KR101245552B1 - Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR101245552B1
KR101245552B1 KR1020090116087A KR20090116087A KR101245552B1 KR 101245552 B1 KR101245552 B1 KR 101245552B1 KR 1020090116087 A KR1020090116087 A KR 1020090116087A KR 20090116087 A KR20090116087 A KR 20090116087A KR 101245552 B1 KR101245552 B1 KR 101245552B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cell
solid oxide
fuel cell
oxide fuel
anode
Prior art date
Application number
KR1020090116087A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20110059376A (en
Inventor
최진혁
유영성
최미화
이태희
배중면
백승욱
정지훈
Original Assignee
한국전력공사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사 filed Critical 한국전력공사
Priority to KR1020090116087A priority Critical patent/KR101245552B1/en
Publication of KR20110059376A publication Critical patent/KR20110059376A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101245552B1 publication Critical patent/KR101245552B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8652—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites as mixture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
    • H01M4/8885—Sintering or firing
    • H01M4/8889—Cosintering or cofiring of a catalytic active layer with another type of layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지를 제작함에 있어 밀봉효율을 증가시킨 고체산화물 연료전지에 관한 것이다. 개시발명은 연료극과 상기 연료극의 상면에 형성되는 전해질로 구성된 세라믹 셀과, 상기 세라믹 셀의 상면에 형성되는 연료극을 포함하는 구성에 있어서, 상기 전해질이 연료극의 측면을 감싸도록 형성된다. 따라서, 밀봉효율이 증가하게 되고, 그에 따라 접합층의 산화가 방지되며 연료가스의 누출이 최소화되게 된다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell that increases the sealing efficiency in manufacturing a solid oxide fuel cell. The present invention includes a ceramic cell composed of a fuel electrode and an electrolyte formed on an upper surface of the anode, and a fuel electrode formed on an upper surface of the ceramic cell, wherein the electrolyte is formed to surround the side surface of the anode. Thus, the sealing efficiency is increased, thereby preventing oxidation of the bonding layer and minimizing leakage of fuel gas.

Description

고체산화물 연료전지 및 그 제조방법{SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Solid oxide fuel cell and its manufacturing method {SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 고체산화물 연료전지를 제작함에 있어 밀봉효율을 증가시킨 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same having increased sealing efficiency in manufacturing a solid oxide fuel cell.

연료전지(Fuel Cell)는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 것으로, 수소 및 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술이다.Fuel cells convert chemical energy generated by oxidation directly into electrical energy, which is a new environmentally friendly future energy technology that generates electrical energy from materials rich in the earth such as hydrogen and oxygen.

연료전지는 공기극(Cathode)에 산소가 공급되고 연료극(Anode)에 수소가 공급되어 물의 전기분해반응과 역반응 형태로 전기화학반응이 진행됨으로써, 전기, 열 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산한다.The fuel cell is supplied with oxygen to the cathode and hydrogen to the anode to perform electrochemical reactions in the form of electrolysis and reverse reaction of water, thereby generating electricity, heat, and water without causing pollution. Produce electric energy with high efficiency.

이와 같은 연료전지는 종래 열기관에서 한계로 작용하는 카르노 사이 클(Carnot Cycle)의 제한으로부터 자유롭기 때문에 40% 이상의 효율을 올릴 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 배출되는 물질이 물뿐이므로 환경오염의 우려가 없다. 그리고, 종래 열기관과는 달리 기계적으로 운동하는 부분이 불필요하기 때문에 소형화가 가능하고 소음이 없는 등 여러가지의 장점이 있다. 따라서, 연료전지에 관련된 연구 및 기술개발이 활발하게 진행되고 있다.Such a fuel cell can increase the efficiency of 40% or more because it is free from the limitation of Carnot Cycle, which acts as a limit in the conventional heat engine. In addition, there is no fear of environmental pollution since only the substance discharged as described above is water. In addition, unlike the conventional heat engine, since the mechanically moving part is unnecessary, there are various advantages such as miniaturization and no noise. Therefore, research and technology development related to fuel cells are actively progressing.

연료전지는 그 전해질의 종류에 따라 인산 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell) 등 여섯 가지 종류 정도가 실용화되었거나 계획 중에 있다.Depending on the type of electrolyte, the fuel cell may be a phosphate fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), or a polymer electrolyte fuel. Six types of batteries (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), methanol fuel cells (DMFC), and alkaline fuel cells (AFC) are available or planned.

각 연료전지들의 특징을 아래의 표에 정리하였다. The characteristics of each fuel cell are summarized in the table below.

구분division PAFCPAFC MCFCMCFC SOFCSOFC PEMFCPEMFC DMFCDMFC AFCAFC 전해질Electrolyte 인산Phosphoric Acid 탄산리튬/
탄산칼륨Lithium Carbonate /
Potassium carbonate 지르코니아/
세리아계열Zirconia /
Ceria 수소이온
교환막Hydrogen ion
Exchange membrane 수소이온
교환막Hydrogen ion
Exchange membrane 수산화칼륨Potassium hydroxide 이온전도체Ion conductor 수소이온Hydrogen ion 탄산이온Carbonate ion 산소이온Oxygen ion 수소이온Hydrogen ion 수소이온Hydrogen ion 수소이온Hydrogen ion 작동온도
(℃)Working temperature
(℃) 200200 650650 500-1000500-1000 < 100<100 < 100<100 < 100<100
연료
fuel 수소Hydrogen 수소,
일산화탄소Hydrogen,
carbon monoxide 수소,
탄화수소,
일산화탄소Hydrogen,
hydrocarbon,
carbon monoxide 수소Hydrogen 메탄올Methanol 수소Hydrogen
연료원료
Fuel 도시가스,
LPGCity Gas,
LPG 도시가스,
LPG, 석탄City Gas,
LPG, Coal 도시가스,
LPG,
수소City Gas,
LPG,
Hydrogen 메탄올,
메탄휘발유,
수소Methanol,
Methane Petrol,
Hydrogen 메탄올Methanol 수소Hydrogen 효율(%)efficiency(%) 4040 4545 4545 4545 3030 4040 출력범위(W)Output range (W) 100-5000100-5000 1000-10000001000-1000000 100-1000000100-1000000 1-100001-10000 1-1001-100 1-1001-100 주요용도main purpose 분산발전형Distributed generation 대규모발전Large-scale development 소중대규모
발전Small to medium size
Development 수송용
동력원For transportation
Power source 휴대용
전원Portable
power 우주선용
전원For spacecraft
power 개발단계Development stage 실증-실용화Demonstration-Practicalization 시험-실증Exam-Demonstration 시험-실증Exam-Demonstration 시험-실증Exam-Demonstration 시험-실증Exam-Demonstration 우주선적용Spaceship

상기 표에서 알 수 있듯이 각각의 연료전지들은 그 출력범위 및 사용용도 등이 다양하여 목적에 따라 알맞은 연료전지를 선택할 수 있다. 이 중에서도 상기 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 상대적으로 전해질의 위치제어가 쉽고, 전해질의 위치가 고정되어 있어서 전해질 고갈의 위험성이 없다. 또한, 부식성이 약하여 소재의 수명이 길다는 장점으로 인하여 분산 발전용, 상업용 및 가정용으로서 각광을 받고 있다.As can be seen from the above table, each of the fuel cells has various output ranges, uses, and the like, so that a fuel cell can be selected according to a purpose. Among these, the solid oxide fuel cell (SOFC) is relatively easy to control the position of the electrolyte, the position of the electrolyte is fixed, there is no risk of electrolyte exhaustion. In addition, due to the advantage of the long life of the material is poor corrosive has been spotlighted as distributed power generation, commercial and home.

아래의 식은 상기 고체산화물 연료전지의 작동원리를 나타낸 것이다. 공기극에 산소가 공급되고 연료극에 수소가 공급되는 경우의 반응은 아래의 식을 따른다.The following equation shows the operating principle of the solid oxide fuel cell. When oxygen is supplied to the cathode and hydrogen is supplied to the anode, the reaction follows the equation below.

연료극(Anode) 반응 : 2H2 + 2O2 - → 2H2O + 4e- A fuel electrode (Anode) reaction: 2H 2 + 2O 2 - → 2H 2 O + 4e -

공기극(Cathode) 반응 : O2 + 4e- → 2O2 - Cathode (Cathode) reaction: O 2 + 4e - → 2O 2 -

고체산화물 연료전지는 통상 전해질로서 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia; YSZ), 연료극으로는 Ni-YSZ 도성 합금(cermet), 공기극으로는 페로브스카이트 재질(perovskite material)을 사용하며, 이동 이온(mobile ion)으로는 산소이온을 사용한다.Solid oxide fuel cells typically use yttria-stabilized zirconia (YSZ) as electrolyte, Ni-YSZ cermet as fuel electrode, and perovskite material as cathode. Oxygen ions are used as mobile ions.

도 1은 종래기술에 따른 고체산화물 연료전지를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell according to the prior art.

종래기술에 따른 고체산화물 연료전지는, 연료극(10)과, 연료극(10)의 상부에 형성되는 전해질(20)과, 전해질(20)의 상부에 형성되는 공기극(30), 및 이들을 지지하는 금속지지체(40)로 구성된다. 이 때, 연료극(10)과 금속지지체(40) 사이에 는 접합층(50)이 형성되며, 전해질(20)은 연료극(10) 상면에만 도포된다.In the solid oxide fuel cell according to the related art, the anode 10, the electrolyte 20 formed on the upper portion of the fuel electrode 10, the cathode 30 formed on the electrolyte 20, and a metal supporting them are provided. It consists of the support body 40. At this time, the bonding layer 50 is formed between the anode 10 and the metal support 40, and the electrolyte 20 is applied only to the upper surface of the anode 10.

상기와 같이 연료극(10) 상면에만 전해질(20)이 도포되는 경우에는, 외부 가스의 밀봉이 보장된 경우라도 전해질(20)을 통해 전달된 산소이온이 연료극(10)으로 이동하여 산화되는 과정을 거치면서 연료극(10) 저면의 접합층(50)의 금속성분이 산화되어 연료극(10)과 금속지지체(40) 사이에 박리현상이 발생하게 된다.When the electrolyte 20 is applied only to the upper surface of the anode 10 as described above, even if the sealing of the external gas is guaranteed, the oxygen ion transferred through the electrolyte 20 is moved to the anode 10 to be oxidized. As it passes through, the metal component of the bonding layer 50 on the bottom surface of the anode 10 is oxidized to generate a peeling phenomenon between the anode 10 and the metal support 40.

특히, 셀 가장자리 부분의 접합층이 산화될 경우 박리현상은 매우 치명적으로 발생하여 연료극(10)과 금속지지체(40)가 완전히 분리될 가능성이 있다. 또한, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우 외부 밀봉의 100% 보장은 어렵기 때문에 외부 기밀이 다소 해제된다면 곧바로 다공성의 연료극을 통해 접합층까지 산소가 도달하게 되어 셀 가장자리 부분의 접합층의 산화가 발생하게 되는 문제점이 있다.In particular, when the bonding layer of the cell edge portion is oxidized, the peeling phenomenon occurs very fatally, and the fuel electrode 10 and the metal support 40 may be completely separated. In addition, in case of SOFC, it is difficult to guarantee 100% of the external seal, so if the external airtightness is released to some extent, oxygen reaches the junction layer through the porous anode and the oxidation of the junction layer at the edge of the cell is prevented. There is a problem that occurs.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 고체산화물 연료전지를 제작함에 있어 셀 가장자리 부분의 접합층의 산화를 방지하고, 연료가스의 누출량을 최소화할 수 있는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Disclosure of Invention An object of the present invention is to solve the above-described problems, and in the manufacture of a solid oxide fuel cell, a solid oxide fuel cell capable of preventing oxidation of a bonding layer at a cell edge and minimizing leakage of fuel gas; It is to provide a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명 고체산화물 연료전지는, 연료극과 상기 연료극의 상면에 형성되는 전해질로 구성된 세라믹 셀과, 상기 세라믹 셀의 상면에 형성되는 연료극을 포함하는 구성에 있어서, 상기 전해질이 연료극의 측면을 감싸도록 형성된다.In order to achieve the above object, the solid oxide fuel cell of the present invention includes a ceramic cell including a fuel electrode and an electrolyte formed on an upper surface of the fuel electrode, and a fuel electrode formed on an upper surface of the ceramic cell, wherein the electrolyte is a fuel electrode. It is formed to surround the side of the.

상기 전해질이 연료극의 저면 가장자리를 감싸도록 형성된다.The electrolyte is formed to surround the bottom edge of the anode.

본 발명 고체산화물 연료전지는, 상기 세라믹 셀의 저면에 접합되어, 세라믹 셀과 연료극을 지지하는 지지체를 더 포함한다.The solid oxide fuel cell of the present invention further includes a support bonded to the bottom of the ceramic cell to support the ceramic cell and the fuel electrode.

상기 연료극은 산화니켈(NIO)분말과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)분말이 4:6~6:4의 중량비로 혼합되어 형성된다.The anode is formed by mixing nickel oxide (NIO) powder and yttria stabilized zirconia (YSZ) powder in a weight ratio of 4: 6 to 6: 4.

상기 세라믹 셀과 지지체 사이에 형성되는 접합층은 금속성분 분말과 연료극 성분 분말이 2:8~8:2 중량비로 혼합되어 형성된다.The bonding layer formed between the ceramic cell and the support is formed by mixing the metal component powder and the anode component powder in a weight ratio of 2: 8 to 8: 2.

본 발명 고체산화물 연료전지의 제조방법은, 세라믹 셀과 지지체 사이에 접합층을 형성하는 단계, 및 소결과정을 통해 세라믹 셀, 접합층 및 지지체를 일체로 접합하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing a solid oxide fuel cell of the present invention includes forming a bonding layer between the ceramic cell and the support, and integrally bonding the ceramic cell, the bonding layer and the support through a sintering process.

상기 소결단계에서는 5~1500℃ 범위 내에서 약 20~24시간 사이로 승온과 등온과정이 반복되며, 최고 온도 구간에서 일정시간 유지시킨 후, 상온까지 하강시키는 것이 바람직하다.In the sintering step, the temperature rising and isothermal processes are repeated for about 20 to 24 hours within a range of 5 to 1500 ° C., and the predetermined temperature is maintained at the highest temperature section, and then the temperature is lowered to room temperature.

상기 소결단계에서는 약 300℃ 이상의 온도구간의 경우 환원분위기에서 이루어지는 것이 바람직하다.In the sintering step, it is preferable that the temperature range is about 300 ° C. or more, and is made in a reducing atmosphere.

상기 소결과정에서 요구되는 환원분위기에서는 전체 기체중 수소가 1~7부피%포함되는 것이 바람직하다.In the reducing atmosphere required in the sintering process, it is preferable to include 1 to 7% by volume of hydrogen in the total gas.

이와 같은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지에 의하면, 전해질이 연료극의 상면뿐만 아니라 측면을 감싸도록 형성됨으로써, 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 전달되어 산화되는 과정에서 산소이온이 박리에 치명적인 접합층 가장자리까리 도달하는 이동하는 경로가 더 길어지기 때문에 산화에 대한 보호가 가능하다. 따라서, 세라믹 셀과 지지체가 분리될 염려가 없어지게 되며, 그로 인해 장기 운전시 접합층의 안정성을 확보할 수 있게 된다. 또한, 연료가스의 누출량을 최소화시킬 수 있게 된다. 이러한 특성은 전해질이 연료극의 저면 가장자리까지 감싸도록 형성되는 경우 더 크게 나타난다.According to the solid oxide fuel cell according to the present invention, the electrolyte is formed so as to surround the side as well as the upper surface of the anode, the edge of the bonding layer fatal to peeling oxygen ions in the process of oxygen ions are transferred to the anode through the electrolyte and oxidized The longer the path of travel to reach, the greater the protection against oxidation. Therefore, there is no fear that the ceramic cell and the support may be separated, thereby ensuring the stability of the bonding layer during long term operation. In addition, it is possible to minimize the leakage of fuel gas. This property is greater when the electrolyte is formed to wrap up to the bottom edge of the anode.

또한, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지에 의하면, 소결과정에서 요구되는 환원분위기에서 수소기체가 일정량 포함됨으로써, 접합이 용이하게 이루진다.In addition, according to the solid oxide fuel cell according to the present invention, since a certain amount of hydrogen gas is included in the reducing atmosphere required in the sintering process, the bonding is easily performed.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 분해사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지가 결합된 상태의 단면도이다.2 is an exploded perspective view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a cross-sectional view of the solid oxide fuel cell coupled state according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 지지체(100), 세라믹 셀(200), 공기극(300) 및 접합층(400)을 포함한다.The solid oxide fuel cell according to the exemplary embodiment of the present invention includes a support 100, a ceramic cell 200, an air electrode 300, and a bonding layer 400.

상기 지지체(100)는 그 상부에 형성되는 세라믹 셀(200) 및 공기극(300)을 지지하는 것으로, 유로 형성홀(100a)이 형성된다. 이러한 지지체(100)는 금속, 세라믹 또는 금속-세라믹 복합체로 제작됨으로써 충분한 기계적 강도를 얻을 수 있다.The supporter 100 supports the ceramic cell 200 and the air electrode 300 formed thereon, and a flow path forming hole 100a is formed. The support 100 may be made of metal, ceramic or metal-ceramic composite to obtain sufficient mechanical strength.

상기 세라믹 셀(200)은 연료극(210)과, 연료극(210)의 상면에 형성되는 전해질(220)로 구성된다. 연료극(210)은 전기화학반응이 용이하게 일어나도록 다공성 구조를 갖는다. 연료극(210)은 산화니켈(NIO)분말과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)분말이 4:6~6:4의 중량비로 혼합되어 형성된다.The ceramic cell 200 includes an anode 210 and an electrolyte 220 formed on an upper surface of the anode 210. The anode 210 has a porous structure so that an electrochemical reaction occurs easily. The anode 210 is formed by mixing nickel oxide (NIO) powder and yttria stabilized zirconia (YSZ) powder in a weight ratio of 4: 6 to 6: 4.

상기 전해질(220)로는 열화학적으로 안정한 금속산화물이 이용된다. 이 때, 전해질(220)은 연료극(210)의 상면뿐만 아니라 측면, 그리고 저면 가장자리를 감싸도록 형성된다. 이처럼, 전해질(220)이 연료극(210)의 상면뿐만 아니라 측면과 저면 가장자리를 감싸도록 형성됨으로써, 산소이온이 전해질(220)을 통해 연료극(210)으로 전달되어 산화되는 과정에서 산소이온이 박리에 치명적인 접합층(400) 가장자리까리 도달하는 이동하는 경로가 더 길어지기 때문에 산화에 대한 보호가 가능하다. 따라서, 세라믹 셀(200)과 지지체(100)가 분리될 염려가 없게 된다.As the electrolyte 220, a thermochemically stable metal oxide is used. In this case, the electrolyte 220 is formed to surround not only the top surface of the anode 210 but also the side and bottom edges thereof. As such, the electrolyte 220 is formed to surround not only the top surface of the anode 210 but also the side and bottom edges thereof, so that oxygen ions are separated from the oxygen 220 in the process of being transferred to the anode 210 through the electrolyte 220 and oxidized. Protection against oxidation is possible because the path of travel reaching the edge of the critical bonding layer 400 is longer. Therefore, there is no fear that the ceramic cell 200 and the support 100 may be separated.

상기 공기극(300)은 전해질(220)의 상부에 형성되는 것으로, 전기화학반응이 용이하게 일어나도록 다공성 주조를 갖는다.The cathode 300 is formed on the electrolyte 220, and has a porous casting so that an electrochemical reaction occurs easily.

상기 접합층(400)은 지지체(100)와 세라믹 셀(200) 사이에 위치되어 지지 체(100)에 세라믹 셀(200)을 접합시킨다. 접합층(400) 형성단계에서 도포되는 슬러리는 금속성분 분말과 연료극(210)의 구성성분 분말을 2:8~8:2의 중량비로 포함한다. 이 때, 슬러리는 첨가제로 결합제, 분산제, 가소제 및 기공전구체(pore former)가 포함할 수 있다. 기공전구체로는 카본이 사용된다.The bonding layer 400 is positioned between the support 100 and the ceramic cell 200 to bond the ceramic cell 200 to the support 100. The slurry applied in the bonding layer 400 forming step includes a metal powder and a component powder of the anode 210 in a weight ratio of 2: 8 to 8: 2. In this case, the slurry may include a binder, a dispersant, a plasticizer, and a pore former as an additive. Carbon is used as the pore precursor.

이하에서는 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지를 제조하는 과정을 설명하기로 한다. 특히, 세라믹 셀과 지지체를 접합하는 과정을 설명하기로 한다.Hereinafter, a process of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described. In particular, the process of bonding the ceramic cell and the support will be described.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조공정은, 세라믹 셀(200)과 지지체(100) 사이에 접합층(400)을 형성하는 단계, 소결과정을 통해 세라믹 셀(200), 접합층(400) 및 지지체(100)를 일체로 접합하는 단계를 포함한다.In the manufacturing process of the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, forming a bonding layer 400 between the ceramic cell 200 and the support 100, the ceramic cell 200, the bonding through the sintering process Integrally bonding the layer 400 and the support 100.

상기 소결단계에서는 약 1000℃ 이상까지 약 20~24시간 사이로 승온과 등온과정이 반복되며, 최고 온도 구간에서 일정시간 유지시킨 후, 상온까지 하강시킨다. 약 300℃ 이상의 온도구간에서는 환원분위기로 소결이 이루어진다.In the sintering step, the temperature rising and isothermal processes are repeated for about 20 to 24 hours or more up to about 1000 ° C. or more. Sintering is carried out in a reducing atmosphere at temperatures above about 300 ° C.

환원분위기에서는 수소, 아르곤, 헬륨을 포함하는 전체 기체중 수소가 1~7부피% 포함되어야 접합이 용이하게 이루어진다. 바람직하게는 수소가 4% 포함될 때 접합이 가장 용이하게 이루어진다. 수소가 1% 미만으로 함유될 경우에는 접합이 잘 이루어지지 않으며, 7%를 초과할 경우에는 폭발의 위험이 있다.In the reducing atmosphere, the bonding is easy when only 1 to 7% by volume of hydrogen is included in the total gas including hydrogen, argon and helium. Preferably, conjugation is most easily achieved when 4% hydrogen is included. If the hydrogen content is less than 1%, the conjugation is poor. If it is more than 7%, there is a risk of explosion.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 기초로 설명 하였으나, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 해당분야 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 기재된 범주내에서 변경할 수 있다.As described above, the present invention has been described based on the preferred embodiments, but the present invention is not limited to the specific embodiments, and those skilled in the art can change the scope within the scope of the claims. have.

도 1은 종래기술에 따른 금속지지체식 금속산화물 연료전지의 단면도.1 is a cross-sectional view of a metal support metal oxide fuel cell according to the prior art.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체식 금속산화물 연료전지의 분해사시도.Figure 2 is an exploded perspective view of a metal support metal oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지체식 금속산화물 연료전지가 결합된 상태의 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view of a metal support metal oxide fuel cell coupled state according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 지지체 200 : 세라믹 셀100 support 200 ceramic cell

210 : 연료극 220 : 전해질210: anode 220: electrolyte

300 : 공기극 400 : 접합층300: air electrode 400: bonding layer

Claims (9)

연료극과 상기 연료극의 상면에 형성되는 전해질로 구성된 세라믹 셀과, 상기 세라믹 셀의 상면에 형성되는 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지에 있어서,A solid oxide fuel cell comprising a ceramic cell composed of a fuel electrode and an electrolyte formed on an upper surface of the fuel electrode, and an air electrode formed on an upper surface of the ceramic cell, 상기 세라믹 셀의 저면에 접합되어, 상기 세라믹 셀과 연료극을 지지하는 지지체 및 A support bonded to a bottom surface of the ceramic cell to support the ceramic cell and the fuel electrode; 상기 지지체와 세라믹 셀 사이에 위치되어, 지지체 및 세라믹 셀을 접합시키며, 금속성분 분말과 상기 연료극 성분 분말이 2:8~8:2 중량비로 혼합되어 형성되는 접합층을 포함하며,Located between the support and the ceramic cell, and bonded to the support and the ceramic cell, the metal component powder and the anode component powder includes a bonding layer formed by mixing in a weight ratio of 2: 8 to 8: 2, 상기 전해질이 상기 연료극의 측면 및 저면 가장자리를 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.And the electrolyte is formed to surround side and bottom edges of the anode. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료극은 산화니켈(NIO)분말과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)분말이 4:6~6:4의 중량비로 혼합되어 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.The anode is a solid oxide fuel cell, characterized in that the nickel oxide (NIO) powder and yttria stabilized zirconia (YSZ) powder is formed by mixing in a weight ratio of 4: 6 ~ 6: 4. 삭제delete 연료극과 상기 연료극의 상면에 형성되는 전해질로 구성된 세라믹 셀과, 상기 세라믹 셀의 상면에 형성되는 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서,In the manufacturing method of a solid oxide fuel cell comprising a ceramic cell comprising a fuel electrode and an electrolyte formed on the upper surface of the fuel electrode, and an air electrode formed on the upper surface of the ceramic cell, 전해질이 연료극의 측면 및 저면 가장자리를 감싸는 세라믹 셀을 제조하는 단계;Manufacturing a ceramic cell in which an electrolyte surrounds side and bottom edges of the anode; 세라믹 셀과 지지체 사이에 접합층을 형성하는 단계; 및Forming a bonding layer between the ceramic cell and the support; And 소결과정을 통해 상기 세라믹 셀, 접합층 및 지지체를 일체로 접합하는 단계를 포함하며,Including the step of integrally bonding the ceramic cell, the bonding layer and the support through a sintering process, 상기 소결단계는 5~1500℃ 범위 내에서 20~24시간 사이로 승온과 등온과정이 반복되며, 최고 온도 구간에서 일정시간 유지시킨 후, 상온까지 하강시키는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.The sintering step is a method of manufacturing a solid oxide fuel cell, characterized in that the temperature rising and isothermal process is repeated for 20 to 24 hours in the range of 5 ~ 1500 ℃, maintained for a certain time in the highest temperature section, and then lowered to room temperature. 삭제delete 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 소결단계에서는 300℃ 이상의 온도구간의 경우 환원분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.In the sintering step, the method of manufacturing a solid oxide fuel cell, characterized in that made in a reducing atmosphere in the temperature range of 300 ℃ or more. 제 6 항 및 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 6 and 8, 상기 소결과정에서 요구되는 환원분위기에서는 전체 기체중 수소가 1~7부피%포함되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.In the reducing atmosphere required in the sintering process, a method for producing a solid oxide fuel cell, characterized in that 1 to 7% by volume of hydrogen in the total gas.
KR1020090116087A 2009-11-27 2009-11-27 Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof KR101245552B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090116087A KR101245552B1 (en) 2009-11-27 2009-11-27 Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090116087A KR101245552B1 (en) 2009-11-27 2009-11-27 Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110059376A KR20110059376A (en) 2011-06-02
KR101245552B1 true KR101245552B1 (en) 2013-03-20

Family

ID=44394530

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090116087A KR101245552B1 (en) 2009-11-27 2009-11-27 Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101245552B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007323955A (en) * 2006-05-31 2007-12-13 Dainippon Printing Co Ltd Solid oxide fuel cell, and its stack structure
JP2007323957A (en) * 2006-05-31 2007-12-13 Dainippon Printing Co Ltd Solid oxide fuel cell, and its manufacturing method
KR100849994B1 (en) * 2006-12-19 2008-08-04 한국생산기술연구원 Pressure Device for manufacturing Solid Oxide Fuel Cell and Manufacturing Method Using the Same
JP2008251246A (en) * 2007-03-29 2008-10-16 Dainippon Printing Co Ltd Structure for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell using this

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007323955A (en) * 2006-05-31 2007-12-13 Dainippon Printing Co Ltd Solid oxide fuel cell, and its stack structure
JP2007323957A (en) * 2006-05-31 2007-12-13 Dainippon Printing Co Ltd Solid oxide fuel cell, and its manufacturing method
KR100849994B1 (en) * 2006-12-19 2008-08-04 한국생산기술연구원 Pressure Device for manufacturing Solid Oxide Fuel Cell and Manufacturing Method Using the Same
JP2008251246A (en) * 2007-03-29 2008-10-16 Dainippon Printing Co Ltd Structure for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell using this

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110059376A (en) 2011-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Abd Aziz et al. Review of composite cathodes for intermediate-temperature solid oxide fuel cell applications
Huang et al. Development of solid oxide fuel cell materials for intermediate-to-low temperature operation
KR100889266B1 (en) The combination structure of solid oxide fuel cell between electrode and interconnect
Stöver et al. Processing and properties of the ceramic conductive multilayer device solid oxide fuel cell (SOFC)
US7781123B2 (en) Method and apparatus for forming electrode interconnect contacts for a solid-oxide fuel cell stack
KR101177621B1 (en) Manufacturing method of SOFC unit cell
US20120178012A1 (en) Sealing member for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell employing the same
WO2013048654A1 (en) Composite solid oxide fuel cell electrolyte
EP2771941A1 (en) Direct carbon electrochemical cell
CN110462109B (en) Method for producing alloy member and alloy member
Hamnett Fuel cells and their development
KR101218980B1 (en) Electrode material for fuel cell, fuel cell comprising the same and a method for manufacturing the same
KR101245552B1 (en) Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
TW201840048A (en) Substrate with electrode layer for metal-supported electrochemical element, electrochemical element, electrochemical module, solid oxide fuel cell and manufacturing method
KR102198390B1 (en) Direct Flame-Solid Oxide Fuel Cell under rapid start-up and shut-down condition
JP5684887B2 (en) Connecting material for solid oxide fuel cell and method for manufacturing the connecting material
KR101226489B1 (en) Solid oxide fuel cell and method for manufacturing thereof
CN103682406B (en) Utilize the Solid Oxide Fuel Cell of natural gas
KR100957794B1 (en) The manufacturing method of solid oxide fuel cell with CGO coating layer
Sabri et al. Perovskite materials for intermediate temperature solid oxide fuel cells cathodes: A review
US20240178410A1 (en) Solid oxide cell stack
JPH11126617A (en) Solid electrolyte-type fuel cell and its manufacture
Marimuthu et al. Ceramics for solid oxide fuel cells
KR102564764B1 (en) Electrochemical devices, energy systems, and solid oxide fuel cells
Rahman et al. Perovskite-Type Oxide-Based Dual Composite Cathode for Solid Oxide Fuel Cells: A Short Review

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160303

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170303

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190219

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200219

Year of fee payment: 8