KR20200036266A - Air electrode current collector for solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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박윤빈
최광욱
임상혁
전도연
이헌형
김용태
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Abstract

The present invention relates to a cathode current collector for a solid oxide fuel cell in a core-shell structure comprising: a core unit made of a metal mesh; and a shell unit provided on a surface of the core unit and containing platinum or gold. The present invention also relates to a manufacturing method thereof. According to the present invention, it is possible to prevent the performance degradation of batteries due to contamination of a cathode surface.

Description

고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이의 제조 방법 {AIR ELECTRODE CURRENT COLLECTOR FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Air cathode current collector for solid oxide fuel cell and its manufacturing method {AIR ELECTRODE CURRENT COLLECTOR FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 출원은 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present application relates to an anode current collector for a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same.

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.Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of these alternative energies, fuel cells are particularly attracting attention due to advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel used.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electrical energy, and hydrocarbons such as hydrogen, methanol, and butane are used as fuel, and oxygen is used as an oxidant.

연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel And SOFCs.

일반적으로 SOFC는 대전력을 발생시키기 위해 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(캐소드) 및 연료극(애노드)으로 이루어진 단위 전지(cell)을 여러 개 쌓아 놓은 형태인 스택 구조를 가진다. 상기 단위 전지를 스택 구조로 결합하기 위해 분리판이 사용되고, 집전 기능을 향상시키기 위해 상기 단위 전지와 분리판 사이에 집전체가 삽입된다. 집전체는 실질적인 발전이 일어나는 셀에서 생성된 전기를 모아 다음 단계로 전해주는 역할을 한다.In general, SOFC has a stack structure in which a plurality of unit cells (electrodes) and an anode (cathode) and an anode (anode) located on both sides of the electrolyte are stacked to generate high power. A separator plate is used to combine the unit cells in a stack structure, and a current collector is inserted between the unit cell and the separator plate to improve the current collecting function. The current collector collects electricity generated from the cells that actually generate electricity and delivers it to the next stage.

집전체는 SOFC 성능과 관련된 주요 구성요소로, 집전체에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 오고 있다.The current collector is a major component related to SOFC performance, and research on the current collector has been continuously conducted.

한국 특허공개공보 제2012-0110787호Korea Patent Publication No. 2012-0110787

본 출원은 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.The present application is to provide a cathode current collector for a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same.

본 출원의 일 실시상태는,One embodiment of the present application,

금속 메쉬(mesh)로 이루어진 코어부; 및A core portion made of a metal mesh; And

상기 코어부 표면에 구비되며 백금(Pt) 또는 금(Au)을 포함하는 쉘부를 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조의 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체를 제공한다.Provided is a cathode current collector for a solid oxide fuel cell having a core-shell structure, which is provided on the surface of the core portion and includes a shell portion including platinum (Pt) or gold (Au).

또한, 본 출원의 일 실시상태는,In addition, an exemplary embodiment of the present application,

연료극;Anode;

상기 연료극 상에 구비된 전해질층;An electrolyte layer provided on the anode;

상기 전해질층 상에 구비된 공기극; 및An air electrode provided on the electrolyte layer; And

상기 공기극 상에 구비된 상기 공기극 집전체를 포함하는 고체 산화물 연료전지를 제공한다.It provides a solid oxide fuel cell including the cathode current collector provided on the cathode.

또한, 본 출원의 일 실시상태는,In addition, an exemplary embodiment of the present application,

금속 메쉬(mesh)로 이루어진 코어부 표면에 백금(Pt) 또는 금(Au)을 코팅하여 쉘부를 형성하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조 방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing a cathode current collector for a solid oxide fuel cell comprising the step of forming a shell portion by coating platinum (Pt) or gold (Au) on the surface of the core portion made of a metal mesh.

본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체는 코어-쉘 구조를 도입함으로써 금속 메쉬의 승화를 막아 공기극 표면의 오염으로 인한 전지의 성능 저하 현상을 방지하는 효과가 있다.The cathode current collector for a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application has an effect of preventing sublimation of a metal mesh by introducing a core-shell structure, thereby preventing the performance degradation of the battery due to contamination of the cathode surface.

도 1은 본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체를 나타낸 도이다.
도 2은 본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지의 구조를 나타낸 도이다.
도 3은 공기극 표면에 은이 석출된 모습을 촬영한 도이다.
도 4는 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 도이다.
1 is a view showing a cathode current collector for a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application.
2 is a view showing the structure of a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application.
3 is a view of the appearance of silver deposited on the surface of the cathode.
4 is a diagram schematically showing the principle of electricity generation in a solid oxide fuel cell.

이하, 본 출원의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 출원의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 출원의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 출원의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 출원을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present application will be described. However, the embodiments of the present application may be modified in various other forms, and the scope of the present application is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present application are provided to more fully describe the present application to those skilled in the art.

본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.When a member is referred to as being “on” another member in the present specification, this includes not only the case where one member abuts another member, but also another member between the two members.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part “includes” a certain component, this means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

공기극 집전체의 재료로 사용되는 금속 메쉬에서 금속 이온이 확산되면 이는 메쉬 내 금속 조성의 변화를 야기하여 집전층 자체의 내구성을 저하시킬 뿐만 아니라, 상기 금속 이온의 환원 반응에 의해 금속이 석출되어 기체의 흐름을 방해할 수 있다. 예컨대, 집전체로 Ag mesh를 도입한 경우, Ag mesh로부터 확산된 Ag는 산화은(Ag oxide)으로 안정화하려는 성질을 가지므로, 주변에서 전자의 퍼텐셜이 증가하면 Ag+ 이온이 전자와 만나 도 3과 같이 공기극 표면에 은이 석출되어 기체의 흐름을 방해할 수 있다(Ag++2e-→Ag). When metal ions are diffused in the metal mesh used as the material of the cathode current collector, this causes a change in the metal composition in the mesh, which decreases the durability of the current collecting layer itself, and also precipitates the metal by the reduction reaction of the metal ions. It can interfere with the flow. For example, when Ag mesh is introduced into the current collector, Ag diffused from the Ag mesh has a property of stabilizing with Ag oxide, so when the potential of electrons increases in the vicinity, Ag + ions meet with the electrons and are shown in FIG. 3. as the silver is precipitated on the cathode surface it can interfere with the flow of gas (Ag + + 2e - → Ag ).

이에 본 발명의 발명자들은 도 1과 같이 금속 메쉬를 코어부(500)로 하고, 상기 코어부의 모든 면에 백금(Pt) 또는 금(Au)을 코팅함으로써 쉘부(501)를 형성하여 코어-쉘 구조의 공기극 집전체를 제조함으로써, 금속 메쉬로부터 금속이 승화되는 문제점을 해결하였다. Accordingly, the inventors of the present invention use a metal mesh as the core portion 500 as shown in FIG. 1, and form a shell portion 501 by coating platinum (Pt) or gold (Au) on all surfaces of the core portion to form a core-shell structure. The problem of sublimation of metal from a metal mesh was solved by preparing a cathode current collector.

본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체는 금속 메쉬(mesh)로 이루어진 코어부; 및 상기 코어부 표면에 구비되며 백금(Pt) 또는 금(Au)을 포함하는 쉘부를 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조이다. 공기극 집전체가 코어-쉘 구조일 경우, 공기극 집전체를 구성하는 모든 면에 코팅층이 형성되므로, 코팅층이 한 층만 형성되는 경우에 비해 금속 메쉬의 승화를 완벽하게 방지하는 장점이 있다.The cathode current collector for a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application includes a core portion formed of a metal mesh; And a shell portion provided on the surface of the core portion and including a shell portion including platinum (Pt) or gold (Au). When the cathode current collector has a core-shell structure, since a coating layer is formed on all surfaces constituting the cathode current collector, there is an advantage of completely preventing sublimation of the metal mesh compared to when only one layer is formed.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 메쉬란 금속 와이어가 서로 교차하며 격자 형태로 형성된 것을 의미하며, 상기 금속 와이어의 선경(Wire Diameter) 및 선고(Wire height)는 0.1mm 내지 0.2mm인 것이 바람직하다. 상기 격자는 인치제곱 당 50개 내지 70개 포함된다.In one embodiment of the present application, the mesh means that the metal wires cross each other and are formed in a lattice form, and the wire diameter and wire height of the metal wire are preferably 0.1 mm to 0.2 mm. . The grid includes 50 to 70 per square inch.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속 메쉬는 은 메쉬(Ag mesh)일 수 있으며, 은 메쉬는 집전체로 사용되는 다른 금속 메쉬에 비하여 저렴하면서도 전도도가 높다는 장점이 있다. In an exemplary embodiment of the present application, the metal mesh may be an Ag mesh, and the silver mesh has an advantage of being low cost and high conductivity compared to other metal meshes used as current collectors.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 쉘부는 백금(Pt) 또는 금(Au)을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 백금(Pt)을 포함할 수 있다. 백금은 다른 금속에 비해 고온에서 안정적이며 높은 전도도를 갖기 때문에 쉘부를 형성하는 금속으로 적합하다.In an exemplary embodiment of the present application, the shell portion may include platinum (Pt) or gold (Au), and preferably may include platinum (Pt). Platinum is suitable as a metal forming a shell because it is stable at high temperatures and has high conductivity compared to other metals.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 코어부의 두께는 두께는 100㎛ 내지 500㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는 200㎛ 내지 300㎛ 일 수 있다. 코어부의 두께란, 도 1 및 도 2에서 T1으로 표시된 부분의 길이를 의미한다.In an exemplary embodiment of the present application, the thickness of the core portion may be 100 μm to 500 μm, and preferably 200 μm to 300 μm. The thickness of the core portion means the length of the portion indicated by T1 in FIGS. 1 and 2.

코어부의 두께가 100㎛ 미만일 경우, 공기극과의 접합에 어려움이 있을 수 있으며, 500㎛을 초과할 경우, 공기극에 압력이 강하게 작용하는 문제점이 있다.When the thickness of the core portion is less than 100 μm, it may be difficult to bond with the air electrode, and when it exceeds 500 μm, there is a problem that pressure is strongly applied to the air electrode.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 쉘부의 두께는 두께는 10nm 내지 100nm 일 수 있으며, 바람직하게는 20nm 내지 30nm일 수 있다. 쉘부의 두께란, 도 1 및 도 2에서 T2로 표시된 부분의 길이를 의미한다.In one embodiment of the present application, the thickness of the shell portion may be 10 nm to 100 nm, preferably 20 nm to 30 nm. The thickness of the shell portion means the length of the portion indicated by T2 in FIGS. 1 and 2.

쉘부의 두께가 10nm 미만일 경우, 은이 확산될 여지가 있으며, 100nm를 초과할 경우, 은 메쉬의 집전 역할을 제한하는 문제점이 있다.When the thickness of the shell portion is less than 10 nm, there is room for silver to diffuse, and when it exceeds 100 nm, there is a problem of limiting the current collecting role of the silver mesh.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 공기극 집전체의 두께(T3)는 코어부의 두께(T1)와 코어부 상하에 형성된 쉘부 각각의 두께(T2)를 더한 값을 의미한다.In an exemplary embodiment of the present application, the thickness T3 of the cathode current collector means a value obtained by adding the thickness T1 of the core portion and the thickness T2 of each of the shell portions formed above and below the core portion.

본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 연료극; 상기 연료극 상에 구비된 전해질층; 상기 전해질층 상에 구비된 공기극; 및 상기 공기극 상에 구비된 전술한 공기극 집전체를 포함한다.A solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application includes a fuel electrode; An electrolyte layer provided on the anode; An air electrode provided on the electrolyte layer; And the above-described cathode current collector provided on the cathode.

도 2는 본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지를 도시한 도이다. 전해질층(300)의 한 면에는 연료극(200)이, 다른 한 면에는 공기극(400)이 구비되며, 상기 연료극(200)의 전해질층(300)이 형성된 면의 반대면에는 연료극 집전체(100)가, 상기 공기극(400)의 전해질층(300)이 형성된 면의 반대면에는 코어부(500) 및 쉘부(501)를 포함하는 공기극 집전체가 구비될 수 있다. 도 2는 고체 산화물 연료전지의 일 예를 나타낸 것이며, 필요에 따라 도 2에 도시한 구성의 일부만 포함하거나, 추가의 구성을 더 포함할 수도 있다.2 is a view showing a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application. An anode 200 is provided on one side of the electrolyte layer 300, and an anode 400 is provided on the other side, and an anode current collector 100 is provided on the opposite side of the surface of the anode 200 on which the electrolyte layer 300 is formed. ), A cathode current collector including a core part 500 and a shell part 501 may be provided on the opposite side of the surface of the cathode 400 on which the electrolyte layer 300 is formed. FIG. 2 shows an example of a solid oxide fuel cell, and if necessary, may include only a part of the configuration shown in FIG. 2, or may further include an additional configuration.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극의 두께는 20㎛ 내지 100㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는 20㎛ 내지 50㎛ 일 수 있다. In one embodiment of the present application, the thickness of the air electrode may be 20 μm to 100 μm, and preferably 20 μm to 50 μm.

공기극의 두께가 20㎛ 미만일 경우, 산소를 환원시키는 활성점이 부족한 단점이 있으며, 100㎛을 초과할 경우, 환원된 산소 이온의 이동 거리가 증가하는 문제점이 있다.When the thickness of the cathode is less than 20 μm, there is a shortcoming of lack of an active point for reducing oxygen.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극은 산소이온 전도성을 갖는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 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 코발트 산화물(Lanthanum strontium cobalt 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), 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.In one embodiment of the present application, the cathode may include an inorganic material having oxygen ion conductivity. The inorganic material is yttria stabilized zirconium oxide (zirconia) (YSZ: (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 to 0.15), scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ: (Sc 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 ~ 0.15), samarium dope ceria (SDC: (Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 ~ 0.4), gadolinium Dope ceria (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 to 0.4), Lanthanum strontium manganese oxide (LSM), Lanthanum strontium cobalt ferrite (Lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), Lanthanum strontium nickel ferrite (LSNF), Lanthanum calcium nickel ferrite (LCNF), Lanthanum strontium cobalt oxide (LSC) gadolinium strontium cobaltium oxide (GSC) strontium cobalt oxide (GSC), Lanthanum strontium ferrite (LSF), Samarium strontium cobalt acid It may include at least one of cargo (Samarium strontium cobalt oxide: SSC), Barium Strontium cobalt ferrite (BSCF), and Lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM).

상기 공기극은 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(Lanthanum strontium cobalt oxide: LSC) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite: BSCF) 중 적어도 하나를 포함하고, 전해질층의 금속 산화물과 동일한 무기물을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층이 세리아계 금속 산화물을 포함하는 경우, 상기 공기극은 세리아계 금속 산화물을 더 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 전해질층이 가돌리늄 도프 세리아를 포함하는 경우, 상기 공기극은 가돌리늄 도프 세리아를 더 포함할 수 있다.The cathode comprises at least one of Lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), Lanthanum strontium cobalt oxide (LSC) and Barium Strontium cobalt ferrite (BSCF), electrolyte layer It may further include the same inorganic material as the metal oxide. Specifically, when the electrolyte layer includes a ceria-based metal oxide, the cathode may further include a ceria-based metal oxide. More specifically, when the electrolyte layer includes gadolinium-doped ceria, the cathode may further include gadolinium-doped ceria.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극은 란탄 스트론튬 코발트 산화물을 포함한다.In one embodiment of the present application, the cathode includes lanthanum strontium cobalt oxide.

상기 공기극의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 공기극용 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 공기극용 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 공기극용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 공기극용 그린시트 단독 또는 이웃한 이종층의 그린시트와 함께 소성하여 공기극을 제조할 수 있다. The manufacturing method of the cathode is not particularly limited, for example, coating and drying and calcining the slurry for the cathode, or coating and drying the slurry for the cathode on a separate release paper to prepare a green sheet for the cathode, one or more An air cathode green sheet can be produced by firing alone or with a neighboring heterogeneous green sheet.

상기 공기극용 슬러리는 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 공기극용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The cathode slurry includes inorganic particles having oxygen ion conductivity, and if necessary, the cathode slurry may further include at least one of a binder resin, a plasticizer, a dispersant, and a solvent. The binder resin, plasticizer, dispersant and solvent are not particularly limited, and conventional materials known in the art may be used.

상기 공기극용 그린시트의 두께는 10 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하일 수 있다.The thickness of the green sheet for the cathode may be 10 μm or more and 100 μm or less.

상기 공기극용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량이 40중량% 이상 70중량% 이하이며, 용매의 함량이 10중량% 이상 30중량% 이하이고, 분산제의 함량이 5중량% 이상 10중량% 이하이고, 가소제의 함량이 0.5중량% 이상 3중량% 이하이고, 바인더가 10중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.Based on the total weight of the slurry for the cathode, the content of the inorganic particles having oxygen ion conductivity is 40% by weight or more and 70% by weight or less, the content of the solvent is 10% by weight or more and 30% by weight or less, and the content of the dispersant is 5% by weight or more and 10% by weight or less, the content of the plasticizer is 0.5% by weight or more and 3% by weight or less, and the binder may be 10% by weight or more and 30% by weight or less.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료극은 산소이온 전도성을 갖는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 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.In one embodiment of the present application, the anode may include an inorganic material having oxygen ion conductivity. The inorganic material is yttria stabilized zirconium oxide (zirconia) (YSZ: (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 to 0.15), scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ: (Sc 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 ~ 0.15), samarium dope ceria (SDC: (Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 ~ 0.4) and gadolinium Dope ceria (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 ~ 0.4).

상기 연료극의 두께는 10㎛ 내지 1,000㎛ 일 수 있다. 구체적으로, 상기 연료극의 두께는 100㎛ 내지 800㎛ 일 수 있다.The thickness of the anode may be 10 μm to 1,000 μm. Specifically, the thickness of the anode may be 100 μm to 800 μm.

상기 연료극의 기공율은 10% 내지 50% 일 수 있다. 구체적으로, 상기 연료극의 기공율은 10% 내지 30% 일 수 있다.The porosity of the anode may be 10% to 50%. Specifically, the porosity of the anode may be 10% to 30%.

상기 연료극의 기공의 직경은 0.1㎛ 내지 10㎛ 일 수 있다. 구체적으로, 상기 연료극의 기공의 직경은 0.5㎛ 내지 5㎛ 일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 연료극의 기공의 직경은 0.5㎛ 내지 2㎛ 일 수 있다.The pore diameter of the anode may be 0.1 μm to 10 μm. Specifically, the pore diameter of the anode may be 0.5 μm to 5 μm. More specifically, the pore diameter of the anode may be 0.5 μm to 2 μm.

상기 연료극의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 연료극용 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 연료극 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 연료극용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 연료극용 그린시트 단독 또는 이웃한 층의 그린시트와 함께 소성하여 연료극을 제조할 수 있다.The manufacturing method of the anode is not particularly limited, for example, coating and drying and firing the slurry for the anode, or coating and drying the anode slurry on a separate release paper to prepare a green sheet for the anode, and at least one anode For the green sheet alone or by firing with a green sheet of an adjacent layer, an anode can be produced.

상기 연료극용 그린시트의 두께는 10㎛ 내지 500㎛ 일 수 있다.The thickness of the green sheet for the anode may be 10 μm to 500 μm.

상기 연료극용 슬러리는 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 연료극용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The anode slurry includes inorganic particles having oxygen ion conductivity, and if necessary, the anode slurry may further include at least one of a binder resin, a plasticizer, a dispersant, and a solvent, and the binder resin, a plasticizer, a dispersant, and The solvent is not particularly limited, and conventional materials known in the art may be used.

상기 연료극용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%이며, 용매의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%이고, 분산제의 함량이 5 중량% 내지 10 중량%이고, 가소제의 함량이 0.5 중량% 내지 3 중량%이고, 바인더의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%일 수 있다.Based on the total weight of the slurry for the anode, the content of the inorganic particles having oxygen ion conductivity is 10% by weight to 30% by weight, the content of the solvent is 10% by weight to 30% by weight, and the content of the dispersant is 5% by weight % To 10% by weight, the content of the plasticizer is 0.5% to 3% by weight, the content of the binder may be 10% to 30% by weight.

상기 연료극용 슬러리는 NiO를 더 포함할 수 있다. 상기 연료극용 슬러리의 총중량을 기준으로, 상기 NiO의 함량은 10 중량% 내지 30 중량%일 수 있다.The anode slurry may further include NiO. Based on the total weight of the slurry for the anode, the content of NiO may be 10% to 30% by weight.

상기 연료극은 별도의 다공성 세라믹 지지체 또는 다공성 금속 지지체 상에 구비되거나, 연료극 지지체와 연료극 기능층을 포함할 수 있다. 이 때, 연료극 지지체는 연료극 기능층과 동일한 무기물을 포함하되 연료극 기능층보다 기공율이 높고 상대적으로 두께가 두꺼워 다른 층을 지지하는 층이며, 상기 연료극 기능층은 상기 연료극 지지체와 전해질층 사이에 구비되어 실제 연료극으로서의 주된 역할을 주행하는 층일 수 있다.The anode may be provided on a separate porous ceramic support or a porous metal support, or may include an anode support and an anode functional layer. At this time, the anode support is a layer containing the same inorganic material as the anode functional layer, but having a higher porosity and relatively thicker thickness than the anode functional layer, and supporting the other layer. The anode functional layer is provided between the anode support and the electrolyte layer. It may be a layer that plays a major role as an actual anode.

상기 연료극이 다공성 세라믹 지지체 또는 다공성 금속 지지체 상에 구비되는 경우, 제조된 연료극용 그린시트를 소성된 다공성 세라믹 지지체 또는 다공성 금속 지지체 상에 라미네이트한 후 이를 소성하여 연료극을 제조할 수 있다.When the anode is provided on the porous ceramic support or the porous metal support, the green sheet for the prepared anode can be laminated on the fired porous ceramic support or the porous metal support and fired to produce the anode.

상기 연료극이 연료극 지지체와 연료극 기능층을 포함하는 경우, 제조된 연료극 기능층용 그린시트를 소성된 연료극 지지체 상에 라미네이트한 후 이를 소성하여 연료극을 제조할 수 있다.When the anode includes an anode support and an anode functional layer, a green sheet for the prepared anode functional layer can be laminated on the calcined anode support and fired to produce an anode.

상기 연료극이 연료극 지지체와 연료극 기능층을 포함하는 경우, 상기 연료극 지지체의 두께는 350㎛ 내지 1,000㎛ 일 수 있으며, 연료극 기능층의 두께는 5㎛ 내지 50㎛ 일 수 있다.When the anode includes an anode support and an anode functional layer, the thickness of the anode support may be 350 μm to 1,000 μm, and the thickness of the anode functional layer may be 5 μm to 50 μm.

상기 전해질층은 산소 이온 전도성 무기물을 포함할 수 있으며, 산소 이온 전도성을 가진다면 특별히 한정하지 않는다. 구체적으로, 상기 전해질층의 산소 이온 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 산소 이온 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.The electrolyte layer may include an oxygen ion conductive inorganic material, and is not particularly limited as long as it has oxygen ion conductivity. Specifically, the oxygen ion conductive inorganic material of the electrolyte layer may include a composite metal oxide containing at least one selected from the group consisting of zirconium oxide, cerium oxide, lanthanum oxide, titanium oxide, and bismuth oxide based materials. You can. More specifically, the oxygen ion conductive inorganic material of the electrolyte layer is yttria stabilized zirconium oxide (YSZ: (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 to 0.15), Scandia Stabilized zirconium oxide (ScSZ: (Sc 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 ~ 0.15), samarium dope ceria (SDC: (Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1- x, x = 0.02 to 0.4) and gadolinium dope ceria (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x, x = 0.02 to 0.4).

상기 전해질층의 두께는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층의 두께는 20㎛ 내지 50㎛일 수 있다.The thickness of the electrolyte layer may be 10㎛ to 100㎛. Specifically, the thickness of the electrolyte layer may be 20㎛ to 50㎛.

상기 전해질층의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 전해질층용 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 전해질층용 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 전해질층용 그린시트를 제조하고, 전해질층용 그린시트 단독 또는 이웃한 층의 그린시트와 함께 소성되어 전해질층을 제조할 수 있다.The manufacturing method of the electrolyte layer is not particularly limited, for example, coating the slurry for the electrolyte layer to dry and calcining it, or coating and drying the slurry for the electrolyte layer on a separate release paper to prepare a green sheet for the electrolyte layer, and the electrolyte The green sheet for a layer can be calcined either alone or together with a green sheet of neighboring layers to produce an electrolyte layer.

상기 전해질층용 그린시트의 두께는 10㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다.The thickness of the green sheet for the electrolyte layer may be 10 μm to 100 μm.

상기 전해질층용 슬러리는 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 전해질층용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The slurry for the electrolyte layer includes inorganic particles having oxygen ion conductivity, and if necessary, the slurry for the electrolyte layer may further include at least one of a binder resin, a plasticizer, a dispersant, and a solvent, and the binder resin, a plasticizer, a dispersant, and The solvent is not particularly limited, and conventional materials known in the art may be used.

상기 전해질층용 슬러리의 총중량을 기준으로, 상기 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량은 40 중량% 내지 70 중량%일 수 있다.Based on the total weight of the slurry for the electrolyte layer, the content of the inorganic particles having oxygen ion conductivity may be 40% to 70% by weight.

상기 전해질층용 슬러리의 총중량을 기준으로, 용매의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%이고, 분산제의 함량이 5 중량% 내지 10 중량%이고, 가소제의 함량이 0.5 중량% 내지 3 중량%이고, 바인더의 함량이 10 중량% 내지 30 중량% 일 수 있다.Based on the total weight of the slurry for the electrolyte layer, the content of the solvent is 10% to 30% by weight, the content of the dispersant is 5% to 10% by weight, the content of the plasticizer is 0.5% to 3% by weight, and the binder The content of may be 10% by weight to 30% by weight.

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.In the present specification, the green sheet refers to a film in the form of a film that can be processed in the next step, not a complete final product. In other words, the green sheet is coated with a coating composition containing inorganic particles and a solvent and dried in a sheet form, and the green sheet refers to a sheet in a semi-dry state that can maintain a sheet form while containing a little solvent.

상기 연료전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.The shape of the fuel cell is not limited, and may be, for example, coin, flat, cylindrical, horn, button, sheet or stacked.

도 4는 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 고체 산화물형 연료전지는 전해질(Electrolyte)층과 이 전해질층의 양면에 형성되는 연료극(Anode) 및 공기극(Cathode)으로 구성된다. 도 4를 참조하면, 공기극에서 공기가 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질층을 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.FIG. 4 schematically shows the electricity generation principle of a solid oxide fuel cell, and the solid oxide fuel cell is composed of an electrolyte layer and an anode and a cathode formed on both sides of the electrolyte layer. do. Referring to FIG. 4, while air is electrochemically reduced at the cathode, oxygen ions are generated and the generated oxygen ions are transferred to the anode through the electrolyte layer. At the anode, fuel such as hydrogen, methanol, butane, etc. is injected, and the fuel is combined with oxygen ions to electrochemically oxidize and release electrons to generate water. The reaction causes electron movement to occur in the external circuit.

본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조 방법은 금속 메쉬(mesh)로 이루어진 코어부 표면에 백금(Pt) 또는 금(Au)을 코팅하여 쉘부를 형성하는 단계를 포함한다. 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조 방법의 각 구성은 전술한 공기극 집전체에 대한 설명을 인용할 수 있다.A method of manufacturing an anode current collector for a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application includes forming a shell portion by coating platinum (Pt) or gold (Au) on a surface of a core portion formed of a metal mesh. . Each configuration of the method for manufacturing a cathode current collector for a solid oxide fuel cell may cite the description of the cathode current collector described above.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 코팅은 스퍼터링(sputtering)법, 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)법, 전기증착(electrodeposition)법 또는 물리적 기상 증착(Physical vapor deposition, PVD)법으로 수행될 수 있으며, 바람직하게는 스퍼터링법으로 수행될 수 있다. 스퍼터링법은 다른 코팅법에 비해 대면적에서도 균일한 코팅이 가능한 장점이 있으며, 상온 조건에서 수행될 수 있다. In one embodiment of the present application, the coating is performed by a sputtering method, an atomic layer deposition (ALD) method, an electrodeposition method, or a physical vapor deposition (PVD) method It can be, preferably can be performed by sputtering. The sputtering method has the advantage of being capable of uniform coating even in a large area compared to other coating methods, and can be performed at room temperature.

본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 코팅 두께는 10nm 내지 100nm 일 수 있으며, 바람직하게는 20nm 내지 30nm일 수 있다. 코팅 두께란 백금(Pt) 또는 금(Au)의 증착된 두께를 의미한다.In one embodiment of the present application, the coating thickness may be 10nm to 100nm, preferably 20nm to 30nm. The coating thickness means the deposited thickness of platinum (Pt) or gold (Au).

Claims (9)

금속 메쉬(mesh)로 이루어진 코어부; 및
상기 코어부 표면에 구비되며 백금(Pt) 또는 금(Au)을 포함하는 쉘부를 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조의 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체.
A core portion made of a metal mesh; And
An anode current collector for a solid oxide fuel cell having a core-shell structure, which is provided on the surface of the core portion and includes a shell portion including platinum (Pt) or gold (Au).
청구항 1에 있어서,
상기 금속 메쉬는 은 메쉬(Ag mesh)인 것인 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체.
The method according to claim 1,
The metal mesh is a cathode current collector for a solid oxide fuel cell that is a silver mesh (Ag mesh).
청구항 1에 있어서,
상기 코어부의 두께는 100㎛ 내지 500㎛인 것인 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체.
The method according to claim 1,
The core portion has a thickness of 100 µm to 500 µm, the cathode current collector for a solid oxide fuel cell.
청구항 1에 있어서,
상기 쉘부의 두께는 10nm 내지 100nm인 것인 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체.
The method according to claim 1,
The thickness of the shell portion is 10nm to 100nm cathode current collector for a solid oxide fuel cell.
연료극;
상기 연료극 상에 구비된 전해질층;
상기 전해질층 상에 구비된 공기극; 및
상기 공기극 상에 구비된 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 따르는 공기극 집전체를 포함하는 고체 산화물 연료전지.
Anode;
An electrolyte layer provided on the anode;
An air electrode provided on the electrolyte layer; And
A solid oxide fuel cell comprising the cathode current collector according to any one of claims 1 to 4 provided on the cathode.
금속 메쉬(mesh)로 이루어진 코어부 표면에 백금(Pt) 또는 금(Au)을 코팅하여 쉘부를 형성하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조 방법.A method of manufacturing a cathode current collector for a solid oxide fuel cell, comprising coating a surface of a core made of a metal mesh with platinum (Pt) or gold (Au) to form a shell. 청구항 6에 있어서,
상기 코팅은 스퍼터링(sputtering)법, 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)법, 전기증착(electrodeposition)법 또는 물리적 기상 증착(Physical vapor deposition, PVD)법으로 수행되는 것인 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조 방법.
The method according to claim 6,
The coating is performed by sputtering (sputtering), atomic layer deposition (atomic layer deposition, ALD), electrodeposition (electrodeposition), or physical vapor deposition (Physical vapor deposition, PVD). The whole manufacturing method.
청구항 6에 있어서,
상기 금속 메쉬는 은 메쉬(Ag mesh)인 것인 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조 방법.
The method according to claim 6,
The metal mesh is a method of manufacturing a cathode current collector for a solid oxide fuel cell that is a silver mesh (Ag mesh).
청구항 6에 있어서,
상기 코팅 두께는 10nm 내지 100nm인 것인 고체 산화물 연료전지용 공기극 집전체의 제조 방법.
The method according to claim 6,
The coating thickness is 10nm to 100nm method of manufacturing a cathode current collector for a solid oxide fuel cell.
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