KR20200036271A - Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 출원은 고체 산화물 연료전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present application relates to a solid oxide fuel cell and its manufacturing method.
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 연결재(Interconnect)가 사용되고, 집전 기능을 향상시키기 위해 상기 단위 전지와 연결재 사이에 집전층이 삽입된다. 집전층은 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. In order to combine the unit cells in a stack structure, an interconnect is used, and a current collector layer is inserted between the unit cells and the connection materials to improve the current collecting function. The current collecting layer serves to collect electricity generated in the cell where actual power generation occurs and to pass it to the next step.
집전층은 SOFC 성능과 관련된 주요 구성요소로, 집전층에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 오고 있으며, 공기극 집전층의 재료로 주로 사용되는 금속 메쉬의 경우 가격이 높아 이를 절감하기 위한 제조 방법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.The current collecting layer is a major component related to SOFC performance, and research on the current collecting layer has been continuously conducted, and in the case of a metal mesh mainly used as a material for the air current collector layer, the price is high, and the development of a manufacturing method to reduce it is high. This is a demand.
본 출원은 고체 산화물 연료전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.This application intends to provide a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same.
본 출원의 일 실시상태는,One embodiment of the present application,
공기극; Air cathode;
연료극; Anode;
상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층; 및An electrolyte layer provided between the air electrode and the fuel electrode; And
상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 형성된 금속 메쉬(mesh) 소재의 집전층을 포함하며,It includes a current collector layer of a metal mesh material formed on the opposite surface of the air electrode in contact with the electrolyte layer,
상기 집전층은 상기 공기극의 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 형성된 것인 고체 산화물 연료전지를 제공한다.The current collector layer provides a solid oxide fuel cell that is formed only in a partial region including a region in contact with a gas inlet of the cathode.
또한, 본 출원의 다른 실시상태는,In addition, another embodiment of the present application,
연료극, 전해질층 및 공기극의 적층체를 형성하는 단계; 및Forming a stack of a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode; And
상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 금속 메쉬(mesh)를 부착하여 집전층을 형성하는 단계Forming a current collecting layer by attaching a metal mesh to only a portion of the air electrode, on a surface opposite to the surface in contact with the electrolyte layer, including a region in contact with a gas inlet.
를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조 방법을 제공한다.It provides a method for producing a solid oxide fuel cell comprising a.
본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 기체 배출부 주변에서 금속 이온이 환원되어 석출되면서 기체 흐름을 방해하는 현상을 방지하는 효과가 있다.In the solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application, metal ions are reduced and precipitated around the gas discharge portion to prevent the gas flow from being blocked.
또한, 집전층 형성 시 고가의 금속 메쉬를 부분적으로 적용하기 때문에 제조 비용이 절감되는 효과가 있다.In addition, since the expensive metal mesh is partially applied when forming the current collector layer, manufacturing cost is reduced.
도 1은 비교예 및 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2은 비교예의 연료전지를 3,000시간 동안 운전 후 공기극과 전해질층의 계면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 도이다.
도 3은 실시예의 연료전지를 3,000시간 동안 운전 후 공기극과 전해질층의 계면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시상태에 따라 집전층이 형성되는 영역을 예시한 도이다.
도 5는 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시상태에 따라 은 메쉬를 재단한 모습을 촬영한 도이다.1 is a view schematically showing a structure of a solid oxide fuel cell according to Comparative Examples and Examples.
2 is a view illustrating the interface between the cathode and the electrolyte layer using a scanning electron microscope (SEM) after operating the fuel cell of the comparative example for 3,000 hours.
3 is a view illustrating the interface between the cathode and the electrolyte layer by a scanning electron microscope (SEM) after operating the fuel cell of the embodiment for 3,000 hours.
4 is a diagram illustrating a region in which a current collector layer is formed according to an exemplary embodiment of the present application.
5 is a view schematically showing the principle of electricity generation of a solid oxide fuel cell.
FIG. 6 is a view showing a state in which a silver mesh is cut according to an exemplary embodiment of the present application.
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 집전층의 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, 도 1과 같이 집전층으로 Ag mesh를 도입한 경우를 살펴보면, Ag mesh로부터 확산된 Ag는 산화은(Ag oxide)으로 안정화하려는 성질을 가지므로, 공기가 주입되는 기체 유입부(Gas inlet)에서는 산소와 결합된 상태로 존재하게 된다. 그러나 기체 배출부(Gas outlet) 주변에서 전자의 퍼텐셜이 증가하면 Ag+ 이온이 전자와 만나 기체 배출부 외부에 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 layer, this causes a change in the metal composition in the mesh, which not only lowers the durability of the current collector layer itself, but also precipitates metal by the reduction reaction of the metal ions. It can interfere with the flow. For example, looking at the case where the Ag mesh is introduced into the current collector layer as shown in FIG. 1, Ag diffused from the Ag mesh has a property of stabilizing with Ag oxide, so in the gas inlet where air is injected It will exist in a state of being bound with oxygen. However, the gas discharge portion (Gas outlet) when the potential of the electron around the Ag + ions are increased to meet the electronic silver deposited on the outer casing emissions can interfere with the flow of gas (Ag + + 2e - → Ag ).
이에 본 발명의 발명자들은 도 1의 우측 그림과 같이 Ag mesh를 기체 배출부 부근에는 형성하지 않음으로써, 은이 석출되는 문제점을 해결하였을 뿐만 아니라, 금속 메쉬의 사용량을 줄임으로써 공정 비용을 절감하였다.Accordingly, the inventors of the present invention have solved the problem of silver precipitation by not forming an Ag mesh in the vicinity of the gas outlet as shown in the right figure of FIG. 1, and also reduced the process cost by reducing the amount of metal mesh used.
본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 공기극; 연료극; 상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층; 및 상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 형성된 금속 메쉬(mesh) 소재의 집전층을 포함하며, 상기 집전층은 상기 공기극의 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 형성된다. 즉, 상기 공기극 상에 집전층 형성 영역과 집전층 미형성 영역이 존재한다.A solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application includes an anode; Anode; An electrolyte layer provided between the air electrode and the fuel electrode; And a current collector layer formed of a metal mesh material formed on an opposite surface of the air electrode in contact with the electrolyte layer, and the current collector layer includes a region in contact with a gas inlet of the air electrode. It is only formed. That is, a current collecting layer forming region and a current collecting layer non-forming region exist on the air electrode.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 일부는 공기극 총 면적의 10% 내지 80%, 바람직하게는 30% 내지 50%을 의미한다. 집전층이 공기극 총 면적의 10% 미만의 면적으로 형성될 경우, 접촉 면적의 절대 감소로 인해 전자 퍼텐셜 분포가 불균등하게 되어 전극 성능에 악영향을 미칠 수 있으며, 80%를 초과하여 형성될 경우 은이 환원되어 석출되는 현상을 방지하는 본 발명의 효과가 미미해지는 문제점이 있다.In one embodiment of the present application, the part means 10% to 80% of the total area of the cathode, preferably 30% to 50%. When the current collector layer is formed with an area of less than 10% of the total area of the cathode, the electron potential distribution becomes uneven due to the absolute decrease in the contact area, which can adversely affect electrode performance, and when it exceeds 80%, silver is reduced. There is a problem that the effect of the present invention to prevent the phenomenon of precipitation is negligible.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 집전층은 기체 배출부(Gas outlet)에 접하는 영역을 포함하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 4와 같이 공기극 전체 면적 중 기체 배출부를 비롯하여 외부와 접하는 영역에는 집전층이 모두 형성된 형태일 수 있다. 기체 배출부와 접하는 영역의 집전층을 모두 제거할 경우, 전자 퍼텐셜 분포에 악영향을 미칠 수 있다.In one embodiment of the present application, the current collecting layer may be formed to include a region contacting a gas outlet. Specifically, as shown in FIG. 4, the current collector layer may be formed in a region in contact with the outside, including the gas discharge portion of the entire area of the cathode. If all the current collecting layers in the region contacting the gas outlet are removed, the electron potential distribution may be adversely affected.
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 메쉬 소재의 집전층은 Ag mesh 또는 Pt mesh로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 Ag mesh로 이루어질 수 있다. Ag mesh는 다른 귀금속 메쉬에 비하여 가격이 저렴한 장점이 있다. In one embodiment of the present application, the current collecting layer of the metal mesh material may be made of Ag mesh or Pt mesh, and preferably made of Ag mesh. Ag mesh has the advantage of low cost compared to other precious metal meshes.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극의 두께는 10㎛ 내지 100㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는, 30㎛ 내지 70㎛, 더욱 바람직하게는 40㎛ 내지 50㎛ 일 수 있다.In one embodiment of the present application, the thickness of the cathode may be 10 μm to 100 μm, preferably 30 μm to 70 μm, and more preferably 40 μm to 50 μm.
공기극의 두께가 상기 범위에 포함될 경우, 반응 영역(reaction area)을 충분히 확보함과 동시에 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.When the thickness of the cathode is included in the above range, it is possible to sufficiently secure a reaction area and at the same time reduce the cost.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극의 기공률은 10% 내지 70%, 바람직하게는 20% 내지 50%, 더욱 바람직하게는 30% 내지 40% 일 수 있다.In one embodiment of the present application, the porosity of the cathode may be 10% to 70%, preferably 20% to 50%, more preferably 30% to 40%.
공기극의 기공률이 상기 범위에 포함될 경우, 과도한 치밀함으로 인해 가스 확산에 있어서 농도 분극이 증가하는 문제점을 방지할 수 있고, 적절한 내구성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.When the porosity of the cathode is included in the above range, it is possible to prevent the problem of increasing the concentration polarization in gas diffusion due to excessive density, and has the advantage of ensuring adequate durability.
상기 공기극의 기공의 직경은 1㎛ 내지 10㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는 3㎛ 내지 5㎛일 수 있다.The pore diameter of the cathode may be 1 μm to 10 μm, and preferably 3 μm to 5 μm.
공기극의 기공의 직경이 상기 범위에 포함될 경우, 가스 확산 저항을 줄이면서도 내구성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.When the diameter of the pores of the cathode is included in the above range, there is an advantage that durability can be secured while reducing gas diffusion resistance.
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, 전해질의 금속 산화물과 동일한 무기물을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질이 세리아계 금속 산화물을 포함하는 경우, 상기 공기극은 세리아계 금속 산화물을 더 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 전해질이 가돌리늄 도프 세리아(GDC)를 포함하는 경우, 상기 공기극은 가돌리늄 도프 세리아(GDC)를 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 It may further include the same inorganic material as the metal oxide. Specifically, when the electrolyte contains a ceria-based metal oxide, the cathode may further include a ceria-based metal oxide. More specifically, when the electrolyte includes gadolinium dope ceria (GDC), the cathode may further include gadolinium dope ceria (GDC).
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극은 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF), 가돌리늄 도프 세리아(GDC) 및 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC) 을 포함한다.In one embodiment of the present application, the cathode includes lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), gadolinium dope ceria (GDC), and lanthanum strontium cobalt oxide (LSC).
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 집전층의 두께는 100㎛ 내지 500㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는 300㎛ 내지 400㎛ 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In an exemplary embodiment of the present application, the thickness of the current collector layer may be 100 μm to 500 μm, and preferably 300 μm to 400 μm, but is not limited thereto.
집전층의 두께가 상기 범위에 포함될 때, 공기극에 충분히 밀착되는 효과가 있다.When the thickness of the current collector layer is included in the above range, there is an effect of sufficiently adhering to the air electrode.
도 5는 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 5를 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. 5 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. 5, as 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 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.
본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 연료극, 전해질층 및 공기극의 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 금속 메쉬(mesh)를 부착하여 집전층을 형성하는 단계; 및 상기 집전층 중 기체 배출부(Gas outlet)에 접한 일부 영역을 제거하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application includes forming a stack of an anode, an electrolyte layer, and an anode; And forming a current collecting layer by attaching a metal mesh to only a part of the area including a region in contact with a gas inlet on a surface opposite to the surface of the cathode that contacts the electrolyte layer; And removing a portion of the current collector layer in contact with a gas outlet.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 적층체를 형성하는 단계는 전술한 방법으로 제조된 연료극 및 전해질층을 라미네이션하고 상기 전해질층에 상기 공기극용 슬러리를 도포 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present application, the forming of the laminate may include laminating an anode and an electrolyte layer prepared by the above-described method, and applying and drying the slurry for the cathode to the electrolyte layer.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 상기 집전층을 형성하는 단계 이전에 상기 금속 메쉬를 집전층 총 면적의 10% 내지 80%, 바람직하게는 30% 내지 50%의 면적으로 재단 하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present application, the method for manufacturing the solid oxide fuel cell may use the metal mesh 10% to 80% of the total area of the current collector layer, preferably 30% to 50% before forming the current collector layer. It may further include the step of cutting the area.
상기 재단은 상기 금속 메쉬를 여러겹으로 쌓아놓고, 직사각형 틀을 가지는 절삭기기를 사용하여 도 4와 같이 잘라냄으로써 수행될 수 있다.The cutting may be performed by stacking the metal mesh in multiple layers and cutting it as shown in FIG. 4 using a cutting device having a rectangular frame.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 부착은 강력 접착제, 구체적으로는 시아노아크릴레이트계 접착제를 사용하여 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present application, the attachment may be performed using a strong adhesive, specifically a cyanoacrylate-based adhesive, but is not limited thereto.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 재단을 통해 일부 영역이 제거된 금속 메쉬는 먼저 연결재(interconnect)의 일부인 립(rib)에 부착된 다음 공기극 상에 부착될 수 있다.In one embodiment of the present application, the metal mesh from which some areas are removed through cutting may be first attached to a rib that is part of an interconnect, and then attached to a cathode.
본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 전술한 고체 산화물 연료전지의 각 구성에 대한 설명을 인용할 수 있다.The method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application may cite the description of each configuration of the above-described solid oxide fuel cell.
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail through examples. However, the following examples are only intended to illustrate the present specification and are not intended to limit the present specification.
<실시예 : SOFC의 제조><Example: Preparation of SOFC>
비교예.Comparative example.
측정에 사용된 고체산화물 연료전지는 연료극 지지체(ASL, Anode Support Layer), 연료극 기능층(AFL, Anode Functional Layer), 전해질층(EL, Electrolyte Layer) 및 공기극(CL, Cathode Layer)으로 제조했다.The solid oxide fuel cell used for the measurement was prepared with an anode support layer (ASL), an anode functional layer (AFL), an electrolyte layer (EL), and a cathode (CL, cathode layer).
ASL 슬러리(slurry)는 무기물로 YSZ, NiO 및 Carbon Black을 사용하고, 이때 YSZ와 NiO의 비율은 50:50vol%이고, 슬러리 전체 중량을 기준으로, carbon black이 10wt%로 구성된다.The ASL slurry uses YSZ, NiO, and Carbon Black as inorganic materials, wherein the ratio of YSZ and NiO is 50:50 vol%, and based on the total weight of the slurry, carbon black is composed of 10 wt%.
또한, 상기 ASL 슬러리는 분산제, 가소제, 바인더 수지를 용매와 함께, 슬러리 전체 중량을 기준으로, 용매 23wt%, 분산제 6wt%, 가소제 0.8wt% 및 바인더 19wt%으로 첨가했다. 상기 ASL 슬러리를 테이프 케스팅(Tape Casting)방식으로 두께가 100㎛ 내지 200㎛인 ASL 그린시트(Green Sheet)를 얻었다.In addition, the ASL slurry was added with a dispersant, a plasticizer, and a binder resin with a solvent, based on the total weight of the slurry, 23 wt% of a solvent, 6 wt% of a dispersant, 0.8 wt% of a plasticizer, and 19 wt% of a binder. The ASL slurry was tape-casted to obtain an ASL Green Sheet having a thickness of 100 μm to 200 μm.
AFL 슬러리는 ASL 슬러리와 유기물은 동일하나, YSZ와 NiO의 구성 비가 60:40vol%이고 carbon black이 포함되지 않은 것이며, 이를 사용하여 ASL보다 얇은 두께인 20㎛의 AFL 그린시트를 캐스팅했다.The AFL slurry was the same as the ASL slurry and the organic material, but the composition ratio of YSZ and NiO was 60:40 vol% and carbon black was not included, and 20 μm thick AFL green sheet thinner than ASL was cast using this.
EL 슬러리는 ASL 슬러리와 유기물은 동일하나, NiO 및 carbon black 없이 YSZ 및 GDC만으로 무기물을 구성한 것이며, 이를 사용하여 두께가 20㎛의 EL 그린시트를 캐스팅했다.The EL slurry is the same as the ASL slurry and the organic material, but is composed of inorganic materials only with YSZ and GDC without NiO and carbon black, and using this, an EL green sheet having a thickness of 20 µm was cast.
ASL 그린시트, AFL 그린시트 및 EL 그린시트를 순차적으로 라미네이션(Lamination)한 후 1,220℃ 내지 1,260℃에서 1차 소결, 1,330℃ 내지 1,370℃에서 2차 소결하여 Half Cell을 제조했다. 이때, 소결 후 ASL, AFL 및 EL의 두께는 각각 630㎛, 15㎛~25㎛ 및 5㎛~15㎛이었다.Half cells were prepared by sequentially laminating ASL green sheets, AFL green sheets, and EL green sheets, followed by primary sintering at 1,220 ° C to 1,260 ° C and secondary sintering at 1,330 ° C to 1,370 ° C. At this time, the thicknesses of the ASL, AFL, and EL after sintering were 630 μm, 15 μm to 25 μm, and 5 μm to 15 μm, respectively.
전체 조성물 총 중량을 기준으로, LG64(LSCF6428(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ):GDC(Ce0.9Gd0.1O2-δ)=60wt%:40wt%)를 60wt%, 바인더조성물인 ESL441를 40wt% 포함한 LG64 공기극 조성물을 3 롤 밀(Roll Mill)을 이용하여 패이스트(Paste) 형태로 LG64공기극 조성물을 제조하였다.Based on the total weight of the total composition, LG64 (LSCF6428 (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ ): GDC (Ce 0.9 Gd 0.1 O 2-δ ) = 60wt%: 40wt%) is 60wt%, binder composition LG64 air cathode composition containing 40 wt% phosphorus ESL441 was prepared in a paste form using a 3 roll mill to prepare an LG64 air cathode composition.
앞서 제조된 Half Cell의 전해질층 위에, LG64 공기극 조성물을 스크린 프린팅(screen printing)법으로 도포하고 건조한 후, LSC64(La0.6Sr0.4CoO3-δ) 두 층을 도포하고 건조한 뒤, 1,100℃로 열처리하여 공기극을 형성했다. 이 때, 형성된 공기극의 면적은 9cm×9cm이었다.On the electrolyte layer of the half cell prepared above, the LG64 cathode composition is applied by a screen printing method and dried, then two layers of LSC64 (La0.6Sr0.4CoO 3-δ ) are applied and dried, followed by heat treatment at 1,100 ℃ To form an air cathode. At this time, the area of the formed air electrode was 9 cm × 9 cm.
제조된 연료전지 Cell에 연료극 측에 연료극 집전층인 니켈 폼을 셀에 접착제를 이용하여 고정시켰다.To the prepared fuel cell, nickel foam, which is an anode current collecting layer, was fixed to the cell using an adhesive.
제조된 연료전지 Cell의 공기극 측에 공기극 집전층인 9cm×9cm 크기의 은 메쉬(나노테크 社)를 상기 공기극 상에 접착제(헨켈 社, 록타이트 401)를 도포하여 고정하는 방법으로 부착하였다.On the cathode side of the manufactured fuel cell, a silver mesh (Nanotech Co., Ltd.) of 9 cm x 9 cm, which is an anode current collector layer, was attached to the cathode by applying an adhesive (Henkel Co., Loctite 401) and fixing it.
실시예.Example.
상기 비교예에서 은 메쉬를 직사각형 틀의 절삭 기기를 사용하여 도 6과 같이 재단함으로써, 기체 유입부와 접하는 부분을 포함하여 70%만 남도록 한 다음 부착한 것을 제외하고는 상기 비교예와 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.In the comparative example, by cutting the silver mesh as shown in FIG. 6 using a rectangular frame cutting machine, only 70% of the portion in contact with the gas inlet was left, and then attached in the same manner as in the comparative example. A fuel cell was prepared.
<실험예 : SOFC의 성능 평가><Experimental Example: Performance evaluation of SOFC>
상기 비교예 및 실시예에서 제조된 SOFC를 각각 500mA/cm2의 전류밀도 하에서 3,000시간 동안 운전한 다음, 공기극과 전해질 계면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하였고 이를 각각 도 2(비교예) 및 도 3(실시예)으로 첨부하였다. 도 2의 경우, 공기극과 전해질의 계면 부근에 은이 석출된 것을 확인할 수 있는데, 이는 기체 배출부 부근에서 은 이온이 환원된 것이다. 도 3의 경우, 기체 배출부 부근의 집전층을 제거하였기 때문에 은의 석출 현상이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.The SOFCs prepared in the Comparative Examples and Examples were operated for 3,000 hours under a current density of 500 mA / cm 2 , respectively, and then the cathode and electrolyte interfaces were taken with a scanning electron microscope (SEM), respectively, and FIG. 2 (Comparative Example) and Attached to Figure 3 (Example). In the case of Figure 2, it can be seen that silver precipitated near the interface between the cathode and the electrolyte, which is a reduction of silver ions in the vicinity of the gas outlet. In the case of FIG. 3, since the current collecting layer in the vicinity of the gas discharge portion was removed, it can be confirmed that silver precipitation did not occur.
결론적으로, 본 출원의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 은 메쉬의 사용량을 줄이면서도 내구성을 향상시키는 효과가 있음이 입증되었다.In conclusion, it has been proved that the solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present application has an effect of improving durability while reducing the amount of silver mesh used.
Claims (9)
연료극;
상기 공기극과 연료극 사이에 구비된 전해질층; 및
상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 형성된 금속 메쉬(mesh) 소재의 집전층을 포함하며,
상기 집전층은 상기 공기극의 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 형성된 것인 고체 산화물 연료전지.Air cathode;
Anode;
An electrolyte layer provided between the air electrode and the fuel electrode; And
It includes a current collector layer of a metal mesh material formed on the opposite surface of the air electrode in contact with the electrolyte layer,
The current collector layer is a solid oxide fuel cell that is formed only in a part of the region including a region in contact with a gas inlet of the cathode.
상기 일부 영역은 상기 공기극 총 면적의 10% 내지 80%인 것인 고체 산화물 연료전지.The method according to claim 1,
The portion of the solid oxide fuel cell is 10% to 80% of the total area of the cathode.
상기 금속 메쉬 소재의 집전층은 Ag mesh로 이루어진 것인 고체 산화물 연료전지.The method according to claim 1,
The current-conducting layer of the metal mesh material is made of Ag mesh.
상기 집전층은 기체 배출부(Gas outlet)에 접하는 영역을 포함하여 형성된 것인 고체 산화물 연료전지.The method according to claim 1,
The current collector layer is a solid oxide fuel cell formed by including a region in contact with a gas outlet.
상기 공기극의 상기 전해질층과 접촉하는 면의 반대면에 기체 유입부(Gas inlet)에 접하는 영역을 포함한 일부 영역에만 금속 메쉬(mesh)를 부착하여 집전층을 형성하는 단계
를 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.Forming a stack of a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode; And
Forming a current collecting layer by attaching a metal mesh to only a portion of the air electrode, on a surface opposite to the surface in contact with the electrolyte layer, including a region in contact with a gas inlet.
Method of manufacturing a solid oxide fuel cell comprising a.
상기 집전층을 형성하는 단계 이전에 상기 금속 메쉬를 집전층 총 면적의 10% 내지 80%의 면적으로 재단하는 단계를 더 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.The method according to claim 5,
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell further comprising cutting the metal mesh to an area of 10% to 80% of the total area of the current collecting layer before forming the current collecting layer.
상기 부착은 시아노아크릴레이트계 접착제를 사용하여 수행되는 것인 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.The method according to claim 5,
The attachment is a method of manufacturing a solid oxide fuel cell that is performed using a cyanoacrylate-based adhesive.
상기 금속 메쉬는 Ag mesh인 것인 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.The method according to claim 6,
The metal mesh is a method of manufacturing a solid oxide fuel cell that is Ag mesh.
상기 집전층은 기체 배출부(Gas outlet)에 접하는 영역을 포함하여 형성되는 것인 고체 산화물 연료전지의 제조 방법.The method according to claim 6,
The current collector layer is a method of manufacturing a solid oxide fuel cell that is formed to include a region in contact with a gas outlet (Gas outlet).
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |