WO2022119284A1 - 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 프로톤 전도성 연료전지 - Google Patents

프로톤 전도성 연료전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 프로톤 전도성 연료전지 Download PDF

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김경준
임하니
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한국과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a proton conductive fuel cell, and more particularly, to a proton conductive fuel that is manufactured using a tape casting process, and has a shortened process time including a high-speed slurry manufacturing process and a sintering process using a micro sintering furnace It relates to a method of manufacturing a battery (PCFC).
  • PCFC battery
  • the fuel cell has high efficiency compared to the existing fossil fuel-based power generation method and at the same time is based on an electrochemical reaction that generates water, so it is an eco-friendly energy conversion device that can replace various energy conversion devices that are currently commercialized. .
  • Hydrogen which is mainly used as the fuel of the fuel cell, generates 2.75 times more energy than conventional gasoline (122 kJ per 1 g of hydrogen) and corresponds to a clean energy source that does not emit greenhouse gases, and the fuel cell produces electricity
  • the installation area of the facility is small, and compared to other eco-friendly energy generation facilities such as wind power or solar power, it has the advantage of being less affected by external factors such as the influence of climate, weather, and the environment of the installation area.
  • the fuel cell includes a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) using a polymer ion exchange membrane as an electrolyte, a phosphoric acid fuel cell (PAFC) using liquid phosphoric acid, and an alkaline fuel cell (AFC) using an alkaline electrolyte, depending on the electrolyte material used. ), a molten carbonate fuel cell (MCFC) using molten carbonate, and a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide.
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • AFC alkaline fuel cell
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the solid oxide fuel cell which uses a ceramic material that conducts oxygen ions as an electrolyte, has the highest efficiency among various types of fuel cells, and has the advantage of recycling waste heat due to high operating temperature.
  • the operating temperature of about 800 °C to 1,000 °C is a limitation of durability due to the difference in thermal expansion coefficient between fuel cell components, limitation of materials that can be used as electrode materials, high cost required to maintain a high-temperature operating environment, and chemical inter-components. It may cause problems such as reaction.
  • PCFC protonic ceramic fuel cell
  • the tape-casting process corresponds to a core technology for commercial use of the solid oxide-based energy device.
  • the tape casting process is a process of forming a uniform thickness by loading a slurry with optimized viscosity into a tape casting apparatus, and it is possible to continuously manufacture a uniform green tape, which is advantageous for mass production.
  • An object of the present invention for solving the above problems is a proton conductive fuel cell (PCFC) that is manufactured using a tape casting process, and the process time is shortened, including the ultra-high speed slurry manufacturing process and the sintering process using a micro sintering furnace. To provide a manufacturing method.
  • PCFC proton conductive fuel cell
  • Another object of the present invention is to provide a proton conductive fuel cell manufactured by the above manufacturing method.
  • One aspect of the present invention is a first step of preparing an anode support slurry, an anode reaction layer slurry, and an electrolyte slurry; a second step of tape casting each slurry prepared in the first step to prepare an anode support tape, an anode reaction layer tape, and an electrolyte tape; a third step of sequentially stacking the anode support tape, the anode reaction layer tape, and the electrolyte tape prepared in the second step to form a laminated structure; a fourth step of sintering the laminated structure formed in the third step by heat treatment in two steps at different temperatures; a fifth step of forming an air electrode on the surface on which the electrolyte tape of the laminated structure sintered in the fourth step is located; and a sixth step of co-sintering the laminated structure in which the cathode is formed in the fifth step. It provides a method of manufacturing a proton conductive fuel cell comprising a.
  • the first step may be performed using an acoustic resonance mixer.
  • the anode support slurry may include a composite of a BaCeO 3 -BaZrO 3 solid mixture and NiO.
  • the anode reaction layer slurry may include a composite of a BaCeO 3 -BaZrO 3 solid mixture and NiO.
  • the electrolyte slurry may include a BaCeO 3 -BaZrO 3 solid mixture.
  • the anode support tape, the anode reaction layer tape, and the electrolyte tape are sequentially stacked, and the anode support tape, the anode reaction, which are sequentially stacked at a temperature of 100° C. to 140° C. It can be done by pressing the layer tape and the electrolyte tape.
  • the fourth step may include a first heat treatment and a second heat treatment performed at different temperatures, and the first heat treatment may be performed at 800°C to 1,000°C for 12 hours to 20 hours. have.
  • the second heat treatment may be performed using a micro sintering furnace.
  • the second heat treatment may be performed at 1,400 °C to 1,600 °C for 30 minutes to 120 minutes.
  • the sixth step may be performed at 800 °C to 900 °C for 90 minutes to 180 minutes.
  • the step of cutting each of the anode support tape, the anode reaction layer tape, and the electrolyte tape manufactured in the second step may be further included.
  • the method may further include curing the laminated structure manufactured in the third step at room temperature between the third and fourth steps, and molding the laminated structure.
  • One aspect of the present invention provides a proton conductive fuel cell manufactured according to the method for manufacturing the proton conductive fuel cell.
  • the method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention according to the above configuration is performed using a tape casting process, so mass production is possible, and for the tape casting process, the material material slurry manufacturing process is performed using an acoustic resonance mixer (RAM), there is an advantage that the slurry manufacturing process time can be shortened.
  • acoustic resonance mixer acoustic resonance mixer
  • the method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention includes a sintering process using a micro sintering furnace, and has advantages in that the sintering time can be shortened and an electrolyte having a dense structure can be manufactured.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of a microwave sintering process using the micro sintering furnace.
  • FIG 3 is a photograph of the anode support tape (a), the anode reaction layer tape (b), and the electrolyte tape (c) manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a photograph (b) of a sintering profile (a) of the primary heat treatment process and a laminated structure subjected to the primary heat treatment in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph (b) of a sintered profile (a) of the secondary heat treatment process and a laminated structure subjected to secondary heat treatment in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the output density result calculated by measuring the current-voltage-power density, electrolyte and electrode resistance of the proton conductive fuel cell according to an embodiment of the present invention, and using the measurements.
  • FIG. 7 is a SEM image of a cross-section of a proton conductive fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • One aspect of the present invention provides a method of manufacturing a proton conductive fuel cell.
  • a protonic ceramic fuel cell is a low-temperature fuel cell using a protonic conductive solid oxide, in which the reaction shown in Equation 1 below occurs. It is known:
  • Equation 1 in the proton conductive fuel cell, hydrogen supplied to the anode is separated into protons and electrons and moves along the electrolyte and the wire, respectively, and the protons passing through the electrolyte react with oxygen at the cathode to form water. do.
  • BaCeO 3 and BaZrO 3 -based materials doped with rare earth elements among various proton conductive ceramics used in the PCFC exhibit relatively high proton conductivity in a mid-low temperature region.
  • the proton conductivity is the highest and the sinterability is relatively excellent, but the phase stability is weak in water vapor and carbon dioxide atmosphere . It is low and the intergranular proton conductivity is significantly lower than that of the intragranular.
  • the BaCeO 3 -BaZrO 3 solid mixture which is expected to take advantage of the respective advantages of the two materials, is being actively conducted.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention.
  • the method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention includes a first step (S10) of preparing an anode support slurry, an anode reaction layer slurry, and an electrolyte slurry; a second step (S20) of tape-casting each of the slurries prepared in the first step (S10) to prepare an anode support tape, an anode reaction layer tape, and an electrolyte tape; a third step (S30) of sequentially stacking the anode support tape, the anode reaction layer tape, and the electrolyte tape manufactured in the second step (S20) to form a laminated structure (S30); a fourth step (S40) of sintering the laminated structure formed in the third step (S30) by heat treatment in two steps at different temperatures; a fifth step (S50) of forming a cathode on the surface on which the electrolyte tape of the laminated structure sintered in the fourth step (S40) is located;
  • the method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention includes a first step (S10) of preparing an anode support slurry, an anode reaction layer slurry, and an electrolyte slurry.
  • the first step (S10) may be performed using a Resonant Acoustic Mixing (RAM).
  • RAM Resonant Acoustic Mixing
  • each of the proton conductive ceramic powders and solvents constituting the anode support slurry, the anode reaction layer slurry, and the electrolyte slurry is mixed using the RAM, and the It is possible to prepare an anode support slurry, an anode reaction layer slurry, and an electrolyte slurry.
  • the RAM is a method of mixing by dispersing or crushing particles of a mixture using the principle of acoustic resonance. More specifically, the mixture may be induced into an acoustic resonance state using a natural resonant acoustic frequency capable of refining the particle size constituting the mixture, and at this time, the resonance Acoustic energy, including acoustic frequencies, builds up inside the particles making up the mixture, causing the particles to be inherently dispersed within the structure or into the surrounding medium.
  • each of the anode support slurry, the anode reaction layer slurry, and the electrolyte slurry is prepared using the above-described principle, and the large particles and aggregated particles generated in the normal mixing process are crushed. And it is possible to increase the degree of dispersion, it is possible to improve the quality of the slurry through uniform mixing.
  • the process using the RAM for preparing the anode support slurry, the anode reaction layer slurry, and the electrolyte slurry is 20 minutes to 40 minutes, for example, 30 minutes, respectively. It can be carried out for minutes, which has the advantage that the time of the slurry manufacturing process can be shortened compared to the conventional slurry manufacturing process using a ball mill which takes about 72 hours.
  • the anode support slurry, the anode reaction layer slurry, and the electrolyte slurry are in common with a proton conductive ceramic powder, for example, a BaCeO 3 -BaZrO 3 solid mixture, for example, yttrium and ytterbium.
  • a proton conductive ceramic powder for example, a BaCeO 3 -BaZrO 3 solid mixture, for example, yttrium and ytterbium.
  • co-doped BZCYYb for example, BaZr 0.5 Ce 0.3 Y 0.1 Yb 0.1 O 3 .
  • the anode-support slurry may further include NiO in the BaCeO 3 -BaZrO 3 solid mixture, and the NiO is reduced to Ni by the fuel supplied after the battery is fastened to serve as an electron conductive material.
  • the anode support slurry may further include at least one of a pore agent, a binder, a plasticizer, a dispersant, and a solvent, if necessary, and the pore agent, the binder, the plasticizer, the dispersant and the solvent are not particularly limited, and are known in the art. Any conventional material can be used.
  • the content of NiO-BZCYYb is 35 wt% to 55 wt%
  • the content of the pore agent is 5 wt% to 10 wt%
  • the binder and the dispersant are The content may be 5 wt% to 10 wt%
  • the content of the plasticizer may be 5 wt% to 10 wt%
  • the content of the solvent may be 25 wt% to 35 wt%.
  • the anode reaction layer slurry may further include NiO in the BaCeO 3 -BaZrO 3 solid mixture, and the NiO is reduced to Ni by the fuel supplied after the battery is fastened to serve as an electron conductive material.
  • the anode reaction layer slurry may further include at least one of a binder, a plasticizer, a dispersing agent, and a solvent as needed, and the binder, plasticizer, dispersant and solvent are not particularly limited, and conventional materials known in the art may be used. can be used
  • the content of NiO-BZCYYb is 35 wt% to 55 wt%
  • the content of the binder and the dispersant is 5 wt% to 10 wt%
  • the content of the plasticizer Silver may be 5 wt% to 10 wt%
  • the content of the solvent may be 25 wt% to 35 wt%.
  • the electrolyte slurry may further include at least one of a binder, a plasticizer, a dispersant, and a solvent, if necessary, and the binder, plasticizer, dispersant and solvent are not particularly limited, and are conventional known in the art. phosphorus material may be used.
  • the content of BZCYYb is 35 wt% to 55 wt%
  • the content of the binder and dispersant is 5 wt% to 10 wt%
  • the content of the plasticizer is 5 wt% to 10 wt%
  • the content of the solvent may be 25 wt% to 35 wt%.
  • the pore agent included in the anode support slurry may be a conventional material capable of forming a pore structure.
  • the pore agent is diethyl glycol (diethylglycol), polyethylene glycol (polyethylene glycol), polyvinylpyrrolidone (polyvinylpyrrolidone, PVP), polyvinyl alcohol (polyvinylalcohol) and polymethyl methacrylate (polymethylmethacrylate, PMMA), but may include at least one selected from, but is not limited thereto.
  • the solvent included in each of the anode support slurry, the anode reaction layer slurry and the electrolyte slurry is mixed with the proton conductive ceramic powder, the dispersant, the binder and the plasticizer, and fluidity control of a slurry composition including the same may be used for Specifically, for example, the solvent is selected from ethanol, toluene, triethylene glycol ethyl ether, ethylene glycol hexyl ether, diethylene glycol ethyl ether, tripropylene glycol methyl ether, ethylene glycol and xylene. It may include at least any one, but is not limited thereto.
  • a plasticizer included in each of the anode support slurry, the anode reaction layer slurry, and the electrolyte slurry may be added to increase processability and flexibility of the prepared slurry composition.
  • the plasticizer is dibutyl phthalate (DBP), di-2-ethylhexyl phthalate (DOP), diisononyl phthalate (DINP), diiso Choose from diisodecyl phthalate (DIDP), butyl benzyl phthalate (BBP), glycerol, ethylene glycol, polyethylene glycol, dioctyl phthalate, triphenyl phosphate, trioyl phosphate, polyethylene glycol dimethyl ether and dimethylformamide It may include at least any one, but is not limited thereto.
  • the dispersing agent included in each of the anode support slurry, the anode reaction layer slurry, and the electrolyte slurry is used to increase the dispersibility of the proton conductive ceramic powder mixed with the solvent in a solvent.
  • Dispersants may be used.
  • the dispersant may include at least one selected from polyethylene glycol ether, alkyl sulfonate, polycarboxylate, phosphoric acid-based ester, and HypermerTM KD, but is not limited thereto. does not
  • the binder included in each of the anode support slurry, the anode reaction layer slurry, and the electrolyte slurry is, for example, polyvinylbutyral (PVB), polyvinylalcohol (polyvinylalcohol, PVA), polyvinylpyrrolidone, polyethylene glycol, xylene, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyvinylidene chloride, polycarbonate, polyimide, and at least one selected from ethyl cellulose, but is not limited thereto. does not
  • the viscosity of the slurry when the binder content is increased with respect to the proton conductive ceramic powder, in proportion to the binder content, the viscosity of the slurry may increase, and the dispersant content for the proton conductive ceramic powder may be increased. In this case, the viscosity of the slurry may decrease.
  • the content of the binder and the dispersant may be adjusted to an appropriate viscosity usable in the tape casting process of the second step (S20) to be described later.
  • each slurry prepared in the first step (S10) is tape-casted, and the anode support tape, the anode reaction layer tape, and the electrolyte tape are prepared in the second step ( S20); includes.
  • the anode support tape, the anode reaction layer tape, and the electrolyte tape are prepared by a tape casting process using the anode support slurry, the anode reaction layer slurry and the electrolyte slurry prepared in the first step (S10), respectively. can be manufactured through
  • the anode support slurry is coated on a release film using a doctor blade having a thickness of several hundred ⁇ m to 1,000 ⁇ m, dried, and then the release film is peeled off It can be carried out including
  • the drying may be performed at 50 ° C. to 120 ° C. for 10 minutes or less, and the type of the release film is not particularly limited, but, for example, a polyethylene (PET) carrier film coated with silicon (Si) may be used.
  • PET polyethylene
  • Si silicon
  • the average thickness of the prepared anode support tape may be 300 ⁇ m to 400 ⁇ m.
  • the anode reaction layer slurry in the process of manufacturing the anode reaction layer tape, is coated on a release film using a film applicator having a thickness of several tens of ⁇ m, dried, and then the release film It can be carried out including the process of peeling off.
  • the drying may be performed at 50 ° C. to 120 ° C. for 10 minutes or less, and the type of the release film is not particularly limited, but, for example, a polyethylene (PET) carrier film coated with silicon (Si) may be used.
  • PET polyethylene
  • Si silicon
  • the average thickness of the prepared anode reaction layer tape may be 20 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the process of manufacturing the electrolyte tape is a process of coating the electrolyte slurry on a release film using a film applicator having a thickness of several tens of ⁇ m, drying the release film, and then peeling the release film It can be carried out including
  • the drying may be performed at 50 ° C. to 120 ° C. for 10 minutes or less, and the type of the release film is not particularly limited, but, for example, a polyethylene (PET) carrier film coated with silicon (Si) may be used.
  • PET polyethylene
  • Si silicon
  • the average thickness of the prepared electrolyte tape may be 15 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the tape manufactured in the second step ( S20 ) may be uniformly maintained without dispersion, thereby making it possible to manufacture a mass-produced green tape.
  • the method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention comprises a third step (S30) of sequentially stacking the anode support tape, the anode reaction layer tape, and the electrolyte tape prepared in the second step (S20) to form a laminated structure (S30). ); includes.
  • each of the anode support tape, the anode reaction layer tape and the electrolyte tape manufactured in the second step (S20) is cut It may further include the step of
  • the process of cutting each tape is for easily performing the lamination process of the third step (S30), and may be performed by cutting the tape to a size suitable for performing the lamination process.
  • the anode support tape, the anode reaction layer tape, and the electrolyte tape are sequentially stacked, and the anode support tape stacked in sequence at a temperature of 100° C. to 140° C. , by pressing the anode reaction layer tape and the electrolyte tape.
  • the third step ( S30 ) may be performed using a lamination apparatus, and an anode support tape, an anode reaction layer tape, and Electrolyte tapes are sequentially laminated to form a laminated structure, introduced into the lamination device, and compressed in 4 directions at 120° C., and the laminated structure produced in the process is an anode support/anode reaction layer/ It may include the structure of the electrolyte.
  • the method of manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention includes a fourth step (S40) of sintering the laminated structure formed in the third step (S30) by heat treatment in two steps at different temperatures.
  • curing the laminated structure prepared in the third step (S30) at room temperature, and molding the laminated structure may further include.
  • the curing process at room temperature is to enable the softened laminated structure to be molded, and the molding process easily performs the heat treatment process of the fourth step (S40) and determines the shape of the proton conductive fuel cell.
  • the shape of the laminated structure formed by the forming process may determine the shape of the proton conductive fuel cell to be manufactured later.
  • the shape of the laminated structure formed in the forming process is not limited, and may be, for example, a coin type, a flat type, a cylinder type, a cone type, a sheet type, or a laminate type.
  • the fourth step may include a first heat treatment and a second heat treatment performed at different temperatures.
  • the BaCeO 3 -BaZrO 3 solid mixture used in the method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention is a non-sintering material, and when performing the sintering process, a high sintering temperature is required, the process is complicated, and the process time is long.
  • the first heat treatment corresponds to a pretreatment process for preventing combustion of organic materials included in the laminated structure, warping or cracking of ceramics, and 800 to 1,000 °C, for example, 900 It may be carried out at °C for 12 hours to 20 hours, for example, 18 hours.
  • the first heat treatment may be performed using a sintering furnace commonly used in the art.
  • the second heat treatment is to form a dense microstructure of the electrolyte, and may be performed using a microwave furnace.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of a microwave sintering process using the micro sintering furnace.
  • the microwave sintering process has the advantage of minimizing the deformation or destruction of the sintered body due to thermal shock due to the small temperature gradient inside the specimen because heat is generated from the specimen itself by the microwave.
  • rapid heating is possible and sintering is possible only by maintaining a short time of about 2 minutes, defects and segregation of the barium (Ba) element can be suppressed and the reaction between the electrolyte/cathode support can be minimized.
  • the second heat treatment may be performed at 1,400° C. to 1,600° C., for example, at 1,500° C. for 30 minutes to 120 minutes, for example, 120 minutes.
  • the method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention includes a fourth step including the first heat treatment and the second heat treatment, so that the sintering process time can be shortened.
  • the manufacturing method of the proton conductive fuel cell of the present invention comprises: a fifth step (S50) of forming an air electrode on the surface on which the electrolyte tape of the laminated structure sintered in the fourth step (S40) is located; and a sixth step (S60) of co-sintering the laminated structure in which the cathode is formed in the fifth step (S50).
  • the cathode is an inorganic material having oxygen ion conductivity, for example, lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), for example, LSCF2882 (La 0.2 Sr 0.8 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 ) may include, but is not limited to.
  • LSCF lanthanum strontium cobalt ferrite
  • the LSCF2882 may be mixed with a binder to be manufactured as an ink-type cathode material, and in the fifth step (S50), the ink-type cathode material is screen-printed using a screen printing method, in the fourth step (S40). It may be applied to the surface on which the electrolyte tape of the sintered laminated structure is located, but is not limited thereto.
  • a unit cell of a proton conductive fuel cell may be manufactured through the co-sintering process of the sixth step (S60) of the laminated structure in which the cathode is applied to the surface on which the electrolyte tape is located.
  • the unit cell of the proton conductive fuel cell is, for example, LSCF2882
  • the sixth step (S60) may be performed using a sintering furnace commonly used in the art, and 800 to 900 °C, for example, 900 °C for 90 minutes to 180 minutes, for example, 120 minutes may be performed, but is not limited thereto.
  • NiO-BZCYYb (BaZr 0.5 Ce 0.3 Y 0.1 Yb 0.1 O 3 ) powder, a pore agent, a binder, a dispersant, a plasticizer, and toluene were mixed, followed by acoustic resonance mixing for about 30 minutes to form a slurry to prepare an anode support slurry.
  • the content of NiO-BZCYYb is 45 wt%
  • the content of the pore agent is 6 wt%
  • the content of the binder and the dispersant is 8 wt%
  • the content of the plasticizer is 9 wt%
  • the content of the solvent is 32 wt%.
  • the content of the NiO-BZCYYb was 43 wt% based on the total wt% of the anode reaction layer slurry without including a pore agent, and the content of the binder and the dispersant was 7 wt% , and the content of the plasticizer was 6 wt%, and the content of the solvent was 44 wt%, and the same method as in Preparation Example 1-1 was followed to prepare an anode reaction layer slurry.
  • BZCYYb (BaZr 0.5 Ce 0.3 Y 0.1 Yb 0.1 O 3 ) was used instead of NiO-BZCYYb (BaZr 0.5 Ce 0.3 Y 0.1 Yb 0.1 O 3 ) powder without including a pore agent, and the Based on the total wt% of the electrolyte slurry, the content of BZCYYb is 51 wt%, the content of the binder and dispersant is 9 wt%, the content of the plasticizer is 5 wt%, and the content of the solvent is 35 wt% Then, an electrolyte slurry was prepared in the same manner as in Preparation Example 1-1.
  • the anode support slurry, the anode reaction layer slurry, and the electrolyte slurry prepared in Preparation Examples 1-1 to 1-3 were coated on a polyethylene (PET) carrier film coated with silicon (Si) at room temperature using tape casting equipment. , an anode support tape, an anode reaction layer tape, and an electrolyte tape were prepared.
  • PET polyethylene
  • Si silicon
  • the anode support tape was cast using a doctor blade having a thickness of several hundred ⁇ m to 1,000 ⁇ m, and the anode reaction layer tape and the electrolyte tape were cast using a film applicator having a thickness of several tens of ⁇ m. proceeded.
  • FIG. 3 is a photograph of the anode support tape (a), the anode reaction layer tape (b), and the electrolyte tape (c) prepared in Preparation Examples 2-1 to 2-3. Referring to FIG. 3 , it can be confirmed that each of the tapes is maintained uniformly without dispersion, and through this, it can be confirmed that mass production type green tape can be manufactured by the tape casting process.
  • the anode support tape, the anode reaction layer tape, and the electrolyte tape prepared in Preparation Examples 2-1 to 2-3 were cut to a size of 8 X 8 cm 2 , stacked sequentially to form a laminate structure, and then compressed to perform lamination. proceeded. At this time, the compression temperature was fixed at 120° C., and lamination was performed in four directions, and after lamination, it was cured at room temperature and molded into a coin shape.
  • the laminated structure formed in the coin shape was subjected to primary heat treatment at 900° C. for 18 hours in a sintering furnace.
  • FIG. 4 is a photograph (b) of a sintered profile (a) of the primary heat treatment process and a laminated structure subjected to the primary heat treatment.
  • the first heat-treated laminated structure was subjected to secondary heat treatment for 2 hours at a temperature of 1,500° C. in a microwave furnace.
  • FIG. 5 is a photograph (b) of a sintered profile (a) of the secondary heat treatment process and a laminated structure subjected to secondary heat treatment.
  • ESL441 (Electroscience, USA) was mixed with LSCF2882 ((La 0.2 Sr 0.8 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 )) powder in a ratio of 1.5:1 and stirred to prepare an ink-type cathode material.
  • the cathode material in the ink form was applied to the electrolyte tape side of the secondary heat-treated laminated structure, and co-sintered at 900° C. for 2 hours to obtain LSCF2882
  • the maximum power density (MPD) measurement result was 0.165 W/cm 2 at 500 ° C., and 0.319 ⁇ cm 2 Ohmic resistance of the unit cell was confirmed, and the polarization resistance was It was confirmed that it was 8.154 ⁇ cm 2 .

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Abstract

본 발명은 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 제조하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 제조된 각각의 슬러리를 테이프 캐스팅 하여, 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 제조하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 제조된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 차례대로 적층하여 적층구조체를 형성하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계에서 형성된 적층구조체를 서로 상이한 온도에서 2 단계 열처리 하여 소결하는 제 4 단계; 상기 제 4 단계에서 소결된 적층구조체의 전해질 테이프가 위치하는 면에 공기극을 형성하는 제 5 단계; 및 상기 제 5 단계에서 공기극이 형성된 적층구조체를 공소결하는 제 6 단계;를 포함하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법을 제공한다.

Description

프로톤 전도성 연료전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 프로톤 전도성 연료전지
본 발명은 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 테이프 캐스팅 공정을 이용하여 제조되고, 초고속 슬러리 제조 공정 및 마이크로 소결로를 이용한 소결 공정을 포함하여 공정시간이 단축되는 프로톤 전도성 연료전지(PCFC)의 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈 및 오랜 시간 처리가 필요한 폐기물 문제가 수면위로 대두됨에 따라 친환경적인 에너지 변환장치의 개발이 주목을 받고 있다. 그 중에서도 연료 전지는 기존의 화석연료기반의 발전방식에 비해서 높은 효율을 가짐과 동시에 물이 생성되는 전기화학 반응을 기반으로 하므로 현재 상용화된 여러 에너지 변환장치들을 대체할 수 있는 친환경적인 에너지 변환장치이다.
상기 연료전지의 연료로 주로 사용되는 수소는 기존의 휘발유와 비교하여 2.75 배 많은 에너지를 생성하며(수소 1g 당 122 kJ) 온실가스를 배출하지 않는 청정 에너지원에 해당하고, 상기 연료전지는 전력 생산시설의 설치 면적이 작고 풍력이나 태양열과 같은 기타 친환경 에너지 발전시설에 비해서 기후나 날씨, 설치 지역의 환경에 의한 영향 등 외부 요인에 의한 영향이 적다는 장점이 있다.
상기 연료전지는 사용되는 전해질 물질에 따라 고분자 이온 교환막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 액체 인산을 사용하는 인산형 연료전지(PAFC), 알칼라인 전해질을 사용하는 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염을 사용하는 용융탄산염 연료전지(MCFC) 및 고체산화물을 사용하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 등으로 구분될 수 있다.
그 중에서도 산소 이온을 전도하는 세라믹물질을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 여러 종류의 연료전지들 중에서도 가장 높은 효율을 가질 뿐만 아니라 높은 작동온도로 인한 폐열을 재활용 할 수 있다는 장점을 가지고 있는 반면, 약 800 ℃ 내지 1,000 ℃의 작동온도는 연료전지 구성요소간의 열적 팽창계수 차이로 인한 내구성의 한계, 전극 물질로써 사용 가능한 물질의 제한, 고온 작동환경 유지에 필요한 높은 비용, 구성요소간의 화학적 반응 등의 문제를 야기할 수 있다.
상기 SOFC 보다 저온에서 작동할 수 있는 프로톤 전도성 연료전지(Protonic ceramic fuel cell, PCFC)는 새로운 저온형 연료전지로써 최근 많은 관심을 받고 있다
한편, 테이프 캐스팅 공정(tape-casting)은 고체산화물 기반 에너지 소자를 상용하기 위한 핵심 기술에 해당한다. 상기 테이프 캐스팅 공정은 점도가 최적화된 슬러리를 테이프 캐스팅 장치에 로딩하여 일정한 두께를 성형하는 공정으로, 연속적으로 균일한 그린 테이프를 제조할 수 있어, 대량 생산에 유리한 장점이 있다.
그러나, 상기 테이프 캐스팅 공정을 수행함에 있어서, 슬러리를 제조하기 위한 시간이 많이 소요되며, 결함 없는 세라믹 형태를 갖추기 위해서는 여러 단계의 복잡한 열처리 공정이 필요하다.
더구나, 상기 프로톤 전도성 연료전지(SOFC)의 제조의 있어서, 프로톤 전도성 세라믹 전해질 물질의 특징상 치밀화 되기 어렵고, 1,600 ℃ 이상의 높은 온도 및 긴 시간의 열처리 공정이 요구되는 바, 상기 테이프 캐스팅 공정을 프로톤 전도성 연료전지의 제조에 사용되는 연구는 거의 보고된 바 없다.
<선행기술문헌>
미국 등록특허 제 10305116 호
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 테이프 캐스팅 공정을 이용하여 제조되고, 초고속 슬러리 제조 공정 및 마이크로 소결로를 이용한 소결 공정을 포함하여 공정시간이 단축되는 프로톤 전도성 연료전지(PCFC)의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법에 의하여 제조되는 프로톤 전도성 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양태는 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 제조하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 제조된 각각의 슬러리를 테이프 캐스팅 하여, 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 제조하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 제조된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 차례대로 적층하여 적층구조체를 형성하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계에서 형성된 적층구조체를 서로 상이한 온도에서 2 단계 열처리 하여 소결하는 제 4 단계; 상기 제 4 단계에서 소결된 적층구조체의 전해질 테이프가 위치하는 면에 공기극을 형성하는 제 5 단계; 및 상기 제 5 단계에서 공기극이 형성된 적층구조체를 공소결하는 제 6 단계; 를 포함하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 단계는 음향공명 믹서를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료극 지지체 슬러리는 BaCeO3-BaZrO3 고체혼합물 및 NiO의 복합체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료극 반응층 슬러리는 BaCeO3-BaZrO3 고체혼합물 및 NiO의 복합체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전해질 슬러리는 BaCeO3-BaZrO3 고체혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 3 단계는 상기 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 차례대로 적층하고, 100 ℃ 내지 140 ℃의 온도에서 상기 차례대로 적층된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 압착하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 4 단계는 서로 상이한 온도에서 수행되는 제 1 열처리 및 제 2 열처리를 포함하고, 상기 제 1 열처리는 800 ℃ 내지 1,000 ℃에서 12 시간 내지 20 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 열처리는 마이크로 소결로를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 열처리는 1,400 ℃ 내지 1,600 ℃에서 30 분 내지 120 분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 6 단계는 800 ℃ 내지 900 ℃ 에서 90 분 내지 180 분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 단계 및 제 3 단계 사이에, 상기 제 2 단계에서 제조되는 각각의 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 커팅하는 단계를 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 3 단계 및 제 4 단계 사이에 상기 제 3 단계에서 제조되는 적층구조체를 상온에서 경화하고, 상기 적층구조체를 성형하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태는 상기 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법에 따라 제조된 프로톤 전도성 연료전지를 제공한다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법은 테이프 캐스팅 공정을 이용하여 수행되는 바, 대량 생산이 가능하고, 상기 테이프 캐스팅 공정을 위하여, 재료 물질 슬러리 제조 공정을 음향공명 믹서(RAM)를 이용하여 수행되는 바, 슬러리 제조 공정시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법은 마이크로 소결로를 이용한 소결 공정을 포함하는 바, 소결 시간을 단축할 수 있고, 치밀한 구조의 전해질을 제조할 수 있다는 장점이 있다.
나아가, 상기 슬러리 제조 공정시간 및 소결 시간의 단축을 통하여, 프로톤 전도성 연료전지 제조공정의 종합적인 공정 시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 상기 마이크로 소결로를 이용한 microwave 소결 공정의 원리를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 연료극 지지체 테이프(a), 연료극 반응층 테이프(b) 및 전해질 테이프(c)의 사진이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에서 1 차 열처리 공정의 소결 프로파일(a) 및 1 차 열처리된 적층구조체의 사진(b)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 2 차 열처리 공정의 소결 프로파일(a) 및 2 차 열처리된 적층구조체의 사진(b)이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 프로톤 전도성 연료전지의 전류-전압-출력 밀도와 전해질 및 전극 저항을 측정하고, 이를 이용하여 산출된 출력 밀도 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 프로톤 전도성 연료전지의 단면의 SEM 이미지이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 양태는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서에서, 프로톤 전도성 연료전지(Protonic ceramic fuel cell; PCFC)란, 프로톤 전도성 고체산화물(Protonic ceramic oxide)을 이용한 저온형 연료전지로, 상기 프로톤 전도성 연료전지에서는 하기의 식 1에 표시된 반응이 일어나는 것으로 알려져 있다:
[식 1]
2H2 → 4H+ + 4e- (연료극)
4H+ + O2 + 4e- → 2H2O (공기극)
2H2 + O2 → 2H2O (전체 반응)
식 1을 참조하면, 프로톤 전도성 연료전지에서, 연료극으로 공급된 수소는 프로톤과 전자로 분리되어 각각 전해질과 도선을 따라 이동하게 되고, 전해질을 통과한 프로톤은 공기극에서 산소와 반응하여 물을 형성하게 된다.
종래의 SOFC의 전기화학 반응이 연료극에서 물이 생성되는 현상을 보여주는 것과 달리, PCFC의 경우 전기화학적 반응을 통해 생성되는 물이 연료가 공급되는 연료극 쪽이 아닌 공기극에서 생성되기 때문에 연료가 희석되는 효과를 배제할 수 있어 연료를 더욱 효과적으로 사용할 수 있고, PCFC는 저온형 고체산화물 연료전지의 새로운 대안으로써 주목 받고 있다.
한편, 상기 PCFC에 사용되는 다양한 프로톤 전도성 세라믹 중 희토류 원소가 도핑된 BaCeO3 및 BaZrO3계 물질은 중저온 영역에서 비교적 높은 프로톤 전도도를 보이는 것으로 알려져 있다. 상기 BaCeO3계 물질의 경우 프로톤 전도도가 가장 높고 소결성이 상대적으로 우수하지만 수증기 및 이산화탄소 분위기에서 취약한 상 안정성을 보이는 반면, BaZrO3계 물질의 경우 상 안정성이 비교적 우수하고 입내 프로톤 전도도가 우수하지만 소결성이 낮고 입계 프로톤 전도도가 입내에 비해 현저하게 낮은 특성을 보인다.
따라서 상기 두 물질의 각각의 장점을 취할 수 있을 것으로 기대되는 BaCeO3-BaZrO3 고체 혼합물에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 조성에 따라 물성변화가 상반되게 보고되는 경우가 빈번하여 합성방법 및 최적 조성에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 특히, 상기 BaCeO3-BaZrO3 고체 혼합물은 난소결성 물질로, 상기 BaCeO3-BaZrO3 고체 혼합물을 이용하여 프로톤 전도성 연료전지를 제조하는 경우, 고온의 소결온도가 필요하고, 공정이 복잡하고, 공정시간이 길다는 문제가 있었다.
도 1은 본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법의 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법은 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 제조하는 제 1 단계(S10); 상기 제 1 단계(S10)에서 제조된 각각의 슬러리를 테이프 캐스팅 하여, 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 제조하는 제 2 단계(S20); 상기 제 2 단계(S20)에서 제조된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 차례대로 적층하여 적층구조체를 형성하는 제 3 단계(S30); 상기 제 3 단계(S30)에서 형성된 적층구조체를 서로 상이한 온도에서 2 단계 열처리 하여 소결하는 제 4 단계(S40); 상기 제 4 단계(S40)에서 소결된 적층구조체의 전해질 테이프가 위치하는 면에 공기극을 형성하는 제 5 단계(S50); 및 상기 제 5 단계(S50)에서 공기극이 형성된 적층구조체를 공소결하는 제 6 단계(S60);를 포함한다.
먼저, 본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법은 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 제조하는 제 1 단계(S10);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 단계(S10)는 음향공명 믹서(Resonant Acoustic Mixing; RAM)를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 단계(S10)는 상기 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 구성하는 각각의 프로톤 전도성 세라믹 분말, 용매 등을 상기 RAM을 이용하여 혼합하고, 상기 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 제조할 수 있게 된다.
상기 RAM은 음향 공명의 원리를 이용하여 혼합물의 입자를 분산 또는 입자를 파쇄시켜 혼합하는 방법이다. 더욱 상세하게는, 혼합물을 구성하는 입자 크기를 미세화 할 수 있는 천연의 공명 음향 주파수(resonant acoustic frequency)를 이용하여 상기 혼합물을 음향 공명(acoustic resonance) 상태로 유도할 수 있고, 이 때, 상기 공명 음향 주파수를 포함하는 음향 에너지가 혼합물을 구성하는 입자 내부에 쌓여 입자를 구조 내부 또는 주위 매질로 고유 분산되게 된다.
본 발명의 제 1 단계(S10)는 상술한 원리를 이용하여, 각각의 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 제조하게 되는 바, 보통의 혼합 공정에서 생성되는 거대입자 및 응집 입자의 파쇄 및 분산도를 높일 수 있어, 균일한 혼합을 통해 슬러리의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 단계(S10)에서, 상기 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 제조하는 상기 RAM을 이용하는 공정은 각각 20 분 내지 40분, 예를 들면, 30분 동안 수행될 수 있는데, 이는 종래의 볼밀을 이용한 슬러리 제조 공정이 약 72 시간이 소요되는 것과 비교하여, 슬러리 제조 공정의 시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리는 공통적으로, 프로톤 전도성 세라믹 분말, 예를 들면, BaCeO3-BaZrO3 고체혼합물, 예를 들면, 이트륨 및 이터븀이 동시 도핑된 BZCYYb, 예를 들면, BaZr0.5Ce0.3Y0.1Yb0.1O3을 포함할 수 있다.
상기 BaCeO3-BaZrO3 고체혼합물의 프로톤 전도성 연료전지에의 사용에 있어서의 효과는 상술한 바와 같다.
구체적인 실시예에서, 상기 연료극- 지지체 슬러리는 BaCeO3-BaZrO3 고체혼합물에 NiO를 더 포함할 수 있고, 상기 NiO는 전지 체결 후 공급되는 연료에 의해 Ni로 환원되어 전자 전도성 물질로서 역할을 수행할 수 있다.
상기 연료극 지지체 슬러리는 필요에 따라 기공제, 바인더, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 기공제, 바인더, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
예를 들면, 상기 연료극 지지체 슬러리 총 wt%를 기준으로, NiO-BZCYYb의 함량은 35 wt% 내지 55 wt%이고, 상기 기공제의 함량은 5 wt% 내지 10 wt%이고, 상기 바인더 및 분산제의 함량은 5 wt% 내지 10 wt%이고, 가소제의 함량은 5 wt% 내지 10 wt%이고, 용매의 함량은 25 wt% 내지 35 wt%일 수 있다.
구체적인 실시예에서, 상기 연료극 반응층 슬러리는 BaCeO3-BaZrO3 고체혼합물에 NiO를 더 포함할 수 있고, 상기 NiO는 전지 체결 후 공급되는 연료에 의해 Ni로 환원되어 전자 전도성 물질로서 역할을 수행할 수 있다.
상기 연료극 반응층 슬러리는 필요에 따라 바인더, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
예를 들면, 상기 연료극 반응층 슬러리 총 wt%를 기준으로, NiO-BZCYYb의 함량은 35 wt% 내지 55 wt%이고, 상기 바인더 및 분산제의 함량은 5 wt% 내지 10 wt%이고, 가소제의 함량은 5 wt% 내지 10 wt%이고, 용매의 함량은 25 wt% 내지 35 wt%일 수 있다.
구체적인 실시예에서, 상기 전해질 슬러리는 필요에 따라 바인더, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
예를 들면, 상기 전해질 슬러리 총 wt%를 기준으로, BZCYYb의 함량은 35 wt% 내지 55 wt%이고, 상기 바인더 및 분산제의 함량은 5 wt% 내지 10 wt%이고, 가소제의 함량은 5 wt% 내지 10 wt%이고, 용매의 함량은 25 wt% 내지 35 wt%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료극 지지체 슬러리에 포함되는 기공제는 기공 구조를 형성할 수 있는 통상의 물질을 사용하는 것일 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 기공제는 디에틸글리콜(diethylglycol), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol) 및 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리에 각각 포함되는 용매는 상기 프로톤 전도성 세라믹 분말, 분산제, 바인더 및 상기 가소제 등의 혼합 및 이를 포함하는 슬러리 조성물의 유동성 제어를 위해 사용되는 것일 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 용매는 에탄올, 톨루엔, 트리에틸렌글리콜에틸에테르, 에틸렌글리콜헥실에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 트리프로필렌글리콜메틸에테르, 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 및 자일렌(xylene) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리에 각각 포함되는 가소제(plasticizer)는 제조되는 슬러리 조성물의 가공성 및 유연성을 증가시키기 위해 첨가되는 것일 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 가소제는 디부틸프탈레이트(dibutyl phthalate, DBP), 디-2-에틸헥실 프탈레이트(di-2-ethylhexyl phthalate, DOP), 디아이소노닐 프탈레이트(diisononyl phthalate, DINP), 디아이소데실프탈레이트(diisodecyl phthalate, DIDP), 부틸 벤질 프탈레이트(butyl benzyl phthalate, BBP), 글리세롤, 에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 디옥틸프탈레이트, 트리페닐포스페이트, 트리오일포스페이트, 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르 및 디메틸포름아미드 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리에 각각 포함되는 분산제는 상기 용매와 혼합하는 상기 프로톤 전도성 세라믹 분말의 용매 내 분산성을 높이기 위해 사용하는 것으로, 통상의 분산제를 사용할 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 분산제는 폴리에틸렌글리콜에테르, 알킬술폰산염, 폴리카르복실산염, 인산계 에스테르 및 하이퍼머케이디계(Hypermer™KD) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리에 각각 포함되는 상기 바인더(binder)는 예를 들면, 폴리비닐부틸알(polyvinylbutyral, PVB), 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜, 자일렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌,폴리스티렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리카보네이트, 폴리이미드 및 에틸 셀룰로오즈 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 프로톤 전도성 세라믹 분말에 대해 바인더 함량을 증가시키는 경우, 상기 바인더 함량에 비례하여, 슬러리의 점도가 증가할 수 있고, 상기 프로톤 전도성 세라믹 분말에 대해 상기 분산제 함량을 증가시킬 경우 슬러리의 점도가 감소할 수 있다.
따라서, 상기 바인더 및 분산제의 함량은 후술하는 제 2 단계(S20)의 테이프 캐스팅 공정에 이용 가능한 적절한 점도로 함량이 조절될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법은 상기 제 1 단계(S10)에서 제조된 각각의 슬러리를 테이프 캐스팅 하여, 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 제조하는 제 2 단계(S20);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프는 상기 제 1 단계(S10)에서 제조된 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 각각 이용하여 테이프 캐스팅 공정을 통하여 제조될 수 있다.
구체적인 실시예에서, 상기 연료극 지지체 테이프를 제조하는 공정은 상기 연료극 지지체 슬러리를 수 백 μm 내지 1,000 μm의 두께를 가지는 닥터블레이드를 이용하여 이형 필름 상에 코팅하고 건조한 후, 상기 이형 필름을 박리하는 과정을 포함하여 수행될 수 있다.
이때, 상기 건조는 50 ℃ 내지 120 ℃에서 10분 이하로 수행될 수 있고, 상기 이형 필름의 종류는 크게 한정하지는 않으나, 예를 들면, 규소(Si)가 코팅된 폴리에틸렌(PET) 캐리어 필름이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제조된 연료극 지지체 테이프의 평균 두께는 300 μm 내지 400 μm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 연료극 반응층 테이프를 제조하는 공정은 상기 연료극 반응층 슬러리를 수십 μm의 두께를 가지는 필름 어플리케이터(film applicator)를 이용하여 이형 필름 상에 코팅하고 건조한 후, 상기 이형 필름을 박리하는 과정을 포함하여 수행될 수 있다.
이때, 상기 건조는 50 ℃ 내지 120 ℃에서 10분 이하로 수행될 수 있고, 상기 이형 필름의 종류는 크게 한정하지는 않으나, 예를 들면, 규소(Si)가 코팅된 폴리에틸렌(PET) 캐리어 필름이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제조된 연료극 반응층 테이프의 평균 두께는 20 μm 내지 25 μm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전해질 테이프를 제조하는 공정은 상기 전해질 슬러리를 수십 μm의 두께를 가지는 필름 어플리케이터(film applicator)를 이용하여 이형 필름 상에 코팅하고 건조한 후, 상기 이형 필름을 박리하는 과정을 포함하여 수행될 수 있다.
이때, 상기 건조는 50 ℃ 내지 120 ℃에서 10분 이하로 수행될 수 있고, 상기 이형 필름의 종류는 크게 한정하지는 않으나, 예를 들면, 규소(Si)가 코팅된 폴리에틸렌(PET) 캐리어 필름이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제조된 전해질 테이프의 평균 두께는 15 μm 내지 20 μm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 단계(S20)에서 제조되는 테이프는 산포없이 균일하게 유지될 수 있으며, 이를 통하여 대량 생산형 그린 테이프의 제작이 가능할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법은 상기 제 2 단계(S20)에서 제조된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 차례대로 적층하여 적층구조체를 형성하는 제 3 단계(S30);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 단계(S20) 및 제 3 단계(S30) 사이에, 상기 제 2 단계(S20)에서 제조되는 각각의 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 커팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 각각의 테이프를 커팅하는 공정은 상기 제 3 단계(S30)의 라미네이션 공정을 용이하게 수행하기 위한 것으로, 라미네이션 공정을 수행하기에 적당한 크기로 커팅하여 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 3 단계(S30)는 상기 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 차례대로 적층하고, 100 ℃ 내지 140 ℃의 온도에서 상기 차례대로 적층된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 압착하여 수행될 수 있다.
구체적인 실시예에서, 상기 제 3 단계(S30)는 라미네이션 장치를 이용하여 수행될 수 있는데, 적당한 크기, 예를 들면, 8 X 8 cm2의 크기로 각각 커팅된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 차례대로 적층하여 적층구조체를 형성하고, 상기 라미네이션 장치에 도입한 후, 120 ℃에서 4 방향으로 압착하여 수행할 수 있으며, 상기 공정에서 생성되는 상기 적층구조체는 연료극 지지체/연료극 반응층/전해질의 구조를 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법은 상기 제 3 단계(S30)에서 형성된 적층구조체를 서로 상이한 온도에서 2 단계 열처리 하여 소결하는 제 4 단계(S40);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 3 단계(S30) 및 제 4 단계(S40) 사이에, 상기 제 3 단계(S30)에서 제조되는 적층구조체를 상온에서 경화하고, 상기 적층구조체를 성형하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 상온에서 경화하는 공정은 연화되어 있는 적층구조체를 성형이 가능하도록 하기 위한 것이고, 상기 성형하는 공정은 상기 제 4 단계(S40)의 열처리 공정을 용이하게 수행하고, 프로톤 전도성 연료전지의 형태를 확정하기 위한 것으로, 상기 성형하는 공정에 의하여 성형되는 적층구조체의 형태는 후에 제조되는 프로톤 전도성 연료전지의 형태를 결정하게 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 성형하는 공정에서 성형되는 적층구조체의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들면, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 4 단계는 서로 상이한 온도에서 수행되는 제 1 열처리 및 제 2 열처리를 포함할 수 있다.
본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법에 사용되는 BaCeO3-BaZrO3 고체 혼합물은 난소결성 물질로, 소결공정 수행시, 고온의 소결온도가 필요하고, 공정이 복잡하고, 공정시간이 길다는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 열처리는 상기 적층구조체에 포함되는 유기물의 연소, 세라믹의 휨 또는 크랙을 방지하기 위한 전처리 공정에 해당하는 것으로, 800 ℃ 내지 1,000 ℃, 예를 들면, 900 ℃에서 12 시간 내지 20 시간, 예를 들면, 18 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 제 1 열처리는 본 기술분야에서 통상적으로 사용하는 소결로를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 열처리는 전해질의 치밀한 미세구조를 형성하기 위한 것으로, 마이크로 소결로(microwave furnace)를 이용하여 수행될 수 있다.
도 2는 상기 마이크로 소결로를 이용한 microwave 소결 공정의 원리를 나타내는 모식도이다.
도 2를 참조하면, microwave 소결 공정은 microwave에 의해 시편 자체에서 열이 발생하기 때문에 시편 내부의 온도 구배가 적어 열 충격에 의한 소결체의 변형 또는 파괴 현상이 최소화 되는 장점이 있다. 또한, 빠른 선온이 가능하고 약 2분 의 짧은 시간 유지 만으로도 소결이 가능하기 때문에 바륨(Ba) 원소의 결함 및 편석현상을 억제하고 전해질/음극 지지체간 반응을 최소화 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 열처리는 상기 제 2 열처리는 1,400 ℃ 내지 1,600 ℃, 예를 들면 1,500 ℃에서 30 분 내지 120 분, 예를 들면, 120 분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법은 상기 제 1 열처리 및 제 2 열처리를 포함하는 제 4 단계를 포함하는 바, 소결 공정 시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다.
다음으로, 본 발명의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법은 상기 제 4 단계(S40)에서 소결된 적층구조체의 전해질 테이프가 위치하는 면에 공기극을 형성하는 제 5 단계(S50); 및 상기 제 5 단계(S50)에서 공기극이 형성된 적층구조체를 공소결하는 제 6 단계(S60);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 공기극은 산소이온 전도성을 갖는 무기물, 예를 들면, 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 예를 들면, LSCF2882(La0.2Sr0.8Co0.8Fe0.2O3)를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 상기 LSCF2882는 바인더와 혼합되어, 잉크 형태의 공기극 물질로 제조될 수 있고, 상기 제 5 단계(S50)는 상기 잉크형태의 공기극 물질을 스크린 프린팅 방법을 이용하여, 제 4 단계(S40)에서 소결된 적층구조체의 전해질 테이프가 위치하는 면에 도포될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전해질 테이프가 위치하는 면에 공기극이 도포된 적층구조체는 상기 제 6 단계(S60)의 공소결 공정을 거쳐, 프로톤 전도성 연료전지의 단위전지가 제조될 수 있다.
이때, 상기 프로톤 전도성 연료전지의 단위전지는, 예를 들면, LSCF2882 | BZCYYb | Ni-BZCYYb 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 6 단계(S60)는 본 기술분야에서 통상적으로 사용하는 소결로를 이용하여 수행될 수 있고, 800 ℃ 내지 900 ℃, 예를 들면, 900 ℃ 에서 90 분 내지 180 분, 예를 들면, 120 분 동안 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예
제조예1-1. 연료극 지지체 슬러리의 제조
NiO-BZCYYb(BaZr0.5Ce0.3Y0.1Yb0.1O3) 분말, 기공제, 바인더, 분산제, 가소제 및 톨루엔을 혼합하고, 약 30 분간 음향 공명 믹싱하여 슬러리화 하여 연료극 지지체 슬러리를 제조하였다.
이때, 상기 연료극 지지체 슬러리 총 wt%를 기준으로, NiO-BZCYYb의 함량은 45 wt%이고, 상기 기공제의 함량은 6 wt%이고, 상기 바인더 및 분산제의 함량은 8 wt%이고, 가소제의 함량은 9 wt%이고, 용매의 함량은 32 wt% 이다.
제조예 1-2. 연료극 반응층 슬러리의 제조
상기 제조예 1-1에서, 기공제를 포함하지 않고, 상기 연료극 반응층 슬러리 총 wt%를 기준으로, 상기 NiO-BZCYYb의 함량은 43 wt%이고, 상기 바인더 및 분산제의 함량은 7 wt%이고, 가소제의 함량은 6 wt%이고, 용매의 함량은 44 wt%인 것을 제외하고는 상기 제조예 1-1과 동일한 방법을 수행하여 연료극 반응층 슬러리를 제조하였다.
제조예 1-3. 전해질 슬러리의 제조
상기 제조예 1-1에서, 기공제를 포함하지 않고, NiO-BZCYYb(BaZr0.5Ce0.3Y0.1Yb0.1O3) 분말 대신 BZCYYb(BaZr0.5Ce0.3Y0.1Yb0.1O3)를 사용하고, 상기 전해질 슬러리 총 wt%를 기준으로, 상기 BZCYYb의 함량은 51 wt%이고, 상기 바인더 및 분산제의 함량은 9 wt%이고, 가소제의 함량은 5 wt%이고, 용매의 함량은 35 wt%인 것을 제외하고는 상기 제조예 1-1과 동일한 방법을 수행하여 전해질 슬러리를 제조하였다.
제조예 2-1 내지 2-3. 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프의 제조
상기 제조예 1-1내지 1-3에서 제조한 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 테이프 캐스팅 장비를 이용하여 상온에서 규소(Si)가 코팅된 폴리에틸렌(PET) 캐리어 필름상에 코팅하여, 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 제조하였다.
이때, 상기 연료극 지지체 테이프는 수백 μm 내지 1,000 μm의 두께를 가지는 닥터블레이드를 사용하여 캐스팅을 진행하였고, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프는 수십 μm의 두께를 가지는 필름 어플리케이터(film applicator)를 이용하여 캐스팅을 진행하였다.
상기 테이프 캐스팅 공정의 조건 및 제조된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프의 너비 및 두께는 하기의 표 1에 표시된 바와 같다:
조건 연료극
지지체 테이프		 연료극
반응층 테이프		 전해질 테이프
닥터블레이드 높이 (μm) 70 20 15
테이프 캐스팅 속도 (rpm) 200 200 200
너비 (cm) 18 8 6
두께 (μm) 300 - 400 20 - 25 15 - 20
도 3은 상기 제조예 2-1 내지 2-3에서 제조된 연료극 지지체 테이프(a), 연료극 반응층 테이프(b) 및 전해질 테이프(c)의 사진이다. 도 3을 참조하면, 상기 각각의 테이프는 산포 없이 균일하게 유지되는 것을 확인할 수 있고, 이를 통하여, 테이프 캐스팅 공정에 의해 대량 생산형 그린 테이프 제작이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1. 프로톤 전도성 연료전지의 제조
- 라미네이션 및 성형
상기 제조예 2-1 내지 2-3에서 제조된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 8 X 8 cm2의 크기로 커팅하고, 차례로 적층하여 적층구조체를 형성한 후, 압착하여 라미네이션을 진행하였다. 이때, 압착 온도는 120 ℃로 고정하여 4 방향으로 라미네이션을 진행하였고, 라미네이션 후 상온에서 경화하고, 코인 형태로 성형하였다.
- 소결
상기 코인 형태로 성형된 적층구조체를 소결로에서 900 ℃에서 18 시간 동안 1 차 열처리 하였다.
도 4은 상기 1 차 열처리 공정의 소결 프로파일(a) 및 1 차 열처리된 적층구조체의 사진(b)이다.
상기 1 차 열처리된 적층구조체를 마이크로 소결로(Microwave furnace)에서 1,500 ℃의 온도로 2 시간 동안 2 차 열처리 하였다.
도 5는 상기 2 차 열처리 공정의 소결 프로파일(a) 및 2 차 열처리된 적층구조체의 사진(b)이다.
- 단위전지의 제조
ESL441(Electroscience, 미국)을 LSCF2882((La0.2Sr0.8Co0.8Fe0.2O3)) 분말과 1.5: 1의 비율로 혼합하고 교반하여, 잉크 형태의 공기극 물질을 제조하였다.
상기 잉크 형태의 공기극 물질을 스크린 프린터를 이용하여, 상기 2 차 열처리된 적층구조체의 전해질 테이프 면에 도포하고, 900 ℃에서 2 시간 동안 공소결하여 LSCF2882 | BZCYYb | Ni-BZCYYb의 구성을 가지는 단위전지를 제조하였다.
실험예 1. 전기화학적 특성 평가
상기 실시예 1에서 제조된 프로톤 전도성 연료전지의 500 ℃(3 % H2O가 함유된 H2 200 sccm, air 200 sccm)에서 전류-전압-출력 밀도와 전해질 및 전극 저항을 측정하고, 이를 이용하여 산출된 출력 밀도 결과 그래프를 도 6및 하기의 표 2에 도시하였다.

공기극
OCV (V)		 Ohmic
resistance
(Ω·cm2)		 Polarization
resistance
(Ω·cm2)
MPD (W/cm2)
LSCF2882 0.887 0.319 8.154 0.165
상기 도 6 및 표 2를 참조하면, 최대 출력밀도(Maximum power density; MPD) 측정 결과 500 ℃에서 0.165 W/cm2 이며, 단위전지에서 0.319 Ω·cm2의 Ohmic resistance가 확인 되었고, 분극 저항은 8.154 Ω·cm2인 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2. 단면적 확인
상기 실험예 1의 전기화학적 특성 평가 이후, 전해질 및 연료극 반응층 단면(cross-section)의 미세구조를 확인하고, SEM 이미지를 도 7에 도시하였다.
도 7을 참조하면, 전해질의 경우 치밀한 구조를, 연료극 지지체의 경우 다공성 구조가 형성되어, 프로톤 전도성 연료전지에서 요구되는 각 층의 미세구조가 바람직하게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 연료극 반응층과 전해질 계면간의 접합상태가 매우 우수한 바, 성공적인 프로톤 전도성 연료전지가 구현된 것을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 연료극 지지체 슬러리, 연료극 반응층 슬러리 및 전해질 슬러리를 제조하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계에서 제조된 각각의 슬러리를 테이프 캐스팅 하여, 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 제조하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계에서 제조된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 차례대로 적층하여 적층구조체를 형성하는 제 3 단계;
    상기 제 3 단계에서 형성된 적층구조체를 서로 상이한 온도에서 2 단계 열처리 하여 소결하는 제 4 단계;
    상기 제 4 단계에서 소결된 적층구조체의 전해질 테이프가 위치하는 면에 공기극을 형성하는 제 5 단계; 및
    상기 제 5 단계에서 공기극이 형성된 적층구조체를 공소결하는 제 6 단계;
    를 포함하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는 음향공명 믹서를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료극 지지체 슬러리는 BaCeO3-BaZrO3 고체혼합물 및 NiO의 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료극 반응층 슬러리는 BaCeO3-BaZrO3 고체혼합물 및 NiO의 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 슬러리는 BaCeO3-BaZrO3 고체혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는 상기 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 차례대로 적층하고, 100 ℃ 내지 140 ℃의 온도에서 상기 차례대로 적층된 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 압착하여 수행되는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4 단계는 서로 상이한 온도에서 수행되는 제 1 열처리 및 제 2 열처리를 포함하고,
    상기 제 1 열처리는 800 ℃ 내지 1,000 ℃에서 12 시간 내지 20 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 열처리는 마이크로 소결로를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 열처리는 1,400 ℃ 내지 1,600 ℃에서 30 분 내지 120 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 6 단계는 800 ℃ 내지 900 ℃ 에서 90 분 내지 180 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계 및 제 3 단계 사이에,
    상기 제 2 단계에서 제조되는 각각의 연료극 지지체 테이프, 연료극 반응층 테이프 및 전해질 테이프를 커팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 단계 및 제 4 단계 사이에 상기 제 3 단계에서 제조되는 적층구조체를 상온에서 경화하고, 상기 적층구조체를 성형하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법.
  13. 제 1 항의 프로톤 전도성 연료전지의 제조방법에 따라 제조된 프로톤 전도성 연료전지.
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