固体氧化物燃料电池的制作方法

本申请要求于2016年9月28日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0124808号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。本说明书涉及固体氧化物燃料电池，其包括阳极、阴极和设置在阳极与阴极之间的电解质。
背景技术：
：近来，已预测到现有能源如石油和煤的耗竭，并且对可以代替该能源的能源的关注日益增长。作为替代能源之一的燃料电池由于高效和不排出诸如nox和sox的污染物以及使用的燃料丰富这样的优点已特别受到关注。燃料电池是将燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能的发电体系，代表性地使用氢和烃(如甲醇和丁烷)作为燃料并使用氧作为氧化剂。燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)、直接甲醇燃料电池(dmfc)、磷酸燃料电池(pafc)、碱性燃料电池(afc)、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)、固体氧化物燃料电池(sofc)等。同时，需要对通过应用燃料电池的空气电极原理而将金属二次电池的阴极制造为空气电极的金属空气二次电池进行研究。技术实现要素：技术问题本说明书致力于提供一种固体氧化物燃料电池，其包括阳极、阴极、和设置在阳极与阴极之间的电解质。技术方案本说明书的一个示例性实施方案提供了固体氧化物燃料电池，其包括：电池单元，所述电池单元包括阴极、阳极和设置在阴极与阳极之间的电解质层；第一隔离件，所述第一隔离件位于阴极的具有电解质层的表面的相反表面上并且设置有具有凹槽图案和突出图案的流动通道图案，所述第一隔离件被供给空气；第二隔离件，所述第二隔离件位于阳极的具有电解质层的表面的相反表面上并且设置有具有凹槽图案和突出图案的流动通道图案，所述第二隔离件被供给燃料；以及导电图案，所述导电图案沿第二隔离件的凹槽图案设置在阳极的面对第二隔离件的表面上，其中导电图案插入第二隔离件的凹槽图案。本说明书的另一个示例性实施方案提供了包括所述固体氧化物燃料电池作为单元电池的电池模块。有益效果根据本说明书，燃料电池具有电池单元和隔离件的电流电阻小的优点。本说明书的燃料电池具有电池性能良好的优点。附图说明图1为示出固体氧化物型燃料电池的发电原理的示意图。图2为示意性地示出包括燃料电池的电池模块的实例的图。图3为比较例中的固体氧化物燃料电池的垂直截面图。图4为根据本说明书的第一示例性实施方案的固体氧化物燃料电池的垂直截面图。图5为根据本说明书的第二示例性实施方案的固体氧化物燃料电池的垂直截面图。图6为比较例中作为阳极集流体的泡沫镍的表面的扫描电子显微镜(sem)图像。图7为实施例中作为阳极集流体的泡沫镍的表面的sem图像。图8为示出根据本发明的一个示例性实施方案的导电图案插入第二隔离件的凹槽图案的耦接截面图。图9为示出比较例中的薄层电阻测量结果的图。图10为示出实施例中的薄层电阻测量结果的图。图11为实施例和比较例中的i-v-p图。<附图标记说明>60：电池模块70：氧化剂供给单元80：燃料供给单元81：燃料箱82：泵100：电池单元200：第一隔离件210：第一隔离件的凹槽图案230：第一隔离件的突出图案250：第一隔离件的流动通道图案300：第二隔离件310：第二隔离件的凹槽图案330：第二隔离件的突出图案350：第二隔离件的流动通道图案400：导电图案500：阳极集流体600：阴极集流体700：附加导电图案具体实施方式在下文中，将详细地描述本说明书。本说明书提供了一种固体氧化物燃料电池，其包括：电池单元，所述电池单元包括阴极、阳极和设置在阴极与阳极之间的电解质层；第一隔离件，所述第一隔离件位于阴极的具有电解质层的表面的相反表面上并且设置有具有凹槽图案和突出图案的流动通道图案，所述第一隔离件被供给空气；第二隔离件，所述第二隔离件位于阳极的具有电解质层的表面的相反表面上并且设置有具有凹槽图案和突出图案的流动通道图案，所述第二隔离件被供给燃料；以及导电图案，所述导电图案沿第二隔离件的凹槽图案设置在阳极的面对第二隔离件的表面上，其中导电图案插入第二隔离件的凹槽图案。根据图4，本说明书提供了一种固体氧化物燃料电池，其包括：电池单元100，电池单元100包括阴极、阳极和设置在阴极与阳极之间的电解质层；第一隔离件200，第一隔离件200位于阴极的具有电解质层的表面的相反表面上并且设置有具有凹槽图案210和突出图案230的流动通道图案250，第一隔离件200被供给空气；第二隔离件300，第二隔离件300位于阳极的具有电解质层的表面的相反表面上并且设置有具有凹槽图案310和突出图案330的流动通道图案350，第二隔离件300被供给燃料；以及导电图案400，导电图案400沿第二隔离件的凹槽图案设置在阳极的面对第二隔离件的表面上，其中导电图案插入第二隔离件的凹槽图案。固体氧化物燃料电池还包括设置在阳极与第二隔离件之间的阳极集流体，其中导电图案可以形成在阳极集流体的面对第二隔离件的表面上。根据图4，固体氧化物燃料电池还包括设置在阳极与第二隔离件300之间的阳极集流体500，其中导电图案400可以形成在阳极集流体500的面对第二隔离件的表面上。第二隔离件的凹槽图案的平均线宽可以等于或小于导电图案的平均线宽。在本文中，第二隔离件300的凹槽图案310的宽度和导电图案400的宽度与图8中示出的那些相同。导电图案的孔隙率可以为30％或更大。导电图案可以用包含成孔剂(例如碳)的糊料来制备并且具有30％或更大的孔隙率。导电图案的平均高度可以等于或小于第二隔离件的凹槽图案的平均深度的一半。在本文中，第二隔离件300的凹槽图案310的深度和导电图案400的高度与图8中示出的那些相同。导电图案的电导率可以高于待接触的阳极的电导率，特别地，导电图案的电导率可以为400s/cm或更大。导电图案的电导率越高，其越好，因此，导电图案的电导率的上限没有限制。导电图案可以包含镍或镍氧化物(nio)。固体氧化物燃料电池还可以包括设置在阴极与第一隔离件之间的阴极集流体。参照图4，固体氧化物燃料电池还可以包括设置在阴极与第一隔离件200之间的阴极集流体600。固体氧化物燃料电池还可以包括附加导电图案，所述附加导电图案沿第一隔离件的突出图案形成在阴极的面对第一隔离件的表面上，其中附加导电图案可以接触第一隔离件的突出图案的末端。根据图4，固体氧化物燃料电池还可以包括附加导电图案700，附加导电图案700沿第一隔离件200的突出图案230形成在阴极的面对第一隔离件200的表面上，其中附加导电图案700可以接触第一隔离件200的突出图案230的末端。固体氧化物燃料电池还可以包括附加导电图案，所述附加导电图案沿第一隔离件的凹槽图案形成在阴极的面对第一隔离件的表面上，其中附加导电图案可以插入第一隔离件的凹槽图案。根据图5，固体氧化物燃料电池还可以包括附加导电图案700，附加导电图案700沿第一隔离件200的凹槽图案210形成在阴极的面对第一隔离件200的表面上，其中附加导电图案700可以插入第一隔离件200的凹槽图案210。附加导电图案可以包含镧锶钴氧化物(lsc)。燃料电池的形式没有限制，例如，可以为硬币型、板型、圆筒型、喇叭型、纽扣型、片型或堆叠型。燃料电池可以特别地用作电动车辆、混合电动车辆、插入式混合电动车辆或电力储存装置的电源。本说明书提供了包括固体氧化物燃料电池作为单元电池的电池模块。图2示意性地示出了包括燃料电池的电池模块的一个实施方案，并且燃料电池包括电池模块60、氧化剂供给单元70和燃料供给单元80。电池模块60包括一个或更多个上述燃料电池作为单元电池，并且当包括两个或更多个单元电池时，包括介于单元电池之间的隔离件。隔离件用于防止单元电池彼此电连接并将从外部供给的燃料和氧化剂传输至单元电池。氧化剂供给单元70用于将氧化剂供给至电池模块60。作为氧化剂，代表性地使用氧，并且可以使用氧或空气，其被注入至氧化剂供给单元70中。燃料供给单元80用于将燃料供给至电池模块60并且可以包括储存燃料的燃料箱81和将燃料箱81中储存的燃料供给至电池模块60的泵82。作为燃料，可以使用气态或液态氢或烃燃料。烃燃料的实例可以包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然气。发明实施方式在下文中，将通过实施例更详细地描述本说明书。然而，以下实施例仅用于举例说明本说明书，但本说明书不限于此。[实施例]由阳极支撑体层(anodesupportlayer，asl)、阳极功能层(anodefunctionallayer，afl)、电解质层(electrolytelayer，el)和阴极层(cathodelayer，cl)制备测量用固体氧化物燃料电池。asl浆料使用gdc、nio和炭黑作为无机材料，在这种情况下，gdc与nio的比率为50体积％:50体积％，并且基于浆料的总重量，炭黑的含量为10重量％。此外，asl浆料包含分散剂、增塑剂和粘合剂树脂以及溶剂，并且基于浆料的总重量，添加有18.2重量％的溶剂、6.2重量％的分散剂、1.2重量％的增塑剂和24.2重量％的粘合剂。将asl浆料流延成型以获得厚度为100μm至200μm的asl生料片。除无机材料之外，afl浆料具有与asl浆料相同的有机材料，但gdc与nio的组成比为60体积％:40体积％，并且不包含炭黑，使用afl浆料流延成厚度为10μm的afl生料片，其比asl的生料片的厚度薄。除无机材料之外，el浆料具有与asl浆料相同的有机材料，但无机材料仅由gdc制成而没有nio和炭黑，使用el浆料流延成厚度为20μm的el生料片。将asl生料片、afl生料片和el生料片依次层合并在1400℃下进行烧结以制备半电池。在这种情况下，烧结之后的asl、afl和el的厚度分别为800μm、20μm和20μm。使用三辊磨机以糊料形式制备lscf阴极组合物，基于整个组合物的总重量，该lscf阴极组合物包含60重量％的lscf6428(la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3-δ)和40重量％作为粘合剂组合物的esl441。通过丝网印刷将lscf阴极组合物涂覆在以上制备的半电池的电解质层上，干燥，然后在1000℃下热处理以形成阴极。在将待附接至所制备的燃料电池的作为阳极集流体的泡沫镍使用粘结剂固定至电池之后，通过分配将所制备的nio糊料(65％的nio和60％的esl441粘合剂组合物)涂覆成宽度为1.3mm且高度为0.5mm的图案，然后在120℃下干燥2小时或更长时间。该图案与隔离件的凹槽图案对称。此时，通过扫描电子显微镜(sem)测量形成在作为阳极集流体的泡沫镍上的nio图案并示于图7中。在所制备的燃料电池的阴极侧形成作为阴极集流体的银网格图案，并且如图4所示，使用以设置在隔离件的突出图案的末端处的lsc糊料形成的附加导电图案，该隔离件与阴极侧接触。[比较例]由阳极支撑体层(asl)、阳极功能层(afl)、电解质层(el)和阴极层(cl)制备测量用固体氧化物燃料电池。asl浆料使用gdc、nio和炭黑作为无机材料，在这种情况下，gdc与nio的比率为50体积％:50体积％，并且基于浆料的总重量，炭黑的含量为10重量％。此外，asl浆料包含分散剂、增塑剂和粘合剂树脂以及溶剂，并且基于浆料的总重量，添加有18.2重量％的溶剂、6.2重量％的分散剂、1.2重量％的增塑剂和24.2重量％的粘合剂。将asl浆料流延成型以获得厚度为100μm至200μm的asl生料片。除无机材料之外，afl浆料具有与asl浆料相同的有机材料，但gdc与nio的组成比为60体积％:40体积％，并且不包含炭黑，使用afl浆料流延成厚度为10μm的afl生料片，其比asl的生料片的厚度薄。除无机材料之外，el浆料具有与asl浆料相同的有机材料，但无机材料仅由gdc制成而没有nio和炭黑，使用el浆料流延成厚度为20μm的el生料片。将asl生料片、afl生料片和el生料片依次层合，然后在1400℃下进行烧结以制备半电池。在这种情况下，烧结后的asl、afl和el的厚度分别为800μm、20μm和20μm。使用三辊磨机以糊料形式制备lscf阴极组合物，基于整个组合物的总重量，该lscf阴极组合物包含60重量％的lscf6428(la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3-δ)和40重量％作为粘合剂组合物的esl441。通过丝网印刷法将lscf阴极组合物涂覆在以上制备的半电池的电解质层上，干燥，然后在1000℃下热处理以形成阴极。将待附接至所制备的燃料电池的作为阳极集流体的泡沫镍使用粘结剂固定至电池。此时，通过sem测量没有nio图案的泡沫镍并示于图6中。在所制备的燃料电池的阴极侧形成作为阴极集流体的银网格图案，并且如图4所示，使用以设置在隔离件的突出图案的末端处的lsc糊料形成的附加导电图案，该隔离件与阴极侧接触。[实验例1]在将因科镍(inconel)线连接至燃料电池的各电极并连接位于电炉装置外部的薄层电阻测量装置之后，通过使用4探针2线法(4prove2wire)测量薄层电阻。在这种情况下，所使用的测量装置为solartron1287和1260。结果示于图9(比较例)、图10(实施例)和下表1中。结果，在实施例和比较例中，可以看出，由于除了是否存在导电图案之外所有参数都彼此相同，因此具有由接触程度的差异引起的薄层电阻的差异。[表1]评估欧姆电阻比较例3.5ωcm实施例2.5ωcm[实验例2]通过在600℃下使每个燃料电池的单元2000cc的空气流动至阴极并使500cc的氢流动至阳极来以恒电势器使用电流扫描来测量实施例和比较例的电池的性能，并且结果示于表2和图11中。图11为一般性示出燃料电池的性能的i-v-p曲线。[表2]ocv(v)opd(mw@0.5a)比较例1.719361实施例1.781389*ocv(open-circuitvoltage)：开路电压*opd：运行功率密度(0.5a，600℃)。当前第1页12