KR20170020698A - 연료 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20170020698A
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Abstract

연료 전지의 제조 방법이 제공된다. 상기 연료 전지의 제조 방법은, 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화(physical mixing)하여, 베이스 결합체를 형성하는 단계, 상기 베이스 결합체를 박막(thin layer) 형태의 예비 전극 지지체(preliminary electrode support)로 제조하는 단계, 및 상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑(doping)하여, 전극 지지체(electrode support)를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지 및 그 제조 방법{Fuel cell and method for manufacturing same}
본 발명은 연료 전지 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 가돌리늄(Gd)이 도핑된 음극 지지체, 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 음극 및 전해질막을 포함하는 연료전지 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응하는 자유에너지의 변화를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 이온전도성 산화물을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지는 약 600 ~1000의 고온에서 작동되어 전기에너지와 열에너지를 생산하는, 현재까지 개발되어 있는 연료전지 중 가장 에너지 변환효율이 가장 좋다. 고온에서의 작동으로 인해 천연가스, 석탄가스 등과 같은 다양한 원료를 연료로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 고체전해질과 고체전극을 사용함으로써 재료의 부식 및 손실 등과 같은 문제가 없어 장기간 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한 수소를 연료로 사용할 경우, 순수한 물만이 배출이 되어 미래의 청정에너지원으로 사용될 수 있는 장점으로 많은 관심을 받고 있다.
고체산화물 연료전지는 치밀한 구조의 산소이온전도성 전해질과 공기 중의 산소와 반응하여 산소이온으로 반응하게 하는 공기극 (Cathode)과 산소이온 전해질을 통해 이동한 산소이온을 수소 혹은 탄소와 반응하여 물 혹은 이산화탄소로 반응하며 전자를 내어 놓게 하는 연료극 혹은 음극(Anode)로 구성되어 있다. 이렇게 공기극/전해질/연료극으로 구성된 전지를 단전지라고 부르며, 이렇게 공기극과 연료극에서의 반응을 일어나게 하는 구동력은 공기극과 연료극에의 산소분압 차이에 의해 나타나기 때문에 양극으로 흘러가는 공기 혹은 연료가 서로 혼입되지 않게 하는 것이 매우 중요하게 된다. 단전지의 형태는 원통형(Tubular type)과 평판형(Planar type)으로 나눌 수 있으며, 원통형의 경우 가스의 분리를 쉽게 하는 장점이 있으나, 단전지와 단전지를 이어주는 전류집전체의 형태에 의해 저항이 높아져 에너지의 손실이 많은 단점이 있다. 평판형은 전극의 전체를 전류집전체와 쉽게 연결할 수 있는 구조상 특성 때문에 에너지의 손실이 적은 특성을 보여준다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 제조 비용이 감소된 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전자전도성이 향상된 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 이온전도성이 향상된 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 연료에 의한 발전 효율이 향상된 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 연료 전지의 제조 방법은, 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화(physical mixing)하여, 베이스 결합체를 형성하는 단계, 상기 베이스 결합체를 박막(thin layer) 형태의 예비 전극 지지체(preliminary electrode support)로 제조하는 단계, 및 상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑(doping)하여, 전극 지지체(electrode support)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물은 세륨(Ce) 산화물을 포함하고, 상기 제2 금속 산화물은 니켈(Ni) 산화물을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 연료 전지의 제조 방법은, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하기 전, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 소결조제(sintering aid)를 첨가하여 혼합하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소결조제는, 2가 혹은 3가의 금속 산화물을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하는 것은, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 용매 및 분산제(dispersant)를 공급하여 수행되는 제1 물리적 혼합화 공정(first physical mixing), 및 상기 제1 물리적 혼합화 공정이 수행된 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 결합제(bonding agent) 및 가소제(plasticizer)를 공급하여 수행되는 제2 물리적 혼합화 공정(second physical mixing)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하는 것은, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 볼 밀링(Ball milling) 하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 연료 전지의 제조 방법은, 상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하기 전, 상기 예비 전극 지지체 상에 음극(anode) 및 전해질막(electrolyte layer)을 차례로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 연료 전지의 제조 방법은, 상기 예비 전극 지지체 상에 상기 음극 및 상기 전해질막을 형성한 후, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막에 열 및 압력을 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하는 단계는, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을, 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액에 침지하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하는 단계는, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액에 침지한 후, 열 처리(thermal treatment)하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을 열 처리하는 단계는, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막에 가돌리늄(Gd)이 도핑되는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료 전지를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 연료 전지는, 니켈 산화물 및 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물 화합물을 포함하는 음극 지지체(anode support), 니켈 산화물 및 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 GDC(Gd-doped Ceria) 화합물을 포함하는 음극(anode), 및 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 GDC를 포함하는 전해질막(electrolyte layer)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 음극 지지체는, 2가 혹은 3가의 금속 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하여 형성된 베이스 결합체를 박막 형태의 예비 전극 지지체로 제조한 후, 상기 예비 전극 지지체를 상기 가돌리늄(Gd)이 포함된 용액에 침지시켜 가돌리늄(Gd)이 도핑된 전극 지지체를 제조, 연료 전지에 적용될 수 있다. 이에 따라, 고가의 분말 형태인 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물의 사용이 최소화되어, 연료 전지의 제작 비용이 감소될 수 있다.
또한, 상기 예비 전극 지지체 상에 상기 음극, 및 상기 전해질막이 형성된 후, 상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막이 상기 가돌리늄(Gd)이 포함된 용액에 함께 침지될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막에 가돌리늄(Gd)이 도핑되어, 상기 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막의 이온전도특성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막 사이의 계면 특성이 향상되어, 고신뢰성 및 고에너지 효율을 갖는 연료 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법에 포함된 베이스 결합체를 형성하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법에 포함된 예비 전극 지지체를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법에 포함된 전극 지지체를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료 전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 전극 지지체의 A를 확대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 변형 예에 따른 예비 전극 지지체에 가돌리늄(Gd)이 도핑되어 전극 지지체를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 변형 예에 따른 예비 전극 지지체 및 음극에 가돌리늄(Gd)이 도핑되어, 전극 지지체 및 가돌리늄이 추가로 도핑된 음극을 형성하는 것을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 음극 지지체를 촬영한 SEM 사진들이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 음극 지지체의 XPS data를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 연료 전지의 전기적 특성을 평가한 그래프들이다.
도 13은 본 발명의 실시 예 및 변형 예들에 따라 제조된 연료 전지를 사용하는 발전용 연료 전지 시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이고, 도 6은 도 4의 A를 확대한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 금속 산화물(10) 및 제2 금속 산화물(20)이 물리적 혼합화(physical mixing)되어, 베이스 결합체(30)가 형성된다(S100). 상기 베이스 결합체(30)는, 상기 제1 금속 산화물(10)과 상기 제2 금속 산화물(20)이 상기 물리적 혼합화에 의해 물리적으로 결합되어 형성될 수 있다. 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)은, 세륨(Ce) 산화물 및 니켈(Ni) 산화물일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물(10)은 산화세륨(CeO2)일 수 있고, 상기 제2 금속 산화물(20)은 산화니켈(NiO)일 수 있다.
상기 물리적 혼합화는, 제 1 물리적 혼합화 공정(first physical mixing process) 및 제2 물리적 혼합화 공정(second physical mixing process)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 물리적 혼합화는, 볼 밀링(ball milling) 공정일 수 있다.
상기 제1 물리적 혼합화 공정은, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 용매 및 분산제(dispersant)를 혼합하여 볼 밀링 하는 것을 포함할 수 있다. 상기 용매는, 유기 용매일 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는, 에틸알콜(ethyl alcohol) 또는 톨루엔(toluene)일 수 있다. 또한, 상기 분산제는, 맨하든 피쉬오일(manhattan fish oil)일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 상기 용매인 상기 에틸알콜 및/또는 상기 톨루엔과 상기 분산제인 상기 맨하든 피쉬오일이 혼합된 후, 24시간 동안 볼 밀링이 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 분산제는 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)의 1wt%로 공급될 수 있다.
상기 제2 물리적 혼합화 공정은, 상기 제1 물리적 혼합화 공정이 수행된 후, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 결합제(bonding agent) 및 가소제(plasticizer)를 공급하여 볼 밀링하는 것을 포함할 수 있다. 상기 결합제는 비닐(vinyl)계 결합제일 수 있고, 상기 가소제는 프탈레이트(phthalate)계 가소제일 수 있다. 예를 들어, 상기 결합제는 PVB(polyvinyl butyral) 또는 PVA(polyvinyl alcohol)일 수 있고, 상기 가소제는 BBP(Butylbenzyl phthalate), DBP(Dibutyl phthalate), 또는 DEHP(Di-(2-ethylene)phthalate)) 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 물리적 혼합화 공정이 수행된 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 상기 가소제인 BBP 및 상기 결합제인 PVB가 혼합된 후, 24시간 동안 볼 밀링이 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)을 상기 물리적 혼합화하기 전, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 소결조제(sintering aid)가 첨가되어 혼합될 수 있다. 상기 소결조제는, 2가 혹은 3가의 금속 산화물일 수 있다. 예를 들어, 상기 소결조제는, 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화망간(MnO) 또는 산화철(Fe2O3) 중 어느 하나일 수 있다.
도 1 및 도 3를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 베이스 결합체(30)가 박막(thin layer) 형태의 예비 전극 지지체(preliminary electrode support, 100)로 제조될 수 있다(S200). 상기 예비 전극 지지체(100)는, 상기 베이스 결합체(30)가 테이프 캐스팅 공정(Tape casting process) 처리되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 테이프 캐스팅에 의해 제조된 상기 예비 전극 지지체는, 500㎛ 내지 1000㎛의 두께의 박막 형태일 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 예비 전극 지지체(100)에 가돌리늄(Gd)이 도핑(doping)되어 전극 지지체(electrode support)(120)가 제조될 수 있다(S300). 상기 예비 전극 지지체(100)에 가돌리늄(Gd)이 도핑되는 방법은, 상기 예비 전극 지지체(100)가 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지되는 단계 및 열 처리(thermal treatment)되는 단계가 차례로 수행되는 것을 포함할 수 있다.
상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지되는 단계는, 상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500), 예를 들어, 질산 가돌리늄 용액(Gadolinium nitrate solution)에 침지되는 것일 수 있다. 상기 질산 가돌리늄 용액의 농도는 0.1 내지 1.0M일 수 있고, Gd-nitrate hexahydrate가 Ethyl alcohol에 용해되어 제조될 수 있다.
또한, 상기 예비 전극 지지체(100)가 열 처리 되는 단계는, 상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지된 후, 건조되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지된 후, 1400℃ 내지 1500℃에서 4시간 동안 열 처리 될 수 있다. 또한, 상기 열 처리에 사용되는 가열기의 형태로는, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 가열기는, 히터(heater), 핫 플레이트(hot plate) 또는 가열 코일(heating coil) 중에서 어느 하나일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지되기 전, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 음극(anode, 200) 및 전해질막(electrolyte layer, 300)이 차례로 형성될 수 있다.
상기 음극(200)은, 상기 제2 금속 산화물(20) 및 GDC(Gd-doped Ceria) 화합물을 포함할 수 있고, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 같이, 상기 물리적 혼합화(제1 물리적 혼합화, 제2 물리적 혼합화) 된 후, 상기 테이프 캐스팅 공정 처리되어 박막 형태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 음극(200)은, 상기 제2 금속 산화물인 산화니켈(NiO) 및 GDC(Gd-doped Ceria)가 상기 물리적 혼합화(제1 물리적 혼합화, 제2 물리적 혼합화) 된 후, 상기 테이프 캐스팅 공정 처리되어 5 내지 20㎛ 두께의 박막형태로 제조될 수 있다.
또한, 상기 전해질막(300)은, GDC(Gd-doped Ceria)를 포함할 수 있고, 상기 음극(200)과 마찬가지로, GDC(Gd-doped Ceria)가, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 같이, 상기 물리적 혼합화(제1 물리적 혼합화, 제2 물리적 혼합화) 된 후, 상기 테이프 캐스팅 공정 처리되어 박막 형태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질막(300)은, GDC(Gd-doped Ceria)가 상기 물리적 혼합화(제1 물리적 혼합화, 제2 물리적 혼합화) 된 후, 상기 테이프 캐스팅 공정 처리되어 5 내지 20㎛ 두께의 박막형태로 제조될 수 있다.
상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 차례로 적층된 후, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열 및 압력이 제공될 수 있다. 예를 들어, 차례로 적층된 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)이 가열된 금속판들 사이에 배치되고, 상기 가열된 금속판들로부터 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열 및 압력이 제공될 수 있다.
또한, 차례로 적층된 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열 및 압력이 제공된 후, 프리신터링(Pre-sintering)이 수행될 수 있다. 상기 프리신터링은, 1차 프리신터링(first pre-sintering) 및 2차 프리신터링(second pre-sintering)이 포함될 수 있고, 상기 1차 프리신터링 및 상기 2차 프리신터링은, 차례로 수행될 수 있다.
상기 1차 프리신터링은, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열이 제공되는 것일 수 있다. 상기 1차 프리신터링에 의해, 상기 예비 전극 지지체(100)에 포함된 상기 가소제 및 상기 결합제를 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 1차 프리신터링은, 150도, 300도, 및 550도에서 각각 1시간 동안 수행될 수 있다.
상기 2차 프리신터링은, 상기 1차 프리신터링과 마찬가지로, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열이 제공되는 것일 수 있다. 상기 2차 프리신터링에 의해, 상기 예비 전극 지지체(100)의 기계적 강도가 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 2차 프리신터링은, 900도에서 2시간 동안 수행될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)은, 상기 예비 전극 지지체(100)의 화학적/물리적 특성의 향상을 위해, 상기 1차 프리신터링 및 상기 2차 프리신터링이 수행 될 수 있다. 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)이 상기 1차 프리신터링 및 상기 2차 프리신터링되는 방법은, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)이 다공성의 세라믹 지지체들 사이에 배치되고, 상기 다공성의 세라믹 지지체들로부터 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열이 제공되는 것일 수 있다. 상기 다공성의 세라믹 지지체들을 통해 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 열을 공급하는 가열기의 형태로는, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 가열기는, 히터(heater), 핫 플레이트(hot plate) 또는 가열 코일(heating coil) 중에서 어느 하나일 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 예비 전극 지지체(100)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지되기 전, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 차례로 형성되는 경우, 상기 예비 전극 지지체(100) 뿐만 아니라, 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 함께 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지될 수 있다. 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 함께 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지되면, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)의 표면이 가돌리늄(Gd)으로 코팅될 수 있다. 이후, 열 처리에 의해 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)의 표면에 코팅된 가돌리늄(Gd)이 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)에 도핑될 수 있다.
도 5을 참조하면, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 가돌리늄(Gd)으로 도핑된 후, 상기 전해질막(300) 상에 양극(cathode, 400)이 형성되어, 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지가 제작될 수 있다. 상기 양극(400)은, 상기 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물(Gd-doped Ceria)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극(400)은, 스크린프린팅 공정(screen printing process) 후, 열 처리에 의해 박막의 형태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 양극(400)은, LSCF-GDC(Lanthanum-Strontium-Cobalt-Ferric Oxide-Gd doped Ceria) 페이스트가 상기 스크린프린팅 공정 처리되어 박막의 형태로 제조될 수 있고, 1000℃ 내지 1500℃에서 2시간 동안 열 처리될 수 있다.
상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)에 대한 가돌리늄(Gd)의 도핑은, 상기 예비 전극 지지체(100)에 포함된 상기 제1 금속 산화물(10)과 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)에 포함된 GDC(Gd-doped Ceria)가 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)과 반응하여 일어날 수 있다. 다시 말해서, 상기 예비 전극 지지체(100)에 포함된 상기 제1 금속 산화물(10)과 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)에 포함된 GDC(Gd-doped Ceria)에, 가돌리늄(Gd)이 도핑될 수 있다.
니켈 산화물 및 GDC(Gd-doped Ceria) 화합물을 포함하는 상기 음극(200)은, 가돌리늄(Gd)으로 추가로 도핑되어, 니켈 산화물 및 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 GDC(Gd-doped Ceria)를 포함할 수 있다. 또한, GDC(Gd-doped Ceria) 화합물을 포함하는 상기 전해질막(300)은, 가돌리늄(Gd)으로 추가로 도핑되어, 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 GDC(Gd-doped Ceria)를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 가돌리늄(Gd)이 이미 도핑되어 있는 화합물인 GDC(Gd-doped Ceria)를 포함하는 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)은, 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지된 후, 열 처리되면서, 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑될 수 있다.
도 6에 도시된 것과 같이, 가돌리늄(Gd) 도핑에 의해, 상기 전극 지지체(120)는, 가돌리늄(50)이 도핑된 상기 제1 금속 산화물(15), 및 상기 제2 금속 산화물(20)를 포함할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)에 상기 가돌리늄(Gd)이 도핑되면, 상기 전극 지지체(120), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)의 이온전도특성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 열 처리하는 단계에서, 상기 예비 전극 지지체(100)에 가돌리늄(Gd)이 도핑될 뿐만 아니라, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 베이스 결합체(30) 형성을 위한 상기 물리적 혼합화하기 전, 상기 제1 금속 산화물(10) 및 상기 제2 금속 산화물(20)에 첨가되어 혼합되었던 상기 소결조제(예를 들어, 2가 및 3가 금속 산화물)가 가돌리늄(Gd)과 함께 상기 예비 전극 지지체(100)에 도핑될 수 있다. 상기 예비 전극 지지체(100)에 도핑된 상기 소결조제는, 상기 예비 전극 지지체(100)에 도핑된 가돌리늄(Gd)와 마찬가지로, 상기 예비 전극 지지체(100)의 이온전도특성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 소결소제는 가돌리늄(Gd) 대비 가격이 저렴하기 때문에, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료 전지의 제작 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 열 처리에 의해 상기 전해질막(300)의 구조가 치밀해 질 수 있고, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300) 사이의 계면 특성이 향상될 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료 전지의 에너지 효율이 향상될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 기존 연료 전지의 경우, 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물, 예를 들어, Gd-doped Ceria를 사용하여 제조된 전극지지체 상에 음극 및 전해질막을 형성하여 연료전지를 제조한다. 이와 같이, 가돌리늄(Gd)이 이미 도핑된 세륨 산화물을 사용하여 전극 지지체를 제조한 후, 연료 전지 제작에 사용하는 경우, 고가의 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물 분말의 사용에 의해, 연료 전지의 제작 비용이 증가하며, 대량 생산에 한계가 존재한다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 예비 전극 지지체(100)를 제조한 후, 상기 예비 전극 지지체(100)를 상기 가돌리늄(Gd)이 포함된 용액(500)에 침지시켜 가돌리늄(Gd)이 도핑된 상기 전극 지지체(120)를 포함하는 연료 전지가 제조될 수 있다. 이에 따라, 고가의 분말 형태인 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물의 사용이 최소화되어, 연료 전지의 제작 비용이 감소될 수 있다.
또한, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)이 형성된 후, 상기 예비 전극 지지체(100), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)이 상기 가돌리늄(Gd)이 포함된 용액에 함께 침지되면, 상기 전극 지지체(120), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)에 가돌리늄(Gd)이 도핑되어, 상기 전극 지지체(120), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300)의 이온전도특성이 향상되고, 뿐만 아니라, 상기 전극 지지체(120), 상기 음극(200), 및 상기 전해질막(300) 사이의 계면 특성이 향상되어, 고신뢰성 및 고에너지 효율을 갖는 연료 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예의 제1 변형 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 방법으로, 상기 예비 전극 지지체(100)가 제조될 수 있다. 도 4를 참조하여 설명된 것과 달리, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200) 및 상기 전해질막(300)이 형성되지 않고, 상기 예비 전극 지지체(100)가 가돌리늄(Gd)으로 도핑되어, 상기 전극 지지체(120)가 제조될 수 있다. 다시 말해서, 상기 예비 전극 지지체(100) 단독으로 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지된 후, 상기 열 처리되어, 상기 예비 전극 지지체(100)에 가돌리늄(Gd)이 도핑될 수 있다. 이후, 도 7을 참조하여 설명된 방법으로 제조된 상기 전극 지지체(120) 상에, 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 음극(200), 상기 전해질막(300), 및 상기 양극(400)이 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예의 제2 변형 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 방법으로, 상기 예비 전극 지지체(100) 및 상기 음극(200)이 제조될 수 있다. 도 4를 참조하여 설명된 것과 달리, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200)은 형성하되, 상기 전해질막(300)은 형성되지 않고, 상기 예비 전극 지지체(100) 및 상기 음극(200)이 가돌리늄(Gd)으로 도핑되어, 상기 전극 지지체(100) 및 가돌리늄이 추가로 도핑된 음극(200)이 제조될 수 있다. 다시 말해서, 상기 예비 전극 지지체(100) 상에 상기 음극(200)이 형성된 후, 상기 예비 전극 지지체(100) 및 상기 음극(200)은 상기 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액(500)에 침지된 후, 상기 열 처리되어, 상기 예비 전극 지지체(100) 및 상기 음극(200)에 가돌리늄(Gd)이 도핑될 수 있다. 이후, 도 8을 참조하여 설명된 방법으로 제조된 상기 전극 지지체(120) 및 상기 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 음극(200) 상에, 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 전해질막(300) 및 상기 양극(400)이 형성될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법에 따른 구체적인 실험 예가 설명된다.
아래 [표 1]은 NiO-GDC를 음극지지체로 사용하는 연료전지 셀의 각 재료의 구성비와 현재의 재료의 가격을 이용하여 분석한 원가구성비를 나타낸다. NiO-GDC의 음극지지체 상에 NiO-GDC 음극막과 GDC 전해질이 형성된 반쪽 셀의 경우, NiO-GDC의 구성비는 약 95wt%, 그 중 반쪽 셀에 들어가는 GDC의 양은 약 47wt% 가 넘는 것으로 확인된다. 현재, Ceria(CeO2)의 분말을 가공하여 형성시킨 GDC의 경우 그의 재료비는 CeO2에 비해 약 9배 정도의 시장 가격이 형성되어 있다. GDC 분말을 음극지지체에 사용할 경우, 음극지지체의 GDC가 차지하는 재료비의 분율이 약 78%를 차지하게 된다. 하지만, 상술된 본 발명의 실시 예와 같이, 음극지지체의 GDC를 CeO2로 치환하는 경우, [표 1]에서 알 수 있듯이, GDC를 사용했을 때에 비해 약 1/3로 재료비가 감소될 것으로 예상된다.
Layer Thickness Process GDC/NiO-GDC/NiO-GDC GDC/NiO-GDC/NiO-CeO2
Material Wt% Material cost% Material Wt% Material cost%
Electrolyte ~20㎛ Dip coating GDC 4.4% 7.3% GDC 4.4% 23.6%
Anode functional Layer ~20㎛ Dip coating GDC GDC
NiO 52.6% 15% NiO 52.6% 48.5%
Anode support ~700㎛ Tape casting NiO NiO
GDC 43% 77.7% CeO2 43% 27.8%
실시 예에 따른 연료 전지 제조
테이프 케스팅 법을 이용하여 NiO-CeO2 음극지지체의 그린테이프를 형성하였다. 구체적으로, NiO와 CeO2를 55:45의 질량비로 하여 Ethyl alcohol과 toluene을 용매로 사용하여 분산제를 첨가하여 24시간 1차 볼밀링을 하였다. 결합제로 Polyvinyl butyral과 가소제로 Bi-butyl phthalate를 첨가하여 추가적으로 24시간 동안 볼 밀링을 진행하여 슬러리를 형성하고, 슬러리 내의 기포를 제거한 후 케스팅 및 건조하여 약 250μm의 두께의 NiO-CeO2 음극지지체 그린테이프를 제조하였다. 형성된 그린테이프는 원하는 두께를 형성하기 위하여 열가압법을 이용하여 3겹으로 적층하였다. 적층된 NiO-CeO2 음극지지체의 그린 테이프는 900℃ 의 온도에서 열처리하여 후 공정을 진행할 수 있는 기계적 특성을 확보하였다. 부분 소성된 NiO-CeO2 음극지지체 상에 기능성 음극막과 전해질을 콜로이달 용액으로 형성하여 딥코팅의 방법으로 형성하였다. 구체적으로, 기능성 음극막의 콜로이달 용액은 NiO와 GDC 분말을 50대 50의 질량비로 섞은 분말을 Ethyl alcohol과 Terpineol을 일정비로 혼합한 용매에 넣고 이에 다시 결합제, 가소제, 그리고 분산제를 첨가하여 48시간동안 볼밀링을 하여 형성하였다. 또한, 전해질의 콜로이달 용액은 GDC 분말을 Ethyl alcohol과 Terpineol을 일정비로 혼합한 용매에 넣고 이에 다시 결합제, 가소제, 그리고 분산제를 첨가하여 48시간동안 볼밀링을 하여 형성하였다.
NiO-CeO2 음극지지체를 NiO-GDC 콜로이달 용액과 GDC 콜로이달 용액에 담가 딥코팅법을 이용하여 NiO-GDC 기능성 음극막과 GDC 전해질막을 순차적으로 형성하였다. 이후, 900℃ 에서 열처리 한 후 Gd-nitrate를 ethyl alcohol에 용해시킨 용액에 담근 후 건조하고, 1450℃ 의 온도에서 소결하여 반쪽 셀을 형성하였다. 반쪽 셀 위에 공기극으로 LSCF-GDC 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅을 한 후 1050℃ 의 온도에서 열처리하여 실시 예에 따른 연료 전지를 형성하였다.
비교 예에 따른 연료 전지 제조
NiO와 CeO2를 이용하여 음극 지지체를 제조하는 대신, NiO 및 GDC를 이용하여, NiO-GDC 음극 지지체를, 상술된 실시 예와 동일한 방법으로 제조하였다.
이후, 상술된 실시 예와 동일한 방법으로, NiO-GDC 음극 지지체를 NiO-GDC 콜로이달 용액과 GDC 콜로이달 용액에 담그는 딥코팅법을 이용하여 NiO-GDC 기능성 음극막과 GDC 전해질막을 순차적으로 형성하였다. 이후, 약 900℃ 의 온도에서 부분열처리를 한 후, 1450℃ 의 온도에서 소결하여, 반쪽 셀을 형성하고, 반쪽 셀 위에 공기극으로 LSCF-GDC 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅을 한 후 1050℃ 의 온도에서 열처리 하여 비교 예에 따른 연료 전지를 형성하였다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 음극 지지체를 촬영한 SEM 사진들이다. 구체적으로, 도 9의 (a)는 900℃에서 열처리된 NiO-CeO2 음극지지체를 촬영한 SEM 사진이고, 도 9의 (b)는 Gd-nitrate가 수행된 NiO-CeO2 음극지지체를 촬영한 SEM 사진이고, 도 10의 (a)는 1450℃에서 열처리된 NiO-CeO2 음극지지체를 촬영한 SEM 사진이고, 도 10의 (b)는 1450℃에서 열처리된 NiO-CeO2 음극지지체에 Gd-nitrate를 수행하고, 900℃에서 열처리한 후 촬영한 SEM 사진이고, 도 10의 (c)는 도 10의 (b)를 1450℃에서 열처리한 후 촬영한 SEM 사진이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 900℃에서 열처리한 GDC 전해질, NiO-GDC 기능성 음극막, 및 NiO-CeO2 음극 지지체를 Gd-nitrate solution에 담근 후 100℃의 오븐에서 열처리 하는 것을 3회에 걸쳐 반복하여 최종 질량의 변화를 측정하여 NiO-CeO2 음극지지체 내에 infiltration 되는 양을 계산하였다. 12cm x 12cm 크기의 900℃에서 열처리한 기판 위에 Gd-nitrate를 침적시킨 후 질량을 측정한 결과 약 0.03~0.05g 정도의 질량변화가 나타났으며, Gd-nitrate가 기판에 일정한 분포로 침적되었다고 가정하여 계산하면, 약 50ppm 이하의 양이 NiO-CeO2 음극지지체내의 CeO2 표면에 흡착된 것으로 예상된다.
1450℃에서 열처리한 음극지지체의 경우 입자의 표면이 매우 깨끗한 형태를 보여주고 있다. 그러나 도 10의 (b)에 도시된 것과 같이 Gd-nitrate를 침적한 후 900℃에서 열처리 한 입자 표면은 거친 형태를 보여주는 것을 확인할 수 있었다. 거칠게 나타난 표면이 Gd-nitrate가 입자의 표면에 침작한 후 저온에서의 열처리 과정에 Gd2O3가 형성된 것으로 확인된다. 이를 다시 1450℃에서 열처리를 하게 되면, 그 거친 표면이 다시 깨끗해지는 것을 확인할 수 있으며, 이는 표면에 침적되어 형성된 Gd2O3가 열처리가 진행됨에 따라 음극지지체의 입자에 diffusion되어 doping되는 것으로 확인된다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 음극 지지체의 XPS data를 나타내는 그래프이다. 구체적으로 도 11의 (a), (b), 및 (c)는 1450℃에서 열처리된 NiO-CeO2의 음극지지체를 파쇄하여 XPS 분석한 결과이고, 도 11의 (d), (e) 및 (f)는 Gd-nitrate infiltration 수행 후 1450℃에서 열처리 한 NiO-CeO2의 음극지지체를 파쇄하여 XPS 분석한 결과이다.
도 11을 참조하면, 각 성분에 의해 나타나는 peak의 intensity를 normalization 하여 분석해보면, Gd infiltration된 음극지지체의 Gd에 의한 peak의 경우 oxygen이나 cerium에 의한 peak에 비해 약간 증가한 것으로 보여지고 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 연료 전지의 전기적 특성을 평가한 그래프들이다.
도 12를 참조하면, NiO-CeO2 음극지지체, Gd-nitrate infiltration이 수행된 NiO-CeO2 음극지지체, 및 NiO-GDC 음극 지지체를 포함하는 연료 전지의 IVP와 impedance를 측정하였다. 600℃에서 측정한 IVP를 비교해보면, Ni-GDC 음극지지체를 사용한 전지와 Gd-nitrate infiltration이 수행된 Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 전지는 실질적으로 동일한 IVP특성을 보여주는 반면, Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 전지의 경우, 상대적으로 낮은 IVP 특성을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. Impedance의 결과를 보면, 전극에 의한 ASR 값은 0.13~0.15 Ωcm2으로 큰 차이를 보이지 않으나, ohmic ASR의 경우 Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 전지가 Ni-GDC 음극지지체를 사용한 전지와 Gd-nitrate infiltration이 수행된 Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 전지와 비교하여, 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
900℃에서 열처리된 다공성의 GDC 전해질, NiO-GDC 기능성 음극막, 및 NiO-CeO2 음극지지체에 Gd-nitrate를 침적시킬 경우, Gd은 전해질, 기능성 음극막, 그리고 음극지지체의 모든 입자의 표면에 침적되며, 특히 전해질과 기능성 음극막 계면의 삼상영역이 형성되는 부분에서 소결성에 영향을 줄 수 있다. 그러나, NiO-GDC를 음극지지체로 사용한 셀과, Gd을 침적시키지 않은 NiO-CeO2를 음극지지체로 사용한 셀의 경우 GDC 전해질과 NiO-GDC기능성 음극막의 미세구조적인 특성은 동일할 것으로 판단된다. 그러나 impedance의 결과부터, 각 전지의 ohmic ASR의 차이는 음극지지체의 소결특성에 의해 영향을 받는 것으로 , CeO2를 사용한 전지에 비해 Gd이 doping된 CeO2의 소결특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 따라서 GDC 혹은 Gd을 침적시킨 CeO2를 음극지지체의 재료로 사용한 경우, 소결 공정시 수축이 더 일어나게 되며, 이에 의해 GDC전해질 층의 치밀도는 증가하게 되고, 이에 의해 결정되는 Open Circuit Voltage (OCV)의 값이 600℃의 IVP결과로부터 살펴보면 Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 셀의 경우에 비해, Ni-GDC와 Gd-infiltration Ni-CeO2 음극지지체를 사용한 셀이 높은 값을 보여주는 것으로 확인할 수 있다.
결론적으로, Ni-CeO2를 음극지지체로 사용하였을 경우, Ni-GDC를 음극지지체로 사용한 전지에 비해 발전 특성은 낮으나, Ni-CeO2에 Gd-nitrate를 침적시킨 후 열처리를 하게 되면, Ni-GDC와 실질적으로 동일한 발전특성을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, CeO2를 음극지지체의 원료로 사용하되, Gd-nitrate를 침적시켜 도핑하는 공정을 수행함으로써, 전지의 효율 특성을 개선함과 동시에 제조 비용을 현저하게 감소할 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예 및 변형 예에 따라 제조된 연료 전지를 사용하는 발전용 연료 전지 시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 상기 발전용 연료전지 시스템은 본 발명의 실시 예 및 변형 예들에 따라 제조된 연료전지(700) 및 상기 연료전지(700)로부터 전력을 공급받아 외부로 송출하는 전력 제어장치(800)를 포함할 수 있다. 상기 전력제어장치(800)는 출력장치(810), 축전장치(820), 충방전 제어장치(830), 시스템제어장치(840)를 포함할 수 있다. 상기 출력장치(810)는 전력변환장치(812)를 포함할 수 있다.
상기 전력변환장치(Power Conditioning System: PCS, 812)는 상기 연료전지(700)로부터의 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터일 수 있다. 상기 충방전 제어장치(830)는 상기 연료전지(700)로부터의 전력을 상기 축전장치(820)에 저장하거나, 상기 축전장치(820)에 저장된 전기를 상기 출력장치(810)로 출력할 수 있다. 상기 시스템제어장치(840)는 상기 출력장치(810), 상기 축전장치(820) 및 상기 충방전 제어장치(830)를 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 변환된 교류전류는 자동차, 가정과 같은 다양한 AC 부하(910)로 공급되어 사용될 수 있다. 나아가, 상기 출력장치(810)는 계통연계장치(grid connect system, 814)를 더 포함할 수 있다. 상기 계통연계장치(814)는 다른 전력계통(920)과의 접속을 매개하여, 전력을 외부로 송출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지는, 가돌리늄(Gd)이 포함된 용액을 이용하여, 용액 도핑 방식으로 전극 지지체, 음극, 및/또는 전해질막에 가돌리늄(Gd)을 도핑하고, 가돌리늄(Gd) 뿐만 아니라 소결조제인 금속 산화물이 함께 도핑된 전극 지지체의 제조 방법을 제공함으로써, 연료 전지의 제조 비용을 감소시키고, 이온전도특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 지지체, 음극, 및 전해질막 사이의 계면 특성이 향상되어, 에너지 효율이 개선된 연료 전지가 제공될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 제1 금속 산화물
15: 가돌리늄(Gd)이 도핑된 제1 금속 산화물
20: 제2 금속 산화물
30: 베이스 결합체
50: 가돌리늄(Gd)
100: 예비 전극 지지체
120: 전극 지지체
200: 음극
300: 전해질막
400: 음극
500: 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액
700: 연료전지
800: 전력제어장치
810: 출력장치
812: 전력변환장치
814: 계통연계장치
820: 축전장치
830: 충방전 제어장치
840: 시스템제어장치
910: AC 부하
920: 다른 전력계통
1000: 발전용 연료전지 시스템

Claims (13)

  1. 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화(physical mixing)하여, 베이스 결합체를 형성하는 단계;
    상기 베이스 결합체를 박막(thin layer) 형태의 예비 전극 지지체(preliminary electrode support)로 제조하는 단계; 및
    상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑(doping)하여, 전극 지지체(electrode support)를 제조하는 단계를 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물은 세륨(Ce) 산화물을 포함하고,
    상기 제2 금속 산화물은 니켈(Ni) 산화물을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하기 전,
    상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 소결조제(sintering aid)를 첨가하여 혼합하는 것을 더 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 소결조제는, 2가 혹은 3가의 금속 산화물을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화 하는 것은,
    상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 용매 및 분산제(dispersant)를 공급하여 수행되는 제1 물리적 혼합화 공정(first physical mixing process); 및
    상기 제1 물리적 혼합화 공정이 수행된 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물에 결합제(bonding agent) 및 가소제(plasticizer)를 공급하여 수행되는 제2 물리적 혼합화 공정(second physical mixing process)을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 물리적 혼합화하는 것은,
    상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 볼 밀링(Ball milling) 하는 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하기 전,
    상기 예비 전극 지지체 상에 음극(anode) 및 전해질막(electrolyte layer)을 차례로 형성하는 단계를 더 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 예비 전극 지지체 상에 상기 음극 및 상기 전해질막을 형성한 후,
    상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막에 열 및 압력을 제공하는 것을 더 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하는 단계는,
    상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을, 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액에 침지하는 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 예비 전극 지지체를 가돌리늄(Gd)으로 도핑하는 단계는,
    상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을 가돌리늄(Gd)을 포함하는 용액에 침지한 후, 열 처리(thermal treatment)하는 것을 더 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막을 열 처리하는 단계는,
    상기 예비 전극 지지체, 상기 음극, 및 상기 전해질막에 가돌리늄(Gd)이 도핑되는 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  12. 니켈 산화물 및 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물 화합물을 포함하는 음극 지지체(anode support);
    니켈 산화물 및 가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 GDC(Gd-doped Ceria) 화합물을 포함하는 음극(anode); 및
    가돌리늄(Gd)이 추가로 도핑된 GDC를 포함하는 전해질막(electrolyte layer)을 포함하는 연료 전지.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 음극 지지체는, 2가 혹은 3가의 금속 산화물을 포함하는 연료 전지.
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