KR20170014639A - 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170014639A
KR20170014639A KR1020150108337A KR20150108337A KR20170014639A KR 20170014639 A KR20170014639 A KR 20170014639A KR 1020150108337 A KR1020150108337 A KR 1020150108337A KR 20150108337 A KR20150108337 A KR 20150108337A KR 20170014639 A KR20170014639 A KR 20170014639A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
green sheet
fuel cell
ceramic support
solid oxide
oxide fuel
Prior art date
Application number
KR1020150108337A
Other languages
English (en)
Inventor
최정미
신동오
이종진
허연혁
최광욱
오탁근
손부원
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020150108337A priority Critical patent/KR20170014639A/ko
Publication of KR20170014639A publication Critical patent/KR20170014639A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel 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
    • H01M8/1246—Fuel 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/525—
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

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

Abstract

본 명세서는 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법{GREENSHEET LAMINATE FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 명세서는 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.
도 1은 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 고체산화물형 연료전지는 전해질막(Electrolyte)과 이 전해질막의 양면에 형성되는 연료극(Anode) 및 공기극(Cathode)로 구성된다. 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 공기극에서 공기가 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질막을 통해 연료극으로 전달된다. 연료극에서는 수소, 메탄올, 부탄 등과 같은 연료가 주입되고 연료가 산소이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고 물을 생성한다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
대한민국 특허공개 제 2003-0045324 호 (2003.06.11 공개)
본 명세서는 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 명세서는 Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나의 금속산화물을 포함하는 세라믹 지지체용 그린시트; 상기 세라믹 지지체용 그린시트 상에 구비되고, 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 그린시트; 및 상기 연료극 그린시트 상에 구비되고, 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 전해질막 그린시트를 포함하는 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체를 제공한다.
또한, 본 명세서는 Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나의 금속산화물을 포함하는 세라믹 지지체용 그린시트를 형성하는 단계; 상기 세라믹 지지체용 그린시트 상에 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 그린시트를 형성하는 단계; 상기 연료극 그린시트 상에 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 전해질막 그린시트를 형성하는 단계; 상기 세라믹 지지체용 그린시트, 연료극 그린시트 및 전해질막 그린시트를 동시에 소성하는 단계; 및 소성된 전해질막 상에 공기극을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서에 따라 제조된 고체산화물 연료전지는 저가의 소재로 지지체를 제조하여 제조비용이 저렴한 장점이 있다.
본 명세서에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법은 동시 소성을 통해 치밀한 전해질을 얻을 수 있으며, 공정 단계를 줄일 수 있다.
본 명세서에 따라 제조된 고체산화물 연료전지는 하나의 평판형 지지체 위에 여러 단위의 셀을 형성하여 단위 부피에 대한 높은 voltage를 형성하여 높은 출력을 확보할 수 있다.
본 명세서에 따라 제조된 고체산화물 연료전지의 지지체는 열팽창계수의 변화 또는 수축률 조정이 가능하다.
도 1은 고체산화물 연료전지(SOFC)의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체를 나타낸다.
도 3은 실시예 1의 SEM이미지이다.
도 4는 비교예 1의 SEM이미지이다.
도 5는 비교예 2의 SEM이미지이다.
도 6은 실시예 1의 소결된 전해질막의 표면의 SEM이미지이다.
도 7은 비교예 2의 소결된 전해질막의 표면의 SEM이미지이다.
도 8은 비교예 3의 소결된 전해질막의 표면의 SEM이미지이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서는 Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나의 금속산화물을 포함하는 세라믹 지지체용 그린시트; 상기 세라믹 지지체용 그린시트 상에 구비되고, 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 그린시트; 및 상기 연료극 그린시트 상에 구비되고, 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 전해질막 그린시트를 포함하는 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체를 제공한다.
본 명세서에서, 상기 그린시트는 완전한 최종 제품이 아닌 다음 단계에서 가공을 할 수 있는 상태의 필름 형태의 막을 의미한다. 다시 말하면, 상기 그린시트는 무기물 입자 및 용매를 포함하는 코팅 조성물로 도포하여 시트형으로 건조시킨 것이며, 상기 그린시트는 약간의 용매를 포함하면서 시트형태를 유지할 수 있는 반건조 상태의 시트를 말한다.
상기 세라믹 지지체용 그린시트는 Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나의 금속산화물을 포함할 수 있다. 이 경우 원하는 만큼 강도를 충분히 확보할 수 있으며 저가의 소재를 사용함으로써 공정비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 세라믹 지지체용 그린시트는 MgO, MgAl2O4, Al2O3 및 Zr2O3 중 적어도 하나의 금속산화물을 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 세라믹 지지체용 그린시트는 MgO, MgAl2O4, Al2O3 및 Zr2O3 중 선택된 2 이상의 금속산화물을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 지지체용 그린시트의 금속산화물은 Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나로 이루어진 것일 수 있다. 즉, 상기 세라믹 지지체용 그린시트의 금속산화물은 Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나만을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 지지체용 그린시트의 금속산화물은 MgO, MgAl2O4, Al2O3 및 Zr2O3 중 선택된 2 이상으로 이루어진 것일 수 있다. 즉, 상기 세라믹 지지체용 그린시트의 금속산화물은 MgO, MgAl2O4, Al2O3 및 Zr2O3 중 선택된 2 이상만을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 지지체용 그린시트의 두께는 400 ㎛ 이상 1500 ㎛이하일 수 있다.
상기 연료극 그린시트는 세라믹 지지체용 그린시트 상에 구비되고, 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함할 수 있다.
고체산화물 연료전지용 연료극에 적용될 수 있도록, 상기 제1 무기물 입자는 산소이온 전도성을 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 제1 무기물 입자는 600℃에서 0.01S/cm 이상의 산소이온전도도를 가질 수 있다. 상기 제1 무기물 입자의 산소이온 전도도는 높으면 높을수록 좋으므로, 상기 제1 무기물 입자의 산소이온 전도도의 상한치를 특별히 한정하지 않는다.
상기 제1 무기물 입자는 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1 -x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1 -x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 란탄 스트론튬 망간 산화물(Lanthanum strontium manganese oxide: LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(Lanthanum calcium nickel ferrite: LCNF), 란탄 스트론튬 구리 산화물(Lanthanum strontium copper oxide: LSC) 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(Gadolinium strontium cobalt oxide: GSC), 란탄 스트론튬 페라이트 (Lanthanum strontium ferrite: LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물 (Samarium strontium cobalt oxide: SSC) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite : BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 무기물 입자는 전해질막의 제2 무기물 입자와 동일할 수 있으며, 예를 들면, 상기 제2 무기물 입자가 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ)계 무기물 입자를 포함하는 경우, 상기 제1 무기물 입자는 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ)계 무기물 입자를 포함할 수 있다.
상기 제2 무기물 입자가 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ)계 무기물 입자인 경우, 상기 제1 무기물 입자는 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ)계 무기물 입자일 수 있다.
상기 연료극 그린시트는 NiO를 더 포함할 수 있다.
상기 연료극 그린시트의 두께는 10 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 전해질막 그린시트는 상기 연료극 그린시트 상에 구비되고, 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함할 수 있다.
고체산화물 연료전지용 전해질막에 적용될 수 있도록, 상기 제2 무기물 입자는 산소이온 전도성을 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 제2 무기물 입자는 600℃에서 0.01S/cm 이상의 산소이온전도도를 가질 수 있다. 상기 제2 무기물 입자의 산소이온 전도도는 높으면 높을수록 좋으므로, 상기 제2 무기물 입자의 산소이온 전도도의 상한치를 특별히 한정하지 않는다.
상기 제2 무기물 입자는 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1 -x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1 -x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 란탄 스트론튬 망간 산화물(Lanthanum strontium manganese oxide: LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(Lanthanum calcium nickel ferrite: LCNF), 란탄 스트론튬 구리 산화물(Lanthanum strontium copper oxide: LSC) 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(Gadolinium strontium cobalt oxide: GSC), 란탄 스트론튬 페라이트 (Lanthanum strontium ferrite: LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물 (Samarium strontium cobalt oxide: SSC) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite : BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 무기물 입자는 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ)계 무기물 입자일 수 있다.
상기 전해질막 그린시트의 두께는 5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 세라믹 지지체용 그린시트, 연료극 그린시트 및 전해질막 그린시트는 각각 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 바인더 수지는 아크릴계 바인더 수지일 수 있다.
상기 분산제는 BYK-110, BYK-111 및 BYK-112 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 가소제는 상용 제품인 DBP(Di-butyl-phthalate), DOP(Di-2-ethylhexyl phthalate), DINP(Di-isononyl phthalate), DIDP(Di-isodecyl phthalate) 및 BBP(Butyl benzyl phthalate) 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 용매는 고형분을 분산시키고 막 또는 그린시트로부터 제거하기 용이한 물질이면 크게 제한되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 용매는 물, 이소프로판올(iso propanol), 톨루엔, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 부틸카비톨(BC) 및 부틸카비톨아세테이트(BCA) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 명세서는 Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나의 금속산화물을 포함하는 세라믹 지지체용 그린시트를 형성하는 단계; 상기 세라믹 지지체용 그린시트 상에 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 그린시트를 형성하는 단계; 상기 연료극 그린시트 상에 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 전해질막 그린시트를 형성하는 단계; 상기 세라믹 지지체용 그린시트, 연료극 그린시트 및 전해질막 그린시트를 동시에 소성하는 단계; 및 소성된 전해질막 상에 공기극을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체의 구성에 대하여 상술한 설명을 인용할 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 하나의 세라믹 지지체용 그린시트 상에 2 이상의 연료극 그린시트를 이격하여 적층하고, 상기 2 이상의 연료극 그린시트 상에 2 이상의 연료극 그린시트에 각각 대응하도록 2 이상의 전해질막 그린시트를 적층한 후 세라믹 지지체용 그린시트, 연료극 그린시트 및 전해질막 그린시트를 동시에 소성하는 단계; 및 소성된 2 이상의 전해질막 상에 2 이상의 전해질막에 각각 대응하도록 2 이상의 공기극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 지지체용 그린시트 형성단계는 Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나의 금속산화물을 포함하는 세라믹 지지체 조성물을 이용하여 제조된 그린시트를 형성하는 단계일 수 있다.
이형필름 상에 세라믹 지지체 조성물을 도포 후 건조하여 그린시트를 형성할 수 있다.
상기 세라믹 지지체 조성물은 산화물로서 MgO, MgAl2O4, Al2O3 및 Zr2O3 중 적어도 하나의 금속산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 세라믹 지지체 조성물은 MgO, MgAl2O4, Al2O3 및 Zr2O3 중 선택된 2 이상의 금속산화물을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 지지체 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 금속산화물의 함량은 10 중량% 이상 60중량% 이하일 수 있다. 이 경우 동시소성이 가능하도록 수축률을 조절할 수 있다는 장점이 있다.
상기 금속산화물이 2 종의 금속산화물인 경우, 상기 세라믹 지지체 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 제1 금속산화물의 함량은 5 중량% 이상 30중량% 이하이며, 상기 제2 금속산화물의 함량은 5 중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속산화물이 MgO과 MgAl2O4인 경우, 상기 세라믹 지지체 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 MgO의 함량은 5 중량% 이상 30중량% 이하이며, 상기 MgAl2O4의 함량은 5 중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.
상기 세라믹 지지체 조성물은 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 세라믹 지지체 조성물이 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매를 더 포함하는 경우, 상기 세라믹 지지체 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지의 함량은 5 중량% 이상 35 중량% 이하이며, 상기 가소제의 함량은 5 중량% 이상 35 중량% 이하이고, 상기 분산제의 함량은 5 중량% 이상 35 중량% 이하이며, 상기 용매의 함량은 10 중량% 이상 40 중량% 이하일 수 있다.
상기 연료극 그린시트 형성단계는 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 조성물을 이용하여 제조된 그린시트를 형성하는 단계일 수 있다.
이형필름 상에 연료극 조성물을 도포 후 건조하여 그린시트를 형성할 수 있으며, 형성된 연료극 그린시트는 세라믹 지지체용 그린시트 상에 이형필름을 제거하며 라미네이트될 수 있다.
상기 연료극 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 제1 무기물 입자의 함량은 20 중량% 이상 40중량% 이하일 수 있다.
상기 연료극 조성물은 NiO를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 세라믹 지지체 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 NiO의 함량은 20 중량% 이상 40중량% 이하일 수 있다.
상기 연료극 조성물은 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 연료극 조성물이 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매를 더 포함하는 경우, 상기 연료극 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지의 함량은 10 중량% 이상 40 중량% 이하이며, 상기 가소제의 함량은 1 중량% 이상 30 중량% 이하이고, 상기 분산제의 함량은 1 중량% 이상 30 중량% 이하이며, 상기 용매의 함량은 10 중량% 이상 40 중량% 이하일 수 있다.
상기 전해질막 그린시트 형성단계는 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 전해질막 조성물을 이용하여 제조된 그린시트를 형성하는 단계일 수 있다.
이형필름 상에 전해질막 조성물을 도포 후 건조하여 그린시트를 형성할 수 있으며, 형성된 전해질막 그린시트는 전해질막 그린시트 상에 이형필름을 제거하며 라미네이트될 수 있다.
상기 전해질막 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 제2 무기물 입자의 함량은 30 중량% 이상 60중량% 이하일 수 있다.
상기 전해질막 조성물은 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 전해질막 조성물이 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매를 더 포함하는 경우, 상기 전해질막 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지의 함량은 10 중량% 이상 40 중량% 이하이며, 상기 가소제의 함량은 0.1 중량% 이상 30 중량% 이하이고, 상기 분산제의 함량은 1 중량% 이상 30 중량% 이하이며, 상기 용매의 함량은 10 중량% 이상 40 중량% 이하일 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 세라믹 지지체용 그린시트, 연료극 그린시트 및 전해질막 그린시트를 동시에 소성하는 단계(이하, 동시소성단계)를 포함한다.
상기 동시소성단계의 소성온도는 1000℃ 이상 1600℃ 이하일 수 있다.
상기 동시소성단계의 소성시간은 3시간 이상 8시간 이하일 수 있다.
상기 동시소성단계에서, 소성된 세라믹 지지체는 다공성일 수 있으며, 이 경우 상기 소성된 세라믹 지지체의 기공율은 20% 이상 60% 이하일 수 있다.
상기 동시소성단계에서, 소성된 세라믹 지지체의 기공의 직경은 1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 소성된 전해질막 상에 공기극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 공기극을 형성하는 단계는 소성된 전해질막 상에 공기극 그린시트를 형성하는 단계; 및 상기 공기극 그린시트를 소성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 공기극 그린시트를 형성하는 단계는 공기극 조성물을 이용하여 제조된 그린시트를 형성하는 단계일 수 있다.
이형필름 상에 공기극 조성물을 도포하여 그린시트를 형성할 수 있으며, 형성된 공기극 그린시트는 소성된 전해질막 상에 이형필름을 제거하며 라미네이트될 수 있다.
상기 공기극 소성단계의 소성온도는 800℃ 이상 1300℃ 이하일 수 있다.
상기 공기극 소성단계의 소성시간은 1시간 이상 5시간 이하일 수 있다.
상기 공기극의 소성단계에서, 소성된 공기극은 다공성일 수 있으며, 이 경우 상기 소성된 공기극의 기공율은 20% 이상 60% 이하일 수 있다.
상기 공기극의 소성단계에서, 소성된 공기극의 기공의 직경은 1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하일 수 있다.
별도로 소성된 세라믹 지지체 상에 연료극 및 전해질막을 각각 그린시트로 라미네이션한 후 연료극 및 전해질막을 동시에 소성하는 경우, 전해질 막과 하부의 지지체 층과의 수축률 차이에 의해 치밀한 전해질을 얻기에 어려움이 있다.
한편, 본 명세서의 고체산화물 연료전지의 제조방법은 세라믹 지지체용 그린시트를 따로 소성하지 않고, 세라믹 지지체, 연료극 및 전해질막을 각각 그린시트로 라미네이션한 후 동시에 소성하며, 이 경우 지지체와 상부의 전해질, 연료극이 동시에 수축이 일어나면서 소결되어 치밀한 전해질을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
본 명세서는 상기 방법으로 제조된 고체산화물 연료전지를 제공한다.
본 명세서는 상기 방법으로 제조된 적어도 세라믹 지지체형 고체산화물 연료전지를 제공한다. 구체적으로, 상기 고체산화물 연료전지는 다른 층에 비해 상대적으로 두꺼운 세라믹 지지체에 의해 물리적으로 지지되는 고체산화물 연료전지일 수 있다.
본 명세서는 상기 고체산화물 연료전지를 단위전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
상기 전지 모듈은 상기 고체산화물 연료전지를 포함하는 단위 전지와 상기 단위 전지 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1]
1. 슬러리 제작 단계
50 중량%의 YSZ, 10 중량%의 분산제, 5 중량%의 가소제 및 10 중량%의 아크릴계 바인더를 잔량의 용매와 혼합하여 고체 전해질 슬러리를 제작하였다. 30 중량%의 YSZ, 30 중량%의 NiO, 10 중량%의 분산제, 5 중량%의 가소제 및 10 중량%의 아크릴계 바인더를 잔량의 용매와 혼합하여 연료극(기능층) 슬러리를 제작하였다. 또한, 세라믹 지지층 슬러리는 20 중량%의 MgO, 20 중량%의 MgAl2O4, 10 중량%의 분산제, 10 중량%의 가소제 및 30 중량%의 아크릴계 바인더를 잔량의 용매와 혼합하여 제작하였다.
2. 테이프 제작 및 적층 단계
제작된 슬러리를 닥터 블레이드(doctor blade)로 도포하여 각각의 고체 전해질막 그린시트, 연료극(기능층) 그린시트, 세라믹 지지층 그린시트를 제작하였다. 각각의 그린시트를 적층하여 고체산화물 연료 전지(SOFC)용 그린시트 적층체를 제작하였다.
3. 소결 단계
고체 산화물 연료 전지용 그린시트 적층체를 1350℃에서 동시소결시켜 소결체를 제작하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1과 달리 실시예 1의 세라믹 지지층 그린시트 대신 20 중량%의 YSZ, 30 중량%의 NiO, 5 중량%의 카본블랙, 10 중량%의 분산제, 5 중량%의 가소제 및 20 중량%의 아크릴계 바인더를 잔량의 용매와 혼합하여 제조한 연료극 지지체용 그린시트를 지지체로서 사용했다. 제조방법은 실시예 1에서 세라믹 지지체용 그린시트를 제작하는 방법을 제외하고 동일하게 진행하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 1의 세라믹 지지체용 그린시트를 따로 1200℃로 소성한 후, 세라믹 지지체 상에 실시예 1의 연료극 그린시트를 적층하고 상기 연료극 그린시트를 1200℃에서 소성했다. 소성된 연료극 상에 실시예 1의 전해질막 그린시트를 적층하고 상기 전해질막 그린시트를 1350℃에서 소성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조했다.
[비교예 3]
상기 실시예 1의 세라믹 지지체용 그린시트를 따로 1200℃에서 소성한 후, 소성된 세라믹 지지체 상에 실시예 1의 연료극 그린시트 및 실시예 1의 전해질막 그린시트를 순차적으로 적층하여 동시소성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조했다.
[실험예 1]
상기 실시예 1 및 비교예 1과 2의 그린시트 적층체의 소결 후의 수직단면을 BS(back scattering)모드의 주사전자현미경(SEM)으로 관찰했으며, 각각을 도 3 내지 도 5에 도시했다.
YSZ와 NiO를 포함하는 연료극 지지체를 갖는 비교예 1의 도 4와 비교하여 YSZ와 NiO보다 상대적으로 원자 번호가 낮은 MgAl2O4와 MgO를 포함하는 실시예 1의 세라믹 지지체를 도 3을 통해 확인하였으며, 도 5의 각층의 그린시트를 개별적으로 소성한 비교예 2와 비교하여 도 3을 통해 실시예 1은 각 층의 수축률을 조절하여 동시소성된 것임을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3의 그린시트 적층체의 소결 후의 전해질막의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰했으며, 각각을 도 6 내지 도 8에 도시했다. 도 6에 도시된 실시예 1의 전해질 표면은 도 7 및 도 8에 도시된 비교예 2 및 비교예 3의 전해질 표면에 비하여 치밀한 전해질이 형성됨을 확인할 수 있다.
1: 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체
100: 세라믹 지지체용 그린시트
200: 연료극 그린시트
300: 전해질막 그린시트

Claims (8)

  1. Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나의 금속산화물을 포함하는 세라믹 지지체용 그린시트;
    상기 세라믹 지지체용 그린시트 상에 구비되고, 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 그린시트; 및
    상기 연료극 그린시트 상에 구비되고, 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 전해질막 그린시트를 포함하는 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 세라믹 지지체용 그린시트는 Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나의 금속산화물로 이루어진 것인 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 연료극 그린시트는 NiO를 더 포함하는 것인 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 무기물 입자 및 제2 무기물 입자는 각각 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1 -x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1 -x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1 -x, x = 0.02 ~ 0.4), 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1 -x, x = 0.02 ~ 0.4), 란탄 스트론튬 망간 산화물(Lanthanum strontium manganese oxide: LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(Lanthanum calcium nickel ferrite: LCNF), 란탄 스트론튬 구리 산화물(Lanthanum strontium copper oxide: LSC) 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(Gadolinium strontium cobalt oxide: GSC), 란탄 스트론튬 페라이트 (Lanthanum strontium ferrite: LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물 (Samarium strontium cobalt oxide: SSC) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite : BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 무기물 입자 및 제2 무기물 입자는 각각 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ)계 무기물 입자인 것인 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 세라믹 지지체용 그린시트의 두께는 400 ㎛ 이상 1500 ㎛이하인 것인 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체.
  7. Mg, Al 및 Zr 중 적어도 하나의 금속산화물을 포함하는 세라믹 지지체용 그린시트를 형성하는 단계;
    상기 세라믹 지지체용 그린시트 상에 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 그린시트를 형성하는 단계;
    상기 연료극 그린시트 상에 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 전해질막 그린시트를 형성하는 단계;
    상기 세라믹 지지체용 그린시트, 연료극 그린시트 및 전해질막 그린시트를 동시에 소성하는 단계; 및
    소성된 전해질막 상에 공기극을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 공기극을 형성하는 단계는 소성된 전해질막 상에 공기극 그린시트를 형성하는 단계; 및 상기 공기극 그린시트를 소성하는 단계를 포함하는 것인 고체산화물 연료전지의 제조방법.
KR1020150108337A 2015-07-30 2015-07-30 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법 KR20170014639A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150108337A KR20170014639A (ko) 2015-07-30 2015-07-30 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150108337A KR20170014639A (ko) 2015-07-30 2015-07-30 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170014639A true KR20170014639A (ko) 2017-02-08

Family

ID=58155459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150108337A KR20170014639A (ko) 2015-07-30 2015-07-30 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20170014639A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019112115A1 (ko) * 2017-12-04 2019-06-13 한국전력공사 지지체식 세라믹 연결재 제조방법 및 이에 의해 제조된 지지체식 세라믹 연결재

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030045324A (ko) 2001-12-03 2003-06-11 주식회사 엘지화학 메탄올 비투과성 전해질막 및 그 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030045324A (ko) 2001-12-03 2003-06-11 주식회사 엘지화학 메탄올 비투과성 전해질막 및 그 제조방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019112115A1 (ko) * 2017-12-04 2019-06-13 한국전력공사 지지체식 세라믹 연결재 제조방법 및 이에 의해 제조된 지지체식 세라믹 연결재

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6717531B2 (ja) 固体酸化物燃料電池
JP6900623B2 (ja) 固体酸化物燃料電池の電解質、これを含む固体酸化物燃料電池、前記電解質用組成物および前記電解質の製造方法
KR20200049114A (ko) 고체산화물 연료전지의 제조방법
EP3343682B1 (en) Flat plate-shaped solid oxide fuel cell and cell module comprising same
US10658677B2 (en) Solid oxide fuel cell manufacturing method, solid oxide fuel cell and cell module comprising same
KR20180033826A (ko) 고체 산화물 연료전지 및 이의 제조방법
KR20170014639A (ko) 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법
KR102103053B1 (ko) 평판형 고체 산화물 연료전지
KR102129651B1 (ko) 고체 전해질 연료전지용 연료극 그린시트 및 고체 산화물 연료전지
KR102123721B1 (ko) 애노드, 전극 구조체, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법
KR102100536B1 (ko) 고체 산화물 연료전지의 전해질용 조성물, 이로 제조된 전해질, 이를 포함하는 고체 산화물 연료전지 및 이의 제조방법
KR102072875B1 (ko) 고체산화물 연료전지용 시트 적층체, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지의 전구체, 고체산화물 연료전지용 시트 적층체 제조장치 및 고체산화물 연료전지용 시트 적층체 제조방법
KR102026502B1 (ko) 고체산화물 연료전지, 이를 포함하는 전지모듈 및 고체산화물 연료전지의 제조방법
US10497960B2 (en) Solid oxide fuel cell and cell module comprising same
KR20170010625A (ko) 고체산화물 연료전지용 그린시트 적층체 및 고체산화물 연료전지의 제조방법
KR20170036566A (ko) 고체산화물 연료전지, 이를 포함하는 전지모듈 및 고체산화물 연료전지의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application