KR102600903B1 - Method for manufacturing metal supported solid oxide fuel cell using light sintering - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속지지체를 준비하는 단계, 상기 금속지지체 상에 광소결 공정을 이용하여 연료극(Anode)층을 제조하는 단계, 상기 연료극(Anode)층 상에 전해질(Electrolyte) 층을 제조하는 단계, 상기 전해질(Electrolyte) 층 상에 공기극(Cathode) 층을 제조하는 단계를 포함하는 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법을 제공함으로써, 기존의 열 소결 공정 대신 광소결을 수행함으로써 기존의 열 소결 공정에서 야기되는 금속지지체의 산화 문제 및 물질확산으로 인한 성능 저하 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.The present invention includes preparing a metal support, manufacturing an anode layer on the metal support using an optical sintering process, manufacturing an electrolyte layer on the anode layer, By providing a manufacturing method of a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC) that includes the step of manufacturing a cathode layer on an electrolyte layer, optical sintering is performed instead of the existing thermal sintering process, thereby eliminating the existing heat sintering process. It has the effect of solving the problem of oxidation of the metal support caused by the sintering process and the problem of performance degradation due to material diffusion.
Description
본 발명은 고체산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광소결 공정을 이용한 연료극 층을 형성하는 단계를 포함하는 금속지지형 고체산화물 연료전지 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a solid oxide fuel cell, and more specifically, to a method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell including the step of forming an anode layer using an optical sintering process.
금속지지형 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)의 구성요소인 산화극(Anode), 전해질(Electrolyte) 및 환원극(Cathode) 제조공정에 있어서, 종래기술의 경우 다공성 금속지지체 상에 구성요소들을 차례로 적층하고 소결로(sintering furnance)를 사용하여 구성요소들을 열소결(thermal sintering)하는 방식을 활용하였으나, 세라믹 전극 및 전해질 소결에 요구되는 온도가 고온이므로 공정 시간이 지체되고 생산비용이 크게 증가하는 문제점이 존재하였다.In the manufacturing process of the anode, electrolyte, and cathode, which are components of a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC), the conventional technology consists of a porous metal support. A method of stacking elements sequentially and thermally sintering the components using a sintering furnace was used, but the process time was delayed and production costs were high because the temperature required for sintering ceramic electrodes and electrolytes was high. There were increasing problems.
또한, 금속지지체의 고온에서의 산화 특정으로 인해 고온 소결의 제약이 발생하며, 고온에서의 금속지지체와 산화극 간의 물질확산으로 인하여 금속지지체 및 산화극의 성능 저하, 열팽창 계수 차의 증가로 인한 열응력(thermal stress) 발생 등 여러가지 복합적인 문제가 발생하였다.In addition, restrictions on high-temperature sintering occur due to the oxidation characteristics of the metal support at high temperature, and the performance of the metal support and oxidation electrode deteriorates due to material diffusion between the metal support and the oxidation electrode at high temperature, and the heat due to an increase in the difference in thermal expansion coefficient Various complex problems occurred, including the occurrence of thermal stress.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 종래에는 비진공 공정(non-vacuum process) 방식의 경우, 확산 방지층을 금속지지체와 연료극(Anode) 사이에 적용하는 방식을 채용하고, 금속지지체의 산화를 방지하기 위해 환원 분위기에서 소결하는 방식을 적용하고 있으나, 제작 공정 및 설비의 추가적인 증가로 인해 생산성이 크게 저하되는 한계점을 가지고 있다. 반면, 이러한 고온 소결을 피하기 위한 비진공 방식이 아닌, 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저(pulse laser) 증착법과 같은 진공 증착 공정을 이용해 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 제작하는 방식도 도입되고 있으나, 이러한 방식들 또한 세라믹 전극 및 전해질이 적절한 성능을 발휘하기 위하여 제작 후 열처리가 필요하며, 이러한 과정에 발생화는 금소지지체의 산화가 문제가 되고 있는 실정이다.To solve this problem, conventionally, in the case of a non-vacuum process, a diffusion prevention layer is applied between the metal support and the anode, and the reduction is performed to prevent oxidation of the metal support. Although the method of sintering in an atmosphere is applied, it has the limitation that productivity is greatly reduced due to the additional increase in the manufacturing process and equipment. On the other hand, a method of manufacturing a metal support-type solid oxide fuel cell using a vacuum deposition process such as sputtering or pulse laser deposition, rather than a non-vacuum method to avoid such high temperature sintering, is also being introduced. These methods also require heat treatment after manufacturing in order for the ceramic electrode and electrolyte to exhibit appropriate performance, and oxidation of the gold support is a problem during this process.
본 발명은 다공성 금속지지체, 연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 금속지지형 고체산화물 연료전지를 제조함에 있어, 기존의 전기로에서 장시간 동안 고온 열처리하는 방식을 대체하여, 짧은 시간동안 조사되는 광소결 방식을 통해 금속지지형 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention replaces the method of high-temperature heat treatment for a long time in a conventional electric furnace in manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell including a porous metal support, an anode, an electrolyte, and an air electrode, and uses a light sintering method in which irradiation is performed for a short period of time. The aim is to provide a manufacturing method for a metal-supported solid oxide fuel cell.
해결하고자 하는 과제의 달성을 위하여, 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the problem to be solved, a method for manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC) is provided.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법은 금속지지체를 준비하는 단계, 상기 금속지지체 상에 음극 전구체 층을 형성하는 단계, 상기 음극 전구체 층에 광소결 공정을 이용하여 연료극(Anode)층을 제조하는 단계, 상기 연료극(Anode)층 상에 전해질(Electrolyte) 층을 제조하는 단계 및 상기 전해질(Electrolyte) 층 상에 공기극(Cathode) 층을 제조하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention includes preparing a metal support, forming a cathode precursor layer on the metal support, and a photo-sintering process on the cathode precursor layer. It includes manufacturing an anode layer using, manufacturing an electrolyte layer on the anode layer, and manufacturing a cathode layer on the electrolyte layer. do.
상기 광소결 공정은 제논 플래쉬 램프(xenon flash lamp), 네온(Ne) 플래쉬 램프 및 크립톤(Kr) 플래쉬 램프로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나에서 조사되는 백색광을 이용하는 것 일 수 있다. The optical sintering process may use white light emitted from any one selected from the group consisting of a xenon flash lamp, neon (Ne) flash lamp, and krypton (Kr) flash lamp.
상기 광소결 공정은 1회 주기(cycle)을 기준으로 1 내지 100회 수행하는 것 일 수 있다. The photosintering process may be performed 1 to 100 times per cycle.
상기 광소결 공정의 1회 주기(cycle)는, 광조사 시간이 0.01 내지 50 ms이고, 펄스 간격(Pulse gap)이 0.01 내지 5000 ms이며, 펄스 수(Pulse number)가 1 내지 100회이고, 금속지지체 온도가 0 내지 600 ℃이며, 광조사 강도(Intensity)가 100 내지 180 J/cm2인 것 일수 있다. In one cycle of the photosintering process, the light irradiation time is 0.01 to 50 ms, the pulse gap is 0.01 to 5000 ms, the pulse number is 1 to 100, and the metal The support temperature may be 0 to 600° C. and the light irradiation intensity may be 100 to 180 J/cm 2 .
상기 음극 전구체 층은 NiO 및 LST(Lanthanum strontium titanate)로 이루어진 A군에서 선택된 어느 하나와 YSZ(Yttria stabilized zirconia), GDC(Gadolinia doped ceria) 및 LSGM(Lanthanum strontium gallate magnesite) 로 이루어지는 B군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. The cathode precursor layer is any one selected from Group A consisting of NiO and LST (Lanthanum strontium titanate) and Group B consisting of YSZ (Yttria stabilized zirconia), GDC (Gadolinia doped ceria), and LSGM (Lanthanum strontium gallate magnesite). It can include either one.
상기 전해질 층은 ScSZ(scandia stabilized zirconia), YSZ(Yttria stabilized zirconia), SDC(Samaria doped ceria), GDC(Gadolinia doped ceria), LSGM(Lanthanum strontium gallate magnesite), ESB(Erbium stabilized bismuth oxide)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. The electrolyte layer is a group consisting of scandia stabilized zirconia (ScSZ), Yttria stabilized zirconia (YSZ), Samaria doped ceria (SDC), Gadolinia doped ceria (GDC), Lanthanum strontium gallate magnesite (LSGM), and Erbium stabilized bismuth oxide (ESB). It may contain at least one or more substances selected from.
상기 공기극 층은 란탄 산화물계 페로브스카이트 물질, 이중페로브스카이트(Double perovskite) 구조계열 물질, 니켈레이트(Nickelate) 계열 물질로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 일 수 있다. The air cathode layer may be any one selected from the group consisting of a lanthanum oxide-based perovskite material, a double perovskite structure-based material, and a nickelate-based material.
상기 전해질 층 및 공기극 층은 열처리 공정, 광소결 공정 또는 이들의 혼합 공정을 통해 제조될 수 있다. The electrolyte layer and the cathode layer may be manufactured through a heat treatment process, an optical sintering process, or a combination process thereof.
상기 열소결 공정은 1000 내지 1400 ℃에서 2 내지 5 시간 동안 수행할 수 있다. The heat sintering process can be performed at 1000 to 1400 °C for 2 to 5 hours.
본 발명의 다른 실시예에 따른 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)는 상기 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다. A metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC) according to another embodiment of the present invention may be manufactured using the above manufacturing method.
상기 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)는 상기 금속지지형 고체 산화물 연료전지 내 금속지지체의 크롬(Cr) 또는 철(Fe)이 연료극(anode) 층으로 확산 억제된 것을 특징으로 할 수 있다. The metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC) may be characterized in that diffusion of chromium (Cr) or iron (Fe) of the metal support in the metal-supported solid oxide fuel cell into the anode layer is suppressed.
본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 열 소결 공정 대신 광소결을 수행함으로써 기존의 열 소결 공정에서 야기되는 금속지지체의 산화 문제 및 물질확산으로 인한 성능 저하 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, by performing optical sintering instead of the existing thermal sintering process, there is an effect of solving the problem of oxidation of the metal support and performance degradation due to material diffusion caused by the existing thermal sintering process.
또한, 금속지지체와 연료극 사이의 물질확산을 억제할 수 있어, 열팽창 문제 및 성능 저하 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 수소 기체 등의 환원 분위기를 요구하지 않으므로 장비 설비 측면에서 간소화 시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, material diffusion between the metal support and the anode can be suppressed, which not only solves the problem of thermal expansion and performance degradation, but also simplifies the equipment installation since it does not require a reducing atmosphere such as hydrogen gas. .
또한, 대기 조건에서 짧은 시간 동안 소결이 진행되어 공정 시간을 줄이고 생산성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.In addition, sintering proceeds for a short time under atmospheric conditions, which has the effect of reducing process time and maximizing productivity.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 금속지지형 고체산화물 연료전지의 제조방법의 공정도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 금속지지형 고체산화물 연료전지의 제조방법의 구체화된 공정도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 시료의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 촬영 이미지를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 시료의 EDX mapping한 결과를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 시료의 EDX line profile한 결과를 도시한다. Figure 1 shows a process diagram of a method for manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a detailed process diagram of the manufacturing method of a metal-supported solid oxide fuel cell in one embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a scanning electron microscope (SEM) image of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the results of EDX mapping of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the results of EDX line profile of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for describing embodiments and is not intended to limit the invention. As used herein, singular forms also include plural forms, unless specifically stated otherwise in the context. As used herein, “comprises” and/or “comprising” refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements. or does not rule out addition.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다 거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, “embodiment,” “example,” “aspect,” “example,” etc. should be construed to mean that any aspect or design described is better or advantageous than other aspects or designs. It's not like that.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the description below have been selected as general and universal in the related technical field, but there may be different terms depending on technological developments and/or changes, customs, technicians' preferences, etc. Accordingly, the terms used in the description below should not be understood as limiting the technical idea, but should be understood as illustrative terms for describing embodiments.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the detailed meaning will be described in the relevant description. Therefore, the terms used in the description below should be understood based on the meaning of the term and the overall content of the specification, not just the name of the term.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Meanwhile, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. Terms are used only to distinguish one component from another.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.Additionally, a part of an act, layer, area, component request, etc., is said to be "on" or "on" another part, not only when it is directly on top of the other part, but also when there are other acts, layers, areas, or components in between. Also includes cases where etc. are included.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings that can be commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Additionally, terms defined in commonly used dictionaries are not to be interpreted ideally or excessively unless clearly specifically defined.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들 로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Meanwhile, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terminology used in this specification is a term used to appropriately express the embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention of the user or operator or the customs of the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
본 발명은 금속지지체, 연료극(Anode)층, 전해질(Electrolyte) 층, 공기극(Cathode) 층이 순차적으로 적층된 구조체를 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법에 관한 것으로,The present invention relates to a method of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell (SOFC) including a structure in which a metal support, an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are sequentially stacked.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 금속지지형 고체산화물 연료전지의 제조방법 공정도를 도시한 것으로, 금속지지체를 준비하는 단계(S100), 상기 금속지지체 상에 연료극 층을 형성하는 단계(S200), 상기 연료극 층 상에 전해질 층을 형성하는 단계(S300) 및 상기 전해질 층 상에 공기극 층을 형성하는 단계(S400)를 포함한다. Figure 1 shows a process diagram of a manufacturing method for a metal-supported solid oxide fuel cell according to one form of the present invention, comprising steps of preparing a metal support (S100) and forming an anode layer on the metal support (S200). , forming an electrolyte layer on the anode layer (S300) and forming an air electrode layer on the electrolyte layer (S400).
본 발명의 일 형태에 따른 금속지지형 고체산화물 연료전지의 제조방법은 금속지지체를 준비하는 단계와 연료극 층을 형성하는 단계 사이에 음극 전구체 층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 연료극 층을 형성하는 단계는 광소결을 통하여 형성하는 것일 수 있다. The method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell according to one embodiment of the present invention further includes forming a cathode precursor layer between preparing a metal support and forming an anode layer, wherein the anode layer is formed. The step may be forming through optical sintering.
보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 구체적인 제조방법은 금속지지체를 준비하는 단계(S110), 상기 금속지지체 상에 음극 전구체 층을 형성하는 단계(S210), 상기 음극 전구체 층에 광소결 공정을 이용하여 연료극 층을 형성하는 단계(S310), 상기 연료극 층 상에 전해질 층을 형성하는 단계(S410) 및 상기 전해질 층 상에 공기극 층을 형성하는 단계(S510)를 포함하는 것이다.More specifically, referring to FIG. 2, the specific manufacturing method of the metal support type solid oxide fuel cell includes preparing a metal support (S110), forming a cathode precursor layer on the metal support (S210), and forming the cathode. It includes forming an anode layer on the precursor layer using a photosintering process (S310), forming an electrolyte layer on the anode layer (S410), and forming a cathode layer on the electrolyte layer (S510). It is done.
도 2을 참조하면 상기 금속지지체를 준비하는 단계와 상기 연료극층을 제조하는 단계 사이에 음극 전구체 층을 형성하는 단계를 더 포함한다. Referring to FIG. 2, the step of forming a cathode precursor layer is further included between preparing the metal support and manufacturing the anode layer.
상기 음극 전구체 층은 비진공 공정(non-vacuum process), 진공 공정(vacuum process) 또는 이들의 조합에 의하여 적층하는 것일 수 있다.The cathode precursor layer may be laminated by a non-vacuum process, a vacuum process, or a combination thereof.
상기 비진공 공정은 스크린 프린팅(screen printing), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating)인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 용액, 잉크(ink) 및 페이스트(paste)로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 스크린 프린팅(screen printing), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating)에 의하여 수행하는 것일 수 있다.The non-vacuum process may be screen printing, spin coating, dip coating, or spray coating, and more specifically, solutions, inks, and pastes ( It may be performed by screen printing, spin coating, dip coating, or spray coating.
상기 진공 공정은 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD) 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 물리적 기상 증착는 스퍼터링(sputtering) 또는 펄스 레이저 증착법(PLD)일 수 있다. 상기 화학적 기상 증착은 원자층 증착(ALD)일 수 있다.The vacuum process may be physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), or a combination thereof. The physical vapor deposition may be sputtering or pulsed laser deposition (PLD). The chemical vapor deposition may be atomic layer deposition (ALD).
상기 비진공 공정에 의하여 음극 전구체 층을 적층하는 경우, 유기물의 급격한 증발을 막기 위하여 열처리 후 광소결을 수행하여 연료극 층을 형성하는 것일 수 있으며, 보다 상세하게는 저온 열처리 후 광소결을 수행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 열처리는 200 내지 500 ℃에서 1 내지 5 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.When laminating the cathode precursor layer by the non-vacuum process, the anode layer may be formed by performing optical sintering after heat treatment to prevent rapid evaporation of organic substances. More specifically, optical sintering may be performed after low-temperature heat treatment. You can. At this time, the heat treatment may be performed at 200 to 500 ° C. for 1 to 5 hours.
상기 광소결 공정은 제논 플래쉬 램프(xenon flash lamp), 네온(Ne), 크립톤(Kr) 플래쉬 램프에서 조사되는 백색광을 이용하는 것일 수 있으며, 상기 백색광은 약 300 nm 내지 800 nm 파장 대역의 가시광선의 합 일수 있다. 보다 상세하게는 제논 플래쉬 램프에서 조사되는 극단파 백색광(Intense Pulsed Light, IPL)을 이용하는 것이 바람직하다.The optical sintering process may use white light emitted from a xenon flash lamp, neon (Ne), or krypton (Kr) flash lamp, and the white light is the sum of visible light in the wavelength range of about 300 nm to 800 nm. It can be. More specifically, it is desirable to use microwave white light (Intense Pulsed Light, IPL) emitted from a xenon flash lamp.
상기 제논 플래쉬 램프는 상대적으로 다른 램프에 비해 효율이 높고 광량이 높은 장점이 있으면, 가장 대중적으로 사용한다. The xenon flash lamp is the most popular because it has the advantage of relatively high efficiency and high light intensity compared to other lamps.
상기 광소결 공정은 1회 주기(cycle)을 기준으로 1 내지 100회 수행하는 것일 수 있으며, 상기 1 내지 100회 수행하는 각각의 1회 주기(cycle)의 광소결 조건은 동일하거나 상이할 수 있다.The photosintering process may be performed 1 to 100 times based on one cycle, and the photosintering conditions for each cycle performed 1 to 100 times may be the same or different. .
상기 광소결 공정의 1회 주기(cycle)는, 광조사 시간이 0.01 내지 50 ms이며, 펄스 간격(Pulse gap)이 0.01 내지 5000 ms이며, 펄스 수(Pulse number)가 1 내지 100회이며, 기판 온도가 0 내지 600 ℃이며, 광조사 강도(Intensity)가 100 내지 180 J/㎠ 에너지일 수 있고, 바람직한 광조사 강도는 150 내지 171J/㎠의 에너지 일수 있다. In one cycle of the photosintering process, the light irradiation time is 0.01 to 50 ms, the pulse gap is 0.01 to 5000 ms, the pulse number is 1 to 100, and the substrate The temperature is 0 to 600 ℃, and the light irradiation intensity is 100 to 180 J/㎠. It may be energy, and the preferred light irradiation intensity may be 150 to 171 J/cm2.
상기 광조사 시간 범위, 상기 펄스 간격 범위, 상기 펄스 수 범위, 상기 기판 온도 범위 및 상기 광조사 강도 범위 내에 미치지 못하는 경우 광 에너지가 부족하여 particle 성장 및 결정성 발달을 위한 소결이 제대로 이루어지지 않으며, 해당 범위를 초과하는 경우 너무 강한 광 에너지로 인하여 막의 박리, crack 등 물리적 결함이 발생할 수 있다. If the light irradiation time range, the pulse interval range, the pulse number range, the substrate temperature range, and the light irradiation intensity range are not met, sintering for particle growth and crystallinity development is not properly achieved due to insufficient light energy, If this range is exceeded, physical defects such as film peeling and cracks may occur due to too strong light energy.
상기 광소결 공정은 1회 주기(cycle) 조건들인 광조사 시간, 펄스 간격, 펄스 수 및 주기의 회수를 각각의 범위 내에서 조절할 수 있으며, 바람직하게는 상기 광조사 강도 범위 내의 에너지를 가지도록 상기 1회 주기(cycle) 조건들인 광조사 시간, 펄스 간격, 펄스 수 및 주기의 횟수 등의 조건을 조절할 할 수 있다. The optical sintering process can adjust the light irradiation time, pulse interval, pulse number, and number of cycles, which are one cycle conditions, within each range, and preferably has energy within the light irradiation intensity range. One cycle conditions such as light irradiation time, pulse interval, number of pulses, and number of cycles can be adjusted.
이때 상기 광소결 공정에 이용되는 램프의 전압은 650~700V 일 수 있으며 바람직하게는 상기 광소결 공정에 이용되는 제논 플래쉬 램프의 전압은 650~700V 일 수 있다. At this time, the voltage of the lamp used in the photosintering process may be 650 to 700V, and preferably, the voltage of the xenon flash lamp used in the photosintering process may be 650 to 700V.
이때, 상기 기판의 온도는 상기 금속지지체의 온도일 수 있다. At this time, the temperature of the substrate may be the temperature of the metal support.
본 발명의 일 형태에 따른 금속지지형 고체산화물 연료전지의 제조방법은 백색광 등의 광소결 공정이 매우 짧은 시간 동안(10s 이내) 진행되는 것이므로, 기존의 열 에너지를 이용한 소결공정에서 발생하는 금속지지체(기판)의 산화물제 및 금속지지체와 연료극 사이의 물질(Ni, Fe, Cr 등)이 확산되는 문제점을 해소할 수 있으며, 또한 공정 시간 및 공정비용이 감소되어 대량생산이 가능하다는 장점이 있다.In the method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell according to one form of the present invention, an optical sintering process such as white light is performed for a very short time (within 10 s), so the metal support generated in the sintering process using existing heat energy is used. It can solve the problem of diffusion of oxides of the (substrate) and materials (Ni, Fe, Cr, etc.) between the metal support and the anode, and also has the advantage of reducing process time and cost, making mass production possible.
상기 금속지지체는 금속, 합금 또는 이들의 조합으로 이루어진 물질일 수 있으며, 보다 상세하게는 스테인리스 스틸(stainless steel), Fe-Cr 합금 및 Ni-Fe 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.The metal support may be a material made of a metal, an alloy, or a combination thereof. More specifically, it may be one or more materials selected from the group consisting of stainless steel, Fe-Cr alloy, and Ni-Fe alloy. .
상기 음극 전구체 층은 산화니켈(NiO) 및 LST(Lanthanum strontium titanate)로 이루어진 A군에서 선택된 하나, YSZ(Yttria stabilized zirconia), GDC(Gadolinia doped ceria) 및 LSGM(Lanthanum strontium gallate magnesite) 로 이루어지는 B군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.The cathode precursor layer is one selected from Group A consisting of nickel oxide (NiO) and Lanthanum strontium titanate (LST), and Group B consisting of Yttria stabilized zirconia (YSZ), Gadolinia doped ceria (GDC), and Lanthanum strontium gallate magnesite (LSGM). It may include one selected from .
즉, 상기 음극 전구체 층에 포함되는 물질군은 NiO + YSZ, NiO + GDC, NiO + LSGM, LST + YSZ, LST + GDC, LST + LSGM으로 이루어진 군에서 하나 일수 있다. That is, the material group included in the cathode precursor layer may be one from the group consisting of NiO + YSZ, NiO + GDC, NiO + LSGM, LST + YSZ, LST + GDC, and LST + LSGM.
상기 전해질 층 형성단계는 상기 전해질 층을 형성하기 전 전해질 전구체 층을 형성하는 단계를 더 포함한다. The electrolyte layer forming step further includes forming an electrolyte precursor layer before forming the electrolyte layer.
상기 전해질 전구체 층은 비진공 공정(non-vacuum process), 진공 공정(vacuum process) 또는 이들의 조합에 의하여 적층하는 것일 수 있다.The electrolyte precursor layer may be laminated by a non-vacuum process, a vacuum process, or a combination thereof.
상기 비진공 공정은 스크린 프린팅(screen printing), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating)인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 용액, 잉크(ink) 및 페이스트(paste)로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 스크린 프린팅(screen printing), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating)에 의하여 수행하는 것일 수 있다.The non-vacuum process may be screen printing, spin coating, dip coating, or spray coating, and more specifically, solutions, inks, and pastes ( It may be performed by screen printing, spin coating, dip coating, or spray coating.
상기 진공 공정은 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD) 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 물리적 기상 증착는 스퍼터링(sputtering) 또는 펄스 레이저 증착법(PLD)일 수 있다. 상기 화학적 기상 증착은 원자층 증착(ALD)일 수 있다. The vacuum process may be physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), or a combination thereof. The physical vapor deposition may be sputtering or pulsed laser deposition (PLD). The chemical vapor deposition may be atomic layer deposition (ALD).
상기 비진공 공정에 의하여 전해질 전구체 층을 적층하는 경우, 유기물의 급격한 증발을 막기 위하여 열처리 후 광소결을 수행하여 연료극 층을 형성하는 것일 수 있으며, 보다 상세하게는 저온 열처리 후 광소결을 수행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 열처리는 200 내지 500 ℃에서 1 내지 5 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.When laminating an electrolyte precursor layer by the non-vacuum process, the anode layer may be formed by performing optical sintering after heat treatment to prevent rapid evaporation of organic substances. More specifically, optical sintering may be performed after low-temperature heat treatment. You can. At this time, the heat treatment may be performed at 200 to 500 ° C. for 1 to 5 hours.
상기 전해질 층 은 상기 전해질 전구체 층을 열소결 공정, 광소결 공정 또는 이들의 혼합 공정을 통해 형성될 수 있으며, 필요에 따라 광소결 효율을 증대시키거나, 열소결 온도를 낮추기 위하여 열소결 및 광소결을 순자척으로 복합하여 적용하거나, 광소결 및 열소결을 순차적으로 적용할 수 있다.The electrolyte layer may be formed of the electrolyte precursor layer through a heat sintering process, a light sintering process, or a mixture of these processes, and if necessary, heat sintering and light sintering to increase light sintering efficiency or lower the heat sintering temperature. It can be applied in combination on a net basis, or light sintering and heat sintering can be applied sequentially.
상기 전해질층 형성시, 상기 열소결 온도를 낮추기 위하여 열소결 공정 및 광소결 공정을 순자척으로 복합하여 적용하거나, 광소결 공정 및 열소결 공정을 순차적으로 적용하는 경우의 상기 열소결 공정은 광소결 공정 전 유기물을 제거하기 위한 사전 열처리로 200 내지 500 ℃에서 1 내지 5 시간 동안 수행할 수 있다.When forming the electrolyte layer, the thermal sintering process and the optical sintering process are applied in combination in order to lower the thermal sintering temperature, or when the optical sintering process and the thermal sintering process are applied sequentially, the thermal sintering process is optical sintering. Pre-heat treatment to remove organic substances before the process can be performed at 200 to 500 ° C. for 1 to 5 hours.
다만 상기 전해질 층 형성시, 상기와 같이 광소결 공정과 복합 또는 순차적으로 적용하지 않는 단독적인 열소결 공정은 1300 내지 1400℃에서 5시간 소결할 수 있다. However, when forming the electrolyte layer, the heat sintering process alone, which is not applied in combination or sequentially with the light sintering process as described above, can be sintered at 1300 to 1400°C for 5 hours.
상기 전해질 층 형성시 사용되는 광소결 공정은 상기 연료극 층 형성시 적용되는 광소결 공정 조건을 이용하여 제조할 수 있다. The optical sintering process used when forming the electrolyte layer can be manufactured using the optical sintering process conditions applied when forming the anode layer.
상기 전해질 층은 ScSZ(scandia stabilized zirconia), YSZ(Yttria stabilized zirconia), SDC(Samaria doped ceria), GDC(Gadolinia doped ceria), LSGM(Lanthanum strontium gallate magnesite), ESB(Erbium stabilized bismuth oxide)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The electrolyte layer is a group consisting of scandia stabilized zirconia (ScSZ), Yttria stabilized zirconia (YSZ), Samaria doped ceria (SDC), Gadolinia doped ceria (GDC), Lanthanum strontium gallate magnesite (LSGM), and Erbium stabilized bismuth oxide (ESB). It may contain one or more substances selected from.
상기 공기극 층 형성단계는 상기 공기극 층을 형성하기 전 공기극 전구체 층을 형성하는 단계를 더 포함한다. The air cathode layer forming step further includes forming an air cathode precursor layer before forming the air cathode layer.
상기 공기극 전구체 층은 비진공 공정(non-vacuum process), 진공 공정(vacuum process) 또는 이들의 조합에 의하여 적층하는 것일 수 있다.The cathode precursor layer may be laminated by a non-vacuum process, a vacuum process, or a combination thereof.
상기 비진공 공정은 스크린 프린팅(screen printing), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating)인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 용액, 잉크(ink) 및 페이스트(paste)로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 스크린 프린팅(screen printing), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating)에 의하여 수행하는 것일 수 있다.The non-vacuum process may be screen printing, spin coating, dip coating, or spray coating, and more specifically, solutions, inks, and pastes ( It may be performed by screen printing, spin coating, dip coating, or spray coating.
상기 진공 공정은 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD) 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 물리적 기상 증착는 스퍼터링(sputtering) 또는 펄스 레이저 증착법(PLD)일 수 있다. 상기 화학적 기상 증착은 원자층 증착(ALD)일 수 있다.The vacuum process may be physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), or a combination thereof. The physical vapor deposition may be sputtering or pulsed laser deposition (PLD). The chemical vapor deposition may be atomic layer deposition (ALD).
상기 비진공 공정에 의하여 공기극 전구체 층을 적층하는 경우, 유기물의 급격한 증발을 막기 위하여 열처리 후 광소결을 수행하여 연료극 층을 형성하는 것일 수 있으며, 보다 상세하게는 저온 열처리 후 광소결을 수행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 열처리는 200 내지 500 ℃에서 1 내지 5 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.When laminating the cathode precursor layer by the non-vacuum process, the anode layer may be formed by performing optical sintering after heat treatment to prevent rapid evaporation of organic substances. More specifically, optical sintering may be performed after low-temperature heat treatment. You can. At this time, the heat treatment may be performed at 200 to 500 ° C. for 1 to 5 hours.
상기 공기극 층은 상기 공기극 전구체 층을 열소결 공정, 광소결 공정 또는 이들의 혼합 공정을 통해 형성될 수 있으며, 필요에 따라 광소결 효율을 증대시키거나, 열소결 온도를 낮추기 위하여 열소결 및 광소결을 순자척으로 복합하여 적용하거나, 광소결 및 열소결을 순차적으로 적용할 수 있다.The air cathode layer may be formed by using the air cathode precursor layer through a heat sintering process, a light sintering process, or a combination process thereof, and, if necessary, heat sintering and light sintering to increase the light sintering efficiency or lower the heat sintering temperature. It can be applied in combination on a net basis, or light sintering and heat sintering can be applied sequentially.
상기 공기극 층 형성시, 상기 열소결 온도를 낮추기 위하여 열소결 및 광소결을 순자척으로 복합하여 적용하거나, 광소결 및 열소결을 순차적으로 적용하는 경우의 상기 열소결은 광소결 전 유기물을 제거하기 위한 사전 열처리로 200 내지 500 ℃에서 1 내지 5 시간 동안 수행할 수 있다.When forming the air electrode layer, thermal sintering and optical sintering are applied in combination to lower the thermal sintering temperature, or when optical sintering and thermal sintering are applied sequentially, the thermal sintering is performed to remove organic substances before optical sintering. Pre-heat treatment may be performed at 200 to 500° C. for 1 to 5 hours.
다만 상기 공기극 층 형성시, 상기와 같이 광소결 공정과 복합 또는 순차적으로 적용하지 않는 단독적인 열소결 공정은 1000 내지 1100℃에서 2시간 소결할 수 있다. However, when forming the air gap layer, the heat sintering process alone, which is not applied in combination or sequentially with the optical sintering process as described above, can be sintered at 1000 to 1100°C for 2 hours.
상기 공기극 층 형성시 사용되는 광소결 공정은 상기 연료극 층 형성시 적용되는 광소결 공정 조건을 이용하여 제조할 수 있다. The optical sintering process used when forming the air electrode layer can be manufactured using the optical sintering process conditions applied when forming the anode layer.
상기 공기극 층은 란탄 산화물계 페로브스카이트 물질, 이중페로브스카이트(Double perovskite) 구조계열 물질 또는 니켈레이트(Nickelate) 계열 물질일 수 있다. 상기 란탄 산화물계 페로브스카이트 물질은 란탄-스트론튬 망간 산화물(LSM), 란탄-스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란탄-스트론튬 철 산화물(LSF), 란탄-스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF) 및 사마리움-스트론튬 코발트 산화물(SSC)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 이중페로브스카이트(Double perovskite) 구조계열 물질은 PBNO(PrBaNi2O5+δ) 또는 PBCO(PrBaCO2O5+δ)일 수 있다. 상기 니켈레이트(Nickelate) 계열 물질은 란타늄 니켈(lanthanum nickelate, LNO) 또는 PNO(Pr2NiO4+δ)일 수 있다.The air cathode layer may be a lanthanum oxide-based perovskite material, a double perovskite structure-based material, or a nickelate-based material. The lanthanum oxide-based perovskite material includes lanthanum-strontium manganese oxide (LSM), lanthanum-strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum-strontium iron oxide (LSF), lanthanum-strontium cobalt iron oxide (LSCF), and samarium-strontium iron oxide (LSCF). It may be one or more types selected from the group consisting of strontium cobalt oxide (SSC). The double perovskite structure-based material may be PBNO (PrBaNi 2 O 5+δ ) or PBCO (PrBaCO 2 O 5+δ ). The nickelate-based material may be lanthanum nickelate (LNO) or PNO (Pr 2 NiO 4+δ ).
본 발명의 다른 실시예에 따라 상기 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)를 제공한다. According to another embodiment of the present invention, a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC) is provided, which is manufactured by the above manufacturing method.
상기 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)는 기존의 열 에너지를 이용한 소결공정에서 발생하는 금속지지체(기판)의 산화물제 및 금속지지체와 연료극 사이의 Ni, Fe, Cr 등과 같은 물질의 확산을 억제한 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)인 것을 특징으로 하며, 이는 상기 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC) 내 금속지지체에 포함되는 물질이 연료극 층으로 확산되지 않은 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)를 의미한다. The metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC) suppresses the diffusion of oxides of the metal support (substrate) and substances such as Ni, Fe, Cr, etc. between the metal support and the anode generated in the sintering process using existing heat energy. It is characterized as a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC), which is a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC) in which substances contained in the metal support do not diffuse into the anode layer. (SOFC).
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are for illustrating the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these examples.
준비예 1. Preparation example 1.
금속지지체 준비과정 및 음극 전구체 층의 코팅Metal support preparation process and coating of cathode precursor layer
금속지지체는 상용 스테인리스 스틸 파우더(stainless steel powder, ~325 mesh, Type 430-L (Alfa aesar))를 사용하여 스테인리스 스틸(stainless steel) 기판(금속지지체)을 제조한다. A stainless steel substrate (metal support) is manufactured using commercial stainless steel powder (~325 mesh, Type 430-L (Alfa aesar)).
stainless steel powder 1g을 12 mm X 12 mm 사각 몰드에 넣고, 일축프레스를 이용하여 833MPa 압력으로 2분동안 가압하여 두께 1mm로 성형한다. 이후 1050에서 4시간 소결한다. Put 1g of stainless steel powder into a 12 mm After 1050 Sinter for 4 hours.
상기 소결을 진행하기에 앞서 진공펌프를 이용하여 -100kPa의 저진공을 5분간 유지하고 H2 5%, Ar 95% 혼합가스를 상압까지 채우는 과정을 3번 반복하여 소결로 내부 공기를 제거하고 환원분위기를 조성한다. 또한 소결을 진행하는 동안에는 H2 5%, Ar 95% 혼합가스를 유량 100sccm(standard cubic centimeter per minute)으로 일정하게 공급한다. 상기 stainless steel을 이용하여 제작된 금속지지체 기판은 12 mm X 12 mm X 1mm 의 크기를 갖는다.Before proceeding with the sintering, the process of maintaining a low vacuum of -100 kPa for 5 minutes using a vacuum pump and filling the mixed gas with 5% H 2 and 95% Ar to normal pressure is repeated three times to remove and reduce the air inside the sintering furnace. Create an atmosphere. In addition, while sintering is in progress, a mixed gas of 5% H 2 and 95% Ar is supplied at a constant flow rate of 100 sccm (standard cubic centimeter per minute). The metal support substrate manufactured using stainless steel has a size of 12 mm x 12 mm x 1 mm.
상기 금속지지체 기판상에 NiO-YSZ 음극 전구체 층을 형성한다. A NiO-YSZ cathode precursor layer is formed on the metal support substrate.
상기 NiO-YSZ 음극 전구체 층은 상용 NiO-YSZ 페이스트(paste)를 사용한다. 상기 상용 NiO-YSZ paste 조성비는 NiO : 8YSZ = 57 : 43이고, BET = 8.73m2/g, PSD(d50) = 0.43um 인 NiO-YSZ paste (Kceracell)를 사용하며, 스크린 프린팅 방법을 통해 코팅하고, NiO-YSZ 페이스트(paste)를 코팅한 후에는 100 ℃에서 1시간동안 건조한다.The NiO-YSZ cathode precursor layer uses commercial NiO-YSZ paste. The commercial NiO-YSZ paste composition ratio is NiO:8YSZ = 57:43, BET = 8.73m2/g, PSD(d50) = 0.43um NiO-YSZ paste (Kceracell) is used, and coated through screen printing method. , After coating with NiO-YSZ paste, dry at 100°C for 1 hour.
실시예 1. Example 1.
연료층 형성과정Fuel layer formation process
상기 준비예 1을 통해 NiO-YSZ 음극 전구체 층이 코팅된 금속지지체를 제논 플래쉬 램프에서 조사되는 백색광을 이용하여 소결한다. The metal support coated with the NiO-YSZ cathode precursor layer through Preparation Example 1 is sintered using white light emitted from a xenon flash lamp.
상기 제논 플래쉬 램프의 전압은 700V, 조사 시간 10ms, 휴지 시간 500ms, 6pulse의 조건을 1주기(cycle)로 백색광을 조사하여 소결한다. 상기 소결은 1주기(cycle)만 수행한다. The voltage of the xenon flash lamp is 700V, irradiation time is 10ms, rest time is 500ms, and sintering is performed by irradiating white light in one cycle under the conditions of 6 pulse. The sintering is performed only for one cycle.
이때 광 에너지는 총 171J/㎠의 에너지를 갖는다. 광조사시 상기 금속지지체의 하단에 두께 5mm의 Al2O3 기판(plate)을 두어 열용량을 증가시키고 하부 기판으로의 급격한 열전달을 방지한다. 또한 광소결시 히터를 통해 상기 음극 전구체 층이 코팅된 금속지지체의 온도를 460℃로 유지한다. 소결 후 형성된 연료층은 15~30㎛의 두께를 갖는다.At this time, the light energy has a total energy of 171J/cm2. When irradiated with light, an Al 2 O 3 plate with a thickness of 5 mm is placed at the bottom of the metal support to increase heat capacity and prevent rapid heat transfer to the lower substrate. Additionally, during photosintering, the temperature of the metal support coated with the cathode precursor layer is maintained at 460°C using a heater. The fuel layer formed after sintering has a thickness of 15 to 30 μm.
실시예 2. Example 2.
전해질 층 형성과정 (비진공 공정에 의한 제작)Electrolyte layer formation process (manufactured by non-vacuum process)
상기 실시예 1을 통해 연료층이 형성된 금속지지체 상에 8mol% YSZ 상용 paste (K-ceracell)를 사용하여 스크린 프린팅 방법을 통해 2회 코팅하고, 100 ℃에서 1 시간 동안 건조한다. 이후 약 1300 내지 1400 ℃의 온도에서 5시간 동안 열소결한다. 이때 상기 열소결시 준비예 1의 stainless steel 기판 제작과 마찬가지로 환원분위기를 조성하여 소결한다. 제작된 전해질 막은 약 8~10um의 두께를 가진다. The metal support on which the fuel layer was formed in Example 1 was coated twice using a screen printing method using 8 mol% YSZ commercial paste (K-ceracell), and dried at 100° C. for 1 hour. Thereafter, heat sintering is performed at a temperature of approximately 1300 to 1400° C. for 5 hours. At this time, during heat sintering, a reducing atmosphere is created and sintered, similar to the production of the stainless steel substrate in Preparation Example 1. The manufactured electrolyte membrane has a thickness of approximately 8 to 10 μm.
실시예 3. Example 3.
전해질 층 형성과정 (진공 공정에 의한 제작)Electrolyte layer formation process (manufactured by vacuum process)
상기 실시예 1을 통해 연료층이 형성된 금속지지체 상에 Y/Zr(조성비 16:84 atomic%) 스퍼터링 타겟을 이용하여 반응성 스퍼터링 공정을 통해 Ar : O2 = 20 : 3 분압 비 조건에서 90 W(0.4 A)의 파워와 5 mTorr의 공정압력에서 10시간 증착한다. 제작된 전해질 막은 약 1~2um의 두께를 가진다. 90 W (composition ratio: 90 W ( Deposit for 10 hours at a power of 0.4 A) and a process pressure of 5 mTorr. The manufactured electrolyte membrane has a thickness of approximately 1 to 2 μm.
실시예 4. Example 4.
공기층 형성과정Air layer formation process
상기 실시예 2 또는 실시예 3에 따라 전해질층이 형성된 금속지지체 상에 La-Sr-Co-Fe 산화물(LSCF) 상용 paste(조성비: La:Sr:Co:Fe:O=0.6:0.4:0.2:0.8:3)를 사용하여 스크린 프린팅 방법을 통해 2회 코팅하고, 100 ℃에서 1시간동안 건조한다.On the metal support on which the electrolyte layer was formed according to Example 2 or Example 3, a commercial paste of La-Sr-Co-Fe oxide (LSCF) was applied (composition ratio: La:Sr:Co:Fe:O=0.6:0.4:0.2: 0.8:3), coated twice using a screen printing method, and dried at 100°C for 1 hour.
이후 약 1050 ℃의 온도에서 2시간 동안 열소결 한다. 이때 상기 열소결시 준비예 1의 stainless steel 기판 제작과 마찬가지로 환원분위기를 조성하여 소결한다. 제작된 공기극 막은 약 20~30um의 두께를 가진다.Afterwards, it is heat sintered at a temperature of approximately 1050°C for 2 hours. At this time, during heat sintering, a reducing atmosphere is created and sintered, similar to the production of the stainless steel substrate in Preparation Example 1. The manufactured air cathode membrane has a thickness of approximately 20 to 30 um.
비교예 1. Comparative Example 1.
상기 준비예 1을 통해 NiO-YSZ 음극 전구체 층이 코팅된 금속지지체(stainless steel 기판)를 1200℃에서 4시간동안 소결한다. 소결을 진행할 때에는 준비예 1의 stainless steel 기판 제작과 마찬가지로 환원분위기를 조성하여 소결한다. 소결을 진행하기에 앞서 진공펌프를 이용하여 -100kPa의 저진공을 5분간 유지하고 H2 5%, Ar 95% 혼합가스를 상압까지 채우는 과정을 3번 반복하여 소결로 내부 공기를 제거하고 환원분위기를 조성한다. Through Preparation Example 1, the metal support (stainless steel substrate) coated with the NiO-YSZ cathode precursor layer was sintered at 1200°C for 4 hours. When sintering is performed, a reducing atmosphere is created and sintered, similar to the production of the stainless steel substrate in Preparation Example 1. Before proceeding with sintering, the process of maintaining a low vacuum of -100 kPa for 5 minutes using a vacuum pump and filling the mixed gas with 5% H2 and 95% Ar up to normal pressure was repeated three times to remove air inside the sintering furnace and create a reducing atmosphere. Create.
또한 소결을 진행하는 동안에는 H2 5%, Ar 95% 혼합가스를 유량 100sccm으로 일정하게 공급한다. 형성된 연료층은 15~30㎛의 두께를 갖는다.In addition, while sintering is in progress, a mixed gas of 5% H 2 and 95% Ar is supplied at a constant flow rate of 100 sccm. The formed fuel layer has a thickness of 15 to 30 μm.
특성평가 1. Characteristic evaluation 1.
상기 준비예 1, 실시예 1, 비교예 1에 따라 준비한 금속지지체 상의 연료극 층 표면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영하여 각각의 입자(particle)별 결정립 성장과 그로 인한 연결성(connectivity)증가를 확인한다. The surface of the anode layer on the metal support prepared according to Preparation Example 1, Example 1, and Comparative Example 1 was photographed with a scanning electron microscope (SEM) to determine grain growth for each particle and the resulting connectivity. ) Check the increase.
상기 주사전자현미경 촬영 결과는 도 3에 도시하고, 구체적으로는 소결전인 준비예 1의 이미지는 도 3(a)에, 광소결한 실시예 1의 이미지는 도 3(b)에, 열소결한 비교예 1의 이미지는 도 3(c)에 도시한다. The scanning electron microscopy results are shown in FIG. 3, specifically, the image of Preparation Example 1 before sintering is in FIG. 3(a), the image of Example 1 after light sintering is in FIG. 3(b), and the image of Preparation Example 1 before sintering is in FIG. 3(b). The image of Comparative Example 1 is shown in FIG. 3(c).
도 3(a) 내지 도 3(c)를 참조하면, 도 3(a)는 준비예 1 소결전 이미지로 입자(particle)의 성장이 미비하고, 광소결한 실시예 1의 이미지인 도 3(b)과 열소결한 비교예 1의 이미지인 도 3(c)는 소결 이후 결정립 성장 및 연결성(connectivity)이 향상되었다. Referring to FIGS. 3(a) to 3(c), FIG. 3(a) is an image of Preparation Example 1 before sintering, showing insufficient particle growth, and FIG. 3(a) is an image of Example 1 after photosintering. b) and Figure 3(c), which is an image of heat-sintered Comparative Example 1, showed improved grain growth and connectivity after sintering.
특성평가 2. Characteristic evaluation 2.
실시예 1, 비교예 1에 따라 준비한 금속지지체상의 연료극층의 단면을 에너지 분산형 X선 분석(Energy Dispersive X-Ray Analysis, EDX mapping)한다. The cross section of the anode layer on the metal support prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 was subjected to Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDX mapping).
상기 에너지 분산형 X선 분석결과는 도 4 및 도 5에 도시한다. The energy dispersive X-ray analysis results are shown in Figures 4 and 5.
구체적으로 도 4는 EDX mapping한 결과로 광소결한 실시예 1의 EDX mapping 결과는 도 4(b)에 도시하며, 열소결한 비교예 1의 EDX mapping 결과는 도 4(a)에 도시한다. Specifically, FIG. 4 shows the EDX mapping result of Example 1 light-sintered in FIG. 4(b), and the EDX mapping result of Comparative Example 1 heat-sintered is shown in FIG. 4(a).
구체적으로 도 5는 EDX line profile한 결과로 광소결한 실시예 1의 EDX mapping 결과는 도 5(b)에 도시하며, 열소결한 비교예 1의 EDX mapping 결과는 도 5(a)에 도시한다.Specifically, Figure 5 shows the EDX mapping result of light-sintered Example 1 as a result of the EDX line profile in Figure 5(b), and the EDX mapping result of heat-sintered Comparative Example 1 is shown in Figure 5(a). .
도 4(a)를 참조하면, 열소결한 비교예 1의 경우 Ni-YSZ 음극과 SS430 금속지지체 사이의 열소결 과정에서 발생하는 Ni-Cr,Fe 상호 확산에 의해 Ni-YSZ 음극층에서 Cr, Fe 검출이 검출 됨을 확인할 수 있다. 이는 재료 물성 저하 및 성능 저하의 원인이다. Referring to FIG. 4(a), in the case of heat sintered Comparative Example 1, Cr, It can be confirmed that Fe is detected. This is the cause of deterioration of material properties and performance.
도 4(b)를 참조하면, 광소결한 실시예 1의 경우 Cr, Fe의 확산 없이 소결됨을 확인할 수 있다. 앞서 도 3의 이미지를 통해 미세구조상에서도 소결 전 초기 입자(particle) 상태로부터 결정립 성장 및 연결성이 증가하는 정도가 기존 열소결과 유사함으로써, 광소결을 통한 충분한 소결도를 확인 하였으며, 이에 본 발명의 실시예의 제조방법은 기존 공정의 기술적 어려움인 Ni-Cr,Fe 확산을 억제하면서 충분한 소결을 할 수 있음을 확인하였다. Referring to Figure 4(b), it can be seen that in the case of photosintered Example 1, sintering occurred without diffusion of Cr and Fe. Previously, through the image of FIG. 3, the degree of grain growth and increase in connectivity from the initial particle state before sintering in the microstructure was similar to that of existing thermal sintering, confirming a sufficient degree of sintering through optical sintering, and thus the implementation of the present invention. It was confirmed that the manufacturing method in the example can achieve sufficient sintering while suppressing Ni-Cr, Fe diffusion, which is a technical difficulty in the existing process.
도 5(a)를 참조하면, 열소결한 비교예 1의 경우 Ni-YSZ 음극 소결 시 기존의 열소결 공정에서는 Ni-YSZ 음극의 Ni이 기판으로 확산되고 기판의 철(Fe), 크롬(Cr) 등이 음극으로 확산되는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 원소의 확산은 성능을 저하시키는 문제가 된다. Referring to FIG. 5(a), in the case of Comparative Example 1 where heat sintering is performed, when sintering a Ni-YSZ cathode, in the existing heat sintering process, Ni from the Ni-YSZ cathode diffuses into the substrate and iron (Fe) and chromium (Cr) of the substrate ), etc. can be confirmed to be diffused to the cathode. Diffusion of these elements becomes a problem that reduces performance.
도 5(b)를 참조하면, 광소결한 실시예 1의 경우 기존의 열소결 공정에서는 Stainless steel의 Fe, Cr이 Ni-YSZ layer로 확산되었지만 IPL 공정 시 확산되지 않음을 확인 할 수 있다. Referring to FIG. 5(b), in the case of Example 1 where light sintering was performed, it can be seen that Fe and Cr of stainless steel diffused into the Ni-YSZ layer in the existing heat sintering process, but did not diffuse during the IPL process.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Meanwhile, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are merely provided as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that in addition to the embodiments disclosed herein, other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.
Claims (11)
상기 금속지지체 상에 음극 전구체 층을 형성하는 단계;
상기 음극 전구체 층에 광소결 공정을 이용하여 연료극(Anode)층을 제조하는 단계;
상기 연료극(Anode)층 상에 전해질(Electrolyte) 층을 제조하는 단계; 및
상기 전해질(Electrolyte) 층 상에 공기극(Cathode) 층을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 금속지지체의 하단에 기판을 배치하여 상기 광소결 공정에서 상기 금속지지체로의 급격한 열전달을 방지하며,
상기 광소결 공정의 광조사 강도(Intensity)는 100 내지 180 J/cm2인 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법.
Preparing a metal support;
forming a cathode precursor layer on the metal support;
manufacturing an anode layer on the cathode precursor layer using a photo-sintering process;
Manufacturing an electrolyte layer on the anode layer; and
Comprising the step of manufacturing a cathode layer on the electrolyte layer,
Placing a substrate at the bottom of the metal support prevents rapid heat transfer to the metal support in the optical sintering process,
A method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC), characterized in that the light irradiation intensity of the light sintering process is 100 to 180 J/cm 2 .
상기 광소결 공정은 제논 플래쉬 램프(xenon flash lamp), 네온(Ne) 플래쉬 램프 및 크립톤(Kr) 플래쉬 램프로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나에서 조사되는 백색광을 이용하는 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법.
According to clause 1,
The optical sintering process is a metal-supported solid oxide fuel characterized in that it uses white light irradiated from any one selected from the group consisting of a xenon flash lamp, neon (Ne) flash lamp, and krypton (Kr) flash lamp. Manufacturing method of battery (SOFC).
상기 광소결 공정은 1회 주기(cycle)을 기준으로 1 내지 100회 수행하는 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법.
According to clause 1,
A method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC), characterized in that the optical sintering process is performed 1 to 100 times based on one cycle.
상기 광소결 공정의 1회 주기(cycle)는,
광조사 시간이 0.01 내지 50 ms이고, 펄스 간격(Pulse gap)이 0.01 내지 5000 ms이며, 펄스 수(Pulse number)가 1 내지 100회이며, 금속지지체 온도가 0 내지 600 ℃인 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법.
According to clause 3,
One cycle of the photosintering process is,
A metal characterized in that the light irradiation time is 0.01 to 50 ms, the pulse gap is 0.01 to 5000 ms, the pulse number is 1 to 100, and the metal support temperature is 0 to 600 ° C. Manufacturing method of supported solid oxide fuel cell (SOFC).
상기 음극 전구체 층은 NiO 및 LST(Lanthanum strontium titanate)로 이루어진 A군에서 선택된 어느 하나와 YSZ(Yttria stabilized zirconia), GDC(Gadolinia doped ceria) 및 LSGM(Lanthanum strontium gallate magnesite) 로 이루어지는 B군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법.
According to clause 1,
The cathode precursor layer is any one selected from Group A consisting of NiO and LST (Lanthanum strontium titanate) and Group B consisting of YSZ (Yttria stabilized zirconia), GDC (Gadolinia doped ceria), and LSGM (Lanthanum strontium gallate magnesite). A method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC), comprising any one of the following.
상기 전해질 층은 ScSZ(scandia stabilized zirconia), YSZ(Yttria stabilized zirconia), SDC(Samaria doped ceria), GDC(Gadolinia doped ceria), LSGM(Lanthanum strontium gallate magnesite), ESB(Erbium stabilized bismuth oxide)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법.
According to clause 1,
The electrolyte layer is a group consisting of scandia stabilized zirconia (ScSZ), Yttria stabilized zirconia (YSZ), Samaria doped ceria (SDC), Gadolinia doped ceria (GDC), Lanthanum strontium gallate magnesite (LSGM), and Erbium stabilized bismuth oxide (ESB). A method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC), comprising at least one material selected from.
상기 공기극 층은 란탄 산화물계 페로브스카이트 물질, 이중페로브스카이트(Double perovskite) 구조계열 물질, 니켈레이트(Nickelate) 계열 물질로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지의 제조방법.
According to claim 1,
The air cathode layer is a metal-supported solid oxide, characterized in that one selected from the group consisting of a lanthanum oxide-based perovskite material, a double perovskite structure-based material, and a nickelate-based material. Manufacturing method of fuel cell.
상기 전해질 층 및 공기극 층은 열소결 공정, 광소결 공정 또는 이들의 혼합 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC), wherein the electrolyte layer and the cathode layer are formed through a thermal sintering process, an optical sintering process, or a combination process thereof.
상기 열소결 공정은 1000 내지 1400 ℃에서 2 내지 5 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지(SOFC)의 제조방법.
According to clause 8,
A method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC), characterized in that the heat sintering process is performed at 1000 to 1400 ° C. for 2 to 5 hours.
A metal-supported solid oxide fuel cell, characterized in that manufactured by the manufacturing method of any one of claims 1 to 9.
상기 금속지지형 고체산화물 연료전지는 상기 금속지지형 고체 산화물 연료전지 내 금속지지체의 크롬(Cr) 또는 철(Fe)이 연료극(anode) 층으로 확산 억제된 것을 특징으로 하는 금속지지형 고체산화물 연료전지.
According to clause 10,
The metal-supported solid oxide fuel cell is a metal-supported solid oxide fuel cell, characterized in that chromium (Cr) or iron (Fe) of the metal support in the metal-supported solid oxide fuel cell is suppressed from diffusion into the anode layer. battery.
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