KR20210097585A - Fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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KR20210097585A
KR20210097585A KR1020200035010A KR20200035010A KR20210097585A KR 20210097585 A KR20210097585 A KR 20210097585A KR 1020200035010 A KR1020200035010 A KR 1020200035010A KR 20200035010 A KR20200035010 A KR 20200035010A KR 20210097585 A KR20210097585 A KR 20210097585A
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic complex for a fuel cell, which comprises a step of manufacturing a plurality of cells by forming an electrolyte layer on an anode layer; a step of stacking the cells to make the electrolyte layer of the cells in contact with each other; a step of sintering the stacked cells; and a step of separating the stacked cells. According to the present invention, volatilization of Ba is suppressed to manufacture ceramic materials having large crystal grains.

Description

연료 전지 및 이의 제조 방법 {FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Fuel cell and manufacturing method thereof

본원은 연료 전지 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.The present application relates to a fuel cell and a method for manufacturing the same.

연료 전지는 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 전지로, 전해질에 따라 여러 종류로 나뉜다. 그 중 이론적 효율이 가장 높고 다양한 연료 사용이 가능한 고체산화물 연료 전지가 차세대 에너지 변환시스템으로 각광을 받고 있으며, 전해질 물질로써 산소이온 전도체가 주로 이용되어 왔다. 최근에는 작동온도를 낮춰 고체산화물 연료 전지의 내구성을 향상시킨 수소 이온 전도성 산화물을 전해질로 사용하고 있는 프로톤 전도성 전해질을 사용하는 연료 전지가 주목받고 있다.A fuel cell is a cell that converts chemical energy of fuel into electrical energy, and is divided into several types depending on the electrolyte. Among them, the solid oxide fuel cell, which has the highest theoretical efficiency and can use various fuels, is in the spotlight as a next-generation energy conversion system, and an oxygen ion conductor has been mainly used as an electrolyte material. Recently, a fuel cell using a proton conductive electrolyte, which uses a hydrogen ion conductive oxide as an electrolyte, which improves durability of a solid oxide fuel cell by lowering the operating temperature, is attracting attention.

프로톤 전도성 전해질은 세라믹 계열과 고분자 계열로 나뉠 수 있으며, 고분자 계열은 비교적 생산이 쉬우나 작동가능한 온도 범위가 낮은 특성이 있고, 세라믹 계열은 작동 가능한 온도 범위가 넓으나 생산이 어려운 단점이 존재한다.Proton conductive electrolytes can be divided into ceramic series and polymer series. Polymer series is relatively easy to produce but has a low operable temperature range, and ceramic series has a wide operable temperature range but is difficult to produce.

프로톤 전도성 세라믹 전해질을 사용하는 연료 전지는 산소 이온 전도성 세라믹 전해질을 사용하는 연료 전지에 비해 이론적으로 높은 이온 전도성 및 낮은 활성화 에너지를 가질 수 있어 낮은 이온 전도 저항(Ohmic resistance) 및 500℃ 내지 650℃의 온도 영역에서도 높은 출력 밀도를 가질 것으로 예상되고 있다. 그러나, 프로톤 전도성 세라믹 전해질로서 주로 사용되는 Ba 계열의 물질(BaZr0.85Y0.15O3-d, BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-d, BaZr0.4Ce0.4Y0.1-Yb0.1O3-d)은 소결성이 낮아 결정립의 성장이 원활하지 않으며, 낮은 결정립 성장 정도에 의해 다량으로 형성되는 결정립계는 이온 전도성이 낮아 프로톤 전도성 세라믹 전해질의 장점을 퇴색시킬 수 있다.A fuel cell using a proton conductive ceramic electrolyte can theoretically have high ionic conductivity and low activation energy compared to a fuel cell using an oxygen ion conductive ceramic electrolyte, resulting in low Ohmic resistance and a temperature of 500°C to 650°C. It is expected to have a high power density even in the temperature range. However, Ba-based materials mainly used as proton conductive ceramic electrolytes (BaZr 0.85 Y 0.15 O 3-d , BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.2 O 3-d , BaZr 0.4 Ce 0.4 Y 0.1 -Yb 0.1 O 3-d ) Crystal grain growth is not smooth due to the low sintering property, and the grain boundaries formed in large quantities due to the low degree of grain growth have low ion conductivity, which may undermine the advantages of the proton conductive ceramic electrolyte.

본원의 배경이 되는 기술인 한국등록특허공보 제10-1680626호는 프로톤 전도성 산화물 연료전지 및 이의 제조방법에 대한 것이다. 상기 등록 특허는 프로톤 전도성 산화물 연료전지에 대한 것으로서, 전해질로서 BZY, BCY, BCZY, BZCYYb 등의 Ba 계열 세라믹 물질을 사용하고 있으나, 상기 세라믹 물질의 소결 온도를 낮추면서 치밀한 결정립을 형성하기 위한 것일 뿐, Ba 의 휘발을 근본적으로 억제할 수 있는 방법에 대해서는 인식하지 못하고 있다.Korean Patent Publication No. 10-1680626, which is the background technology of the present application, relates to a proton conductive oxide fuel cell and a method for manufacturing the same. The registered patent relates to a proton conductive oxide fuel cell, which uses Ba-based ceramic materials such as BZY, BCY, BCZY, and BZCYYb as an electrolyte, but is only for forming dense grains while lowering the sintering temperature of the ceramic material However, the method to fundamentally suppress the volatilization of Ba is not recognized.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법, 및 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법을 포함하는 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present application is to provide a method for manufacturing a ceramic composite for a fuel cell, and a method for manufacturing a fuel cell including the method for manufacturing a ceramic composite for a fuel cell, in order to solve the problems of the prior art.

또한, 본원은 상기 연료 전지의 제조 방법에 의한 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present application is to provide a fuel cell by the method for manufacturing the fuel cell.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problems to be achieved by the embodiments of the present application are not limited to the technical problems as described above, and other technical problems may exist.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 애노드층 상에 전해질층을 형성하여 복수의 셀들을 제조하는 단계, 상기 셀들의 상기 전해질층이 맞닿도록 상기 셀들을 적층하는 단계, 상기 적층된 셀들을 소결하는 단계, 및 상기 적층된 셀들을 분리하는 단계를 포함하는, 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법을 제공한다.As a technical means for achieving the above technical problem, the first aspect of the present application is to form an electrolyte layer on an anode layer to manufacture a plurality of cells, stacking the cells so that the electrolyte layer of the cells abuts , sintering the stacked cells, and providing a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell comprising the steps of separating the stacked cells.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전해질층은 Ba 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the electrolyte layer may include Ba, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전해질층은 Zr, Ce, Y, Yb, Pr, Pd, Sr, Co, Fe, Mn, Ni, Cu, Zn, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 원소를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the electrolyte layer contains an element selected from the group consisting of Zr, Ce, Y, Yb, Pr, Pd, Sr, Co, Fe, Mn, Ni, Cu, Zn, and combinations thereof. It may further include, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 전해질의 Ba 및 Zr 의 원자 비율은 2.0 내지 2.5 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the atomic ratio of Ba and Zr of the electrolyte of the ceramic composite for a fuel cell may be 2.0 to 2.5, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 소결하는 단계는 1,000℃ 내지 1,800℃ 에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the sintering may be performed at 1,000° C. to 1,800° C., but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 전해질의 결정립의 크기는 3 μm 내지 8 μm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the size of the crystal grains of the electrolyte of the ceramic composite for a fuel cell may be 3 μm to 8 μm, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전해질층을 형성하는 단계는 스핀 코팅, 졸-겔(sol-gel), 스프레이 코팅, 드롭 캐스팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 닥터 블레이드, 딥 코팅, 롤-투-롤(roll-to-roll) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 공정에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the step of forming the electrolyte layer is spin coating, sol-gel, spray coating, drop casting, inkjet printing, screen printing, doctor blade, dip coating, roll-to- It may be carried out by a process comprising one selected from the group consisting of roll-to-roll and combinations thereof, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 애노드층은 Ni, Zr, Y, Ba, Ce, Yb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the anode layer may include, but is not limited to, a material selected from the group consisting of Ni, Zr, Y, Ba, Ce, Yb, and combinations thereof.

또한, 본원의 제 2 측면은 상기 제 1 측면에 의해 제조된 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 상기 전해질층 상에 캐소드층을 형성하는 단계를 추가 포함하는, 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.In addition, a second aspect of the present application provides a method for manufacturing a fuel cell, further comprising the step of forming a cathode layer on the electrolyte layer of the ceramic composite for a fuel cell manufactured by the first aspect.

또한, 본원의 제 3 측면은 상기 제 2 측면에 의해 제조된 연료 전지에 있어서, 애노드 전극, 상기 애노드 전극 상에 형성된 프로톤 전도성 전해질, 및 상기 프로톤 전도성 전해질 상에 형성된 캐소드 전극을 포함하는 것인, 연료 전지를 제공한다.In addition, a third aspect of the present application is the fuel cell manufactured by the second aspect, comprising an anode electrode, a proton conductive electrolyte formed on the anode electrode, and a cathode electrode formed on the proton conductive electrolyte, A fuel cell is provided.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 프로톤 전도성 전해질의 프로톤 전도도는 1×10-3 Ω-1cm-1 내지 5×10-2 Ω-1cm-1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the proton conductivity of the proton conductive electrolyte may be 1×10 −3 Ω −1 cm −1 to 5×10 −2 Ω −1 cm −1 , but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 캐소드 전극은 Pt, Ag, Pd, Au, La, Sr, Mn, Ni, Al, Cr, 이들의 산화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the cathode electrode may include a material selected from the group consisting of Pt, Ag, Pd, Au, La, Sr, Mn, Ni, Al, Cr, oxides thereof, and combinations thereof. However, the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지의 이온 전도 활성화 에너지는 0.45 eV 내지 0.47 eV 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the ion conduction activation energy of the fuel cell may be 0.45 eV to 0.47 eV, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지의 면적 비 임피던스는 0.2 Ωcm2 내지 0.4 Ωcm2 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the area specific impedance of the fuel cell may be 0.2 Ωcm 2 to 0.4 Ωcm 2 , but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지의 전력 밀도는 0.6 W/cm2 내지 0.7 W/cm2 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the power density of the fuel cell may be 0.6 W/cm 2 to 0.7 W/cm 2 , but is not limited thereto.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.The above-described problem solving means are merely exemplary, and should not be construed as limiting the present application. In addition to the exemplary embodiments described above, additional embodiments may exist in the drawings and detailed description.

전술한 과제의 해결 수단에 따르면, 본원에 따른 연료 전지 및 이의 제조 방법은, 상기 프로톤 전도성 세라믹 전해질에서 결정립의 성장을 억제하는, Ba 의 휘발을 억제함으로써, 종래의 연료 전지 및 이의 제조 방법에 비해 더 큰 결정립을 갖는 세라믹 물질을 제조할 수 있다.According to the means for solving the above problems, the fuel cell and the method for manufacturing the same according to the present application suppress the volatilization of Ba, which suppresses the growth of crystal grains in the proton conductive ceramic electrolyte, compared to the conventional fuel cell and method for manufacturing the same. Ceramic materials with larger grains can be produced.

또한, 종래의 연료 전지 및 이의 제조 방법으로는 0.49 eV 의 이온 전도 활성화 에너지를 갖는 전해질을 제조할 수 잇었으나, 본원에 따른 연료 전지 및 이의 제조 방법은 상기한 큰 결정립에 의해, 약 0.46 eV 의 이온 전도 활성화 에너지를 갖는 프로톤 전도성 세라믹 전해질을 형성할 수 있다. 본원에 따른 프로톤 전도성 세라믹 전해질의 이온 전도 활성화 에너지는 종래의 세라믹 전해질의 이온 전도 활성화 에너지에 비해 이론값에 더욱 가까우며, 이는 본원에 따른 프로톤 전도성 세라믹 전해질은 종래의 프로톤 전도성 세라믹 전해질에 비해 더 우수한 성능을 가지는 것을 의미한다.In addition, an electrolyte having an ion conduction activation energy of 0.49 eV can be prepared with the conventional fuel cell and its manufacturing method. It is possible to form a proton conductive ceramic electrolyte having an ion conduction activation energy. The ion conduction activation energy of the proton conductive ceramic electrolyte according to the present application is closer to the theoretical value compared to the ion conduction activation energy of the conventional ceramic electrolyte, which means that the proton conductive ceramic electrolyte according to the present application has better performance than the conventional proton conductive ceramic electrolyte means to have

또한, 본원에 따른 연료 전지 및 이의 제조 방법에 따라 제조된 프로톤 전도성 세라믹 전해질은 650℃ 에서 전기 화학 구동시 종래의 프로톤 전도성 세라믹 전해질에 비해 20% 더 높은 최대 전력 밀도 및 20% 더 낮은 오믹 저항 감소를 구현할 수 있다.In addition, the proton conductive ceramic electrolyte prepared according to the fuel cell and the manufacturing method thereof according to the present application has a 20% higher maximum power density and 20% lower ohmic resistance reduction compared to a conventional proton conductive ceramic electrolyte when electrochemically driven at 650°C can be implemented.

다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.However, the effects obtainable herein are not limited to the above-described effects, and other effects may exist.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법의 순서도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법의 모식도이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법의 모식도이다.
도 4 는 종래의 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법의 모식도이다.
도 5 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른, 보호 소결법을 나타낸 사진이고, (b) 는 상기 실시예에 따른 전해질의 SEM 이미지이다.
도 6 의 (a) 는 본원의 일 비교예에 따른, 종래의 소결법을 나타낸 사진이고, (b) 는 상기 비교예에 따른 전해질의 SEM 이미지이다.
도 7 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른 전해질의 XRD 패턴이고, (b) 는 본원의 일 비교예에 따른 전해질의 XRD 패턴이다.
도 8 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 전해질의 Ba 휘발도를 나타낸 그래프이다.
도 9 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 연료 전지의 전기 화학 성능을 나타내는 그래프다.
도 10 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 연료 전지의 임피던스 선도이다.
도 11 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 연료 전지의 아레니우스 선도이다.
1 is a flowchart of a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell according to an embodiment of the present application.
2 is a schematic diagram of a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell according to an embodiment of the present application.
3 is a schematic diagram of a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell according to an embodiment of the present application.
4 is a schematic diagram of a conventional method for manufacturing a ceramic composite for a fuel cell.
Figure 5 (a) is a photograph showing a protective sintering method, according to an embodiment of the present application, (b) is a SEM image of the electrolyte according to the embodiment.
6 (a) is a photograph showing a conventional sintering method according to a comparative example of the present application, and (b) is a SEM image of the electrolyte according to the comparative example.
7 (a) is an XRD pattern of an electrolyte according to an embodiment of the present application, (b) is an XRD pattern of an electrolyte according to a comparative example of the present application.
8 is a graph showing the volatility of Ba of the electrolyte according to an embodiment and a comparative example of the present application.
9 is a graph illustrating electrochemical performance of fuel cells according to Examples and Comparative Examples of the present application.
10 is an impedance diagram of a fuel cell according to an embodiment and a comparative example of the present application.
11 is an Arrhenius diagram of a fuel cell according to an embodiment and a comparative example of the present application.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present application pertains can easily implement them.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.However, the present application may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present application in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a part is said to be "connected" with another part, it includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "electrically connected" with another element interposed therebetween. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when it is said that a member is positioned "on", "on", "on", "under", "under", or "under" another member, this means that a member is positioned on the other member. It includes not only the case where they are in contact, but also the case where another member exists between two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part "includes" a component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다. As used herein, the terms "about," "substantially," and the like are used in a sense at or close to the numerical value when the manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid in the understanding of the present application. It is used to prevent an unconscionable infringer from using the mentioned disclosure in an unreasonable manner. Also, throughout this specification, "step to" or "step to" does not mean "step for".

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination of these" included in the expression of the Markush form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, and the components It is meant to include one or more selected from the group consisting of.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.Throughout this specification, reference to “A and/or B” means “A or B, or A and B”.

이하에서는 본원의 연료 전지 및 이의 제조 방법에 대하여, 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a fuel cell and a method for manufacturing the same of the present application will be described in detail with reference to embodiments, examples, and drawings. However, the present application is not limited to these embodiments and examples and drawings.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 애노드층(100) 상에 전해질층(200)을 형성하여 복수의 셀(미도시)들을 제조하는 단계, 상기 셀들의 상기 전해질층(200)이 맞닿도록 상기 셀들을 적층하는 단계, 상기 적층된 셀들을 소결하는 단계, 및 상기 적층된 셀들을 분리하는 단계를 포함하는, 연료 전지용 세라믹 복합체(미도시)의 제조 방법을 제공한다.As a technical means for achieving the above technical task, the first aspect of the present application is to form an electrolyte layer 200 on the anode layer 100 to prepare a plurality of cells (not shown), the electrolyte of the cells It provides a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell (not shown), comprising stacking the cells so that the layers 200 come into contact with each other, sintering the stacked cells, and separating the stacked cells. .

일반적으로, 연료 전지는 캐소드(anode)에서 공급된 수소 이온이 전해질을 통해 애노드(cathode)로 이동하고, 상기 수소 이온이 상기 애노드의 산소와 반응하는, 물 생성 반응을 통해 전기를 생성할 수 있다. 이와 관련하여, 상기 전해질이 고체면 고체 전해질 연료 전지라고 칭할 수 있으며, 상기 고체 전해질은 재질에 따라 세라믹 계열과 고분자 계열로 분류될 수 있고, 통과시킬 수 있는 물질에 따라 수소 이온(H+, 양성자, 프로톤) 전도성 또는 산소 이온(O2-) 전도성으로도 분류될 수 있다.In general, in a fuel cell, hydrogen ions supplied from a cathode move to an anode through an electrolyte, and the hydrogen ions react with oxygen in the anode to generate electricity through a water-generating reaction. . In this regard, if the electrolyte is a solid, it may be referred to as a solid electrolyte fuel cell, and the solid electrolyte may be classified into a ceramic series and a polymer series depending on the material, and hydrogen ions (H + , protons) , proton) conductivity or oxygen ion (O 2 - ) conductivity.

이와 관련하여, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 전해질층(200)은, 상기 애노드층(100) 및 후술할 캐소드층(미도시) 사이에서 프로톤을 이동시키기 위한, 프로톤 전도성 세라믹 전해질을 포함할 수 있으며, 이하 특별한 기재가 없는 한 프로톤 전도성 전해질은 프로톤 전도성 세라믹 전해질을 의미한다.In this regard, the electrolyte layer 200 of the ceramic composite for a fuel cell may include a proton conductive ceramic electrolyte for moving protons between the anode layer 100 and a cathode layer (not shown) to be described later, Hereinafter, unless otherwise specified, the proton conductive electrolyte means a proton conductive ceramic electrolyte.

본원에 따른 프로톤 전도성 세라믹 전해질은 프로톤, 즉 H+ 이온을 전도할 수 있는 세라믹 재질의 전해질을 의미한다. 일반적으로, 프로톤 전도성 세라믹 전해질은 산소 이온 전도성 세라믹 전해질에 비하여 이론적으로 높은 이온 전도성(프로톤 전도성) 및 낮은 활성화 에너지를 갖기 때문에, 프로톤 전도성 세라믹 연료 전지(Protonic ceramic fuel cell, PCFC)는 낮은 이온 전도 저항을 갖고, 500℃내지 700℃ 의 온도 영역에서도 높은 출력 밀도를 보일 것으로 예상되었다.The proton conductive ceramic electrolyte according to the present disclosure refers to an electrolyte made of a ceramic material capable of conducting protons, that is, H + ions. In general, since proton conductive ceramic electrolytes have theoretically high ionic conductivity (proton conductivity) and low activation energy compared to oxygen ion conductive ceramic electrolytes, protonic ceramic fuel cells (PCFCs) have low ionic conduction resistance. It was expected to show high power density even in the temperature range of 500°C to 700°C.

그러나 Ba 를 포함하는 종래의 프로톤 전도성 세라믹 전해질의 경우, 제조 과정 중 Ba 가 휘발되어 전해질 내부의 원자 조성비가 붕괴되기 때문에, 소결성이 낮아 열을 가해도 결정립의 성장이 발생하지 않고, 결정립계(grain boundary)가 많다. 상기 다수의 결정립계에 의해 이온 전도도가 낮아지고 활성화 에너지가 높아지는 단점이 존재한다.However, in the case of a conventional proton conductive ceramic electrolyte containing Ba, since Ba is volatilized during the manufacturing process and the atomic composition ratio inside the electrolyte is collapsed, the sinterability is low, so the growth of crystal grains does not occur even when heat is applied, and grain boundaries ) are many There are disadvantages in that ion conductivity is lowered and activation energy is increased due to the plurality of grain boundaries.

또한, 종래의 프로톤 전도성 세라믹 전해질의 제조 방법을 극복하기 위해 Ni, Cu, Zn 등의 가소제를 Ba 계열 전해질에 첨가하여 결정립의 성장을 높일 수 있었으나, 상기 첨가된 가소제는 종래의 프로톤 전도성 세라믹 전해질 내부에 존재하여 개회로전압(Open circuit voltage)을 낮추어 출력 밀도를 저하시키고, 종래의 프로톤 전도성 세라믹 전해질의 다른 원소들과 반응하여 의도하지 않은 상(phase)을 형성하는 문제점이 존재한다. In addition, in order to overcome the conventional method of manufacturing a proton conductive ceramic electrolyte, a plasticizer such as Ni, Cu, or Zn was added to the Ba-based electrolyte to increase the growth of crystal grains, but the added plasticizer was used in the conventional proton conductive ceramic electrolyte There is a problem in that the output density is lowered by lowering the open circuit voltage, and an unintended phase is formed by reacting with other elements of the conventional proton conductive ceramic electrolyte.

본원은 상기 Ba 계열 프로톤 전도성 세라믹 전해질의 품질을 향상시키기 위한 방법을 제공한다.The present application provides a method for improving the quality of the Ba-based proton conductive ceramic electrolyte.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법의 순서도이다.1 is a flowchart of a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell according to an embodiment of the present application.

먼저, 애노드층(100) 상에 전해질층(200)을 형성하여 복수의 셀들을 제조한다 (S100).First, the electrolyte layer 200 is formed on the anode layer 100 to manufacture a plurality of cells (S100).

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전해질층(200)을 형성하는 단계는 스핀 코팅, 졸-겔(sol-gel), 스프레이 코팅, 드롭 캐스팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 닥터 블레이드, 딥 코팅, 롤-투-롤(roll-to-roll) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 공정에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the step of forming the electrolyte layer 200 is spin coating, sol-gel, spray coating, drop casting, inkjet printing, screen printing, doctor blade, dip coating, roll -To-roll (roll-to-roll) and may be performed by a process including one selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 애노드층(100)은 Ni, Zr, Y, Ba, Ce, Yb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 애노드층(100)은 Ni-BZCYYb 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the anode layer 100 may include a material selected from the group consisting of Ni, Zr, Y, Ba, Ce, Yb, and combinations thereof, but is not limited thereto. For example, the anode layer 100 may include a Ni-BZCYYb material, but is not limited thereto.

상기 애노드층(100)은 서멧(cermet)의 형태를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원에 따른 서멧(cermet)은 금속 및 세라믹의 복합체를 의미한다.The anode layer 100 may have a cermet shape, but is not limited thereto. A cermet according to the present application means a composite of metal and ceramic.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전해질층(200)은 Ba 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the electrolyte layer 200 may include Ba, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전해질층(200)은 Zr, Ce, Y, Yb, Pr, Pd, Sr, Co, Fe, Mn, Ni, Cu, Zn, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 원소를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the electrolyte layer 200 is from the group consisting of Zr, Ce, Y, Yb, Pr, Pd, Sr, Co, Fe, Mn, Ni, Cu, Zn, and combinations thereof. It may further include a selected element, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 전해질층(200)은 BaZraCebYcYbdO3-δ (단, a+b+c+d=1 이고, a 는 0 초과 1 미만이며, b, c, 및 d 는 0 이상 1 미만임), BaCeO3, Y 도핑된 BaCeO3-δ, Yb 도핑된 BaCeO3-δ, PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ, Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. For example, the electrolyte layer 200 is BaZr a Ce b Y c Yb d O 3-δ (provided that a+b+c+d=1, a is greater than 0 and less than 1, b, c, and d is greater than or equal to 0 and less than 1), BaCeO 3 , Y-doped BaCeO 3-δ , Yb-doped BaCeO 3-δ , PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5+δ , Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O It may include, but is not limited to, those selected from the group consisting of 3-δ , and combinations thereof.

이와 관련하여, 상기 전해질층(200)은 산소 공공을 포함할 수 있다. 상기 전해질층(200)의 예시로 제시된 물질들 중 δ 는 상기 산소 공공이 형성되면서 변화된 산소의 양을 의미하며, δ 대신 d 를 대신 사용할 수 있다.In this regard, the electrolyte layer 200 may include oxygen vacancies. Among the materials presented as examples of the electrolyte layer 200, δ means the amount of oxygen changed while the oxygen vacancy is formed, and d may be used instead of δ.

또한, 상기 전해질층(200)의 BZCYYb(BaZraCebYcYbdO3-δ) 및 상기 애노드층(100)의 BZCYYb 는 조성이 동일하거나 또는 상이할 수 있다. In addition, BZCYYb (BaZr a Ce b Y c Yb d O 3-δ ) of the electrolyte layer 200 and BZCYYb of the anode layer 100 may have the same or different compositions.

상기 전해질층(200)이 포함하는 Ba 는 결정립의 성장을 촉진시키 위한 것으로서, 종래의 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법은, 전해질층을 형성한 후 보호층없이 열처리하였기 때문에, 상기 Ba 의 일부가 휘발되어 결정립의 성장이 억제되고, 이에 따라 다수의 결정핵이 생성되며, 상기 다수의 결정핵에 의해 결정립의 크기가 작게 형성되었다.Ba included in the electrolyte layer 200 is to promote the growth of crystal grains, and in the conventional method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell, heat treatment is performed without a protective layer after forming the electrolyte layer, so that a portion of the Ba is volatilized. Thus, the growth of crystal grains is suppressed, and thus a plurality of crystal nuclei are generated, and the size of the crystal grains is formed small by the plurality of crystal nuclei.

그러나, 본원에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법은 후술할 공정을 통해 상기 전해질층(200)을 소결하기 때문에, 상기 Ba 의 휘발을 억제함으로써 큰 크기의 결정립을 형성할 수 있다.However, in the method of manufacturing the ceramic composite for a fuel cell according to the present disclosure, since the electrolyte layer 200 is sintered through a process to be described later, crystal grains having a large size can be formed by suppressing volatilization of Ba.

이와 관련하여, 상기 셀은 상기 애노드층(100)이 아닌, 후술할 캐소드층(미도시) 및 상기 캐소드층 상에 형성된 전해질층(200)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체는 상기 캐소드층/상기 전해질층(200)으로 구성된 셀, 또는 상기 애노드층(100)/상기 전해질층(200)으로 구성된 셀을 복수 개 제조한 후, 후술할 공정들을 통해 상기 연료 전지용 세라믹 복합체 또는 연료 전지를 제조하기 위한 것이다.In this regard, the cell may include, instead of the anode layer 100 , a cathode layer (not shown) to be described later and an electrolyte layer 200 formed on the cathode layer. That is, the ceramic composite for a fuel cell is prepared by manufacturing a plurality of cells composed of the cathode layer/the electrolyte layer 200 or the anode layer 100/the electrolyte layer 200, and then performing the processes to be described later. through the ceramic composite or fuel cell for the fuel cell.

본원에서는 상기 애노드층(100) 및 상기 전해질층(200)을 포함하는 셀을 통해 상기 연료 전지용 세라믹 복합체를 제조하는 방법을 개시하였으나, 상기 애노드층(100)의 물질 대신 상기 캐소드층의 물질을 사용하여 연료 전지용 세라믹 복합체를 제조할 수 있다.Herein, a method of manufacturing the ceramic composite for a fuel cell through a cell including the anode layer 100 and the electrolyte layer 200 has been disclosed, but the material of the cathode layer is used instead of the material of the anode layer 100 . Thus, a ceramic composite for a fuel cell can be manufactured.

이어서, 상기 셀들의 상기 전해질층(200)이 맞닿도록 상기 셀들을 적층한다 (S200).Then, the cells are stacked so that the electrolyte layers 200 of the cells are in contact (S200).

도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법의 모식도로서, 구체적으로 상기 적층하는 단계의 모식도이다.2 is a schematic diagram of a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell according to an embodiment of the present application, and is a schematic diagram of the laminating step in detail.

상기 적층된 셀은 분리가 가능하기 때문에, 상기 전해질층(200)을 맞닿도록 적층한 후 상기 셀들을 구분할 필요가 있다. 따라서, 하단의 셀을 제 1 애노드층(110) 및 제 1 전해질층(210)을 포함하는 제 1 셀(미도시)로서 표현하고, 상단의 셀을 제 2 애노드층(120) 및 제 2 전해질층(220)을 포함하는 제 2 셀(미도시)로서 표현할 수 있다.Since the stacked cells are separable, it is necessary to separate the cells after stacking the electrolyte layers 200 in contact with each other. Accordingly, the cell at the bottom is expressed as a first cell (not shown) including the first anode layer 110 and the first electrolyte layer 210, and the cell at the top is the second anode layer 120 and the second electrolyte. It may be represented as a second cell (not shown) including the layer 220 .

이하에서는 특별한 기재가 없는 한, 상기 제 1 애노드층(110) 및 상기 제 2 애노드층(120)은 상기 애노드층(100)으로도 표현될 수 있고, 상기 제 1 전해질층(210) 및 상기 제 2 전해질층(220)은 상기 전해질층(200)으로도 표현될 수 있다.Hereinafter, unless otherwise specified, the first anode layer 110 and the second anode layer 120 may also be expressed as the anode layer 100 , and the first electrolyte layer 210 and the first anode layer 120 . 2 The electrolyte layer 220 may also be expressed as the electrolyte layer 200 .

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 적층된 셀들은 상기 제 1 애노드층(110)/상기 제 1 전해질층(210)/상기 제 2 전해질층(220)/상기 제 2 애노드층(120)의 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여,상기 제 1 애노드층(110) 및 상기 제 2 애노드층(120)의 물질 조성은 동일하고, 상기 제 1 전해질층(210) 및 상기 제 2 전해질층(220)의 물질 조성은 동일하다.According to one embodiment of the present application, the stacked cells are the structure of the first anode layer 110 / the first electrolyte layer 210 / the second electrolyte layer 220 / the second anode layer 120 may have, but is not limited thereto. In this regard, the material composition of the first anode layer 110 and the second anode layer 120 is the same, and the material composition of the first electrolyte layer 210 and the second electrolyte layer 220 is the same do.

이어서, 상기 적층된 셀들을 소결한다 (S300).Then, the stacked cells are sintered (S300).

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 소결하는 단계는 1,000℃ 내지 1,800℃ 에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 소결하는 단계는 약 1,000℃ 내지 약 1,800℃, 약 1,100℃ 내지 약 1,800℃, 약 1,200℃ 내지 약 1,800℃, 약 1,300℃ 내지 약 1,800℃, 약 1,400℃ 내지 약 1,800℃, 약 1,500℃ 내지 약 1,800℃, 약 1,600℃ 내지 약 1,800℃, 약 1,700℃ 내지 약 1,800℃, 약 1,000℃ 내지 약 1,100℃, 약 1,000℃ 내지 약 1,200℃, 약 1,000℃ 내지 약 1,300℃, 약 1,000℃ 내지 약 1,400℃, 약 1,000℃ 내지 약 1,500℃, 약 1,000℃ 내지 약 1,600℃, 약 1,000℃ 내지 약 1,700℃, 약 1,100℃ 내지 약 1,700℃, 약 1,200℃ 내지 약 1,600℃, 약 1,300℃ 내지 약 1,500℃, 또는 약 1,400℃ 에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the sintering may be performed at 1,000° C. to 1,800° C., but is not limited thereto. For example, the sintering step is from about 1,000 °C to about 1,800 °C, from about 1,100 °C to about 1,800 °C, from about 1,200 °C to about 1,800 °C, from about 1,300 °C to about 1,800 °C, from about 1,400 °C to about 1,800 °C, about 1,500°C to about 1800°C, about 1,600°C to about 1,800°C, about 1,700°C to about 1,800°C, about 1,000°C to about 1,100°C, about 1,000°C to about 1,200°C, about 1,000°C to about 1,300°C, about 1,000°C to about 1,400°C, from about 1,000°C to about 1,500°C, from about 1,000°C to about 1,600°C, from about 1,000°C to about 1,700°C, from about 1,100°C to about 1,700°C, from about 1,200°C to about 1,600°C, from about 1,300°C to about It may be carried out at 1,500 °C, or about 1,400 °C, but is not limited thereto.

도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법의 모식도이며, 도 4 는 종래의 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법의 모식도이다.3 is a schematic diagram of a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell according to an embodiment of the present application, and FIG. 4 is a schematic diagram of a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell according to the related art.

도 3 및 도 4 를 참조하면, 본원에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법 중 상기 소결하는 단계는, 상기 셀들을 적층한 후 수행하기 때문에 Ba 의 휘발이 억제될 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 전해질층(210)의 Ba 는 휘발되어도 상기 제 2 전해질층(220)으로 이동하고, 상기 제 2 전해질층(220)의 Ba 는 상기 제 1 전해질층(210)으로 이동하기 때문에, 도 4 와 같은 종래의 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법에 비해 대기중으로 휘발되는 Ba 의 양이 적다.3 and 4 , since the sintering of the method for manufacturing the ceramic composite for a fuel cell according to the present disclosure is performed after the cells are stacked, the volatilization of Ba may be suppressed. Specifically, Ba of the first electrolyte layer 210 moves to the second electrolyte layer 220 even when volatilized, and Ba of the second electrolyte layer 220 moves to the first electrolyte layer 210 . Therefore, the amount of Ba volatilized into the atmosphere is small compared to the conventional method of manufacturing the ceramic composite for fuel cell as shown in FIG. 4 .

따라서, 본원에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법은 결정핵의 생성을 억제하는 Ba 의 휘발을 억제하기 때문에, 소결된 전해질층(200)이 Ba 를 다수 포함하고, 상기 다수 포함하는 Ba 에 의해 상기 소결된 전해질층(200)의 결정립이 성장할 수 있다.Therefore, since the method for manufacturing the ceramic composite for a fuel cell according to the present application suppresses volatilization of Ba, which suppresses the generation of crystal nuclei, the sintered electrolyte layer 200 includes a plurality of Ba, and the Crystal grains of the sintered electrolyte layer 200 may grow.

이와 관련하여, 상기 소결 공정이 진행되어도 상기 애노드층(100) 및 상기 전해질층(200) 사이에서 반응이 발생하지 않는다. 후술하겠지만, 상기 애노드층(100) 및 상기 전해질층(200)은 쉽게 분리될 수 있다.In this regard, even if the sintering process proceeds, a reaction does not occur between the anode layer 100 and the electrolyte layer 200 . As will be described later, the anode layer 100 and the electrolyte layer 200 may be easily separated.

이어서, 상기 적층된 셀들을 분리하여 (S400), 상기 연료 전지용 세라믹 복합체를 제조한다.Next, the stacked cells are separated ( S400 ) to prepare the ceramic composite for the fuel cell.

상술하였듯, 상기 셀들을 적층하는 단계(S200)는 상기 셀들이 분리되지 않도록 접착하는 단계가 아닌, 상기 셀들이 분리되도록 적층한 것이기 때문에, 상기 소결하는 단계를 수행하여도 상기 셀들은 쉽게 분리될 수 있다.As described above, the step (S200) of stacking the cells is not a step of adhering the cells so that they are not separated, but stacking the cells so that they are separated. can

이와 관련하여, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체는 상기 전해질층(200)의 표면의 평탄도(flatness)가 낮을 수 있기 때문에, 본원에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법은 상기 적층된 셀들을 분리하는 단계 이후 상기 전해질층(200)의 표면을 가공하는 단계를 추가 포함할 수 있다.In this regard, since the ceramic composite for a fuel cell may have a low flatness of the surface of the electrolyte layer 200 , the method for manufacturing the ceramic composite for a fuel cell according to the present disclosure may be performed after the step of separating the stacked cells. The method may further include processing the surface of the electrolyte layer 200 .

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체는 상기 전해질층(200)이 소결되어 형성된 프로톤 전도성 전해질(미도시), 및 상기 애노드층(100)을 포함하는 애노드 전극(미도시) 또는 상기 캐소드층(미도시)을 포함하는 상기 캐소드 전극(미도시)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체가 상기 프로톤 전도성 전해질, 상기 애노드 전극, 및 상기 캐소드 전극을 모두 포함할 경우 상기 연료 전지용 세라믹 복합체는 연료 전지로서 사용될 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present application, the ceramic composite for a fuel cell includes a proton conductive electrolyte (not shown) formed by sintering the electrolyte layer 200 , and an anode electrode (not shown) including the anode layer 100 or the The cathode electrode (not shown) including a cathode layer (not shown) may be included, but is not limited thereto. In this regard, when the ceramic composite for a fuel cell includes all of the proton conductive electrolyte, the anode, and the cathode, the ceramic composite for a fuel cell may be used as a fuel cell.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 전해질의 Ba 및 Zr 의 원자 비율은 2.0 내지 2.5 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 전해질의 Ba 및 Zr 의 원자 비율은 약 2.0 내지 약 2.5, 약 2.1 내지 약 2.5, 약 2.2 내지 약 2.5, 약 2.3 내지 약 2.5, 약 2.4 내지 약 2.5, 약 2.0 내지 약 2.1, 약 2.0 내지 약 2.2, 약 2.0 내지 약 2.3, 약 2.0 내지 약 2.4, 약 2.1 내지 약 2.4, 또는 약 2.2 내지 약 2.3 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present application, the atomic ratio of Ba and Zr of the electrolyte of the ceramic composite for a fuel cell may be 2.0 to 2.5, but is not limited thereto. For example, the atomic ratio of Ba and Zr of the electrolyte of the ceramic composite for a fuel cell is about 2.0 to about 2.5, about 2.1 to about 2.5, about 2.2 to about 2.5, about 2.3 to about 2.5, about 2.4 to about 2.5, about 2.0 to about 2.1, about 2.0 to about 2.2, about 2.0 to about 2.3, about 2.0 to about 2.4, about 2.1 to about 2.4, or about 2.2 to about 2.3, but is not limited thereto.

상술하였듯, 연료 전지용 세라믹 복합체를 제조하기 위해 상기 전해질층(200)을 소결할 경우, Ba 의 휘발이 존재할 수 있다. 후술하겠지만, 본원에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법에 의해 제조된 상기 프로톤 전도성 전해질의 Ba 및 Zr 의 원자 비율은 2.0 내지 2.5 로서 새로운 결정립의 생성이 억제되고 기존의 결정립의 크기가 확장될 수 있다. 그러나, 종래의 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법에 의해 제조된 프로톤 전도성 전해질은 소결시 온도가 상승하면 Ba 및 Zr 의 원자 비율이 2.0 미만으로 저하되기 때문에, 소결된 전해질층(200)의 결정립의 크기가 작게 형성될 수 있다.As described above, when the electrolyte layer 200 is sintered to prepare a ceramic composite for a fuel cell, volatilization of Ba may be present. As will be described later, the atomic ratio of Ba and Zr of the proton conductive electrolyte prepared by the method for manufacturing a ceramic composite for a fuel cell according to the present application is 2.0 to 2.5, so that the generation of new crystal grains is suppressed and the size of the existing crystal grains can be expanded. . However, since the atomic ratio of Ba and Zr decreases to less than 2.0 when the temperature of the proton conductive electrolyte prepared by the conventional method for manufacturing a ceramic composite for a fuel cell is increased during sintering, the size of the crystal grains of the sintered electrolyte layer 200 is may be formed small.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 전해질의 결정립의 크기는 3 μm 내지 8 μm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전해질의 결정립의 크기는 약 5 μm 내지 약 8 μm, 약 6 μm 내지 약 8 μm, 약 7 μm 내지 약 8 μm, 약 5 μm 내지 약 6 μm, 약 5 μm 내지 약 7 μm, 또는 약 6 μm 내지 약 7 μm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the size of the crystal grains of the electrolyte of the ceramic composite for a fuel cell may be 3 μm to 8 μm, but is not limited thereto. For example, the size of the grains of the electrolyte is about 5 μm to about 8 μm, about 6 μm to about 8 μm, about 7 μm to about 8 μm, about 5 μm to about 6 μm, about 5 μm to about 7 μm , or about 6 μm to about 7 μm, but is not limited thereto.

상술한 내용을 종합하면, 본원에 따른 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법은 물질의 조성이 동일한 복수의 상기 전해질층(200)을 맞닿도록 접촉시킨 후 소결하기 때문에, 상기 전해질층(200) 내부의 Ba 의 휘발을 최소화하면서 상기 프로톤 전도성 전해질을 제조하는 것이다. 이러한 연료 전지 세라믹 복합체의 제조 방법을 보호 소결법이라고 칭할 수 있다.In summary, in the method for manufacturing the ceramic composite for a fuel cell according to the present application, since the plurality of electrolyte layers 200 having the same material composition are brought into contact with each other and then sintered, Ba in the electrolyte layer 200 is To prepare the proton conductive electrolyte while minimizing the volatilization of A method of manufacturing such a fuel cell ceramic composite may be referred to as a protective sintering method.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법은 상기 애노드층(100) 및 상기 전해질층(200) 사이에 제 1 분리막(미도시)을 형성하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the method of manufacturing the ceramic composite for a fuel cell may further include forming a first separator (not shown) between the anode layer 100 and the electrolyte layer 200, However, the present invention is not limited thereto.

또한, 본원의 제 2 측면은 상기 제 1 측면에 의해 제조된 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 상기 전해질층(200) 상에 캐소드층을 형성하는 단계를 추가 포함하는, 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.In addition, the second aspect of the present application provides a method of manufacturing a fuel cell, further comprising the step of forming a cathode layer on the electrolyte layer 200 of the ceramic composite for a fuel cell manufactured by the first aspect.

본원의 제 2 측면에 따른 연료 전지의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.With respect to the method of manufacturing a fuel cell according to the second aspect of the present application, detailed descriptions of parts overlapping with the first aspect of the present application are omitted, but even if the description is omitted, the contents described in the first aspect of the present application The same can be applied to both sides.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지의 제조 방법은 상기 애노드층(100)과 상기 전해질층(200) 사이에 제 2 분리막(미도시)을 형성하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the method of manufacturing the fuel cell may further include forming a second separator (not shown) between the anode layer 100 and the electrolyte layer 200 , but is limited thereto. it's not going to be

본원에 따른 분리막은 상기 캐소드층 또는 상기 애노드층(100)으로부터 상기 전해질층(200)으로 이동하는 이온의 종류를 제한하기 위한 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 제 1 분리막 또는 상기 제 2 분리막은 프로톤을 통과시키고 산소 이온은 통과시키지 않음으로써, 상기 전해질층(200)이 상기 프로톤을 상기 애노드층(100)으로부터 상기 캐소드층으로 또는 상기 캐소드층으로부터 상기 애노드층(100)으로 이동시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The separator according to the present application means to limit the type of ions moving from the cathode layer or the anode layer 100 to the electrolyte layer 200 . For example, the first separator or the second separator allows protons to pass through but not oxygen ions, so that the electrolyte layer 200 transfers the protons from the anode layer 100 to the cathode layer or the cathode. It may be moved from the layer to the anode layer 100, but is not limited thereto.

이와 관련하여, 상기 전해질층(200)을 산소 이온 전도성 전해질으로 교체할 경우, 상기 제 1 분리막 또는 상기 제 2 분리막은 상기 산소 이온을 통과시키고 상기 프로톤을 통과시키지 않을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In this regard, when the electrolyte layer 200 is replaced with an oxygen ion conductive electrolyte, the first separator or the second separator may pass the oxygen ions but not the protons, but is not limited thereto. .

또한, 본원의 제 3 측면은 상기 제 2 측면에 의해 제조된 연료 전지에 있어서, 애노드 전극, 상기 애노드 전극 상에 형성된 프로톤 전도성 전해질, 및 상기 프로톤 전도성 전해질 상에 형성된 캐소드 전극을 포함하는 것인, 연료 전지를 제공한다.In addition, a third aspect of the present application is the fuel cell manufactured by the second aspect, comprising an anode electrode, a proton conductive electrolyte formed on the anode electrode, and a cathode electrode formed on the proton conductive electrolyte, A fuel cell is provided.

본원의 제 3 측면에 따른 연료 전지에 대하여, 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.With respect to the fuel cell according to the third aspect of the present application, detailed descriptions of parts overlapping with the first and/or second aspects of the present application are omitted, but even if the description is omitted, the first and/or second aspects of the present application are omitted. The contents described in the second aspect may be equally applied to the third aspect of the present application.

일반적으로, 고체 전해질을 사용하는 연료 전지는 상기 고체 전해질의 이온 전도도를 높이기 위해 700℃ 내지 1,000℃ 의 높은 온도에서 작동하는 단점이 존재하나, 다른 연료 전지에 비해 구조가 간단하고, 폐열을 이용하여 추가적인 발전이 가능한 장점이 존재한다.In general, a fuel cell using a solid electrolyte has a disadvantage in that it operates at a high temperature of 700°C to 1,000°C in order to increase the ionic conductivity of the solid electrolyte, but has a simpler structure than other fuel cells and uses waste heat to There are advantages that can be further developed.

상기 포로톤 전도성 전해질은 상기 제 1 측면의 전해질층(200)을 보호소결하여 형성된 것이고, 상기 제 1 측면의 애노드층(100)은 상기 애노드 전극을 의미하고, 상기 제 2 측면의 캐소드층은 상기 캐소드 전극을 의미한다.The photon conductive electrolyte is formed by protectively sintering the electrolyte layer 200 of the first side, the anode layer 100 of the first side means the anode electrode, and the cathode layer of the second side is the means the cathode electrode.

상기 애노드 전극에서 산화 반응이 발생하여 수소 분자가 양성자로 전환되고, 상기 양성자는 상기 프로톤 전도성 전해질을 통해 상기 캐소드 전극으로 이동함으로써, 상기 연료 전지는 전기를 생산할 수 있다.An oxidation reaction occurs in the anode electrode to convert hydrogen molecules into protons, and the protons move to the cathode electrode through the proton conductive electrolyte, so that the fuel cell can generate electricity.

상기 프로톤 전도성 전해질은 세라믹 물질이기 때문에, 일반적인 액체 전해질과 달리, 온도가 높을수록 이온 전도도가 높다. 이와 관련하여, 상기 프로톤(H+)은 상기 프로톤 전도성 전해질 내부의 O- 기와 결합 및 분리됨으로써 상기 애노드 전극으로부터 상기 캐소드 전극으로 또는 상기 캐소드 전극으로부터 상기 애노드 전극으로 이동할 수 있다.Since the proton conductive electrolyte is a ceramic material, unlike a general liquid electrolyte, the higher the temperature, the higher the ionic conductivity. In this regard, the proton (H + ) may move from the anode electrode to the cathode electrode or from the cathode electrode to the anode electrode by bonding and separation from the O − group in the proton conductive electrolyte.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 프로톤 전도성 전해질의 프로톤 전도도는 1×10-3 Ω-1cm-1 내지 5×10-2 Ω-1cm-1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the proton conductivity of the proton conductive electrolyte may be 1×10 −3 Ω −1 cm −1 to 5×10 −2 Ω −1 cm −1 , but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 프로톤 전도성 전해질은 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.002 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.003 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.004 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.005 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.006 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.007 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.008 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.009 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.01 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.015 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.02 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.025 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.03 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.035 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.04 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.045 Ω-1cm-1 내지 약 0.05 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.002 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.003 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.004 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.005 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.006 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.007 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.008 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.009 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.01 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.015 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.02 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.025 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.03 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.035 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.04 Ω-1cm-1, 약 0.001 Ω-1cm-1 내지 약 0.045 Ω-1cm-1, 약 0.002 Ω-1cm-1 내지 약 0.045 Ω-1cm-1, 약 0.003 Ω-1cm-1 내지 약 0.04 Ω-1cm-1, 약 0.004 Ω-1cm-1 내지 약 0.035 Ω-1cm-1, 약 0.005 Ω-1cm-1 내지 약 0.03 Ω-1cm-1, 약 0.006 Ω-1cm-1 내지 약 0.025 Ω-1cm-1, 약 0.007 Ω-1cm-1 내지 약 0.02 Ω-1cm-1, 약 0.008 Ω-1cm-1 내지 약 0.015 Ω-1cm-1, 또는 약 0.009 Ω-1cm-1 내지 약 0.01 Ω-1cm-1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the proton conductive electrolyte is about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.002 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.003 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.004 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.005 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.006 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 to about 0.007 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.008 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.009 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.01 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.015 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.02 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.025 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.03 Ω -1 cm - 1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.035 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.04 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.045 Ω -1 cm -1 to about 0.05 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.002 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.003 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.004 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.005 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.006 Ω - 1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.007 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.008 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.009 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.01 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.015 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.02 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.025 Ω - 1 cm -1 to about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.03 Ω -1 cm -1 to about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.035 Ω -1 cm -1 to about 0.001 Ω -1 cm -1 to About 0.04 Ω -1 cm -1 , about 0.001 Ω -1 cm -1 to about 0.045 Ω -1 cm -1 , about 0.002 Ω -1 cm -1 to about 0.045 Ω -1 cm -1 , about 0.003 Ω -1 cm -1 to about 0.04 Ω -1 cm -1 , about 0.004 Ω -1 cm -1 to about 0.035 Ω -1 cm -1 , about 0.005 Ω -1 cm -1 to about 0.03 Ω -1 cm -1 , about 0.006 Ω -1 cm -1 to about 0.025 Ω -1 cm -1 , about 0.007 Ω -1 cm -1 to about 0.02 Ω -1 cm -1 , about 0.008 Ω -1 cm -1 to about 0.015 Ω -1 cm -1 , or about 0.009 Ω -1 cm -1 to about 0.01 Ω -1 cm -1 , but is not limited thereto.

이와 관련하여, 상기 프로톤 전도성 전해질의 온도가 증가하면 상기 프로톤 전도도 역시 증가할 수 있다.In this regard, when the temperature of the proton conductive electrolyte increases, the proton conductivity may also increase.

예를 들어, 상기 프로톤 전도성 전해질의 프로톤 전도도는 650℃ 에서 3.5×10-2 Ω-1cm-1 일 수 있고, 400℃ 에서 6×10-3 Ω-1cm-1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the proton conductivity of the proton conductive electrolyte may be 3.5×10 -2 Ω -1 cm -1 at 650° C., and 6×10 -3 Ω -1 cm -1 at 400° C., but limited thereto it's not going to be

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지의 이온 전도 활성화 에너지는 0.45 eV 내지 0.47 eV 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 이온 전도 활성화 에너지는 약 0.45 eV 내지 약 0.47 eV, 약 0.46 eV 내지 약 0.47 eV, 또는 약 0.45 eV 내지 약 0.46 eV 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the ion conduction activation energy of the fuel cell may be 0.45 eV to 0.47 eV, but is not limited thereto. For example, the ion conduction activation energy may be about 0.45 eV to about 0.47 eV, about 0.46 eV to about 0.47 eV, or about 0.45 eV to about 0.46 eV, but is not limited thereto.

본원에 따른 이온 전도 활성화 에너지는 상기 프로톤 전도성 전해질의 결정립의 크기에 영향을 받을 수 있다. 구체적으로, 종래의 프로톤 전도성 전해질은 Ba 의 휘발에 의해 다수의 결정립이 생성되어 결정립의 평균 크기가 작아 이온 전도 활성화 에너지가 높았다. 그러나, 본원의 보호 소결법에 의해 제조된 상기 프로톤 전도성 전해질은 결정립의 평균 크기가 크기 때문에, 상기 프로톤 전도성 전해질의 이온 전도 활성화 에너지의 이론값(~0.45 eV)와 유사한 값을 가질 수 있다.The ion conduction activation energy according to the present disclosure may be affected by the size of the grains of the proton conductive electrolyte. Specifically, in the conventional proton conductive electrolyte, a large number of grains are generated by the volatilization of Ba, and the average size of the grains is small, so that the ion conduction activation energy is high. However, since the proton conductive electrolyte prepared by the protective sintering method of the present application has a large average grain size, it may have a value similar to the theoretical value (˜0.45 eV) of the ion conduction activation energy of the proton conductive electrolyte.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지의 면적 비 임피던스는 0.2 Ωcm2 내지 0.4 Ωcm2 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the area specific impedance of the fuel cell may be 0.2 Ωcm 2 to 0.4 Ωcm 2 , but is not limited thereto.

상술하였듯, 상기 전해질층(200)은 결정립의 크기가 크기 때문에 종래의 프로톤 전도성 전해질에 비해 이온 전도 활성화 에너지가 감소하였으며, 이에 따라 이온 전도 임피던스 및 면적 비 임피던스도 감소하였다.As described above, since the size of the crystal grains of the electrolyte layer 200 is large, the ion conduction activation energy is reduced compared to the conventional proton conducting electrolyte, and accordingly, the ion conduction impedance and the area specific impedance are also reduced.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지의 전력 밀도는 0.6 W/cm2 내지 0.7 W/cm2 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to the exemplary embodiment of the present application, the power density of the fuel cell may be 0.6 W/cm 2 to 0.7 W/cm 2 , but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연료 전지는 600℃ 내지 800℃ 에서 전기 화학 구동이 가능하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 연료 전지는 약 600℃ 내지 약 800℃, 약 650℃ 내지 약 800℃, 약 700℃ 내지 약 800℃, 약 750℃ 내지 약 800℃, 약 600℃ 내지 약 650℃, 약 600℃ 내지 약 700℃, 약 600℃ 내지 약 750℃, 약 650℃ 내지 약 750℃, 또는 약 700℃ 에서 구동할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to the exemplary embodiment of the present application, the fuel cell may be electrochemically driven at 600° C. to 800° C., but is not limited thereto. For example, the fuel cell may be from about 600°C to about 800°C, from about 650°C to about 800°C, from about 700°C to about 800°C, from about 750°C to about 800°C, from about 600°C to about 650°C, about 600 ℃ to about 700 ℃, about 600 ℃ to about 750 ℃, about 650 ℃ to about 750 ℃, or may be driven at about 700 ℃, but is not limited thereto.

상기 프로톤 전도성 전해질을 포함하는 연료 전지는 650℃에서 전기 화학 구동이 가능하며, 전기 화학 구동시 상기 연료 전지의 면적 비 임피던스는 약 0.2 Ωcm2 내지 약 0.4 Ωcm2, 약 0.3 Ωcm2 내지 약 0.4 Ωcm2, 또는 약 0.2 Ωcm2 내지 약 0.3 Ωcm2 이고, 전력 밀도는 약 0.6 W/cm2 내지 약 0.7 W/cm2 ,약 0.6 W/cm2 내지 약 0.65 W/cm2, 또는 약 0.65 W/cm2 내지 약 0.7 W/cm2 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The fuel cell including the proton conductive electrolyte can be electrochemically driven at 650° C., and when electrochemically driven, the area specific impedance of the fuel cell is about 0.2 Ωcm 2 to about 0.4 Ωcm 2 , about 0.3 Ωcm 2 to about 0.4 Ωcm 2 , or about 0.2 Ωcm 2 to about 0.3 Ωcm 2 , and a power density of about 0.6 W/cm 2 to about 0.7 W/cm 2 , about 0.6 W/cm 2 to about 0.65 W/cm 2 , or about 0.65 W/cm 2 , cm 2 to about 0.7 W/cm 2 It may be, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 캐소드 전극은 Pt, Ag, Pd, Au, La, Sr, Mn, Ni, Al, Cr, 이들의 산화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the cathode electrode may include a material selected from the group consisting of Pt, Ag, Pd, Au, La, Sr, Mn, Ni, Al, Cr, oxides thereof, and combinations thereof. However, the present invention is not limited thereto.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail through the following examples, but the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present application.

[실시예] [Example]

건식압축성형법으로 제작된 Ni-BZCYYb cermet 지지체 상에 20 μm 의 두께를 갖도록 전해질 BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-d 를 스핀 코팅 기법으로 증착한, Ni-BZCYYb/BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-d 셀을 2 개 제조하였다. 이어서, 상기 두 셀의 전해질 부분이 서로 맞닿도록 결합하고, 1500℃ 에서 3 시간 동안 소결하였다. 이어서, 상기 소결된 두 셀을 분리하고, 소결된, Ni-BZCYYb/BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-d 상에 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+d 양극을 스크린 프린팅하여 Ni-BZCYYb/BZCYYb/PBSCF 구조의 연료 전지를 제조하였다.To have the Ni-BZCYYb thickness of 20 μm on the cermet substrate produced by dry compression molding electrolyte BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Yb 0.1 O a 3-d the deposition by spin coating method, Ni-BZCYYb / BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Two Yb 0.1 O 3-d cells were prepared. Then, the electrolyte portions of the two cells were combined so as to be in contact with each other, and sintered at 1500° C. for 3 hours. Then, the two sintered cells were separated, and a PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5+d positive electrode was screen-printed on the sintered, Ni-BZCYYb/BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-d to form Ni A fuel cell having a -BZCYYb/BZCYYb/PBSCF structure was prepared.

도 5 의 (a) 는 상기 실시예에 따른, 보호 소결법을 나타낸 사진이고, (b) 는 상기 실시예에 따른 전해질의 SEM 이미지이다.Figure 5 (a) is a photograph showing the protective sintering method according to the embodiment, (b) is a SEM image of the electrolyte according to the embodiment.

도 5 을 참조하면, 상기 보호 소결법에 의해 제조된 셀은 결정립의 크기가 4 μm 내지 7 μm 임을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that the cell prepared by the protective sintering method has a grain size of 4 μm to 7 μm.

[비교예][Comparative example]

상기 실시예와 동일한 방법으로 Ni-BZCYYb/BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-d 셀을 제조하였다. 이어서, 상기 BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-d 을 1,500℃에서 3 시간 동안 소결한 후, 상기 BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-d 상단에 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+d 양극을 스크린 프린팅하였다. A Ni-BZCYYb/BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-d cell was prepared in the same manner as in Example. Then, after sintering the BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-d at 1,500° C. for 3 hours, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O on the BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-d top The 5+d anode was screen printed.

도 6 의 (a) 는 상기 비교예에 따른, 종래의 소결법을 나타낸 사진이고, (b) 는 상기 비교예에 따른 전해질의 SEM 이미지이다.Figure 6 (a) is a photograph showing a conventional sintering method according to the comparative example, (b) is a SEM image of the electrolyte according to the comparative example.

도 5 및 도 6 를 참조하면, 종래의 소결법에 의해 제조된 프로톤 전도성 세라믹 전해질의 결정립은 보호 소결법에 의해 제조된 프로톤 전도성 세라믹 전해질의 결정립보다 평균적으로 작은 크기를 갖는 것이 확인되었다.5 and 6, it was confirmed that the crystal grains of the proton conductive ceramic electrolyte prepared by the conventional sintering method have an average size smaller than the crystal grains of the proton conductive ceramic electrolyte prepared by the protective sintering method.

[실험예 1] [Experimental Example 1]

도 7 의 (a) 는 상기 실시예에 따른 전해질의 XRD 패턴이고, (b) 는 상기 비교예에 따른 형성된 전해질의 XRD 패턴이고, 도 8 은 상기 실시예 및 비교예에 따른 전해질의 Ba 휘발도를 나타낸 그래프이다.7 (a) is an XRD pattern of the electrolyte according to the embodiment, (b) is an XRD pattern of the electrolyte formed according to the comparative example, and FIG. is a graph showing

도 7 및 도 8 을 참조하면, 상기 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 프로톤 전도성 세라믹 전해질은 Ba 의 휘발이 보완되어 별도의 상이 나타나지 않았고, Ba/Zr 의 비율 2.5 에 근사하도록 유지되고 있으나, 상기 비교예에 따른 방법에 의해 제조된 프로톤 전도성 세라믹 전해질은 Ba 의 휘발에 의해 별도의 상이 발생하였고, 소결 온도를 상승시킬수록 Ba/Zr 의 비율이 낮아지고 있음을 확인할 수 있다.7 and 8 , in the proton conductive ceramic electrolyte prepared by the method according to the embodiment, the volatilization of Ba was supplemented and a separate phase did not appear, and the Ba/Zr ratio was maintained to be close to 2.5, but the In the proton conductive ceramic electrolyte prepared by the method according to Comparative Example, a separate phase was generated by volatilization of Ba, and it can be seen that the Ba/Zr ratio decreases as the sintering temperature increases.

[실험예 2][Experimental Example 2]

도 9 은 상기 실시예 및 비교예에 따른 연료 전지의 전기 화학 성능을 나타내는 그래프고, 도 10 은 상기 실시예 및 비교예에 따른 연료 전지의 임피던스 선도이며, 도 11 는 상기 실시예 및 비교예에 따른 연료 전지의 아레니우스 선도이다.9 is a graph showing the electrochemical performance of the fuel cell according to the Example and Comparative Example, FIG. 10 is an impedance diagram of the fuel cell according to the Example and Comparative Example, and FIG. 11 is the Example and Comparative Example It is an Arrhenius diagram of the fuel cell according to

도 9 와 관련하여, 전류 밀도(x 축)에 대하여 일차함수의 형상을 갖는 그래프는 전류 밀도 및 전압(그래프의 좌측 y 축) 사이에 대한 그래프이고, 전류 밀도에 대하여 이차함수의 형상을 갖는 그래프는 전류 밀도 및 전력 밀도(그래프의 우측 y 축) 사이에 대한 그래프이다.9 , a graph having a shape of a linear function with respect to current density (x-axis) is a graph between current density and voltage (left y-axis of the graph), and a graph having a shape of a quadratic function with respect to current density is a graph between current density and power density (right y-axis of the graph).

도 9 내지 도 11 를 참조하면, 상기 실시예에 따른 연료 전지의 최대 전력 밀도는 0.654 W/cm2 이고, 이온 전도 활성화 에너지는 0.462 eV 이나, 상기 비교예에 따른 연료 전지는 최대 전력 밀도가 0.538 W/cm2 이고, 이온 전도 활성화 에너지는 0.494 eV 인 것으로 확인되었다. 또한, 상기 실시예에 따른 연료 전지의 오믹 저항은 상기 비교예에 따른 연료 전지의 오믹 저항에 비해 20% 감소된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 실시예에 따른 연료 전지는 상기 비교예에 따른 연료 전지에 비해 더 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있다.9 to 11 , the maximum power density of the fuel cell according to the embodiment is 0.654 W/cm 2 , and the ion conduction activation energy is 0.462 eV, but the fuel cell according to the comparative example has a maximum power density of 0.538 W/cm 2 , and the ion conduction activation energy was found to be 0.494 eV. In addition, it can be seen that the ohmic resistance of the fuel cell according to the embodiment is reduced by 20% compared to the ohmic resistance of the fuel cell according to the comparative example. Therefore, it can be confirmed that the fuel cell according to the embodiment has better performance than the fuel cell according to the comparative example.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present application is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present application pertains will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present application.

100 : 애노드층
110 : 제 1 애노드층
120 : 제 2 애노드층
200 : 전해질층
210 : 제 1 전해질층
220 : 제 2 전해질층
100: anode layer
110: first anode layer
120: second anode layer
200: electrolyte layer
210: first electrolyte layer
220: second electrolyte layer

Claims (15)

애노드층 상에 전해질층을 형성하여 복수의 셀들을 제조하는 단계;
상기 셀들의 상기 전해질층이 맞닿도록 상기 셀들을 적층하는 단계;
상기 적층된 셀들을 소결하는 단계; 및
상기 적층된 셀들을 분리하는 단계;
를 포함하는,
연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법.
manufacturing a plurality of cells by forming an electrolyte layer on the anode layer;
stacking the cells so that the electrolyte layers of the cells abut;
sintering the stacked cells; and
separating the stacked cells;
containing,
A method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell.
제 1 항에 있어서,
상기 전해질층은 Ba 를 포함하는 것인, 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
The electrolyte layer is a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell comprising Ba.
제 2 항에 있어서,
상기 전해질층은 Zr, Ce, Y, Yb, Pr, Pd, Sr, Co, Fe, Mn, Ni, Cu, Zn, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 원소를 추가 포함하는, 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The electrolyte layer further comprises an element selected from the group consisting of Zr, Ce, Y, Yb, Pr, Pd, Sr, Co, Fe, Mn, Ni, Cu, Zn, and combinations thereof, ceramic composite for fuel cell manufacturing method.
제 3 항에 있어서,
상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 전해질의 Ba 및 Zr 의 원자 비율은 2.0 내지 2.5 인, 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법.
4. The method of claim 3,
The atomic ratio of Ba and Zr of the electrolyte of the ceramic composite for a fuel cell is 2.0 to 2.5, the method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell.
제 1 항에 있어서,
상기 소결하는 단계는 1,000℃ 내지 1,800℃ 에서 수행되는 것인, 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
The sintering step is a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell that is performed at 1,000 ℃ to 1,800 ℃.
제 1 항에 있어서,
상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 전해질의 결정립의 크기는 3 μm 내지 8 μm 인, 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
The crystal grain size of the electrolyte of the ceramic composite for a fuel cell is 3 μm to 8 μm, a method of manufacturing a ceramic composite for a fuel cell.
제 1 항에 있어서,
상기 전해질층을 형성하는 단계는 스핀 코팅, 졸-겔(sol-gel), 스프레이 코팅, 드롭 캐스팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 닥터 블레이드, 딥 코팅, 롤-투-롤(roll-to-roll) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 공정에 의해 수행되는 것인, 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
The step of forming the electrolyte layer is spin coating, sol-gel, spray coating, drop casting, inkjet printing, screen printing, doctor blade, dip coating, roll-to-roll) and a method for manufacturing a ceramic composite for a fuel cell, which is performed by a process comprising one selected from the group consisting of combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 애노드층은 Ni, Zr, Y, Ba, Ce, Yb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는, 연료 전지용 세라믹 복합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
Wherein the anode layer is selected from the group consisting of Ni, Zr, Y, Ba, Ce, Yb, and combinations thereof.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 상기 연료 전지용 세라믹 복합체의 상기 전해질층 상에 캐소드층을 형성하는 단계를 추가 포함하는,
연료 전지의 제조 방법.
The method according to any one of claims 1 to 8, further comprising the step of forming a cathode layer on the electrolyte layer of the ceramic composite for fuel cell,
A method for manufacturing a fuel cell.
제 9 항에 따른 방법에 의해 제조된 연료 전지에 있어서,
애노드 전극;
상기 애노드 전극 상에 형성된 프로톤 전도성 전해질; 및
상기 프로톤 전도성 전해질 상에 형성된 캐소드 전극;
을 포함하는 것인,
연료 전지.
10. A fuel cell manufactured by the method according to claim 9, comprising:
anode electrode;
a proton conductive electrolyte formed on the anode electrode; and
a cathode electrode formed on the proton conductive electrolyte;
which includes,
fuel cell.
제 10 항에 있어서,
상기 프로톤 전도성 전해질의 프로톤 전도도는 1×10-3 Ω-1cm-1 내지 5×10-2 Ω-1cm-1 인, 연료 전지.
11. The method of claim 10,
The proton conductivity of the proton conductive electrolyte is 1×10 −3 Ω −1 cm −1 to 5×10 −2 Ω −1 cm −1 , a fuel cell.
제 10 항에 있어서,
상기 캐소드 전극은 Pt, Ag, Pd, Au, La, Sr, Mn, Ni, Al, Cr, 이들의 산화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는, 연료 전지.
11. The method of claim 10,
and the cathode electrode is selected from the group consisting of Pt, Ag, Pd, Au, La, Sr, Mn, Ni, Al, Cr, oxides thereof, and combinations thereof.
제 10 항에 있어서,
상기 연료 전지의 이온 전도 활성화 에너지는 0.45 eV 내지 0.47 eV 인, 연료 전지.
11. The method of claim 10,
An ion conduction activation energy of the fuel cell is 0.45 eV to 0.47 eV.
제 10 항에 있어서,
상기 연료 전지의 면적 비 임피던스는 0.2 Ωcm2 내지 0.4 Ωcm2 인, 연료 전지.
11. The method of claim 10,
The area specific impedance of the fuel cell is 0.2 Ωcm 2 to 0.4 Ωcm 2 , the fuel cell.
제 10 항에 있어서,
상기 연료 전지의 전력 밀도는 0.6 W/cm2 내지 0.7 W/cm2 인, 연료 전지.
11. The method of claim 10,
The power density of the fuel cell is 0.6 W/cm 2 to 0.7 W/cm 2 , the fuel cell.
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