%, the second phase is formed or the ionic conductivity is similarly low. %.

또한, 본 발명의 실시예 1에서 전해질층(1)을 테이프 적층 후 동시소결법으로 형성하였으나, 이외에 펄스레이저 박막 증착, 스퍼터링 박막 증착, 에어로졸 후막 증착, 스크린 프린팅후 소결 등의 다양한 방법으로 형성될 수도 있다.In addition, although the electrolyte layer 1 is formed by simultaneous sintering after the tape lamination in the first embodiment of the present invention, it may be formed by various methods such as pulse laser film deposition, sputtering film deposition, aerosol thick film deposition, screen printing, have.

상기 연료극층(2)은, 산화 니켈(NiO) 입자에 35%의 전해질 재료를 포함하는 복합체로 이루어진다.The anode layer 2 is composed of a composite containing 35% of electrolyte material in nickel oxide (NiO) particles.

본 발명의 실시예에서는, 산화 니켈(NiO) 입자에 35%의 전해질 재료로 이루어진 복합체를 사용하였으나, 니켈(Ni) 입자외에 산화니켈(NiO)와 같은 금속 입자도 사용될 수 있으며, 상기 전해질 재료는 산소 이온 전도체 또는 프로톤 전도체로 이루어질 수 있으며, 10% 미만일 경우 입자 간의 연결이 원활하지 않아 이온전도도가 급격하게 떨어지고, 90% 초과일 경우 반대로 산화 니켈(NiO) 입자 간의 연결이 원활하지 않아 전자전도도가 급격하게 떨어지는 문제점이 있으므로, 10~90%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 연료극층(2)은 연료 가스의 원활한 흐름을 위해 기공을 형성할 수 있으며, 이때 연료극층(2)의 기공률은 50% 이하가 바람직하다.In the embodiment of the present invention, a composite made of 35% of electrolyte material is used for nickel oxide (NiO) particles, but metal particles such as nickel oxide (NiO) besides nickel particles may also be used. Ionic conductors or proton conductors. When the concentration is less than 10%, the ionic conductivity drops sharply due to insufficient connection between the particles. When the ionic conductivity exceeds 90%, the connection between NiO particles is not smooth. There is a problem that it falls rapidly, so it is preferable that it is included in the range of 10 to 90%. The fuel electrode layer 2 can form pores for smooth flow of the fuel gas, and the porosity of the anode layer 2 is preferably 50% or less.

상기 지지층(3)은, 이트륨(Y)이 도핑된 지르코니아(ZrO2)와 산화 니켈(NiO)의 복합체로 이루어진 것으로 기공률은 30%일 수 있다.The support layer 3 is made of a composite of zirconia (ZrO 2 ) and nickel oxide (NiO) doped with yttrium (Y), and may have a porosity of 30%.

본 발명의 실시예에서는 지지층(3)으로, 이트륨(Y)이 도핑된 지르코니아(ZrO2)와 산화 니켈(NiO)의 복합체를 사용하였으나, 예를 들어 300계 스테인레스강, 400계 스테인레스강, 니켈(Ni), 니켈-철(Ni- Fe), 코발트-니켈(Co-Ni) 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수도 있다. 상기 지지층(3)은 그 기공률이 20% 미만일 경우 가스의 출입이 원활하지 않아 연료 공급 부족에 따른 저항이 발생하고, 50% 초과일 경우 기계적 강도가 떨어져 지지층으로서의 역할을 제대로 수행할 수 없으므로 20~50%의 범위가 바람직하다.In the embodiment of the present invention, a composite of zirconia (ZrO 2 ) and nickel oxide (NiO) in which yttrium (Y) is doped is used as the support layer 3, but a composite of 300 series stainless steel, 400 series stainless steel, nickel (Ni), nickel-iron (Ni-Fe), and cobalt-nickel (Co-Ni). When the porosity of the support layer 3 is less than 20%, the gas is not smoothly flowed into the support layer 3, resulting in resistance due to insufficient fuel supply. When the support layer 3 is more than 50%, the mechanical strength of the support layer 3 is low, 50% is preferable.

이상과 같은 구조를 갖는 산소 이온 전도체 고체산화물 연료전지를, 도 1에 도시된 바와 같이, 분위기 형성용 분말(4)을 덮어 고온용 용기(5)에 장입한다. 이때 분위기 형성용 분말(4)은 전해질층(1)이 공기에 직접 노출되지 않도록 충분히 덮는 것이 바람직하다. 또한, 고온용 용기(5)는 실시예 1과 같이 대기 분위기외에 진공 분위기, 불활성 분위기 등에서도 수행될 수 있다.As shown in Fig. 1, the oxygen-ion conductor solid oxide fuel cell having the above-described structure is charged into the high-temperature vessel 5 by covering the powder 4 for forming the atmosphere. At this time, it is preferable that the atmosphere forming powder 4 is sufficiently covered so that the electrolyte layer 1 is not directly exposed to air. Also, the high-temperature container 5 can be performed in a vacuum atmosphere, an inert atmosphere, etc., in addition to the air atmosphere as in the first embodiment.

본 발명의 실시예 1에서, 분위기 형성용 분말(4)은 이트륨 도핑 바륨 지르코니아(Yttrium doped barium zirconia: BaZr1-xYxO3-d, 0<x≤0.2, 0≤d≤0.3)를 사용하였다. 이트륨 도핑 바륨 지르코니아(Yttrium doped barium zirconia: BaZr1-xYxO3-d, 0<x≤0.2, 0≤d≤0.3) 외에도, 산화바륨(BaO)의 공급원이 될 수 있는 탄산바륨(BaCO3), 바륨 지르코네이트(BaZrO3), 바륨 세레이트(BaCeO3), 이트륨 도핑 바륨 세레이트(Yttrium doped barium cerate: BaCe1-xYxO3-d, 0<x≤0.2, 0≤d≤0.3) 중에서 선택된 1종을 사용할 수 있다. 또한, 상기 물질들의 혼합분말을 사용하면 휘발되는 바륨(Ba)의 증기압을 보다 일정하게 유지할 수 있으므로 바람직하며, 탄산바륨(BaCO3)에, 바륨 지르코네이트(BaZrO3), 바륨 세레이트(BaCeO3), 이트륨 도핑 바륨 지르코니아(Yttrium doped barium zirconia: BaZr1-xYxO3-d, 0<x≤0.2, 0≤d≤0.3) 또는 이트륨 도핑 바륨 세레이트(Yttrium doped barium cerate: BaCe1-xYxO3-d, 0<x≤0.2, 0≤d≤0.3)를 혼합하여 사용할 수 있다.In the first embodiment of the present invention, the atmosphere forming powder 4 is made of yttrium-doped barium zirconia (BaZr 1 -x Y x O 3 -d, 0 &lt; x? 0.2, 0? D? 0.3) Respectively. Yttrium-doped barium zirconia (Yttrium doped barium zirconia: BaZr 1 -x Y x O 3-d, 0 <x≤0.2, 0≤d≤0.3) In addition, barium carbonate (BaCO which may be a source of barium oxide (BaO) 3 ), barium zirconate (BaZrO 3 ), barium cerate (BaCeO 3 ), yttrium doped barium cerate (BaCe 1 -x Y x O 3 -d, 0 <x? 0.2, d? 0.3) can be used. The use of the mixed powder of the above materials is preferable because the vapor pressure of the volatilized barium Ba can be kept more constant and barium carbonate (BaCO 3 ), barium sulfate (BaCeO 3 ) 3), yttrium-doped barium zirconia (yttrium doped barium zirconia: BaZr 1 -x Y x O 3-d, 0 <x≤0.2, 0≤d≤0.3) or yttrium doped barium three rates (yttrium doped barium cerate: BaCe 1 -x Y x O 3-d, 0 &lt; x? 0.2, 0? d? 0.3).

상기 고온 용기(5)는 분위기 형성용 분말(4) 상부에 강한 공기 흐름이 발생하지 않도록 막아주고, 내부에서 발생되는 CO2와 같은 가스가 원활히 배출될 정도의 여유 공간과 배출구를 구비하면 충분하다.It is sufficient that the high-temperature vessel 5 is provided with a clearance and an outlet for discharging gas such as CO 2 generated in the inside of the high-temperature vessel 5 to prevent strong airflow from being generated on the upper portion of the atmosphere- .

산소 이온 전도체 고체산화물 연료전지에 분위기 형성용 분말(4)을 덮은 후에, 1200℃와 1350℃에서 각각 5시간 동안 열처리를 수행하였다.After the powder 4 for forming the atmosphere was covered with the oxygen ion conductor solid oxide fuel cell, heat treatment was performed at 1200 ° C and 1350 ° C for 5 hours, respectively.

한편, 본 발명의 실시예 1에서는 상기와 같은 조건으로 열처리를 하였으나, 열처리 조건은 사용되는 물질에 따라, 600~1400℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 1000~1400℃에서 수행될 수 있다. 또한, 열처리 시간은 1시간 미만일 경우 반응이 충분하지 못하여 원하는 영역을 충분히 상변화시킬 수 없고, 100시간 초과일 경우 과소결에 의해 입자가 조대해지거나 제2상이 생성될 수 있으므로, 1~100시간이 바람직하다. 상기 열처리 온도와 시간에 따라, 상변태 반응의 두께를 조절할 수 있으므로, 상기 조건의 조절을 통해, 전해질층만을 상변화시키거나, 전해질층과 연료극층 모두를 상변화시킬 수도 있다.Meanwhile, in Example 1 of the present invention, the heat treatment was performed under the same conditions as described above, but the heat treatment conditions may be performed at 600 to 1400 ° C, preferably at 1000 to 1400 ° C, depending on the materials used. If the heat treatment time is less than 1 hour, the reaction is not sufficient and the desired region can not be sufficiently phase-changed. If the heat treatment time is more than 100 hours, the particles may be coarsened or the second phase may be generated due to over- desirable. Since the thickness of the phase change reaction can be controlled according to the heat treatment temperature and time, only the electrolyte layer may be phase-changed or the electrolyte layer and the anode layer may be phase-changed by adjusting the above conditions.

이와 같은 과정을 통해, 도 1의 우측에 도시된 바와 같이, 프로톤 전도체로 상변화된 연료극층(22)와, 전해질층(11)을 구비한 고체산화물 연료전지를 수득한다.Through this process, a solid oxide fuel cell having a fuel electrode layer 22 and an electrolyte layer 11, which is phase-changed to a proton conductor, is obtained, as shown on the right side of Fig.

도 2a는 본 발명의 실시예 1에 따라 1200℃에서 열처리한 후의 고체산화물 연료전지의 단면에 대한 성분분석 결과를 나타낸 것이고, 도 2b는 본 발명의 실시예 1에 따라 1350℃에서 열처리한 후의 고체산화물 연료전지의 단면에 대한 성분분석 결과를 나타낸 것이다.FIG. 2 (a) is a graph showing the results of the component analysis on the cross section of the solid oxide fuel cell after heat treatment at 1200 ° C. according to Example 1 of the present invention, and FIG. 2 Sectional view of an oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2a에 나타난 바와 같이, 1200℃에서 5시간 동안 열처리한 경우에는, 고체연료전지를 구성하는 물질 중, YSZ가 상부에서 일부분 BZY로 상변화된 상태를 나타내었으나, 하부에 존재하는 YSZ는 상당량 상변화가 이루어지 않은 상태로 존재하였다.As shown in FIG. 2A, when heat treatment was performed at 1200 ° C for 5 hours, the YSZ of the solid fuel cell showed a phase change from the upper part to the BZY part, but the lower part of YSZ showed a considerable amount of phase change Of the total population.

이에 비해, 도 2b에 나타난 바와 같이, 1350℃에서 5시간 동안 열처리한 경우에는, 고체연료전지를 구성하는 물질 중에 포함된 모든 YSZ가 BZY로 상변화되었음을 알 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the heat treatment was performed at 1350 ° C. for 5 hours, it can be seen that all the YSZ contained in the material constituting the solid fuel cell was phase-changed into BZY.

이로부터, 열처리 온도와 열처리 시간과 같은 열처리 공정 조건의 제어를 통해, 상변화 정도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.From this, it can be seen that the phase change degree can be controlled by controlling the heat treatment process conditions such as the heat treatment temperature and the heat treatment time.

도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명의 실시예 1에 따라 열처리를 수행하기 전의 고체산화물 연료전지의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이고, 1200℃ 및 1350℃에서 각각 열처리한 후의 고체산화물 연료전지의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.FIGS. 3A to 3C are scanning electron microscopic photographs of cross sections of the solid oxide fuel cells before heat treatment according to the first embodiment of the present invention, respectively, and cross-sectional views of solid oxide fuel cells after heat treatment at 1200 ° C. and 1350 ° C., respectively Lt; / RTI &gt;

도 3b 및 도 3c에 나타난 바와 같이, 상변화에 의해 산소 이온 전도체에서 프로톤 전도체로 상변화된 전해질층은 치밀한 박막으로 이루어져 있음을 알 수 있다.
As shown in FIGS. 3B and 3C, it can be seen that the electrolyte layer, which is phase-changed from the oxygen ion conductor to the proton conductor by the phase change, is composed of a dense thin film.

[실시예 2][Example 2]

도 4는 실시예 2에 따른 구조를 갖는 산소이온 전도체 고체산화물 연료전지가 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지로 상변화되는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.FIG. 4 schematically illustrates a process in which an oxygen ion conductor solid oxide fuel cell having the structure according to Embodiment 2 is phase-changed into a proton conductor solid oxide fuel cell.

실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지는, 산소 이온 전도체를 포함하는 연료극층(2) 위에, 프로톤 전도체를 포함하는 전해질층(1')이 형성되어 있고, 상기 연료극층(2)의 아래에는 지지층(3)이 형성되어 있다.In the solid oxide fuel cell according to Example 2, an electrolyte layer 1 'including a proton conductor is formed on a fuel electrode layer 2 including an oxygen ion conductor, and below the fuel electrode layer 2, (3) are formed.

이때 전해질층(1')은, 바륨지르코네이트(BaZrO3), 바륨세레이트(BaCeO3) 또는 상기 2종의 복합체(BaZrxCe1-xO3-d)로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 복합체에는 전해질의 이온전도성을 향상시키기 위하여 이트리아(Y2O3), 산화이터븀(Yb2O3), 산화니오디뮴(Nd2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3)에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 1~30원자%로 첨가할 수 있다.At this time, the electrolyte layer 1 'may be composed of barium zirconate (BaZrO 3 ), barium cerate (BaCeO 3 ) or the above two complexes (BaZr x Ce 1-x O 3 -d ). In addition, in the composite, yttria (Y 2 O 3 ), ytterbium (Yb 2 O 3 ), niobium oxide (Nd 2 O 3 ), praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ) May be added in an amount of 1 to 30 at%.

상기 전해질층(1')은 펄스레이저 박막 증착, 스퍼터링 박막 증착, 에어로졸 후막 증착, 스크린 프린팅후 소결, 테이프 적층 후 동시 소결 등의 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 전해질층(1')층을 형성할 수 있는 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있다.The electrolyte layer 1 'may be formed by various methods such as pulsed laser deposition, sputtering thin film deposition, aerosol thick film deposition, screen printing, sintering, tape lamination and simultaneous sintering to form an electrolyte layer 1' Any method can be used without limitation.

전해질층(1')을 제외한 연료극층(2) 및 지지층(3)은 실시예 1과 동일한 물질로 이루어진다.The anode layer 2 and the support layer 3 except for the electrolyte layer 1 'are made of the same material as that of the first embodiment.

이러한 구조를 갖는 고체산화물 연료전지를 실시예 1에서와 동일한 방법으로, 이트륨 도핑 바륨 지르코니아(Yttrium doped barium zirconia: BaZr1-xYxO3-d, 0<x≤0.2, 0≤d≤0.3) 분말을 덮고, 1200℃에서 5시간 동안 열처리를 수행하였다.A solid oxide fuel cell having such a structure was produced in the same manner as in Example 1, except that yttrium-doped barium zirconia (BaZr 1-x Y x O 3 -d, 0 &lt; x & ) Powder was coated, and heat treatment was performed at 1200 ° C for 5 hours.

그 결과, 도 4의 우측에 도시된 바와 같이, 프로톤 전도체로 상변화된 연료극층(22)을 구비한 고체산화물 연료전지를 수득하였다.As a result, a solid oxide fuel cell having a fuel electrode layer 22 phase-changed to a proton conductor was obtained as shown on the right side of Fig.

도 5는 본 발명의 실시예 2에 따라 1200℃에서 열처리한 후의 고체산화물 연료전지의 단면에 대한 성분분석결과를 나타낸 것이고, 도 6은 본 발명의 실시예 2에 따라 열처리를 수행하기 전과, 1200℃에서 열처리한 후의 고체산화물 연료전지의 단면에 대한 주사전자현미경 사진이다.FIG. 5 is a graph showing the result of a component analysis on a cross section of a solid oxide fuel cell after heat treatment at 1200 ° C. according to Example 2 of the present invention. FIG. 6 is a graph showing the result of analysis of components before and after heat treatment according to Example 2 of the present invention, &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; ° C. &Lt; / RTI &gt;

도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 의하면, 전해질층(1')은 프로톤 전도체로 유지하면서, 산소 이온 전도체로 이루어진 연료극층(2)을 프로톤 전도체로 전환됨을 보여준다.As shown in Figs. 5 and 6, according to the second embodiment of the present invention, the anode layer 2 made of an oxygen ion conductor is converted into a proton conductor while the electrolyte layer 1 'is kept as a proton conductor.

본 발명의 실시예 2에 의하면, 연료극의 미세 구조 조절에 활용하면, 미세한 프로톤 전도체 입자를 균일하게 분포시킬 수 있어, 반응 면적이 극대화되고 이에 따라 분극 저항이 감소되고 연료전지 성능이 크게 향상될 수 있다. 도 7에 나타난 바와 같이, 연료극층의 프로톤 전도체 입자가 BZY 니켈 입자 위에 매우 미세하고 균일하게 분포되고 있음을 보여준다.According to Example 2 of the present invention, when used for controlling the microstructure of the fuel electrode, it is possible to uniformly distribute fine proton conductor particles, thereby maximizing the reaction area, thereby reducing the polarization resistance and greatly improving the fuel cell performance have. As shown in Fig. 7, it is shown that the proton conductor particles of the anode layer are very finely and uniformly distributed on the BZY nickel particles.

도 8은 본 발명의 실시예 2에 따라 분위기 열처리를 수행하기 전과 후의 연료전지의 성능을 평가한 결과를 나타낸 것이다. 도 8a는 분위기 열처리를 하지 않은 경우의 파워 성능을 나타낸 것이며, 도 8b는 분위기 열처리를 통하여 연료극층의 미세 구조를 제어한 셀에 대한 파워 성능을 나타낸 것으로, 급격하게 성능이 향상됨을 보여준다.8 shows the results of evaluating the performance of the fuel cell before and after performing the atmosphere heat treatment according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8A shows the power performance without the atmosphere heat treatment, and FIG. 8B shows the power performance with respect to the cell in which the microstructure of the anode layer is controlled through the atmosphere heat treatment, showing that the performance is drastically improved.

1: 산소 이온 전도체 전해질층
1', 11: 프로톤 전도체 전해질층
2: 산소 이온 전도체 연료극층
22: 프로톤 전도체 연료극층
3: 지지층
4: 분위기 형성용 분말
5: 고온 용기
1: oxygen ion conductor electrolyte layer
1 ', 11: proton conductor electrolyte layer
2: oxygen ion conductor anode layer
22: proton conductor anode layer
3: Support layer
4: Atmosphere forming powder
5: high temperature vessel

Claims (14)

산소 이온 전도체를 포함하는 전해질층 또는 연료극층을 구비한 고체산화물 연료전지를, 상변화를 통해 상기 산소 이온 전도체를 프로톤 전도체로 변화시키는, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.A solid oxide fuel cell comprising an electrolyte layer comprising an oxygen ion conductor or an anode layer, wherein the oxygen ion conductor is converted into a proton conductor through a phase change. 제1항에 있어서,
상기 상변화는 분위기 열처리에 의해 이루어지는, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the phase change is performed by an atmosphere heat treatment.
제2항에 있어서,
상기 분위기는 상기 산소 이온 전도체를 포함하는 전해질층 또는 연료극층을 구성하는 물질과 반응하여 프로톤 전도체를 포함하는 전해질층 또는 연료극층 물질로 상변화시킬 수 있는 성분을 포함하는 기상 분위기인, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the atmosphere is a gas atmosphere in which the electrolyte layer containing the oxygen ion conductor or the electrolyte layer containing the proton conductor or the phase changeable material by the anode layer material reacts with the substance constituting the anode layer, Oxide fuel cell.
제2항에 있어서,
상기 열처리는 600~1400℃에서 1~100시간 동안 수행되는, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the heat treatment is performed at 600 to 1400 ° C for 1 to 100 hours.
제1항에 있어서,
상기 전해질층은, 펄스레이저 증착, 스퍼터링 증착, 스크린 프린팅 후 소결, 에어로졸 후막 증착, 테이프 적층 후 동시 소결 등의 방법 중 하나 이상을 적용하여 형성된, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte layer is formed by applying at least one of pulsed laser deposition, sputter deposition, sintering after screen printing, aerosol thick film deposition, tape lamination, and simultaneous sintering.
제1항에 있어서,
상기 연료극층은, 니켈(Ni), 산화니켈(NiO) 중 1종 이상과 산소 이온 전도체의 복합체로 이루어지며, 상기 산소 이온 전도체는 10~90%의 분자비를 갖는, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the anode layer is made of a composite of at least one of nickel (Ni) and nickel oxide (NiO) and an oxygen ion conductor, and the oxygen ion conductor is a proton conductor solid oxide fuel cell having a molecular ratio of 10 to 90% &Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
산소 이온 전도체를 포함하는 전해질층 또는 연료극층을 구비한 고체산화물 연료전지는 추가로 지지층을 구비하고,
상기 지지층은 니켈(Ni), 산화니켈(NiO) 중 1종 이상과 산소 이온 전도체 10~90%의 분자비를 갖는 복합체, 스테인리스강, Ni, Ni-Fe, Co-Ni로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 이루어진, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
The solid oxide fuel cell having the electrolyte layer or the anode layer including the oxygen ion conductor further comprises a support layer,
Wherein the support layer is made of a composite having at least one of nickel (Ni) and nickel oxide (NiO) and an oxygen ion conductor having a molecular ratio of 10 to 90%, stainless steel, Ni Wherein the proton conductor is selected from the group consisting of oxygen,
제2항에 있어서,
상기 산소 이온 전도체는, 지르코니아(ZrO2)계 산화물, 세리아(CeO2)계 산화물 중의 선택된 1종이며, 이트리아(Y2O3), 스칸디아(Sc2O3) 및 산화가돌리늄(Gd2O3) 중 1종 이상의 첨가제가 1~30원자%로 포함된, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The oxygen-ion conductor, zirconia (ZrO 2) based oxide, ceria (CeO 2) system is one selected of the oxide, yttria (Y 2 O 3), scandia (Sc 2 O 3), and gadolinium (Gd 2 O oxide 3 ) is contained in an amount of 1 to 30 atomic%, based on the total weight of the proton conductive solid oxide fuel cell.
제8항에 있어서,
상기 분위기 열처리는, 산소 이온 전도체를 포함하는 전해질층 또는 연료극층을 구비한 고체산화물 연료전지를, 분위기 형성용 분말로 덮은 후 가열하는 방법으로 수행되는, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the atmosphere heat treatment is performed by a method in which a solid oxide fuel cell having an electrolyte layer containing an oxygen ion conductor or a fuel electrode layer is covered with a powder for forming an atmosphere and then heated.
제9항에 있어서,
상기 분위기 형성용 분말은, 이트륨 도핑 바륨지르코네이트(BaZr1-xYxO3-d,0<x≤1,0≤d≤1), 이트륨 도핑 바륨세레이트(BaCe1-yYyO3-d,0<y≤1,0≤d≤1), 탄산바륨(BaCO3) 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물인, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The atmosphere for forming powders, yttrium doped barium zirconate (BaZr 1-x Y x O 3-d, 0 <x≤1,0≤d≤1), yttrium-doped barium three rates (BaCe 1-y Y y O 3-d , 0 <y ? 1 , 0? D? 1) and barium carbonate (BaCO 3 ) or a mixture thereof.
제1항에 있어서,
상기 상변화 전의 고체산화물 연료전지를 구성하는, 전해질층 또는 연료극층 중 어느 하나는 프로톤 전도체를 포함하는, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein either one of the electrolyte layer or the anode layer constituting the solid oxide fuel cell before the phase change comprises a proton conductor.
제11항에 있어서,
상기 프로톤 전도체는, 바륨지르코네이트(BaZrO3)와 바륨세레이트(BaCeO3)의 복합체(BaZrxCe1-xO3-d, 0≤x≤1, 0≤d≤0.3)와, 이트리아(Y2O3), 산화이터븀(Yb2O3), 산화니오디뮴(Nd2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3) 중에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 1~30원자%로 포함하는, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The proton conductor is a composite of barium zirconate (BaZrO 3 ) and barium cerate (BaCeO 3 ) (BaZr x Ce 1 -x O 3 -d, 0 ? X? 1 , 0 ? D? 0.3) triazole as (Y 2 O 3), oxide ytterbium (Yb 2 O 3), oxide you audio di (Nd 2 O 3), 1 ~ 30 atomic% of one or more additives selected from the group consisting of praseodymium oxide (Pr 2 O 3) &Lt; / RTI &gt; wherein the proton conductor is a solid oxide fuel cell.
전해질 또는 연료극을 구비한 고체산화물 연료전지로, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해, 상기 전해질 또는 연료극 중 하나 이상이 산소 이온 전도체를 포함하는 물질에서 프로톤 전도체를 포함하는 물질로 상변화된, 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지.A solid oxide fuel cell comprising an electrolyte or a fuel electrode, wherein the electrolyte or the anode has a proton conductor in a material containing an oxygen ion conductor, by the method according to any one of claims 1 to 11 Phase - transformed, proton - conducting solid oxide fuel cell. 제13항에 있어서,
추가로 연료극에 인접한 지지층을 포함하는 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지.
14. The method of claim 13,
Further comprising a support layer adjacent to the anode.
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