KR20170036566A - 고체산화물 연료전지, 이를 포함하는 전지모듈 및 고체산화물 연료전지의 제조방법 - Google Patents

고체산화물 연료전지, 이를 포함하는 전지모듈 및 고체산화물 연료전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 고체산화물 연료전지, 이를 포함하는 전지모듈 및 고체산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고체산화물 연료전지, 이를 포함하는 전지모듈 및 고체산화물 연료전지의 제조방법{SOLID OXIDE FUEL CELL, BATTERY MODULE COMPRISING THE SOLID OXIDE FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 명세서는 고체산화물 연료전지, 이를 포함하는 전지모듈 및 고체산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.
3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었다. SOFC는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 ℃ 내지 1000 ℃)에서 작동한다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한, 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점들 덕분에 SOFC에 관한 연구는 21세기 초에 상업화하는 것을 목표로 활발히 연구가 이루어지고 있다.
일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극, cathode) 및 연료극(음극, anode)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다. 도 1은 고체산화물 연료전지의 작동원리의 일 예를 도시한 것이다. 즉, 공기극을 통하여 유입되는 산소와 연료극을 통하여 유입되는 수소가 반응하여 전류가 발생할 수 있다.
SOFC의 공기극과 연료극은 높은 전기 전도도가 요구되며, 각각 공기 및 수소의 이동이 원활하게 하게 위하여 높은 기공도가 요구된다. 또한, SOFC의 전해질은 공기극 및 연료극과 달리 높은 이온 전도도가 요구되고, 이를 위하여 낮은 기공도의 치밀한 조직이 요구된다. 그러므로, 공기극, 연료극 및 전해질을 포함하는 SOFC를 제조하기 위해서는 공기극, 연료극 및 전해질을 각각 개별적으로 소성 하는 방법으로 제조되며, 특히 치밀한 조직을 가져야 하는 전해질의 경우에는 공기극 및 연료극의 소성 온도보다 더 높은 온도에서 소성을 하여야 하였다. 이에 따라, 소성 온도차이에 따른 각 구성간 뒤틀림 현상이 발생하고, 각각을 별개로 소성하게 되어 공정 비용이 상승하는 문제가 있었다.
대한민국 특허공개 제 2003-0045324 호 (2003.06.11 공개)
본 명세서는 고체산화물 연료전지, 이를 포함하는 전지모듈 및 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 명세서는 연료극, 전해질층 및 공기극이 순차적으로 구비된 고체산화물 연료전지에 있어서, 상기 전해질층은 Zn(BO2)2, Zn2(SiO4) 및 산소이온 전도성 무기물을 포함하는 것인 고체산화물 연료전지를 제공한다.
또한, 본 명세서는 상기 고체산화물 연료전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.
또한, 본 명세서는 연료극, 전해질층 및 공기극이 순차적으로 구비된 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서, ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말 및 산소이온 전도성 무기물 입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 전해질층용 그린시트를 형성하는 단계; 및 상기 전해질층용 그린시트를 900℃ 이상 1300℃ 이하의 온도에서 소성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 높은 전기 전도도의 연료극을 갖는다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 공기극, 전해질 및 연료극 각 계면의 뒤틀림을 최소화할 수 있다.
본 명세서의 고체산화물 연료전지의 전해질은 높은 밀도의 치밀한 조직으로서, 우수한 효력을 발휘할 수 있다.
또한, 본 명세서의 고체산화물 연료전지는 한번의 소성 공정을 통하여 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 명세서의 고체산화물 연료전지는 낮은 온도의 소성 단계에도 불구하고, 치밀한 조직의 전해질을 형성할 수 있다.
또한, 본 명세서의 고체산화물 연료전지는 낮은 온도의 소성과정 및 소성 단계의 일원화를 통하여 우수한 공정 효율 및 제조원가의 절감을 달성할 수 있다.
또한, 본 명세서의 고체산화물 연료전지는 유리 분말로부터 전도성 금속인 Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)으로 환원됨으로써, 연료극의 전기 전도도의 저하 없이 동시 소성을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 고체산화물 연료전지(SOFC)의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 실시예 1의 SEM이미지이다.
도 3은 실시예 2의 SEM이미지이다.
도 4는 비교예 1의 SEM이미지이다.
도 5는 비교예 2의 SEM이미지이다.
도 6은 비교예 3의 SEM이미지이다.
도 7은 실시예 1과 2 및 비교예 3의 산소이온 전도도를 측정한 그래프이다.
도 8은 실시예 1과 2 및 비교예 3의 개방회로전압을 측정한 그래프이다.
도 9는 실시예 2와 비교예 3의 소결된 전해질층의 X선 회절분석결과 그래프이다.
도 10은 소결온도에 따른 실시예에서 사용된 유리분말의 X선 회절분석결과 그래프이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서는 연료극, 전해질층 및 공기극이 순차적으로 구비된 고체산화물 연료전지에 있어서, 상기 전해질층은 Zn(BO2)2, Zn2(SiO4) 및 산소이온 전도성 무기물을 포함하는 것인 고체산화물 연료전지를 제공한다.
상기 고체산화물 연료전지는 연료극, 전해질층 및 공기극 중 어느 하나가 상대적으로 두꺼운 두께로 제조되어 기계적 강도를 유지하는 지지체로서의 역할을 수행하거나, 별도의 세라믹 지지체 또는 금속 지지체를 구비할 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지는 형태에 따라 평판형, 원통형 또는 평관형일 수 있다.
상기 전해질층은 연료극과 공기극 사이에 위치하며, 상기 전해질층의 두께는 1㎛ 이상 300㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층의 두께는 1㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있으며, 더 구체적으로, 상기 전해질층의 두께는 1㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다.
상기 전해질층은 Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)을 포함하며, Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)은 각각 결정상으로 포함될 수 있다.
상기 Zn(BO2)2는 ZnO과 B2O3로부터 유래된 금속산화물의 결정상일 수 있다. 이때, ZnO과 B2O3는 각각 1: 1의 몰비로 반응하여 Zn(BO2)2이 생성될 수 있다.
상기 Zn2(SiO4)는 ZnO과 SiO2로부터 유래된 금속산화물의 결정상일 수 있다. 이때, ZnO과 SiO2는 각각 2: 1의 몰비로 반응하여 Zn2(SiO4)이 생성될 수 있다.
상기 전해질층의 총 중량을 기준으로, 상기 Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)의 중량의 합에 대한 백분율은 0.1중량% 이상 2중량% 이하일 수 있다. 이 경우, 전해질층의 소결 시 ZnO, B2O3 및 SiO2가 상대적으로 낮은 온도에서 소결될 수 있도록 소결 촉진제로 작용하고, 전해질층이 완전히 소결된 후 ZnO, B2O3 및 SiO2가 Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)의 결정상으로 존재하여 전지셀 구동시 성능이 저하되지 않는 장점이 있다.
상기 전해질층의 산소이온 전도성 무기물은 산소 이온 전도성을 가지는 고체산화물일 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층의 산소이온 전도성 무기물은 산화 지르코늄계, 산화 세륨계, 산화 란탄계, 산화 티타늄계 및 산화 비스무스계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 복합 금속 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전해질층의 산소이온 전도성 무기물은 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) 및 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 공기극은 산소이온 전도성 무기물을 포함할 수 있다. 상기 무기물 입자는 산소이온 전도성을 가진다면 특별히 한정하지 않으나, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 채용할 수 있다.
예를 들면, 상기 공기극의 무기물은 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 연료극은 산소이온 전도성 무기물을 포함할 수 있다. 상기 연료극의 무기물은 산소이온 전도성을 가진다면 특별히 한정하지 않으나, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 채용할 수 있다.
예를 들면, 상기 연료극의 무기물은 전술한 전해질에 포함되는 산소이온 전도성 무기물과 동일한 무기물과 함께 니켈 옥사이드가 혼합된 세메트(cermet)가 사용될 수 있다.
본 명세서는 상기 고체산화물 연료전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 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.
본 명세서는 연료극, 전해질층 및 공기극이 순차적으로 구비된 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서, ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말 및 산소이온 전도성 무기물 입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 전해질층용 그린시트를 형성하는 단계; 및 상기 전해질층용 그린시트를 900℃ 이상 1300℃ 이하의 온도에서 소성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 그린시트를 형성하는 단계; 상기 연료극 그린시트 상에 ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말 및 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 전해질층용 그린시트를 형성하는 단계; 상기 연료극 그린시트 및 전해질층용 그린시트를 900℃ 이상 1300℃ 이하에서 동시에 소성하는 단계; 상기 소성된 전해질층 상에 산소이온 전도성 제3 무기물 입자를 포함하는 공기극 그린시트를 형성하는 단계; 및 상기 공기극 그린시트를 소성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 그린시트를 형성하는 단계; 상기 연료극 그린시트 상에 ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말 및 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 전해질층용 그린시트를 형성하는 단계; 상기 전해질층용 그린시트 상에 산소이온 전도성 제3 무기물 입자를 포함하는 공기극 그린시트를 형성하는 단계; 및 상기 연료극 그린시트, 전해질층용 그린시트 및 공기극 그린시트를 동시에 소성하는 단계를 포함하며, 상기 소성단계의 소성온도는 900℃ 이상 1300℃ 이하일 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 고체산화물 연료전지의 구성에 대하여 상술한 설명을 인용할 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 그린시트를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 연료극 그린시트를 형성하는 단계는 산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 슬러리로 테이프 케스팅하는 단계; 및 상기 테이프 케스팅된 연료극 슬러리를 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말 및 산소이온 전도성 무기물 입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 전해질층용 그린시트를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 전해질층용 그린시트를 형성하는 단계는 ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말 및 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 전해질층 슬러리로 테이프 케스팅하는 단계; 및 상기 테이프 케스팅된 전해질층 슬러리를 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전해질층 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말의 함량은 0.1중량% 이상 5중량% 이하일 수 있다.
상기 전해질층 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소이온 전도성 무기물 입자의 함량은 40중량% 이상 60중량% 이하일 수 있다.
상기 전해질층 슬러리는 바인더 수지, 분산제, 가소제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지, 분산제, 가소제 및 용매는 그 종류를 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
상기 전해질층 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지의 함량은 5중량% 이상 20중량% 이하이며, 상기 분산제의 함량은 5중량% 이상 15중량% 이하이고, 상기 가소제의 함량은 0.1중량% 이상 5중량% 이하이며, 상기 용매의 함량은 20중량% 이상 40중량% 이하일 수 있다.
상기 유리 분말은 유리 상태에 있는 물질의 분말을 의미한다. 이때, 유리 상태는 용융된 액체가 냉각하여 결정화되지 않고 그대로 응고하는 상태를 의미하며, 유리 상태에 있는 무기 물질을 유리라고 한다.
상기 유리 분말은 당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 유리의 분말을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 상기 유리 분말은 산화물 유리의 분말일 수 있으며, 구체적으로, 상기 유리 분말은 이산화규소(SiO2)를 포함하는 유리의 분말일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말은 ZnO, B2O3 및 SiO2을 포함하는 유리의 분말을 의미한다.
상기 유리 분말 내에서, 상기 ZnO, B2O3 및 SiO2의 중량의 합은 상기 유리 분말의 총 중량을 기준으로 60중량% 이상 80중량% 이하일 수 있다.
상기 유리분말의 총 중량을 기준으로, 상기 ZnO의 함량은 5중량 이상 50중량% 이하이며, 상기 B2O3의 함량은 5중량% 이상 30중량% 이하이고, 상기 SiO2의 함량은 30중량% 이상 50중량% 이하일 수 있다.
상기 유리 분말은 Ba 산화물, Na 산화물, K 산화물, Al 산화물, Ca 산화물, Fe 산화물 및 Zr 산화물 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 유리 분말은 Ba 산화물, Na 산화물, K 산화물, Al 산화물, Ca 산화물, Fe 산화물 및 Zr 산화물을 더 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 유리 분말은 BaO, Na2O, K2O, Al2O3, CaO, Fe2O3 및 ZrO2를 더 포함할 수 있다.
상기 유리분말의 총 중량을 기준으로, 상기 BaO, Na2O, K2O, Al2O3, CaO, Fe2O3 및 ZrO2의 각각에 대한 함량은 특별히 한정하지 않으며, ZnO, B2O3 및 SiO2의 중량의 합에 대한 잔량으로 포함될 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 상기 전해질층용 그린시트 상에 산소이온 전도성 제3 무기물 입자를 포함하는 공기극 그린시트를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 전해질층용 그린시트를 형성하는 단계는 산소이온 전도성 제3 무기물 입자를 포함하는 전해질층 슬러리로 테이프 케스팅하는 단계; 및 상기 테이프 케스팅된 전해질층 슬러리를 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료극 슬러리 및 공기극 슬러리는 각각 바인더 수지, 분산제, 가소제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지, 분산제, 가소제 및 용매는 그 종류를 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
본 명세서에서, 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 고체산화물 연료전지의 제조방법은 상기 전해질층용 그린시트를 900 ℃ 이상 1300 ℃ 이하에서 소성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 상기 연료극 그린시트 및 전해질층용 그린시트를 900 ℃ 이상 1300 ℃ 이하에서 동시에 소성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은 상기 연료극 그린시트, 전해질층용 그린시트 및 공기극 그린시트를 900 ℃ 이상 1300 ℃ 이하에서 동시에 소성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전해질층용 그린시트가 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ)를 포함하는 경우, 상기 전해질층용 그린시트의 소성 또는 동시소성단계의 소성온도는 900 ℃ 이상 1200 ℃ 이하일 수 있다.
상기 전해질층용 그린시트가 세리아계 무기물 또는 란탄갈레이트계 무기물을 포함하는 경우, 상기 전해질층용 그린시트의 소성 또는 동시소성단계의 소성온도는 1200 ℃ 이상 1300 ℃ 이하일 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]
산소이온 전도성 무기물로서 GDC와, 하기 표 1의 조성 및 이의 함량(중량%)을 갖는 유리분말을 사용했다. 그 외에 바인더 용액 SOKEN LRRS001, 가소제로서 DBP, 분산제로서 DISPERBYK-112, 용매로서 톨루엔을 사용하여 전해질층용 슬러리를 제조했다. 이때, 상기 전해질층용 슬러리 총 중량을 기준으로, 유리분말의 함량은 0.5중량%이고, GDC의 함량은 49.5중량%이었다.
상기 슬러리를 도포하여 그린시트를 제작한 후, 1200℃에서 3시간 동안 열처리하여 조밀한 전해질층을 형성했다.
[표 1]
Figure pat00001
[실시예 2]
실시예 1에서 소성온도를 1250℃로 변경한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 전해질층을 제조했다.
[비교예 1]
유리분말없이, 전해질층용 슬러리 총 중량을 기준으로, GDC의 함량을 50중량%로 변경하여 전해질층용 슬러리를 준비한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 전해질층을 제조했다.
[비교예 2]
비교예 1에서 소성온도를 1250℃로 변경한 것을 제외하고 비교예 1과 동일하게 전해질층을 제조했다.
[비교예 3]
비교예 1에서 소성온도를 1500℃로 변경한 것을 제외하고 비교예 1과 동일하게 전해질층을 제조했다.
[실험예 1]
실시예 1과 2 및 비교예 1-3에서 제조된 전해질층의 상면을 주사전자현미경(SEM)으로 측정하여, 도 2 내지 도 6에 각각 도시했다.
그 결과, 실시예 1과 2에서 제조된 전해질층은 모두 조밀한 것을 알 수 있다. 비교예 1은 실시예 1에서 제조된 전해질층과 달리 상대적으로 다공성의(porous) 전해질층이 형성되었다. 비교예 2는 실시예 2에서 제조된 전해질층과 달리 상대적으로 다공성의(porous) 전해질층이 형성되었다.
유리분말이 없는 비교예는 비교예 3과 같이 1500℃에서 3시간 열처리해야 조밀한 전해질층이 형성되는 것을 알 수 있다.
[실험예 2]
실시예 1과 2 및 비교예 1에서 제조된 전해질층의 산소 이온전도도 및 개방회로전압(OCV)을 측정하여, 그 결과를 도 7 및 도 8에 도시했다.
[실험예 3]
실시예 1에서 사용된 유리분말을 열처리 전과 800℃, 900℃, 1000℃ 및 1250℃에서 열처리하여 각각을 X선 회절분석했으며, 그 결과를 도 10에 도시했다.
도 10을 통해, 실시예 1에서 사용된 유리분말이 열처리 전에는 Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)의 결정이 없는 것을 알 수 있으며, 800℃, 900℃, 1000℃ 및 1250℃에서 각각 열처리하면 Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)의 결정피크가 나타나는 것을 알 수 있다.
이로써, 실시예 1 및 2에서 유리분말이 포함된 전해질층용 슬러리를 소결하여 형성된 전해질층은 Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)의 결정을 포함한다는 것을 알 수 있다.
[실험예 4]
실시예 2 및 비교예 3에서 제조된 전해질층을 X선 회절분석하여 그 결과를 도 9에 도시했다.

Claims (7)

  1. 연료극, 전해질층 및 공기극이 순차적으로 구비된 고체산화물 연료전지에 있어서,
    상기 전해질층은 Zn(BO2)2, Zn2(SiO4) 및 산소이온 전도성 무기물을 포함하는 것인 고체산화물 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전해질층의 총 중량을 기준으로, 상기 Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)의 중량의 합에 대한 백분율은 0.1중량% 이상 2중량% 이하인 것인 고체산화물 연료전지.
  3. 청구항 1 또는 2의 고체산화물 연료전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈.
  4. 연료극, 전해질층 및 공기극이 순차적으로 구비된 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서,
    ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말 및 산소이온 전도성 무기물 입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 전해질층용 그린시트를 형성하는 단계; 및
    상기 전해질층용 그린시트를 900℃ 이상 1300℃ 이하의 온도에서 소성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지의 제조방법은,
    산소이온 전도성 제1 무기물 입자를 포함하는 연료극 그린시트를 형성하는 단계;
    상기 연료극 그린시트 상에 ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말 및 산소이온 전도성 제2 무기물 입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 전해질층용 그린시트를 형성하는 단계;
    상기 전해질층용 그린시트 상에 산소이온 전도성 제3 무기물 입자를 포함하는 공기극 그린시트를 형성하는 단계; 및
    상기 연료극 그린시트, 전해질층용 그린시트 및 공기극 그린시트를 동시에 소성하는 단계를 포함하며,
    상기 소성단계의 소성온도는 900℃ 이상 1300℃ 이하인 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 ZnO-B2O3-SiO2 계 유리분말의 함량은 0.1중량% 이상 5중량% 이하인 것인 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 소성단계에서, 상기 전해질층용 그린시트가 소성된 전해질층은 Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)을 포함하며,
    상기 전해질층의 총 중량을 기준으로, 상기 Zn(BO2)2 및 Zn2(SiO4)의 중량의 합에 대한 백분율은 0.1중량% 이상 2중량% 이하인 고체산화물 연료전지의 제조방법.
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