KR20240085114A - Solid oxide cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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박중덕
이재석
이홍렬
장재혁
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Abstract

실시예에 따른 고체 산화물 셀은 서로 대향하는 연료극 및 공기극, 그리고 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 위치하는 전해질층을 포함하고, 상기 연료극은 평판 형상을 가지며, 상기 연료극의 모서리는 상기 연료극의 두께 방향을 따라 라운드되고, 상기 연료극은 중앙층, 그리고 상기 중앙층의 양측에 위치하는 외측층을 포함하고, 상기 연료극의 중앙층의 기공율인 제1 기공율은 상기 연료극의 외측층의 기공율인 제2 기공율보다 작다.A solid oxide cell according to an embodiment includes a fuel electrode and an air electrode facing each other, and an electrolyte layer located between the fuel electrode and the air electrode, the fuel electrode has a flat shape, and the edge of the fuel electrode is in the thickness direction of the fuel electrode. It is rounded along, and the anode includes a central layer and outer layers located on both sides of the central layer, and the first porosity, which is the porosity of the central layer of the anode, is smaller than the second porosity, which is the porosity of the outer layer of the anode. .

Description

고체 산화물 셀 및 그 제조 방법{SOLID OXIDE CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Solid oxide cell and method of manufacturing the same {SOLID OXIDE CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 개시는 고체 산화물 셀 및 그 제조 방법에 관한 것이다.This disclosure relates to solid oxide cells and methods of manufacturing the same.

일반적으로 고체 산화물 셀(Solid Oxide Cell, SOC)은 대략 동일한 구조의 고체 산화물 전기분해 셀(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)과 고체 산화물 연료 전지 셀(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)을 포함한다. Generally, a solid oxide cell (SOC) includes a solid oxide electrolysis cell (SOEC) and a solid oxide fuel cell (SOFC) of approximately the same structure.

고체 산화물 전기분해 셀(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)은 물을 전기 분해하여 수소를 발생하는 장치로서, 태양광, 풍력발전과 같은 신재생 에너지로 발생된 전기를 이용하여 그린 수소 생산이 가능하여, 미래의 탄소중립과 수소경제에 필수적이다. 특히, 고체 산화물 전기분해 셀(SOEC)은 고온 구동으로 효율이 높고 탄소배출이 없어 친환경 에너지 변환 장치이다. A solid oxide electrolysis cell (SOEC) is a device that generates hydrogen by electrolyzing water. It is possible to produce green hydrogen using electricity generated from renewable energy such as solar and wind power. It is essential for future carbon neutrality and hydrogen economy. In particular, the solid oxide electrolysis cell (SOEC) is an eco-friendly energy conversion device as it operates at high temperatures and has high efficiency and no carbon emissions.

또한, 고체 산화물 연료 전지 셀(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)은 물의 전기 분해 반응의 역반응을 이용하여 전기를 생산하는 장치로서, 비가역적 손실이 적으므로 발전효율이 높으며, 다양한 연료를 개질기 없이 사용 가능하여 수소뿐만 아니라 탄소 또는 하이드로카본계의 연료를 사용할 수 있어 연료 선택폭이 넓고, 전극에서의 반응속도가 빨라 값비싼 귀금속 촉매를 필요로 하지 않는다는 여러 장점을 갖는다.In addition, a solid oxide fuel cell (SOFC) is a device that produces electricity using the reverse reaction of the electrolysis reaction of water. It has low irreversible loss, so it has high power generation efficiency and can use a variety of fuels without a reformer. As a result, not only hydrogen but also carbon or hydrocarbon-based fuels can be used, providing a wide range of fuel choices, and the reaction speed at the electrode is fast, so it has several advantages in that it does not require expensive precious metal catalysts.

고체 산화물 전기분해 셀(SOEC) 및 고체 산화물 연료 전지 셀(SOFC)에 사용되는 단위 셀의 전해질 및 전극은 고체 산화물로 이루어질 수 있다.Electrolytes and electrodes of unit cells used in solid oxide electrolysis cells (SOEC) and solid oxide fuel cells (SOFC) may be made of solid oxides.

특히, 평판형 고체 산화물 셀(SOC)은 평판 형상의 연료극, 전해질층, 그리고 공기극을 포함할 수 있다. 이 때, 연료극은 전해질층 및 공기극보다 두껍고 넓은 면적을 가지는 연료극 지지체로서 적용될 수 있다. In particular, a flat solid oxide cell (SOC) may include a flat fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode. At this time, the anode may be applied as an anode support that is thicker and has a larger area than the electrolyte layer and the air electrode.

이러한 평판형 고체 산화물 셀의 연료극, 전해질층, 그리고 공기극의 모서리 및 모퉁이는 직각으로 날카로운 각진 형상을 가지므로, 단위 셀을 적층하여 스택을 형성하는 경우, 모서리 및 모퉁이가 충격으로 마모 또는 손상될 가능성이 높다. The edges and corners of the fuel electrode, electrolyte layer, and air electrode of these flat solid oxide cells have sharp, angled shapes, so when unit cells are stacked to form a stack, there is a possibility that the edges and corners may be worn or damaged by impact. This is high.

또한, 단위 셀을 적층하는 경우, 실링재와의 접촉이나 체결압에 의해 스트레스(stress) 및 압력이 날카로운 모서리 및 모퉁이에 집중되어 모서리 및 모퉁이가 손상될 가능성이 높다. In addition, when unit cells are stacked, stress and pressure are concentrated on sharp edges and corners due to contact with the sealing material or fastening pressure, so there is a high possibility that the edges and corners will be damaged.

실시예들은 모서리 및 모퉁이에 가해지는 압력 및 스트레스를 분산시켜 스택 제조 시 손상을 최소화할 수 있는 고체 산화물 셀 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.Embodiments are intended to provide a solid oxide cell and a method of manufacturing the same that can minimize damage during stack manufacturing by distributing pressure and stress applied to edges and corners.

그러나, 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 실시예들에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.However, the problems that the embodiments seek to solve are not limited to the above-described problems and can be expanded in various ways within the scope of the technical ideas included in the embodiments.

실시예에 따른 고체 산화물 셀은 서로 대향하는 연료극 및 공기극, 그리고 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 위치하는 전해질층을 포함하고, 상기 연료극은 평판 형상을 가지며, 상기 연료극의 모서리는 상기 연료극의 두께 방향을 따라 라운드되고, 상기 연료극은 중앙층, 그리고 상기 중앙층의 양측에 위치하는 외측층을 포함하고, 상기 연료극의 중앙층의 기공율인 제1 기공율은 상기 연료극의 외측층의 기공율인 제2 기공율보다 작다.A solid oxide cell according to an embodiment includes a fuel electrode and an air electrode facing each other, and an electrolyte layer located between the fuel electrode and the air electrode, the fuel electrode has a flat shape, and the edge of the fuel electrode is in the thickness direction of the fuel electrode. It is rounded along, and the anode includes a central layer and outer layers located on both sides of the central layer, and the first porosity, which is the porosity of the central layer of the anode, is smaller than the second porosity, which is the porosity of the outer layer of the anode. .

상기 연료극의 상기 모서리를 연결하는 모퉁이인 제1 모퉁이는 상기 연료극의 두께 방향을 따라 라운드될 수 있다.A first corner, which is a corner connecting the corners of the fuel electrode, may be rounded along the thickness direction of the fuel electrode.

상기 제1 모퉁이는 평면상 라운드될 수 있다.The first corner may be rounded in plan.

상기 연료극의 모서리는 상기 연료극의 두께의 1/2의 곡률 반경을 가지며 상기 연료극의 두께 방향을 따라 라운드될 수 있다.The corners of the fuel electrode have a radius of curvature of 1/2 the thickness of the fuel electrode and may be rounded along the thickness direction of the fuel electrode.

상기 전해질층의 모퉁이인 제2 모퉁이 및 상기 공기극의 모퉁이인 제3 모퉁이는 평면상 라운드될 수 있다.The second corner, which is the corner of the electrolyte layer, and the third corner, which is the corner of the air electrode, may be rounded in plan.

상기 연료극은 상기 중앙층과 상기 외측층 사이에 위치하며 제3 기공율을 가지는 중간층을 더 포함하고, 상기 제3 기공율은 상기 제1 기공율보다 크고, 상기 제2 기공율보다 작을 수 있다.The anode is located between the central layer and the outer layer and further includes an intermediate layer having a third porosity, and the third porosity may be greater than the first porosity and less than the second porosity.

상기 중간층의 길이는 상기 중앙층의 길이보다 길고, 상기 외측층의 길이보다 짧을 수 있다.The length of the middle layer may be longer than the length of the central layer and shorter than the length of the outer layer.

또한, 실시예에 따른 고체 산화물 셀의 제조 방법은 제1 기공율을 가지는 중앙 부재, 그리고 상기 중앙 부재의 양측에 위치하며 상기 제1 기공율보다 큰 제2 기공율을 가지는 외측 부재를 포함하는, 평판 형상의 복수의 연료극 부재를 준비하고, 상기 복수의 연료극 부재를 적층 및 압착하고, 상기 연료극 부재 위에 전해질 부재를 적층하고, 상기 복수의 연료극 부재 및 상기 전해질 부재를 소결하여 상기 연료극 및 전해질층을 형성하여 상기 연료극의 모서리를 상기 연료극의 두께 방향을 따라 라운드시키고, 그리고 상기 전해질층 위에 공기극을 형성하는 것을 포함한다.In addition, the method of manufacturing a solid oxide cell according to an embodiment includes a central member having a first porosity, and an outer member located on both sides of the central member and having a second porosity greater than the first porosity. Prepare a plurality of anode members, stack and compress the plurality of anode members, stack an electrolyte member on the anode member, and sinter the plurality of anode members and the electrolyte member to form the anode and the electrolyte layer. It includes rounding the corners of the fuel electrode along the thickness direction of the fuel electrode, and forming an air electrode on the electrolyte layer.

상기 복수의 연료극 부재를 소결하여 상기 외측 부재가 상기 중앙 부재보다 더 수축되어 상기 외측 부재가 소결되어 형성된 외측층의 길이가 상기 중앙 부재가 소결되어 형성된 중앙층의 길이보다 짧게 형성될 수 있다.By sintering the plurality of anode members, the outer member may shrink more than the central member, so that the length of the outer layer formed by sintering the outer member may be shorter than the length of the central layer formed by sintering the central member.

상기 복수의 연료극 부재를 준비하는 것은 상기 복수의 연료극 부재의 모퉁이인 제1 모퉁이가 평면상 라운드되도록 형성하는 것을 포함할 수 있다.Preparing the plurality of anode members may include forming first corners of the plurality of anode members to be rounded in a plane.

상기 전해질 부재를 적층하는 것은 상기 전해질 부재의 모퉁이인 제2 모퉁이가 평면상 라운드되도록 형성하는 것을 포함할 수 있다.Stacking the electrolyte member may include forming the second corner, which is a corner of the electrolyte member, to be rounded in a plane.

상기 공기극을 형성하는 것은 상기 공기극의 모퉁이인 제3 모퉁이가 평면상 라운드되도록 형성하는 것을 포함할 수 있다.Forming the air gap may include forming the third corner, which is a corner of the air gap, to be round in plan.

실시예들에 따르면, 연료극의 중앙층의 기공율인 제1 기공율은 연료극의 외측층의 기공율인 제2 기공율보다 작게 형성함으로써, 연료극의 모서리 및 모퉁이를 연료극의 두께 방향을 따라 라운드시킬 수 있다.According to embodiments, the first porosity, which is the porosity of the central layer of the anode, is made smaller than the second porosity, which is the porosity of the outer layer of the anode, so that the edges and corners of the anode can be rounded along the thickness direction of the anode.

따라서, 연료극의 모서리 및 모퉁이에 가해지는 압력 및 스트레스를 분산시켜 스택 제조 시 연료극의 손상을 최소화할 수 있다.Therefore, damage to the fuel electrode during stack manufacturing can be minimized by distributing the pressure and stress applied to the edges and corners of the fuel electrode.

또한, 전해질층 및 공기극의 모퉁이를 라운드되도록 형성함으로써, 전해질층 및 공기극의 모퉁이에 가해지는 압력 및 스트레스를 분산시켜 스택 제조 시 전해질층 및 공기극의 손상을 최소화할 수 있다.In addition, by forming the corners of the electrolyte layer and the air electrode to be rounded, the pressure and stress applied to the corners of the electrolyte layer and the air electrode can be distributed, thereby minimizing damage to the electrolyte layer and the air electrode during stack manufacturing.

그러나, 실시예들의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있음이 자명하다.However, it is obvious that the effects of the embodiments are not limited to the effects described above and can be expanded in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention.

도 1은 일 실시예에 따른 고체 산화물 셀의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 2의 III-III’선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 A 부분의 확대 단면도이다.
도 5는 도 4의 중앙층 및 중간층의 일부 확대 사진이다.
도 6 및 도 7은 일 실시예에 따른 고체 산화물 셀의 제조 방법의 일 단계를 설명하는 도면이다.
1 is a schematic perspective view of a solid oxide cell according to one embodiment.
Figure 2 is a plan view of Figure 1.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III' of FIG. 2.
Figure 4 is an enlarged cross-sectional view of portion A of Figure 3.
Figure 5 is a partial enlarged photograph of the central layer and middle layer of Figure 4.
6 and 7 are diagrams illustrating one step of a method for manufacturing a solid oxide cell according to an embodiment.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, various embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. The invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. In order to clearly explain the present invention, parts that are not relevant to the description are omitted, and identical or similar components are given the same reference numerals throughout the specification.

또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, the attached drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, and the technical idea disclosed in this specification is not limited by the attached drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention are not limited. , should be understood to include equivalents or substitutes.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.In addition, the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, so the present invention is not necessarily limited to what is shown. In the drawing, the thickness is enlarged to clearly express various layers and regions. And in the drawings, for convenience of explanation, the thicknesses of some layers and regions are exaggerated.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.Additionally, when a part of a layer, membrane, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, this includes not only cases where it is “directly above” another part, but also cases where there is another part in between. . Conversely, when a part is said to be “right on top” of another part, it means that there is no other part in between. In addition, being “on” or “on” a reference part means being located above or below the reference part, and does not necessarily mean being located “above” or “on” the direction opposite to gravity. .

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.In addition, throughout the specification, when referring to “on a plane,” this means when the target portion is viewed from above, and when referring to “in cross-section,” this means when a cross section of the target portion is cut vertically and viewed from the side.

또한, 명세서 전체에서, "연결된다"라고 할 때, 이는 둘 이상의 구성요소가 직접적으로 연결되는 것만을 의미하는 것이 아니고, 둘 이상의 구성요소가 다른 구성요소를 통하여 간접적으로 연결되는 것, 물리적으로 연결되는 것뿐만 아니라 전기적으로 연결되는 것, 또는 위치나 기능에 따라 상이한 명칭들로 지칭되었으나 일체인 것을 의미할 수 있다.In addition, throughout the specification, when "connected" is used, this does not mean that two or more components are directly connected, but rather that two or more components are indirectly connected through other components, or physically connected. It can mean not only being connected but also being electrically connected, or being integrated although referred to by different names depending on location or function.

이하에서는 도면을 참조하여 다양일 실시예와 변형예들을 상세하게 설명한다.Hereinafter, various embodiments and modifications will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 고체 산화물 셀의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 도 2의 III-III’선을 따라 잘라 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 A 부분의 확대 단면도이다. FIG. 1 is a schematic perspective view of a solid oxide cell according to an embodiment, FIG. 2 is a plan view of FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III' of FIG. 2, and FIG. 4 is a plan view of FIG. 3. This is an enlarged cross-sectional view of part A of .

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 일 실시예에 따른 고체 산화물 셀은 차례로 적층되는 연료극(100), 전해질층(200), 그리고 공기극(300)을 포함한다.As shown in FIGS. 1 to 3 , a solid oxide cell according to an embodiment includes an anode 100, an electrolyte layer 200, and an air electrode 300 that are sequentially stacked.

연료극(100)의 크기 및 두께는 전해질층(200) 및 공기극(300)의 크기 및 두께보다 클 수 있다. 따라서, 연료극(100)은 적층된 전해질층(200) 및 공기극(300)을 지지할 수 있다. 고체 산화물 전기 분해 셀(SOEC)의 경우, 연료극(100)은 환원 분위기에서 물(H2O) 등의 연료 가스를 공급받아 전기 분해를 통해 수소 기체와 산소 이온을 생성할 수 있다.The size and thickness of the anode 100 may be larger than those of the electrolyte layer 200 and the air electrode 300. Accordingly, the anode 100 can support the stacked electrolyte layer 200 and the air electrode 300. In the case of a solid oxide electrolysis cell (SOEC), the anode 100 can receive fuel gas such as water (H 2 O) in a reducing atmosphere and generate hydrogen gas and oxygen ions through electrolysis.

연료극(100)은 사각 형상의 평판 형상을 가지므로, 4개의 모서리(100a), 그리고 4개의 모서리(100a)를 서로 연결하는 4개의 모퉁이인 제1 모퉁이(100b)를 가질 수 있다. Since the fuel electrode 100 has a square plate shape, it may have four corners 100a and a first corner 100b, which is four corners connecting the four corners 100a.

연료극(100)의 모서리(100a)는 연료극(100)의 두께 방향(Z)을 따라 라운드되며, 연료극(100)의 제1 모퉁이(100b)도 연료극(100)의 두께 방향(Z)을 따라 라운드될 수 있다. The corner 100a of the anode 100 is rounded along the thickness direction (Z) of the anode 100, and the first corner 100b of the anode 100 is also rounded along the thickness direction (Z) of the anode 100. It can be.

따라서, 연료극(100)의 모서리(100a)가 직선 형상인 경우에 비해, 연료극(100)의 모서리(100a)의 면적이 증가하게 되어 단위 면적당 압력이 감소하게 된다. 따라서, 압력에 의한 물리적 충격에서 강도를 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 연료극(100)의 모서리(100a) 및 제1 모퉁이(100b)에 가해지는 압력 및 스트레스를 분산시켜 스택 제조 시 연료극(100)의 손상을 최소화할 수 있다.Therefore, compared to the case where the edge 100a of the anode 100 is straight, the area of the edge 100a of the anode 100 increases, thereby reducing the pressure per unit area. Therefore, strength can be increased from physical impact due to pressure. In this way, the pressure and stress applied to the corner 100a and the first corner 100b of the anode 100 can be distributed to minimize damage to the anode 100 during stack manufacturing.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 연료극(100)은 적층되는 중앙층(110), 중간층(130), 그리고 외측층(120)을 포함할 수 있다. As shown in FIGS. 3 and 4 , the anode 100 may include a central layer 110, a middle layer 130, and an outer layer 120 that are stacked.

중앙층(110)은 중앙에 위치하며, 제1 최단 길이(d1)를 가질 수 있다. 중간층(130)은 중앙층(110)의 양면과 각각 대향하며 위치하는 제1 중간층(131) 및 제2 중간층(132)을 포함하며, 제2 최단 길이(d2)를 가질 수 있다. 외측층(120)은 중간층(130)의 양면과 각각 대향하며 위치하는 제1 외측층(121) 및 제2 외측층(122)을 포함하며, 제3 최단 길이(d3)를 가질 수 있다.The central layer 110 is located in the center and may have a first shortest length d1. The middle layer 130 includes a first middle layer 131 and a second middle layer 132 positioned opposite to both sides of the middle layer 110, respectively, and may have a second shortest length d2. The outer layer 120 includes a first outer layer 121 and a second outer layer 122 positioned opposite to both sides of the middle layer 130, respectively, and may have a third shortest length d3.

연료극(100)은 이온 전도성이 있는 고체 산화물로서, 지르코니아(ZrO2)에 이트리아(Y2O3)를 녹인 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized ZrO2, YSZ), 스칸듐 안정화 지르코니아(Scandium Stabilized Zirconia, ScSZ), GDC, LDC 등의 금속 산화물을 포함할 수 있다. 그러나, 연료극(100)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 재질로 이루어질 수 있다. The fuel electrode 100 is a solid oxide with ion conductivity, and is made of yttria stabilized zirconia (Yttria Stabilized ZrO 2 , YSZ), which is obtained by dissolving yttria (Y 2 O 3 ) in zirconia (ZrO 2 ), and scandium stabilized zirconia (Scandium Stabilized Zirconia). It may include metal oxides such as ScSZ), GDC, and LDC. However, the anode 100 is not necessarily limited to this and may be made of various materials.

도 5는 도 4의 중앙층 및 중간층의 일부 확대 사진이다.Figure 5 is a partial enlarged photograph of the central layer and middle layer of Figure 4.

도 5에 도시된 바와 같이, 연료극(100)은 가스의 이동 경로가 되는 복수의 기공(AG)을 가질 수 있다. 연료극(100)의 중앙층(110)의 기공율인 제1 기공율은 연료극(100)의 외측층(120)의 기공율인 제2 기공율보다 작고, 연료극(100)의 중간층(130)의 기공율인 제3 기공율은 제1 기공율보다 크고, 제2 기공율보다 작을 수 있다. 따라서, 기공율이 가장 큰 외측층(120)이 소결 공정 등에서 중앙층(110) 및 중간층(130)보다 많이 수축될 수 있다. As shown in FIG. 5, the anode 100 may have a plurality of pores (AG) that serve as a movement path for gas. The first porosity of the central layer 110 of the anode 100 is smaller than the second porosity of the outer layer 120 of the anode 100, and the third porosity of the middle layer 130 of the anode 100 is smaller than the second porosity of the outer layer 120 of the anode 100. The porosity may be greater than the first porosity and smaller than the second porosity. Accordingly, the outer layer 120, which has the highest porosity, may shrink more than the central layer 110 and the middle layer 130 during a sintering process.

도 4에 도시된 바와 같이, 중앙층(110)은 제1 수축 길이(W1)만큼 수축되나, 외측층(120)은 제1 수축 길이(W1)보다 짧은 제2 수축 길이(W2)만큼 수축될 수 있다. 또한, 중간층(130)은 제1 수축 길이(W1)보다 길고 제2 수축 길이(W2)보다 짧은 제3 수축 길이(W3)만큼 수축될 수 있다. 따라서, 연료극(100)의 모서리(100a)는 연료극(100)의 두께 방향(Z)을 따라 라운드될 수 있다.As shown in FIG. 4, the central layer 110 is contracted by the first contracted length (W1), but the outer layer 120 is contracted by the second contracted length (W2), which is shorter than the first contracted length (W1). You can. Additionally, the middle layer 130 may be contracted by a third contracted length (W3) that is longer than the first contracted length (W1) and shorter than the second contracted length (W2). Accordingly, the edge 100a of the anode 100 may be rounded along the thickness direction (Z) of the anode 100.

이 때, 연료극(100)의 모서리(100a)는 연료극(100)의 두께(D)의 1/2의 곡률 반경(R)을 가지며 연료극(100)의 두께 방향(Z)을 따라 라운드될 수 있다.At this time, the edge 100a of the anode 100 has a radius of curvature (R) of 1/2 the thickness (D) of the anode 100 and may be rounded along the thickness direction (Z) of the anode 100. .

이와 같이, 연료극(100)의 중앙층(110)의 제1 기공율은 연료극(100)의 외측층(120)의 제2 기공율보다 작게 형성함으로써, 연료극(100)의 모서리(100a) 및 제1 모퉁이(100b)를 연료극(100)의 두께 방향(Z)을 따라 라운드시킬 수 있다.In this way, the first porosity of the central layer 110 of the anode 100 is made smaller than the second porosity of the outer layer 120 of the anode 100, so that the corners 100a and the first corner of the anode 100 are formed. (100b) may be rounded along the thickness direction (Z) of the anode 100.

연료극(100)의 제1 모퉁이(100b)는 평면상 라운드될 수 있다. 따라서, 연료극(100)의 제1 모퉁이(100b)에 가해지는 압력 및 스트레스를 더욱 분산시켜 스택 제조 시 연료극(100)의 손상을 최소화할 수 있다.The first corner 100b of the fuel electrode 100 may be rounded in plan. Accordingly, the pressure and stress applied to the first corner 100b of the anode 100 can be further distributed, thereby minimizing damage to the anode 100 during stack manufacturing.

한편, 고체 산화물 전기 분해 셀(SOEC)의 경우, 전해질층(200)은 연료극(100)에서 발생된 산소 이온을 공기극(300)으로 전달할 수 있다.Meanwhile, in the case of a solid oxide electrolysis cell (SOEC), the electrolyte layer 200 can transfer oxygen ions generated in the anode 100 to the air electrode 300.

전해질층(200)은 사각 형상의 평판 형상을 가지므로, 4개의 모서리(200a), 그리고 4개의 모서리(200a)를 서로 연결하는 4개의 모퉁이인 제2 모퉁이(200b)를 가질 수 있다.Since the electrolyte layer 200 has a square plate shape, it may have four corners 200a and second corners 200b, which are four corners connecting the four corners 200a.

전해질층(200)의 제2 모퉁이(200b)는 평면상 라운드될 수 있다. 따라서, 전해질층(200)의 제2 모퉁이(200b)에 가해지는 압력 및 스트레스를 분산시켜 스택 제조 시 전해질층(200)의 손상을 최소화할 수 있다.The second corner 200b of the electrolyte layer 200 may be rounded in plan. Accordingly, the pressure and stress applied to the second corner 200b of the electrolyte layer 200 can be distributed to minimize damage to the electrolyte layer 200 during stack manufacturing.

고체 산화물 전기 분해 셀(SOEC)의 경우, 공기극(300)은 산화 분위기에서 전해질층(200)으로부터 전달된 산소 이온이 산화되어 산소 기체가 발생될 수 있다. In the case of a solid oxide electrolysis cell (SOEC), the air electrode 300 may generate oxygen gas by oxidizing oxygen ions transferred from the electrolyte layer 200 in an oxidizing atmosphere.

공기극(300)은 전자 전도성이 높은 란탄스트론튬 망가나이트((La0.84 Sr0.16) MnO3) 등을 플라즈마 스프레이법(plasma spray), 전기화학 증착법, 스퍼터링법(sputtering), 이온빔법, 이온주입법 등의 건식법이나, 테이프 캐스팅법(tape casting), 스프레이 코팅법(spray coating), 딥 코팅법(dip coating), 스크린 플린팅법(screen printing), 닥터 블레이드법(doctor blade) 등의 습식법으로 코팅한 후 1200 ℃ 내지 1300 ℃ 로 소결하여 형성할 수 있다. 그러나, 공기극(300)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 재질로 이루어질 수 있다.The air electrode 300 is made by using lanthanum strontium manganite ((La 0.84 Sr 0.16 ) MnO 3 ), which has high electronic conductivity, using plasma spray, electrochemical deposition, sputtering, ion beam, and ion injection methods. After coating with a wet method such as dry method, tape casting, spray coating, dip coating, screen printing, or doctor blade method, 1200 It can be formed by sintering at ℃ to 1300 ℃. However, the air electrode 300 is not necessarily limited to this and may be made of various materials.

공기극(300)은 사각 형상의 평판 형상을 가지므로, 4개의 모서리(300a), 그리고 4개의 모서리(300a)를 서로 연결하는 4개의 모퉁이인 제3 모퉁이(300b)를 가질 수 있다.Since the air electrode 300 has a square plate shape, it may have four corners 300a and a third corner 300b, which is four corners connecting the four corners 300a.

공기극(300)의 제3 모퉁이(300b)는 평면상 라운드될 수 있다. 따라서, 공기극의 제3 모퉁이(300b)에 가해지는 압력 및 스트레스를 분산시켜 스택 제조 시 공기극의 손상을 최소화할 수 있다.The third corner 300b of the air gap 300 may be rounded in plan. Accordingly, damage to the air electrode during stack manufacturing can be minimized by dispersing the pressure and stress applied to the third corner 300b of the air electrode.

제1 모퉁이(100b), 제2 모퉁이(200b), 그리고 제3 모퉁이(300b)의 평면상 곡률 반경(r1, r2, r3)은 동일할 수 있다. 따라서, 제1 모퉁이(100b), 제2 모퉁이(200b), 그리고 제3 모퉁이(300b)에 가해지는 압력 및 스트레스를 균일하게 분산시킴으로써, 연료극(100), 전해질층(200), 및 공기극의 손상을 더욱 최소화할 수 있다. The in-plane curvature radii (r1, r2, r3) of the first corner 100b, the second corner 200b, and the third corner 300b may be the same. Therefore, by uniformly distributing the pressure and stress applied to the first corner 100b, the second corner 200b, and the third corner 300b, damage to the anode 100, the electrolyte layer 200, and the air electrode are prevented. can be further minimized.

그러면, 도 1 내지 도 4와 함께 도 6 및 도 7을 참고하여, 일 실시예에 따른 고체 산화물 셀의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. Then, with reference to FIGS. 6 and 7 along with FIGS. 1 to 4, a method for manufacturing a solid oxide cell according to an embodiment will be described in detail.

도 6 및 도 7은 일 실시예에 따른 고체 산화물 셀의 제조 방법의 일 단계를 설명하는 도면이다. 6 and 7 are diagrams illustrating one step of a method for manufacturing a solid oxide cell according to an embodiment.

도 6에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 고체 산화물 셀의 제조 방법은 우선, 사각 형상의 평판 형상을 가지는 복수의 연료극 부재(1)를 준비한다. 복수의 연료극 부재(1)는 동일한 크기 및 두께를 가질 수 있다. 복수의 연료극 부재(1)의 제1 모퉁이(100b)는 평면상 라운드되도록 형성될 수 있다.As shown in FIG. 6, the method for manufacturing a solid oxide cell according to an embodiment first prepares a plurality of anode members 1 having a rectangular flat plate shape. The plurality of anode members 1 may have the same size and thickness. The first corner 100b of the plurality of anode members 1 may be formed to be round in plan.

복수의 연료극 부재(1)는 중앙 부재(10), 중간 부재(30), 그리고 외측 부재(20)를 포함할 수 있다. 중앙 부재(10)는 제1 기공율을 가질 수 있다. 중간 부재(30)는 제1 기공율보다 큰 제3 기공율을 가질 수 있다. 외측 부재(20)는 제3 기공율보다 큰 제2 기공율을 가질 수 있다.The plurality of anode members 1 may include a central member 10, an intermediate member 30, and an outer member 20. The central member 10 may have a first porosity. The intermediate member 30 may have a third porosity that is greater than the first porosity. The outer member 20 may have a second porosity that is greater than the third porosity.

그리고, 복수의 연료극 부재(1)를 적층한다. 이 때, 중앙 부재(10)는 중앙에 위치할 수 있다. 중간 부재(30)는 중앙 부재(10)의 양면과 각각 대향하며 위치하는 제1 중간 부재(31) 및 제2 중간 부재(32)을 포함할 수 있다. 외측 부재(20)는 중간 부재(30)의 양면과 각각 대향하며 위치하는 제1 외측 부재(21) 및 제2 외측 부재(22)을 포함할 수 있다.Then, a plurality of anode members 1 are stacked. At this time, the central member 10 may be located in the center. The intermediate member 30 may include a first intermediate member 31 and a second intermediate member 32 that are positioned to face both sides of the central member 10, respectively. The outer member 20 may include a first outer member 21 and a second outer member 22 positioned against both surfaces of the middle member 30, respectively.

그리고, 복수의 연료극 부재(1)를 압착하여 복수의 연료극 부재(1)를 서로 부착할 수 있다. Then, the plurality of anode members 1 can be attached to each other by pressing the plurality of anode members 1.

그리고, 연료극 부재(1) 위에 전해질 부재(2)를 적층한다. 이 때, 전해질 부재(2)의 제2 모퉁이는 평면상 라운드되도록 형성될 수 있다.Then, the electrolyte member 2 is stacked on the anode member 1. At this time, the second corner of the electrolyte member 2 may be formed to be round in plan.

그리고, 복수의 연료극 부재(1) 및 전해질 부재(2)를 소결하는 등의 수축 공정을 진행하여 연료극(100) 및 전해질층(200)을 형성할 수 있다. Then, a shrinking process such as sintering the plurality of anode members 1 and electrolyte members 2 may be performed to form the anode 100 and the electrolyte layer 200.

복수의 연료극 부재(1)를 소결하는 경우, 기공율이 큰 외측 부재(20)가 기공율이 작은 중앙 부재(10)보다 더 수축될 수 있다. 따라서, 외측 부재(20)가 소결되어 형성된 외측층(120)의 제3 최단 길이(d3, 도 3 참조)가 중앙 부재(10)가 소결되어 형성된 중앙층(110)의 제1 최단 길이(d1)보다 짧게 형성될 수 있다. When sintering a plurality of anode members 1, the outer member 20 with a large porosity may shrink more than the central member 10 with a small porosity. Therefore, the third shortest length (d3, see FIG. 3) of the outer layer 120 formed by sintering the outer member 20 is the first shortest length (d1) of the central layer 110 formed by sintering the central member 10. ) can be formed shorter than.

또한, 중간 부재(30)가 소결되어 형성된 중간층(130)의 제2 최단 길이(d2, 도 3 참조)는 중앙층(110)의 제1 최단 길이(d1)보다 짤고, 외측층(120)의 제3 최단 길이(d3)보다 길게 형성될 수 있다. In addition, the second shortest length (d2, see FIG. 3) of the middle layer 130 formed by sintering the middle member 30 is shorter than the first shortest length (d1) of the middle layer 110, and the outer layer 120 It may be formed to be longer than the third shortest length (d3).

따라서, 연료극(100)의 모서리(100a) 및 제1 모퉁이(100b)는 연료극(100)의 두께 방향(Z)을 따라 라운드될 수 있다.Accordingly, the corner 100a and the first corner 100b of the anode 100 may be rounded along the thickness direction Z of the anode 100.

그리고, 전해질층(200) 위에 공기극(300)을 형성한다. 이 때, 공기극(300)의 제3 모퉁이(300b)는 평면상 라운드되도록 형성될 수 있다.Then, an air electrode 300 is formed on the electrolyte layer 200. At this time, the third corner 300b of the air gap 300 may be formed to be round in plan.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although a preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited thereto, and can be implemented with various modifications within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings. It is natural that it falls within the scope of the present invention.

100: 연료극 100a: 연료극의 모서리
100b: 연료극의 제1 모퉁이 110: 중앙층
120: 외측층 130: 중간층
200: 전해질층 300: 공기극
100: fuel electrode 100a: corner of the fuel electrode
100b: first corner of fuel electrode 110: central layer
120: outer layer 130: middle layer
200: electrolyte layer 300: air electrode

Claims (12)

서로 대향하는 연료극 및 공기극, 그리고
상기 연료극과 상기 공기극 사이에 위치하는 전해질층
을 포함하고,
상기 연료극은 평판 형상을 가지며,
상기 연료극의 모서리는 상기 연료극의 두께 방향을 따라 라운드되고,
상기 연료극은 중앙층, 그리고 상기 중앙층의 양측에 위치하는 외측층을 포함하고,
상기 연료극의 중앙층의 기공율인 제1 기공율은 상기 연료극의 외측층의 기공율인 제2 기공율보다 작은, 고체 산화물 셀.
fuel electrode and air electrode facing each other, and
Electrolyte layer located between the fuel electrode and the air electrode
Including,
The anode has a flat shape,
The edges of the fuel electrode are rounded along the thickness direction of the fuel electrode,
The fuel electrode includes a central layer and outer layers located on both sides of the central layer,
A solid oxide cell wherein the first porosity, which is the porosity of the central layer of the fuel electrode, is smaller than the second porosity, which is the porosity of the outer layer of the fuel electrode.
제1항에서,
상기 연료극의 상기 모서리를 연결하는 모퉁이인 제1 모퉁이는 상기 연료극의 두께 방향을 따라 라운드되는, 고체 산화물 셀.
In paragraph 1:
A first corner, which is a corner connecting the corners of the fuel electrode, is rounded along the thickness direction of the fuel electrode.
제2항에서,
상기 제1 모퉁이는 평면상 라운드되는, 고체 산화물 셀.
In paragraph 2,
A solid oxide cell, wherein the first corner is rounded in plan.
제3항에서,
상기 연료극의 모서리는 상기 연료극의 두께의 1/2의 곡률 반경을 가지며 상기 연료극의 두께 방향을 따라 라운드되는, 고체 산화물 셀.
In paragraph 3,
A solid oxide cell, wherein the edge of the fuel electrode has a radius of curvature of 1/2 the thickness of the fuel electrode and is rounded along the thickness direction of the fuel electrode.
제3항에서,
상기 전해질층의 모퉁이인 제2 모퉁이 및 상기 공기극의 모퉁이인 제3 모퉁이는 평면상 라운드되는, 고체 산화물 셀.
In paragraph 3,
A solid oxide cell, wherein the second corner, which is the corner of the electrolyte layer, and the third corner, which is the corner of the air electrode, are rounded in plan.
제1항에서,
상기 연료극은 상기 중앙층과 상기 외측층 사이에 위치하며 제3 기공율을 가지는 중간층을 더 포함하고,
상기 제3 기공율은 상기 제1 기공율보다 크고, 상기 제2 기공율보다 작은, 고체 산화물 셀.
In paragraph 1:
The fuel electrode further includes an intermediate layer having a third porosity and located between the central layer and the outer layer,
The third porosity is greater than the first porosity and smaller than the second porosity.
제6항에서,
상기 중간층의 길이는 상기 중앙층의 길이보다 길고, 상기 외측층의 길이보다 짧은, 고체 산화물 셀.
In paragraph 6:
A solid oxide cell, wherein the length of the middle layer is longer than the length of the central layer and shorter than the length of the outer layer.
제1 기공율을 가지는 중앙 부재, 그리고 상기 중앙 부재의 양측에 위치하며 상기 제1 기공율보다 큰 제2 기공율을 가지는 외측 부재를 포함하는, 평판 형상의 복수의 연료극 부재를 준비하고,
상기 복수의 연료극 부재를 적층 및 압착하고,
상기 연료극 부재 위에 전해질 부재를 적층하고,
상기 복수의 연료극 부재 및 상기 전해질 부재를 소결하여 상기 연료극 및 전해질층을 형성하여 상기 연료극의 모서리를 상기 연료극의 두께 방향을 따라 라운드시키고,
상기 전해질층 위에 공기극을 형성하는 것
을 포함하는 고체 산화물 셀의 제조 방법.
Prepare a plurality of anode members in the shape of a plate, including a central member having a first porosity, and outer members located on both sides of the central member and having a second porosity greater than the first porosity,
Stacking and compressing the plurality of anode members,
Laminating an electrolyte member on the anode member,
Sintering the plurality of anode members and the electrolyte member to form the anode and electrolyte layer, rounding the corners of the anode along the thickness direction of the anode,
Forming an air electrode on the electrolyte layer
A method of manufacturing a solid oxide cell comprising.
제8항에서,
상기 복수의 연료극 부재를 소결하여
상기 외측 부재가 상기 중앙 부재보다 더 수축되어 상기 외측 부재가 소결되어 형성된 외측층의 길이가 상기 중앙 부재가 소결되어 형성된 중앙층의 길이보다 짧게 형성되는, 고체 산화물 셀의 제조 방법.
In paragraph 8:
By sintering the plurality of anode members,
The outer member is contracted more than the central member so that the length of the outer layer formed by sintering the outer member is shorter than the length of the central layer formed by sintering the central member.
제9항에서,
상기 복수의 연료극 부재를 준비하는 것은
상기 복수의 연료극 부재의 모퉁이인 제1 모퉁이가 평면상 라운드되도록 형성하는 것을 포함하는, 고체 산화물 셀의 제조 방법.
In paragraph 9:
Preparing the plurality of anode members is
A method of manufacturing a solid oxide cell, comprising forming first corners of the plurality of anode members to be rounded in a plane.
제10항에서,
상기 전해질 부재를 적층하는 것은
상기 전해질 부재의 모퉁이인 제2 모퉁이가 평면상 라운드되도록 형성하는 것을 포함하는, 고체 산화물 셀의 제조 방법.
In paragraph 10:
Stacking the electrolyte members
A method of manufacturing a solid oxide cell, comprising forming a second corner, which is a corner of the electrolyte member, so that it is rounded in a plane.
제11항에서,
상기 공기극을 형성하는 것은
상기 공기극의 모퉁이인 제3 모퉁이가 평면상 라운드되도록 형성하는 것을 포함하는, 고체 산화물 셀의 제조 방법.
In paragraph 11:
Forming the air gap is
A method of manufacturing a solid oxide cell, comprising forming a third corner, which is a corner of the air electrode, so that it is rounded in a plane.
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