KR20170076143A - 반응방지층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀 및 그 제조방법 - Google Patents

반응방지층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료극층, 전해질층 및 공기극층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀에 있어서, 상기 전해질층 상에 형성되고 0.5 내지 3 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제1반응방지층, 및 상기 제1반응방지층 상에 형성되고 10 내지 35 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 상기 제2반응방지층을 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀을 제공하고, 이에 따라, 반응방지층의 구조를 치밀화하여 공기극층과 전해질층과의 직접적인 접촉을 효과적으로 방지해 셀의 장기안정성을 확보하고 셀의 내부 저항을 감소시켜 성능을 향상시키며, 간단한 공정으로 고체산화물 연료전지용 셀을 제조하여 제조단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

Description

반응방지층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀 및 그 제조방법{CELL FOR SOLID OXID FUEL CELL COMPRISING REACTION PREVENTING LAYER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 반응방지층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전력을 발생시키기 때문에 기존의 내연기관에 의존한 화력발전과 같이 카르노사이클에 구애를 받지 않으며 높은 발전효율을 가지며, 소음이 적고, 부산물로 물이 생기는 등 환경에 미치는 영향도 매우 적다. 연료전지는 사용되는 전해질에 따라서 작동온도가 결정되고 전해질에 따라서 크게 고분자 전해질형 연료전지, 고체산화물 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 직접 메탄올 연료전지 등이 있다.
이중 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 가장 높은 효율을 보이며, 고열과 함께 열병합발전을 이루면 발전효율이 70~80%에 육박하는 매우 이상적인 시스템이다. 고체산화물 연료전지는 산소이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면에 구비된 연료극, 공기극으로 구성된다. 이는 공기극과 연료극에 산소와 연료를 각각 공급하여 공기극에서는 산소의 환원반응이 일어나 산소이온이 생성되어 전해질을 통해 연료극으로 이동하고, 연료극에서는 연료가 산소이온과 반응하여 물로 산화되면서 전자가 발생하여 전력을 생산하게 된다. 상술한 원리를 갖는 고체산화물 연료전지를 구성하는 기본요소인 전해질 및 전극은 모두 내열성이 우수한 세라믹으로 구성되어 있으며 고온에서 작동하기 때문에 저온형 연료전지에 비해 우수한 효율 및 성능을 갖는다.
그러나 상기 고체산화물 연료전지는 셀 제조 및 운전 시 장시간 고온에 노출되어야 하는데, 이 과정에서 각종 열화 현상이 발생하므로 상용화하는데 어려움이 있다. 보다 구체적으로, 공기극과 전해질의 계면에 La2Zr2O7 또는 SrZrO3 등과 같은 저항이 큰 물질이 생성되어 저항이 증가하고 셀의 성능을 감소시킬 뿐만 아니라, 공기극/전해질과 반응물 간의 열팽창계수 차이로 인해 열기계적 안정성이 저하되는 문제가 발생한다.
따라서 상술한 문제를 해결하고 상기 고체산화물 연료전지의 성능과 안정성을 향상시키기 위해서 공기극과 전해질 사이의 반응을 방지하기 위한 기술이 개발되어 왔다. 이들 중 공기극과 전해질 사이에 구비되는 세리아 계열의 반응방지층이 공지되었으나, 세리아 계열의 소재는 대표적인 난소결성물질으로 치밀한 소결제를 만들기 어려우며, 전해질층이 이미 치밀하게 소결되어 있는 상태에서 전해질층 상부에 세리아 계열의 물질을 도포하여 치밀한 층을 형성하는 것은 매우 어렵다. 또한, 세리아 계열의 반응방지층을 형성하기 위해서는 1300℃ 초과하는 고온에서 소결 공정에서 진행되어야 하나, 이러한 고온에서는 제2의 상이 형성되어 전기전도도가 시키므로 셀 성능을 급격히 저하시킨다.
종래에는 치밀한 막을 형성하기 위하여 스퍼터링, 펄스레이저증착(Pulsed Laser Deposition)과 같은 고진공이 필요한 고가의 증착법을 사용하였으나, 이는 대량 생산성 및 비용 절감 측면에서 적절치 못하다고 할 수 있다. 또한, 치밀한 막을 형성하기 위하여 반응방지측에 소결 조제를 넣어주는 방법을 이용하였으나, 0.5~3몰퍼센트의 소결 조제를 투입하는 경우에는 반응방지층이 치밀해지도록 하기에는 부족하였으며, 소결 조제를 10몰퍼센트 이상 투입하여도 소결성이 낮을 뿐만 아니라 10몰퍼센트 이상의 소결 조제는 세리아의 이온전도도를 올리기 위해 투입되는 도판트(Dopant)의 함량과 비슷한 수준이어서 전도도에 영향을 주는 단점이 있다.
본 발명은 공기극층과 전해질층 사이의 치밀한 구조를 갖는 반응방지층을 구비하여 전기생산 및 전기분해 성능이 우수하고, 장기 안정성이 확보된 고체산화물 연료전지용 셀을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 간단한 공정으로 반응방지층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료극층, 전해질층 및 공기극층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀에 있어서, 상기 전해질층 상에 형성되고 0.5 내지 3 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제1반응방지층, 및 상기 제1반응방지층 상에 형성되고 10 내지 35 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 상기 제2반응방지층을 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀을 제공한다.
상기 전해질층은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 및 란타늄 갈레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 공기극층은 페로브스카이트 구조를 가지면서, 란탄(La), 코발트(Co), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 가돌리늄(Gd), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 금속에서 선택된 2종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1반응방지층 및 제2반응방지층은 세리아계 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 세리아계 금속 산화물은 희토류가 첨가될 수 있다.
상기 소결 조제는 구리, 산화구리, 코발트, 산화코발트, 칼슘, 산화칼슘, 지르코늄, 산화지르코늄, 철, 산화철, 리튬 및 산화리튬으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료극층, 및 상기 연료극층 상에 고체산화물의 전해질층을 형성하는 단계, 전해질층 상에 0.5 내지 3 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제1반응방지층용 조성물을 코팅하여 제1반응방지층을 형성하는 단계, 및 상기 제1반응방지층 상에 10 내지 35 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제2반응방지층용 조성물을 코팅하여 제2반응방지층을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법을 제공한다.
상기 제1반응방지층 및 제2반응방지층을 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2반응방지층 상에 공기극층용 조성물을 코팅하여 공기극층을 형성하는 단계, 및 상기 제1반응방지층, 제2반응방지층 및 공기극층을 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 코팅은 스크린프린팅 공정으로 연속적으로 이루어질 수 있다.
소결 온도는 800 내지 1300℃일 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응방지막의 구조를 치밀화하여 공기극층과 전해질층과의 직접적인 접촉을 효과적으로 방지해 셀의 장기안정성을 확보하고 셀의 내부 저항을 감소시켜 성능을 향상시키며, 간단한 공정으로 고체산화물 연료전지용 셀을 제조하여 제조단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예로부터 제조된 셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 비교예로부터 제조된 셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 반응방지층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀 및 그 제조방법에 관한 것이다.
상기 반응방지층은, 고체산화물 연료전지의 공기극층과 전해질층 사이의 화학반응을 방지하거나 억제하기 위하여 이들 사이에 개재되는 층을 의미한다. 이때, 상기 반응방지층은 공기극층의 원소가 확산되어 전해질층과 반응물을 형성하여 내부 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있어야 하며, 상기 반응방지층의 기공이 많으면 상술한 바와 같이 공기극층의 원소 확산을 돕게 되어 반응방지 기능을 수행하지 못하게 되므로 치밀한 구조를 가질 필요가 있다. 이러한, 치밀화된 구조를 갖기 위해서 1300℃ 초과하는 온도에서 소결하여야 하나, 이러한 고온에서 소결이 이루어지면 전해질층과 반응방지층 사이에 부도체 반응물이 생성되게 되어 연료전지의 성능을 저하시키므로 1300℃ 이하의 온도에서 치밀화된 구조를 갖는 반응방지층을 제조하는 것이 중요하다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료극층, 전해질층 및 공기극층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀에 있어서, 상기 전해질층 상에 형성되고 0.5 내지 3 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제1반응방지층, 및 상기 제1반응방지층 상에 형성되고 10 내지 35 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 상기 제2반응방지층을 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 셀의 단면을 모식적으로 나타낸 도면으로, 이에 따르면, 고체산화물 연료전지용 셀은 연료극층(1), 전해질층(2) 및 공기극층(3)으로 이루어져 있으며, 상기 공기극층과 전해질층 사이에 제1, 제2 반응방지층(3, 4)이 구비된다.
상기 연료극층(1)은 연료의 전기화학반응과 전하 전달 역할을 하므로 연료극 촉매는 연료 산화 촉매물성이 아주 중요하고, 전해질층(2)을 형성하는 재료와 화학적으로 안정하고 열팽창 계수도 유사한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 연료극층의 재료로는 Ni/YSZ 복합체(ceramic-metallic composite), Ru/YSZ 서머트와 같이, Ni, Co, Ru, Pt 등의 순수 금속촉매를 포함하는 지르코니아계 금속산화물일 수 있다. 상기 연료극층은 연료가스가 잘 확산되어 들어갈 수 있도록 다공성을 가지는 것이 좋다. 또한, 연료의 전기화학반응을 촉진하기 위하여 상기 연료극층 및 전해질층 상이에 연료극 기능층을 포함할 수 있다.
상기 전해질층(2)은 공기와 연료가 혼합되지 않도록 치밀해야 하고 산소이온 전도도가 높고 전자전도도가 낮아야 한다. 또한, 상기 전해질층은 양쪽에 매우 큰 산소 분압차가 존재하므로 넓은 산소 분압 영역에서 위의 물성을 유지할 필요가 있다. 이러한 상기 전해질층은 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 지르코니아계 금속산화물인 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 및 란타늄 갈레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 제1 및 제2반응방지층(3, 4)은 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 세리아계 금속산화물일 수 있다. 보다 바람직하게 상기 세리아계 금속산화물은 희토류가 첨가된 것이 바람직하며, 상기 희토류는 란타넘(La), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm) 및 가돌리늄(Gd)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 제1반응방지층(3)은 0.5 내지 3 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 소결조제의 함량이 0.5 몰퍼센트 미만이면 세리아계 금속산화물와 소결조제와의 액상이 형성되지 않아 반응방지층이 치밀화되지 못하며, 3 몰퍼센트를 초과하면 넓은 면적에 균일하게 세리아를 고 함량으로 코팅하는 것이 어렵다.
한편, 상기 제2반응방지층(4)은 10 내지 35 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 소결조제가 10 몰퍼센트 미만으로 포함되면 세리아계 금속산화물와 소결조제와의 액상이 형성되지 않아 반응방지층이 치밀화되지 못하므로 공기극층과 전해질층(2) 간의 화학반응을 억제하지 못하고 연료전지 성능 및 안정성이 저하되며, 35 몰퍼센트를 초과하여 포함되면 세리아계 금속산화물과 소결조재와의 액상이 다량 형성되어 전해질층과의 반응층을 형성하여 연료전지의 성능을 저하하는 문제가 발생한다.
상기 제1 및 제2 반응방지층(3, 4)은 종래 반응방지층에 비하여 조직이 치밀하고 이온전도성이 우수하여 전해질층(2)과 공기극층(5) 사이에 배치되면 이들 간의 원소 확산을 효과적으로 방지하여 부도체 반응물 형성을 억제할 수 있다. 또한, 상기 제1, 제2 반응방지층(3, 4)은 800 내지 1300℃에서 소결되어 제조될 수 있으므로, 소결 시 제2의 상이 형성되어 전기전도도가 저감되어 셀 성능을 급격히 저하시키는 문제점을 방지할 수 있다.
상기 소결 조제는 전해질층(2) 상부에 반응방지층(3, 4)를 치밀하게 형성시킬 수 있는 소결 조제라면 특별히 제한하지 않으나, 구리, 산화구리, 코발트, 산화코발트, 칼슘, 산화칼슘, 지르코늄, 산화지르코늄, 철, 산화철, 리튬 및 산화리튬으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 공기극층(5)은 산소가스가 잘 확산되어 들어갈 수 있도록 다공성을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 공기극층(5)의 재료로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 페로브스카이트 구조를 가지는 금속산화물을 사용할 수 있다. 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 금속산화물은 이온전도성과 전자전도성을 동시에 가지는 혼합전도체 물질로, 높은 산소 확산계수와 전하교환반응 속도계수를 가지고 있어 삼상계면뿐만 아니라 전극 전체의 표면에서 전기화학 반응이 일어날 수 있기 때문에 저온에서의 전극 활성이 뛰어나 고체산화물 셀의 작동온도를 낮추는데 기여할 수 있다.
구체적으로, 상기 공기극층(5)은 페로브스카이트 구조를 가지면서, 란탄(La), 코발트(Co), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 가돌리늄(Gd), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 금속에서 선택된 2종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법은, 연료극층(1), 및 상기 연료극층 상에 고체산화물의 전해질층(2)을 형성하는 단계, 전해질층 상에 0.5 내지 3 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제1반응방지층용 조성물을 코팅하여 제1반응방지층(3)을 형성하는 단계, 및 상기 제1반응방지층 상에 10 내지 35 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제2반응방지층용 조성물을 코팅하여 제2 반응방지층(4)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 연료극층(1), 및 상기 연료극층 상에 고체산화물의 전해질층(2)을 형성할 수 있다. 연료극층 상에 전해질층을 박막공정을 이용하여 코팅하고, 건조하여 제조된다. 보다 바람직하게는 스크린 프린팅일 수 있다. 이때, 상기 연료극 지지체 상에 페이스트의 양을 조절하고, 균일성을 확보하기 위해서는 건조 조건을 제어하여 건조할 수 있다. 상기 전해질층을 상기 연료극 지지체 상에 코팅하기 전에 연료극 기능층을 코팅할 수 있다. 이러한 연료극 기능층의 코팅단계는 상기 전해질층을 코팅하는 단계와 동일하게 이루어진다. 이후, 연료극 기능층 또는 전해질층을 소결하여 연료극, 연료극 기능층 및 전해질층의 적층제를 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 반응방지층(3, 4)은 공기극층(3)과 전해질층(2) 사이에 위치하면서, 공기극층의 La 또는 Sr 등이 전해질층의 지르코니아계 금속산화물과 반응하여 La2Zr2O7 또는 SrZrO3 등과 같은 부도체 반응물을 생성하는 것을 방지할 수 있다.
종래 세리아계 금속산화물만으로 이루어진 반응방지층은 1300℃ 초과하는 온도에서 소결되어야만 치밀한 구조를 가질 수 있다. 그러나, 반응방지층은 전해질층과 접하고 있으므로 고온에서 소결하게 될 경우 전해질층과 화학반응을 일으켜 이온전도도가 낮은 반응물을 생성하는 문제가 발생한다. 상기 문제를 해결하기 위해, 1300℃ 이하의 온도에서 상기 반응방지층을 소결할 경우 소결성이 낮아 다공성 구조를 갖게 되어 공기극층과 전해질층 간의 기공을 통한 내부확산으로 반응층이 생성되어 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
따라서, 종래에는 종래에는 치밀한 막을 형성하기 위하여 스퍼터링, 펄스레이저증착(Pulsed Laser Deposition)과 같은 고진공이 필요한 고가의 증착법을 사용하였으나 이는 대량 생산성이나, 비용 절감측면에서 적절치 못하다고 할 수 있다. 또한, 치밀한 막을 형성하기 위하여 반응방지측에 소결 조제를 넣어주는 방법을 이용하였으나 0.5~3몰퍼센트의 소결 조제를 투입하면 반응방지층이 치밀하기에 부족하였으며, 10몰퍼센트 이상 투입하여도 소결성이 감소할 뿐만 아니라 이는 세리아의 이온전도도를 올리기 위해 투입되는 도판트의 함량과 비슷한 수준이어서 전도도에 영향을 주는 단점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서, 상기 온도보다 낮은 온도에서 반응방지층(3, 4)을 소결하면서 치밀한 구조를 갖도록 제조하여 공기극층과 전해질층(2) 간의 반응을 효과적으로 차단하고자 한는 것이다.
구체적으로, 본 발명에 따르면, 전해질층(2) 상에 0.5 내지 3 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제1반응방지층용 조성물을 코팅하여 제1반응방지층(3)을 형성할 수 있다. 이후 상기 제1반응방지층 상에 10 내지 35 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제2반응방지층용 조성물을 코팅하여 제2 반응방지층(4)을 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2반응방지층(3, 4)을 코팅하는 방법은 스크린프린팅 공정으로 연속적으로 이루어질 수 있으며, 이로 인해, 종래에 스퍼터링 등의 방법을 이용하던 것에 비하여 공정이 간단하고 공정 운영 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
상기 제1 및 제2반응방지층(3, 4)을 스크린프린팅 공정으로 연속적으로 코팅한 후 소결할 수 있다. 소결 온도는 800 내지 1300℃인 것이 바람직하며, 상기 소결 온도가 800℃ 미만이면 반응방지층이 충분히 소결되지 않아 다공성 구조로 형성되고 계면 접합력이 부족하며, 1300℃를 초과하면 전해질층(2)과 화학반응하여 부도체 반응물을 포함하는 반응층이 형성되어 셀의 성능을 저하시킨다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 반응방지층(3, 4)을 소결하기 전에, 상기 제2반응방지층 상에 공기극층용 조성물을 코팅하여 공기극층을 형성할 수 있다. 이후, 상기 제1반응방지층, 제2반응방지층 및 공기극층을 동시에 소결할 수 있다.
상기 공기극층은 스크린프린팅 공정으로 코팅되는 것이 바람직하며, 이로 인해, 제1, 제2 반응방지층 및 공기극층은 스크린프린팅 공정으로 연속적으로 코팅되고 동시에 소결이 이루어질 수 있으므로 공정이 매우 간단하고 경제적인 공정이다. 이러한 공정으로 제조된 고체산화물 연료전지용 셀은 스퍼터링과 같은 고가의 고정을 이용한 셀과 동등 수준의 성능을 유지할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
(ZrO2)0.9(Y2O3)0.1으로 이루어진 전해질층이 한면에 형성된 기판을 준비하고, 상기 전해질층 상에 0.5 몰퍼센트의 산화구리(CuO, 소결조제)를 포함하는 Gd0.1Ce0.9O2(gadolinia doped ceria)를 제1반응방지층용 조성물로 스크린프린팅 법으로 코팅하여 제1반응방지층을 형성했다. 이후 상기 제1반응방지층 상에 30 몰퍼센트의 산화코발트(Mn2O3, 소결조제)를 포함하는 Gd0 . 1Ce0 . 9O2를 제2반응방지층용 조성물로 스크린프린팅 법으로 코팅하여 제2반응방지층을 형성했다. 상기 제2반응방지층 상에 La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 2Fe0 . 8O3, Gd0 . 1Ce0 . 9O2 및 La0 . 6Sr0 . 4CoO3를 포함하는 공기극층용 조성물을 스크린프린팅 법으로 코팅하여 공기극층을 형성한 후, 상기 제1, 제2반응방지층 및 공기극층을 1000℃에서 동시에 소결하였다.
비교예
제2반응방지층을 포함하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 고체산화물 연료전지용 셀을 제조하였다.
도 2는 실시예로부터 제조된 셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 3은 비교예로부터 제조된 셀의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 이에 따르면, 실시예는 제1 및 제2반응방지층이 증착된 셀의 표면이 더 치밀하게 형성되었음을 확인했으나, 비교예는 반응방지층에 기공이 형성되어 있어 치밀하지 않음을 확인했다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
1 : 연료극층
2 : 전해질층
3 : 제1반응방지층
4 : 제2반응방지층
5 : 공기극층

Claims (11)

  1. 연료극층, 전해질층 및 공기극층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀에 있어서,
    상기 전해질층 상에 형성되고 0.5 내지 3 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제1반응방지층; 및
    상기 제1반응방지층 상에 형성되고 10 내지 35 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 상기 제2반응방지층을 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질층은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 및 란타늄 갈레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 고체산화물 연료전지용 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기극층은 페로브스카이트 구조를 가지면서, 란탄(La), 코발트(Co), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 가돌리늄(Gd), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 금속에서 선택된 2종 이상을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응방지층 및 제2반응방지층은 세리아계 금속 산화물을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 세리아계 금속 산화물은 희토류가 첨가된 고체산화물 연료전지용 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소결 조제는 구리, 산화구리, 코발트, 산화코발트, 칼슘, 산화칼슘, 지르코늄, 산화지르코늄, 철, 산화철, 리튬 및 산화리튬으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상인 고체산화물 연료전지용 셀.
  7. 연료극층, 및 상기 연료극층 상에 고체산화물의 전해질층을 형성하는 단계;
    전해질층 상에 0.5 내지 3 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제1반응방지층용 조성물을 코팅하여 제1반응방지층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1반응방지층 상에 10 내지 35 몰퍼센트의 소결조제를 포함하는 제2반응방지층용 조성물을 코팅하여 제2 반응방지층을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1반응방지층 및 제2반응방지층을 소결하는 단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2반응방지층 상에 공기극층용 조성물을 코팅하여 공기극층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1반응방지층, 제2반응방지층 및 공기극층을 소결하는 단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법.
  10. 제7항 또는 제9항에 있어서,
    상기 코팅은 스크린프린팅 공정으로 연속적으로 이루어지는 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    소결 온도는 800 내지 1300℃인 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법.
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