KR101611254B1 - Method of manufacturing anode materials for solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 산화물을 포함하고, 용리 현상을 이용하는 애노드로 하는 고체 산화물 연료전지의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)는 연료 가스의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 고효율의 환경친화적인 전기화학적 발전 기술이다. SOFC는 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 소재가 상대적으로 저렴하며, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 고체 산화물 연료전지는 상대적으로 불순물 함량이 높은 연료도 사용할 수 있고, 복합 발전 능력(hybrid power generation capability), 높은 효율 등과 같은 많은 장점을 지니고 있다. 게다가 연료를 수소로 개질할 필요 없이 탄화수소계 연료를 직접 사용할 수 있어 연료전지 시스템의 단순화와 제작비용 감소로 이어질 수 있다. A solid oxide fuel cell (SOFC) is a highly efficient, environmentally friendly electrochemical power generation technology that directly converts the chemical energy of a fuel gas into electrical energy. Since all components are solid, SOFC has a simple structure, relatively low cost, and is free from electrolyte loss and replacement and corrosion problems compared to other fuel cells. Solid oxide fuel cells can also use relatively high impurity fuels and have many advantages such as hybrid power generation capability and high efficiency. In addition, hydrocarbon fuel can be directly used without reforming the fuel into hydrogen, leading to simplification of the fuel cell system and reduction of production cost.
SOFC는 수소 또는 탄화수소와 같은 연료가 산화되는 애노드(anode 또는 연료극, 음극), 산소 기체가 산소 이온(O2-)으로 환원되는 캐소드(cathode 또는 공기극, 양극) 및 산소 이온이 전도되는 산소 이온 전도성 고체 전해질을 포함하며, 사용되는 소재의 종류에 따라 특별한 물성이 요구된다.The SOFC includes an anode (anode or anode, cathode) in which a fuel such as hydrogen or a hydrocarbon is oxidized, a cathode (cathode or cathode, anode) where oxygen gas is reduced to oxygen ion (O 2- ) A solid electrolyte, and specific physical properties are required depending on the type of material used.
애노드 전극으로서, 니켈계 물질을 주로 사용하고 있다. 니켈은 매우 우수한 변환 촉매이며 전기 화학적 촉매(electro-catalyst)로서 우수한 전자 전도성을 나타내어 수소의 전기화학적 산화에 도움을 주는 등 장점이 있다. 현재 주로 사용되고 있는 니켈-서멧(cermet)은 가격이 저렴하고 고온의 환원 분위기에서 안정한 장점이 있다. Ni-YSZ는 열팽창 계수가 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia, YSZ)와 비슷하며 Ni-YSZ 계면에서 전하 이동 저항이 낮은 여러 장점으로 인해 가장 널리 연구되고 있다. As the anode electrode, a nickel-based material is mainly used. Nickel is a very good conversion catalyst and has excellent advantages such as excellent electroconductivity as an electrocatalyst and helping the electrochemical oxidation of hydrogen. Nickel-cermet, which is currently used mainly, is inexpensive and stable in a reducing atmosphere of high temperature. Ni-YSZ is most widely studied due to its thermal expansion coefficient similar to that of Yttria-stabilized zirconia (YSZ) and its low charge transfer resistance at the Ni-YSZ interface.
반면, 니켈-서멧은 탄화수소 계열 연료에 포함된 탄소(C)와 황(S)에 대해 저항성이 낮은 한계가 있다. 건조한 연료 가스에 수증기를 공급하지 않고, 충분히 높은 전류밀도의 인가 없이 탄화 수소와 일산화탄소를 직접 산화시키면, 니켈이 탄소-탄소 결합을 형성하는 촉매 특성을 가지기 때문에 탄소 증착(carbon deposition)에 의하여 애노드 재료가 급격히 파괴되는 문제점이 있다. 니켈은 수소의 전기화학적 산화에 대해 뛰어난 전기 화학적 촉매이지만 천연 가스 또는 탄화 수소가 직접적으로 연료로 사용되는 경우에는 탄소 증착에 의해 활동도가 저하되며, 니켈 입자에 탄소가 증착되면 활성화 분극(activation polarization)이 매우 높아지게 되어 애노드 성능이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 수소 환경에서 구조 상이 안정해야 되며, 동시에 일정 값 이상의 전기 전도도를 유지하는 것이 매우 중요하다. 이러한 수소 환경에서 장기간 사용시 애노드의 성능 저하가 발생할 우려가 있으므로, 열적 화학적 안정성이 우수하고 전기 전도도가 높은 애노드 물질이 요구된다.On the other hand, nickel-cermet has a low resistance to carbon (C) and sulfur (S) contained in hydrocarbon-based fuels. Direct oxidation of hydrocarbons and carbon monoxide without the supply of steam to the dry fuel gas and without the application of a sufficiently high current density results in the formation of anodic materials by carbon deposition because nickel has the catalytic properties of forming carbon- There is a problem in that it is destroyed rapidly. Nickel is an excellent electrochemical catalyst for the electrochemical oxidation of hydrogen. However, when natural gas or hydrocarbon is directly used as a fuel, its activity is lowered by carbon deposition. When carbon is deposited on nickel particles, activation polarization ) Becomes very high, and the anode performance is deteriorated. In addition, it is very important that the structure phase should be stable in a hydrogen environment, and at the same time, it is necessary to maintain an electric conductivity higher than a certain value. In such a hydrogen environment, there is a fear that the performance of the anode may deteriorate during long-term use. Therefore, an anode material having excellent thermal and chemical stability and high electrical conductivity is required.
본 발명의 기술적 과제는 열적 화학적 안정성이 우수하고 전기 전도도가 높은 고체 산화물 연료전지의 제조 방법을 제공하는 것이다. The present invention also provides a method for producing a solid oxide fuel cell having excellent thermal and chemical stability and high electrical conductivity.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 고체 산화물 연료전지의 제조 방법으로 제조된 고체 산화물 연료전지를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell manufactured by the method for manufacturing the solid oxide fuel cell.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은, 코발트를 포함하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성된 애노드 소재를 제공하는 단계; 및 상기 애노드 소재를 환원 분위기에서 열처리하여, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 상기 코발트를 용리(exsolution)하여 결정화하는 단계;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a solid oxide fuel cell, the method including: providing an anode material composed of a double layered perovskite crystal structure material including cobalt; And heat treating the anode material in a reducing atmosphere to exsolution and crystallize the cobalt from the bilayer perovskite crystal structure material.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질은 하기의 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the bilayer perovskite crystal structure material may include a compound represented by the following formula (1).
<화학식 1>≪ Formula 1 >
RECo2O5+δ RECo 2 O 5 + δ
상기 화학식 1에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 x는 0 초과 2 미만의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 1, R may include one or more elements selected from a rare earth group or a lanthanide group, and E may include one or more elements selected from an alkaline earth metal group, O is oxygen , X is a number of more than 0 and less than 2, and? Is a positive number of 0 or 1 or less.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질은 하기의 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the bilayer perovskite crystal structure material may include a compound of the following formula (2).
<화학식 2>(2)
RET2-xCoxO5+δ RET 2-x Co x O 5 +?
상기 화학식 2에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 x는 0 초과 2 미만의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In the above formula (2), R may include one or more elements selected from a rare earth group or a lanthanide group, and E may include one or more elements selected from an alkaline earth metal group, Metal, O is oxygen, x is a number of more than 0 and less than 2, and? Is a positive number of 0 or 1 or less, and the compound of the formula (2) to be.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 R은, 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 란탄(La), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the R is at least one selected from the group consisting of Y, Sc, Sm, Gd, La, Ne, Pr, Sm, gadolinium, europium, terbium, erbium, or mixtures thereof.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 E는, 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, E may include barium Ba, calcium Ca, strontium Sr, or a mixture thereof.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 T는, 망간(Mn), 철(Fe) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the T may include manganese (Mn), iron (Fe), or a mixture thereof.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질은 하기의 화학식 3의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the bilayer perovskite crystal structure material may include a compound represented by the following formula (3).
<화학식 3>(3)
PrBaMn2-xCoxO5+δ PrBaMn 2-x Co x O 5 +?
상기 화학식 3에서, 상기 O는 산소이고, 상기 x는 0 초과 1 미만의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In the formula (3), O is oxygen, x is a number of more than 0 and less than 1, and? Is a positive number of 0 or 1 or less.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질은 하기의 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the bilayer perovskite crystal structure material may include a compound represented by the following formula (4).
<화학식 4>≪ Formula 4 >
RET2-xT'xO5+δ RET 2-x T ' x O 5 +?
상기 화학식 4에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 T 및 T'는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 x는 0 초과 1 미만의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 4의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 4, R may include one or more elements selected from a rare earth group or a lanthanide group, and E may include one or more elements selected from an alkaline earth metal group, and T and T 'May contain different elements selected from transition metals, O is oxygen, x is a number greater than 0 and less than 1, and the delta is a positive number equal to or less than 0 or 1, .
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 환원 분위기는 수소 분위기를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reducing atmosphere may include a hydrogen atmosphere.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은, 전이 금속을 포함하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성된 애노드 소재를 제공하는 단계; 및 상기 애노드 소재를 환원 분위기에서 열처리하여, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 상기 전이 금속을 용리(exsolution)하여 결정화하는 단계;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a solid oxide fuel cell, including: providing an anode material comprising a double layered perovskite crystal structure material including a transition metal; And heat treating the anode material in a reducing atmosphere to exsolution and crystallize the transition metal from the double layered perovskite crystal structure material.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 연료전지는, 애노드; 상기 애노드를 마주보고 배치되는 캐소드; 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하고, 상기 애노드는, 코발트를 포함하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성된 애노드 소재를 환원 분위기에서 열처리하여, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 용리(exsolution)하여 결정화된 코발트를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell comprising: an anode; A cathode disposed facing the anode; And an electrolyte disposed between the anode and the cathode, wherein the anode is formed by heat-treating an anode material composed of a bilayer perovskite crystal structure material containing cobalt in a reducing atmosphere to form the double layer perovskite crystal structure material And cobalt which has been crystallized by exsolution.
본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 코발트를 포함하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 용리되어 결정화된 코발트를 포함한다. 이와 같이 용리되어 결정화된 코발트 입자들은 기존의 니켈 등의 물질을 대신하여, 수소의 전기 화학적 산화에 도움을 주는 변환 촉매 기능을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예는, 고온, 특히 800℃에서의 전기 전도도가 매우 높게 나타났고, 최대전력밀도가 용리된 코발트를 포함하지 않는 경우에 비하여 높게 나타났다. 또한, 고온에서의 우수한 열적 화학적 안정성을 제공할 수 있다.The method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to the technical idea of the present invention includes cobalt which is eluted and crystallized from a double layer perovskite crystal structure material containing cobalt. The cobalt particles thus eluted and crystallized can function as a conversion catalyst to help electrochemical oxidation of hydrogen instead of conventional nickel and the like. The embodiment of the present invention showed a very high electric conductivity at a high temperature, especially at 800 ° C, and the maximum power density was higher than when cobalt was not eluted. In addition, excellent thermal and chemical stability at high temperatures can be provided.
또한, 종래 기술에 따라 니켈을 애노드 물질로 사용하며 탄화 수소계를 연료로 사용하였을 경우에는, 연료에 포함된 탄소(C)와 황(S)에 대해 저항성이 낮은 한계가 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 연료전지는 애노드의 구성 요소로서 니켈을 배제할 수 있고, 또한 용리된 코발트를 니켈을 대신하여 촉매로서 사용할 수 있으므로, 니켈의 탄소 증착과 같은 문제점을 원천적으로 해결할 수 있다. Further, when nickel is used as an anode material and a hydrocarbon-based fuel is used as a fuel according to the prior art, resistance to carbon (C) and sulfur (S) contained in the fuel is low. However, since the solid oxide fuel cell according to the technical idea of the present invention can exclude nickel as a constituent element of the anode and can use eluted cobalt as a catalyst instead of nickel, problems such as carbon deposition of nickel .
또한, 애노드 소재에 촉매를 별도로 첨가하는 공정을 생략할 수 있으므로, 공정 단순화, 비용절감의 효과를 제공할 수 있다.In addition, since the step of separately adding the catalyst to the anode material can be omitted, the process can be simplified and the cost can be reduced.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The effects of the present invention described above are exemplarily described, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 애노드 소재를 구성하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질을 도시하는 개략도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 애노드 소재의 코발트 용리 현상을 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 애노드 소재에 대하여 수소 분위기에서 열처리 한 후의 임피던스의 주파수 스펙트럼을 나타내는 니퀴스트 플롯을 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 애노드 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지에 대하여 수소를 연료로 사용할 때의 연료 전지의 I-V 분극 곡선 및 최대 전력 밀도를 도시한 그래프이다.1 is a schematic view showing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a flow chart schematically showing a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a flow chart schematically illustrating a method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic view showing a double layer perovskite crystal structure material constituting the anode material of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are SEM micrographs showing the cobalt elution phenomenon of the anode material of the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the Nyquist plot showing the frequency spectrum of the impedance after heat treatment in the hydrogen atmosphere for the anode material manufactured according to the embodiment of the present invention. FIG.
8 is a graph showing IV polarization curves and maximum power densities of a fuel cell when hydrogen is used as a fuel for a solid oxide fuel cell including an anode material manufactured according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명에 대하여 더 상세하게 설명한다. 이하 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어를 해석하는 데 있어서는, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 반드시 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석할 것이 아니며, 본 명세서에서 기재하는 바에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석하여야 한다는 것을 밝혀 둔다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. In interpreting the terms or words used in the present specification and claims, it is to be understood that the interpretation of terms or words used herein is necessarily conventional, based on the principle that the inventor can properly define the concept of the term to describe its invention in the best way It is to be understood that the invention is not to be interpreted as being limited only by the precautionary sense, but should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention as described in the present specification.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지(100)를 개략적으로 도시하는 도면이다.1 is a schematic view of a solid
도 1을 참조하면, 고체산화물 연료전지(100)는 애노드(110), 애노드(110)를 마주보고 배치되는 캐소드(120), 및 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질(electrolyte)(130)을 포함한다. 선택적으로(optionally), 애노드(110)와 전해질(130) 사이에 배치되는 버퍼층(140)을 더 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, a solid
고체산화물 연료전지(100)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드(120)의 산소가스 O2가 산소이온 O2-으로 변하는 양극반응과 애노드(110)의 연료(H2 또는 탄화수소)와 전해질을 통해 이동해 온 산소이온이 반응하는 음극반응으로 이루어진다.The electrochemical reaction of the solid
<반응식><Reaction Scheme>
양극반응: 1/2 O2 + 2e- -> O2- Anode reaction: 1/2 O 2 + 2e - -> O 2-
음극반응: H2 + O2- -> H2O + 2e- Cathode reaction: H 2 + O 2- -> H 2 O + 2e -
고체산화물 연료전지(100)의 캐소드(120)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리 및 표면 확산을 거쳐 전해질(130), 캐소드(120), 기공(미도시)이 만나는 삼상계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고 생성된 산소이온은 전해질(130)을 통해 연료극인 애노드(110)로 이동하게 된다.In the
고체산화물 연료전지(100)의 애노드(110)에서는 이동한 산소이온이 연료 내에 포함된 수소와 결합하여 물을 생성한다. 이때 수소는 전자를 배출하여 수소 이온(H+)으로 변화하여 상기 산소이온과 결합한다. 배출된 전자는 배선(미도시)를 통하여 캐소드(120)로 이동하여 산소를 산소 이온으로 변화시킨다. 이러한 전자 이동을 통하여, 고체산화물 연료전지(100)는 전지 기능을 수행할 수 있다. In the
고체산화물 연료전지(100)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 고체산화물 연료전지(100)는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다.Since the solid
고체산화물 연료전지(100)는 단위 전지의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 애노드(110), 캐소드(120), 및 전해질(130)로 구성되는 단위 전지(MEA, Membrane and Electrode Assembly)가 직렬로 적층되고 상기 단위 전지들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위 전지의 스택(stack)이 얻어질 수 있다.
The solid
이하에서는, 고체산화물 연료전지(100)를 구성하는 구성요소에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the constituent elements of the solid
애노드(110)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 애노드 소재로 구성될 수 있고, 상기 애노드 소재에 대하여 하기에 상세하게 설명하기로 한다.The
캐소드(120)는 특별히 제한되지 않으며 공지의 캐소드를 사용할 수 있다. 캐소드(120)는, 예를 들어 LaSrFe-YSZ를 포함할 수 있고, 예를 들어 La0.8Sr0.2Fe-YSZ를 포함할 수 있다. 캐소드(120)는, 예를 들어 NBSCF-40GDC (NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ-Ce0.9Gd0.1O1.95) 를 포함할 수 있다.The
전해질(130)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전해질(130)은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ) 등의 안정화 지르코니아계; 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등과 같은 희토류 원소가 첨가된 세리리아계; 기타 LSGM ((La, Sr)(Ga, Mg)O3)계; 등을 포함할 수 있다. 또한, 전해질(130)은, 스트론튬 또는 마그네슘이 도핑된 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질(130)은, La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ 를 포함할 수 있다.The
버퍼층(140)은 애노드(110)와 전해질(130) 사이에 위치하여 원활한 접촉을 제공하는 기능을 수행할 수 있다. 버퍼층(140)은, 예를 들어 애노드(110)와 전해질(130) 사의 결정 격자 뒤틀림을 완화하는 기능을 수행할 수 있다. 버퍼층(140)은, 예를 들어 LDC(La0.4Ce0.6O2-δ) 를 포함할 수 있다. 버퍼층(140)은 선택적인 구성요소로서 생략될 수 있다.
The
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조 방법(S100)을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.2 is a flow chart schematically showing a method (S100) for producing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 고체산화물 연료전지(100)의 구성 요소인 애노드(110)를 구성하는 애노드 소재를 제조하는 방법을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 고체산화물 연료전지의 제조 방법(S100)은, 코발트를 포함하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성된 애노드 소재를 제공하는 단계(S110); 및 상기 애노드 소재를 환원 분위기에서 열처리하여, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 상기 코발트를 용리(exsolution)하여 결정화하는 단계(S120);를 포함한다.Referring to FIG. 2, there is shown a method of manufacturing an anode material constituting the
상기 열처리는 수소 분위기 하에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는, 예를 들어 약 700℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는, 예를 들어 약 0.1 atm 내지 약 10 atm의 수소 압력 하에서, 예를 들어 약 3 atm의 수소 압력 하에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed under a hydrogen atmosphere. The heat treatment may be performed at a temperature in the range of, for example, about 700 ° C to about 800 ° C. The heat treatment may be performed under a hydrogen pressure of, for example, from about 0.1 atm to about 10 atm, for example, under a hydrogen pressure of about 3 atm.
또한, 본 발명의 기술적 사상은 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 코발트가 용리되어 결정화하는 경우에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질이 다양한 전이 금속을 포함할 수 있고, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 다양한 전이 금속이 용리되어 결정화하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
Further, the technical idea of the present invention is not limited to the case where cobalt is eluted from the double layer perovskite crystal structure material to crystallize. For example, the case where the above-mentioned double-layered perovskite crystal structure material may contain various transition metals and in which the various transition metals are eluted from the double-layered perovskite crystal structure material to crystallize is included in the technical idea of the present invention do.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 제조 방법(S200)을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.3 is a flow chart schematically showing a method of manufacturing a solid oxide fuel cell (S200) according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 고체산화물 연료전지의 제조 방법(S200)은, 전이 금속을 포함하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성된 애노드 소재를 제공하는 단계(S210); 및 상기 애노드 소재를 환원 분위기에서 열처리하여, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 상기 전이 금속을 용리(exsolution)하여 결정화하는 단계(S220);를 포함한다.
Referring to FIG. 3, a method of manufacturing a solid oxide fuel cell (S200) comprises the steps of: S210 providing an anode material composed of a bilayer perovskite crystal structure material containing a transition metal; And a step (S220) of heat-treating the anode material in a reducing atmosphere to exsolution and crystallizing the transition metal from the bilayer perovskite crystal structure material (S220).
고체산화물 연료전지(100)의 애노드(110)를 구성하는 애노드 소재는 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성될 수 있고, 예를 들어 이중층 페로브스카이트(double perovskite) 결정 구조 물질로 구성될 수 있다. 페로브스카이트 결정 구조 물질은 크게 단일 페로브스카이트 결정 구조 물질과 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구분될 수 있다.The anode material constituting the
단일 페로브스카이트(simple perovskite) 결정 구조 물질은 ABO3의 화학식을 가질 수 있다. 상기 단일 페로브스카이트 결정 구조는, 큐빅 격자(cubic lattice)의 코너 위치인 A-자리(A-site)에 이온반경이 상대적으로 큰 원소들이 위치할 수 있고, 산소 이온에 의해 12 배위수(CN, Coordination number)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 A-자리에는 희토류 원소, 알카라인 희토류 원소, 알카라인 원소들이 위치할 수 있다. 상기 큐빅 격자의 체심(body center) 위치인 B-자리(B-site)에는 이온반경이 상대적으로 작은 원소들이 위치할 수 있고, 산소 이온에 의해 6 배위수를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 B-자리에는 코발트(Co), 철(Fe) 등과 전이금속이 위치할 수 있다. 상기 큐빅 격자의 각 면심(face center)에는 산소이온이 위치할 수 있다. 이러한 단일 페로브스카이트 구조는 일반적으로 A-자리(site)에 다른 물질이 치환될 경우 구조적인 변위가 발생할 수 있고, 주로 B-자리(site)에 위치한 원소를 중심으로 이의 최인접 산소이온(6개)으로 이루어지는 BO6의 8면체에서 구조적인 변이가 발생할 수 있다. A simple perovskite crystal structure material may have the formula ABO 3 . The single perovskite crystal structure may include elements having relatively large ionic radii in the A-site at the corner of the cubic lattice, CN, Coordination number). For example, a rare earth element, an alkaline rare earth element, and an alkaline element may be located in the A-site. The B-site, which is the body center of the cubic lattice, may contain elements having relatively small ionic radii, and may have six coordination numbers by oxygen ions. For example, cobalt (Co), iron (Fe), and the like and a transition metal may be located in the B-site. Oxygen ions may be located at each face center of the cubic lattice. Such a single perovskite structure can generally result in structural displacements when other materials are substituted on the A-site, and it is often the case that the nearest oxygen ions in the octahedron of BO 6 consisting of six) it may cause structural variations.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 애노드 소재를 구성하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질을 도시하는 개략도이다.4 is a schematic view showing a double layer perovskite crystal structure material constituting the anode material of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질은, A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조를 가지며, 예를 들어 AA'B2O5+δ의 화학식을 가질 수 있다. 구체적으로, 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 란탄족 화합물은 기본적으로 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O] 의 적층 순열이 c축을 따라 반복될 수 있다. 예를 들어, 상기 B는 망간(Mn)이고, 상기 A는 이트륨(Y) 또는 프라세오디뮴(Pr) 등을 포함하는 란탄족일 수 있고, 상기 A'는 바륨(Ba)일 수 있다.Referring to FIG. 4, the bilayer perovskite crystal structure material has a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged on the A-site, for example, a structure of AA'B 2 O 5 + Lt; / RTI > Specifically, a lanthanide compound having a bilayer perovskite crystal structure can be basically repeated with the lamination permutation of [BO 2 ] - [AO] - [BO 2 ] - [A'O] along the c axis. For example, B may be manganese (Mn), and A may be a lanthanide group including yttrium (Y) or praseodymium (Pr), and A 'may be barium (Ba).
수소 분위기에서 환원을 시키면 상기 애노드 소재는 단일 페로브스카이트(simple perovskite) 결정 구조에서 이중층 페로브스카이트 결정 구조(double perovskite)로 변하게 된다. 이러한 이중충 페로브스카이트 결정 구조가 되면 산소 이온의 움직임이 빨라지고 열적 및 화학적 안정성이 향상될 수 있다. 또한 종래의 애노드에 비하여 수소 분위기에서의 전기 전도성이 높고 열적 화학적 안정성을 가지고 우수한 성능을 나타내는 애노드를 구현할 수 있다.
Upon reduction in a hydrogen atmosphere, the anode material changes from a single perovskite crystal structure to a double perovskite crystal structure. Such double-perovskite crystal structure can accelerate oxygen ion movement and improve thermal and chemical stability. In addition, an anode having higher electrical conductivity in a hydrogen atmosphere and thermo-chemical stability than the conventional anode and exhibiting excellent performance can be realized.
본 발명의 일 구현예에 따른 애노드는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있다.The anode according to one embodiment of the present invention may include a compound represented by the following formula (1).
<화학식 1>≪
RECo2O5+δ RECo 2 O 5 + δ
상기 화학식 1에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 x는 0 초과 2 미만의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In
상기 R은 희토류족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 예를 들어 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 예를 들어 란탄(La), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The R may comprise one or more elements selected from rare earth metals and may include, for example, yttrium (Y), scandium (Sc), samarium (Sm), gadolinium (Gd) . The R may include one or more elements selected from the group consisting of lanthanum (La), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), samarium (Sm), gadolinium (Gd) Eu), terbium (Tb), erbium (Er), or mixtures thereof.
상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 예를 들어 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. The E may include one or more elements selected from the group of the alkaline metal, and may include, for example, barium (Ba), calcium (Ca), strontium (Sr), or a mixture thereof.
상기 O는 산소이다. 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. 상기 δ는 하기의 이중층 페로브스카이트 구조에서의 침입형 산소(interstitial oxygen)를 나타내고 구체적인 결정 구조에 따라 상기 δ의 값이 정해질 수 있다.
O is oxygen. Is a positive number of 1 or less, and the value of the compound of the formula (1) is an electrical neutrality. The above 隆 represents interstitial oxygen in the following double layer perovskite structure and the value of 隆 can be determined according to a specific crystal structure.
본 발명의 일 구현예에 따른 애노드는 하기의 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.The anode according to an embodiment of the present invention may include a compound represented by the following formula (2).
<화학식 2>(2)
RET2-xCoxO5+δ RET 2-x Co x O 5 +?
상기 화학식 2에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 x는 0 초과 2 미만의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In the above formula (2), R may include one or more elements selected from a rare earth group or a lanthanide group, and E may include one or more elements selected from an alkaline earth metal group, Metal, O is oxygen, x is a number of more than 0 and less than 2, and? Is a positive number of 0 or 1 or less, and the compound of the formula (2) to be.
상기 R은 희토류족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 예를 들어 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The R may comprise one or more elements selected from rare earth metals and may include, for example, yttrium (Y), scandium (Sc), samarium (Sm), gadolinium (Gd) .
또한, 상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 예를 들어 란탄(La), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The R may include one or more elements selected from the group consisting of lanthanum (La), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), samarium (Sm), gadolinium (Gd) Eu), terbium (Tb), erbium (Er), or mixtures thereof.
상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 예를 들어 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. The E may include one or more elements selected from the group of the alkaline metal, and may include, for example, barium (Ba), calcium (Ca), strontium (Sr), or a mixture thereof.
상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 예를 들어 망간(Mn), 철(Fe) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 T는, 상기 화학식 2의 화합물에서, 상기 코발트의 위치를 차지하도록 상기 코발트를 치환하는 원소일 수 있고, 이러한 치환에 의하여 상기 애노드의 열적 안정성 및 화학적 안정성을 증가시킬 수 있다.The T may comprise one or more elements selected from transition metals and may include, for example, manganese (Mn), iron (Fe), or mixtures thereof. The T may be an element that substitutes the cobalt to occupy the position of the cobalt in the compound of
상기 O는 산소이다. 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. 상기 δ는 하기의 이중층 페로브스카이트 구조에서의 침입형 산소(interstitial oxygen)를 나타내고 구체적인 결정 구조에 따라 상기 δ의 값이 정해질 수 있다.
O is oxygen. Is a positive number of 1 or less, and the value of the compound of the formula (2) is an electrical neutrality. The above 隆 represents interstitial oxygen in the following double layer perovskite structure and the value of 隆 can be determined according to a specific crystal structure.
본 발명의 일 구현예에 따른 애노드는 하기의 화학식 3의 화합물을 포함할 수 있다.The anode according to an embodiment of the present invention may include a compound represented by the following formula (3).
<화학식 3>(3)
PrBaMn2-xCoxO5+δ PrBaMn 2-x Co x O 5 +?
상기 화학식 3에서, 상기 O는 산소이고, 상기 x는 0 초과 1 미만의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In the formula (3), O is oxygen, x is a number of more than 0 and less than 1, and? Is a positive number of 0 or 1 or less.
상기 화학식 3의 PrBaMn2-xCoxO5+δ 화합물은, 상기 x가 다양한 범위를 가질 수 있고, 예를 들어 상기 x가 0.2 이상 0.4 이하의 범위를 가지는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 3의 PrBaMn2-xCoxO5+δ 화합물은, PrBaMn1.8Co0.2O5+δ 화합물, PrBaMn1.7Co0.3O5+δ 화합물, 또는 PrBaMn1.6Co0.4O5+δ 화합물을 포함할 수 있다.The above-mentioned PrBaMn 2-x Co x O 5 + delta compound of the above formula (3) may have various ranges of x, for example, the above x may include a compound having a range of 0.2 to 0.4. For example, the PrBaMn 2-x Co x O 5 + delta compound of
상술한 바와 같은 애노드를 구성하는 페로브스카이트 결정 구조 물질을 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 페로브스카이트 결정 구조 물질을 포함한 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 예를 들어, 본 발명의 일 구현예에 따른 애노드는 Sr2Mg1-xNixMoO6-δ화합물을 포함할 수 있다.
The perovskite crystal structure material constituting the anode as described above is exemplified and the technical idea of the present invention is not limited thereto and the case where various perovskite crystal structure materials are included is also included in the technical idea of the present invention . For example, the anode according to one embodiment of the present invention may include a Sr 2 Mg 1-x Ni x MoO 6 -δ compound.
상술한 실시예들은 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 코발트가 용리되는 결정화하는 경우에 대하여 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질을 구성하는 코발트 외의 다른 전이 금속이 용리되어 결정화하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 애노드 소재는 하기의 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다.Although the above embodiments have been described with respect to the case where cobalt is eluted from the bilayer perovskite crystal structure material to crystallize, the technical idea of the present invention is not limited thereto. That is, the case where the transition metal other than cobalt constituting the bilayer perovskite crystal structure material is eluted and crystallized is also included in the technical idea of the present invention. Therefore, the anode material according to one embodiment of the present invention may include a compound of the following formula (4).
<화학식 4>≪
RET2-xT'xO5+δ RET 2-x T ' x O 5 +?
상기 화학식 4에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 T 및 T'는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 x는 0 초과 1 미만의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 4의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. 상기 T'는, 상기 화학식 4의 화합물에서, 상기 T의 위치를 차지하도록 상기 T를 치환하는 원소일 수 있고, 이러한 치환에 의하여 상기 애노드의 열적 안정성 및 화학적 안정성을 증가시킬 수 있다.
In
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 연료전지용 애노드 소재의 제조 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing an anode material for a solid oxide fuel cell according to the technical idea of the present invention will be described.
상기 애노드 소재의 제조 방법은, 상기 화학식 1의 RECo2O5+δ 화합물 또는 상기 화학식 2의 RET2-xCoxO5+δ 화합물의 조성에 맞도록 계량된 각 금속 전구체를 (예를 들어 용매를 이용하여 습식) 혼합하는 단계, 상기 (습식) 혼합물로부터 고형물을 얻는 단계, 상기 고형물을 공기 중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계 및 상기 소성물을 연마하는 단계를 포함한다.The method for producing the anode material may include a step of preparing each metal precursor metered to the composition of the RECO 2 O 5 + δ compound of the formula (1) or the RET 2 -x Co x O 5 + δ compound of the formula (2) (Wet) mixture using a solvent, obtaining a solid from the (wet) mixture, firing the solid in air to obtain a fired product, and polishing the fired product.
상기 금속 전구체는 상기 화학식의 화합물을 얻을 수 있는 화학양론적 비율로 혼합한다. 금속 전구체의 예는 상기 화학식의 상기 애노드 소재를 구성하는 각 성분의 질화물, 산화물, 할로겐화물 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 애노드를 형성하는 화합물이 화학식 3의 PrBaMn2-xCoxO5+δ 화합물이고, 예를 들어 상기 애노드를 형성하는 화합물이 PrBaMn1.7Co0.3O5+δ 화합물이고, 상기 금속 전구체는 Pr, Ba, Mn, Co 등의 적어도 하나를 포함하는 질화물, 산화물, 할로겐화물 등일 수 있다.The metal precursor is mixed in a stoichiometric ratio to obtain the compound of the above formula. Examples of the metal precursor include, but are not limited to, nitrides, oxides, halides, and the like of each component constituting the anode material of the above formula. For example, when the compound forming the anode is PrBaMn 2-x Co x O 5 +? Compound of formula (3), for example, the compound forming the anode is PrBaMn 1.7 Co 0.3 O 5 + The precursor may be a nitride, oxide, halide, or the like containing at least one of Pr, Ba, Mn, Co, and the like.
상기 금속 전구체를 상기 용매와 혼합하는 단계에서는, 물을 용매로서 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속 전구체를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올 등의 총 탄소수가 5 이하의 저급 알코올; 질산, 염산, 황산, 구연산 등의 산성 용액; 물; 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 디에틸에테르, 에틸렌 글리콜 등의 유기용매; 등을 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.In the step of mixing the metal precursor with the solvent, water may be used as a solvent, but the present invention is not limited thereto. The metal precursor can be used without limitation as long as it can dissolve the metal precursor. For example, a lower alcohol having 5 or less carbon atoms, such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol and butanol; Acidic solutions such as nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, and citric acid; water; Organic solvents such as toluene, benzene, acetone, diethyl ether and ethylene glycol; May be used alone or in combination.
상기 금속 전구체를 상기 용매와 혼합하는 단계는, 약 100 ℃ 내지 약 200℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있고, 각 성분이 충분히 혼합될 수 있도록 교반하에 소정 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 혼합 과정과 용매 제거 및 이를 위하여 필요한 첨가제 부가는 예를 들어 페치니법(pechini method) 등으로 잘 알려져 있으니 여기서는 상술하지 않는다.The step of mixing the metal precursor with the solvent may be performed at a temperature in the range of about 100 ° C to about 200 ° C and may be carried out for a predetermined time under agitation so that each component can be thoroughly mixed. The mixing process, removing the solvent, and addition of additives required for this purpose are well known, for example, by the pechini method, and therefore are not described here.
상기 혼합 과정을 거친 후, 자발 연소 과정에 의해 초미세 고형물을 얻을 수 있다. 이어서, 약 400℃ 내지 약 950℃의 온도 범위로 약 1 시간 내지 약 5 시간 범위 동안, 예를 들어 약 600℃에서 약 4시간 동안 상기 초미세 고형물을 열 처리(하소, 소결)할 수 있다.After the mixing process, ultrafine solid material can be obtained by spontaneous combustion. The ultrafine solid can then be heat treated (calcined, sintered) for a time period ranging from about 400 ° C. to about 950 ° C. for a time period ranging from about 1 hour to about 5 hours, for example, at about 600 ° C. for about 4 hours.
필요한 경우 상기 소성 후 제 2의 열 처리(하소, 소결)를 할 수도 있다. 이 제 2 열처리 공정은 공기 중에서 소성하는 공정으로서 약 950℃ 내지 약 1500℃ 범위의 온도에서 약 1 시간 내지 약 24 시간 범위 동안, 예를 들어 약 950 내지 약 1500℃ 범위 의 온도에서 약 12 시간 동안 수행하여 분말상의 결과물을 얻게 된다. If necessary, a second heat treatment (calcination, sintering) may be performed after the firing. This second heat treatment step is a step of calcining in air for about 12 hours at a temperature in the range of about 950 ° C to about 1500 ° C, for a period of about 1 hour to about 24 hours, for example, at a temperature in the range of about 950 to about 1500 ° C To obtain a powdery product.
이어서, 상기 소성된 결과물은 연마하거나 분쇄하여 일정 크기의 미세 분말상을 얻을 수 있다. 예를 들어, 약 24 시간 동안 아세톤 내에서 볼 밀링 하여 분쇄 및 혼합한다. 다음으로, 혼합된 분말을 금속몰드에 넣고 프레스 한 후, 가압된 펠렛(Pellet)을 대기 중에서 소결하여 애노드 소재를 제조할 수 있다. 소결은 약 950℃ 내지 약 1500℃ 범위의 온도로 약 12 시간 내지 약 24 시간 범위 동안, 예를 들어 약 950 내지 약 1500℃ 범위의 온도에서 약 24 시간 동안 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 소성된 결과물은 연마하거나 분쇄하여 일정 크기의 미세 분말상을 얻을 수 있다.Then, the fired product may be ground or pulverized to obtain a fine powder having a predetermined size. For example, milling and mixing by ball milling in acetone for about 24 hours. Next, the mixed powder is put into a metal mold and pressed, and then the pressurized pellet is sintered in the atmosphere to produce an anode material. Sintering may be performed at a temperature in the range of about 950 ° C to about 1500 ° C for a period ranging from about 12 hours to about 24 hours, for example, at a temperature in the range of from about 950 to about 1500 ° C for a period of about 24 hours, . The fired product may be ground or pulverized to obtain a fine powder having a predetermined size.
상기 애노드용 조성물로부터 애노드를 제조할 수 있다. 예를 들어 상기 애노드 형성재용 조성물을 기재 상에 코팅한 후 열처리하여 애노드를 형성할 수 있다. 상기 열처리는 애노드로부터 코발트가 용리되어 결정화도록, 수소 분위기와 같은 환원 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는, 예를 들어 약 700℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는, 예를 들어 약 3 atm 의 수소 압력 하에서 수행될 수 있다.An anode can be prepared from the composition for an anode. For example, the anode can be formed by coating a composition for the anode-forming material on a substrate and then performing heat treatment. The heat treatment may be performed in a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere so that cobalt is eluted from the anode and crystallized. The heat treatment may be performed at a temperature in the range of, for example, about 700 ° C to about 800 ° C. The heat treatment may be performed under a hydrogen pressure of, for example, about 3 atm.
상기 애노드의 두께는 통상 고체 산화물 연료전지에서 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 애노드의 두께는 약 5 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 범위일 수 있다.
The thickness of the anode can typically range from about 1 [mu] m to about 100 [mu] m in a solid oxide fuel cell. For example, the thickness of the anode may range from about 5 [mu] m to about 50 [mu] m.
[실시예][Example]
이하에서는, 본 발명을 예시로써 상세하게 설명하기 위하여 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 상기 실시예는 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The above embodiments are not intended to limit the scope of the present invention.
상기 화학식 3으로부터 도출되는 PrBaMn1.7Co0.3O5+δ 화합물을 애노드 소재로서 선택하였다. 상기 애노드 소재를 형성하기 위하여, 해당 금속 전구체들을 에틸렌글리콜, 시트르산, 및 증류수가 혼합된 용매에 용해하였다. 용해 후에는 자발 연소(Self-combustion) 과정을 통해 초미세 고형물을 얻을 수 있다. 상기 초미세 고형물을 600℃에서 4시간 동안 열처리 한 후, 아세톤 내에서 24시간 동안 볼밀(ball mill) 하여 분쇄 및 혼합한 다음, 건조 후, 5 MPa에서 펠릿으로 압축시키고 공기 중에서 24시간 동안 1500℃로 소결하였다. 그리고 이중층 페로브스카이트 구조를 형성하기 위해 100% H2 (3% H2O에 상응함)의 분위기에서 환원시켜 애노드 소재를 형성하였다. 상기 애노드 소재는, 하기의 도 6에 나타난 바와 같이, 용리되어 결정화된 코발트를 포함한다.The PrBaMn 1.7 Co 0.3 O 5 +? Compound derived from the above formula (3) was selected as the anode material. In order to form the anode material, the metal precursors were dissolved in a solvent mixed with ethylene glycol, citric acid, and distilled water. After melting, ultrafine solid can be obtained through self-combustion process. The ultrafine solid was heat-treated at 600 ° C. for 4 hours, pulverized and mixed in a ball mill for 24 hours in acetone, dried, compressed with pellets at 5 MPa and air-dried at 1500 ° C. for 24 hours Lt; / RTI > And reduced in an atmosphere of 100% H 2 (corresponding to 3% H 2 O) to form a bilayer perovskite structure to form an anode material. The anode material includes cobalt which is eluted and crystallized, as shown in Fig. 6 below.
이이서, 상기 애노드 소재를 유기 바인더(Heraeus V006)와 함께 혼합하여 애노드 슬러리를 합성하였다. The anode material was then mixed with an organic binder (Heraeus V006) to synthesize an anode slurry.
전체 단전지(full single cell)는 LSGM 분말을 펠렛으로 압축하고 공기 중에서 5시간 동안 약 1475℃로 소결하고 폴리싱을 통해 250㎛ 정도의 두께를 치밀한 전해질을 얻었다. 다음으로, NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ-Ce0.9Gd0.1O2-δ 를 포함하는 캐소드 슬러리, La0.4Ce0.6O2-δ(LDC)를 포함하는 버퍼층 슬러리, 및 PrBaMn1.7Co0.3O5+δ (PBMCO)를 포함하는 애노드 슬러리들을 전해질 상에 각각 스크린 인쇄한 후, 공기 중에서 약 4 시간 동안 약 950℃로 소결하여 연료전지를 제조하였다.The full single cell was compacted with pellets of LSGM powder and sintered in air at about 1475 ° C for 5 hours and polished to obtain a dense electrolyte with a thickness of about 250 μm. Next, a cathode slurry containing NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 +? -Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 -δ, a buffer layer slurry containing La 0.4 Ce 0.6 O 2 -δ (LDC), and PrBaMn 1.7 An anode slurry containing Co 0.3 O 5 + delta (PBMCO) was screen-printed on the electrolyte, respectively, and then sintered in air at about 950 ° C for about 4 hours to prepare a fuel cell.
상기와 같이 형성된 애노드, 캐소드, 및 전해질의 두께는 각각 약 50㎛, 약 50㎛ 및 약 250㎛이며, 전류 수집을 위해 은 와이어를 은 페이스트를 이용해 캐소드와 애노드에 부착하였다.The thicknesses of the anode, cathode, and electrolyte formed as described above were about 50 mu m, about 50 mu m, and about 250 mu m, respectively, and silver wire was attached to the cathode and anode using silver paste for current collection.
상기 제조 방법에 따라서, 애노드, LDC 버퍼층, LSGM 전해질, 및 NBSCF-GDC 캐소드로 구성된 고체 산화물 연료전지를 제작하였다.
According to the above manufacturing method, a solid oxide fuel cell composed of an anode, an LDC buffer layer, an LSGM electrolyte, and an NBSCF-GDC cathode was fabricated.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 애노드 소재의 코발트 용리 현상을 나타내는 주사전자현미경 사진들이다. 도 5는 코발트 용리 전의 사진이고, 도 6은 코발트 용리 후의 사진이다. 5 and 6 are SEM micrographs showing the cobalt elution phenomenon of the anode material of the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. Fig. 5 is a photograph before cobalt elution, and Fig. 6 is a photograph after cobalt elution.
도 5에 나타난 물질은 수소 분위기에서 환원시키기 전의 PrBaMn1.7Co0.3O5+δ 단일 페로브스카이트 결정 구조 물질이고, 도 6에 나타난 물질은 수소 분위기에서 환원시킨 후의 PrBaMn1.7Co0.3O5+δ 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질이다.The material shown in FIG. 5 is PrBaMn 1.7 Co 0.3 O 5 + delta single perovskite crystal structure material before reduction in a hydrogen atmosphere, and the material shown in FIG. 6 is PrBaMn 1.7 Co 0.3 O 5 + delta Layered perovskite crystal structure material.
이하에서는, 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 코발트가 용리되는 현상에 대하여 설명하기로 한다. 용리(exsolution)는, 고체 고용체 물질로부터 하나의 물질이 분리되어 별개로 결정화되는 현상을 의미한다. 분리되어 결정화된 물질은 일반적으로 상기 고체 고용체의 모상 물질의 결정학적 방향을 따라 배열될 수 있다.Hereinafter, the phenomenon in which cobalt is eluted from the bilayer perovskite crystal structure material will be described. The exsolution refers to a phenomenon in which a substance is separated and crystallized separately from a solid solution material. The separately crystallized material may generally be arranged along the crystallographic orientation of the parent material of the solid solution.
도 5를 참조하면, 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성된 애노드 소재가 코발트가 용리되기 전에는 결정들이 매끈한 표면을 가진다.Referring to Figure 5, the anode material comprised of the bilayer perovskite crystal structure material has a smooth surface before the cobalt is eluted.
도 6을 참조하면, 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성된 애노드 소재가 수소 분위기와 같은 환원 분위기에서 환원되면, 상기 이중층 페로브스카이트 구조 물질로부터 코발트가 용리됨에 따라 분리되어 입자화된다. 이와 같은 입자는 도 5의 매끈한 표면에서 돌출되도록 형성된다.Referring to FIG. 6, when the anode material composed of the bilayer perovskite crystal structure material is reduced in a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere, cobalt is separated from the bilayer perovskite structure material and granulated. Such particles are formed to protrude from the smooth surface of Fig.
이와 같이 용리되어 결정화된 코발트 입자들은 기존의 니켈 등의 물질을 대신하여, 수소의 전기 화학적 산화에 도움을 주는 변환 촉매 기능을 수행할 수 있다. The cobalt particles thus eluted and crystallized can function as a conversion catalyst to help electrochemical oxidation of hydrogen instead of conventional nickel and the like.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 애노드 소재에 대하여 수소 분위기에서 열처리 한 후의 임피던스의 주파수 스펙트럼을 나타내는 니퀴스트 플롯을 도시하는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing the Nyquist plot showing the frequency spectrum of the impedance after heat treatment in the hydrogen atmosphere for the anode material manufactured according to the embodiment of the present invention. FIG.
도 7을 참조하면, 코발트의 용리 현상이 발생하게 됨에 따라, 코발트 입자가 표면에서 촉매 작용을 하게 되어 비저항을 감소시키는 효과를 보인다.Referring to FIG. 7, as the elution phenomenon of cobalt occurs, cobalt particles are catalyzed on the surface, thereby exhibiting an effect of reducing the resistivity.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 애노드 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지에 대하여 수소를 연료로 사용할 때의 연료 전지의 I-V 분극 곡선 및 최대 전력 밀도를 도시한 그래프이다.8 is a graph showing I-V polarization curves and maximum power density of a fuel cell when hydrogen is used as a fuel for a solid oxide fuel cell including an anode material manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 8에서, 솔리드 심볼들은 전류 밀도에 따른 전압을 나타내고, 오픈 심볼들은 전류 밀도에 따른 전력 밀도를 나타낸다.In FIG. 8, the solid symbols represent the voltage according to the current density, and the open symbols represent the power density according to the current density.
도 8의 I-V 분극 곡선은 BioLogic사의 일정 전위 장치를 이용하여 800℃에서 측정하였다. 구체적으로, I-V 분극 곡선은 800℃서 가습 수소 기체(3% 수분)를 연료로, 정지 상태인 주위 공기를 산화제로 사용하였다.The I-V polarization curves of FIG. 8 were measured at 800 DEG C using a constant potential device from BioLogic. Specifically, the I-V polarization curves used humidified hydrogen gas (3% moisture) at 800 ° C as fuel and ambient air as stationary oxidant.
본 발명의 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지의 최대전력밀도는 800℃에서 1.12 W/cm2 로 나타났다. 반면, 코발트 용리 현상을 이용하지 않은 PrBaMn2-xCoxO5+δ 화합물(PBM)은 800℃에서 0.661 W/cm2 로 나타났다. 따라서, 용리된 코발트를 포함하는 경우가 최대전력밀도가 더 높은 성능을 가진다.
The maximum power density of the solid oxide fuel cell according to the embodiment of the present invention was 1.12 W / cm 2 at 800 ° C. On the other hand, the PrBaMn 2-x Co x O 5 + δ compound (PBM) without cobalt elution was 0.661 W / cm 2 at 800 ° C. Therefore, the case where eluted cobalt is included has a higher maximum power density.
본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 연료전지의 제조 방법은 코발트를 포함하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 용리되어 결정화된 코발트를 포함한다. 이와 같이 용리되어 결정화된 코발트 입자들은 기존의 니켈 등의 물질을 대신하여, 수소의 전기 화학적 산화에 도움을 주는 변환 촉매 기능을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예는, 고온, 특히 800℃에서의 전기 전도도가 매우 높게 나타났고, 최대전력밀도가 용리된 코발트를 포함하지 않는 경우에 비하여 높게 나타났다. 또한, 고온에서의 우수한 열적 화학적 안정성을 제공할 수 있다.The method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to the technical idea of the present invention includes cobalt which is eluted and crystallized from a double layer perovskite crystal structure material containing cobalt. The cobalt particles thus eluted and crystallized can function as a conversion catalyst to help electrochemical oxidation of hydrogen instead of conventional nickel and the like. The embodiment of the present invention showed a very high electric conductivity at a high temperature, especially at 800 ° C, and the maximum power density was higher than when cobalt was not eluted. In addition, excellent thermal and chemical stability at high temperatures can be provided.
종래 기술에 따라 니켈을 애노드 물질로 사용하며 탄화 수소계를 연료로 사용하였을 경우에는, 연료에 포함된 탄소(C)와 황(S)에 대해 저항성이 낮은 한계가 있다. 건조한 연료 가스에 수증기를 공급하지 않고, 충분히 높은 전류밀도의 인가 없이 탄화 수소와 일산화탄소를 직접 산화시키면, 니켈이 탄소-탄소 결합을 형성하는 촉매 특성을 가지기 때문에 탄소 증착(carbon deposition)에 의하여 애노드 재료가 급격히 파괴되는 문제점이 있다. 니켈은 수소의 전기화학적 산화에 대해 뛰어난 전기 화학적 촉매이지만 천연 가스 또는 탄화 수소가 직접적으로 연료로 사용되는 경우에는 탄소 증착에 의해 활동도가 저하되며, 니켈 입자에 탄소가 증착되면 활성화 분극(activation polarization)이 매우 높아지게 되어 애노드 성능이 저하되는 문제점이 있다. According to the prior art, when nickel is used as an anode material and a hydrocarbon hydrocarbon is used as a fuel, resistance to carbon (C) and sulfur (S) contained in the fuel is low. Direct oxidation of hydrocarbons and carbon monoxide without the supply of steam to the dry fuel gas and without the application of a sufficiently high current density results in the formation of anodic materials by carbon deposition because nickel has the catalytic properties of forming carbon- There is a problem in that it is destroyed rapidly. Nickel is an excellent electrochemical catalyst for the electrochemical oxidation of hydrogen. However, when natural gas or hydrocarbon is directly used as a fuel, its activity is lowered by carbon deposition. When carbon is deposited on nickel particles, activation polarization ) Becomes very high, and the anode performance is deteriorated.
그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 연료전지는 애노드의 구성 요소로서 니켈을 배제할 수 있고, 또한 용리된 코발트를 니켈을 대신하여 촉매로서 사용할 수 있으므로, 니켈의 탄소 증착과 같은 문제점을 원천적으로 해결할 수 있다. 또한, 애노드 소재에 촉매를 별도로 첨가하는 공정을 생략할 수 있으므로, 공정 단순화, 비용절감의 효과를 제공할 수 있다.However, since the solid oxide fuel cell according to the technical idea of the present invention can exclude nickel as a constituent element of the anode and can use eluted cobalt as a catalyst instead of nickel, problems such as carbon deposition of nickel . In addition, since the step of separately adding the catalyst to the anode material can be omitted, the process can be simplified and the cost can be reduced.
전술한 바와 같이 특정 내용과 일부 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 구체적인 예로써 제시한 설명일 뿐임을 밝혀 둔다. 본 발명은 전술한 실시 형태들로만 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 실시 형태에 대하여 다양한 수정 및 변형을 할 수 있고, 이러한 수정 및 변형도 본 발명의 기술 사상 속에서 망라하고 있다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to certain exemplary embodiments thereof, it should be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. .
따라서 앞에서 설명한 실시 형태들과 후술하는 특허 청구의 범위는 물론, 이 특허 청구 범위의 모든 균등물이나 등가인 변경 실시 형태들도 본 발명 기술 사상의 범주에 속한다.Accordingly, all equivalents of the claims and their equivalents, as well as the embodiments described hereinabove and the appended claims, are also within the scope of the inventive concept.
100: 고체산화물 연료전지, 110: 애노드,
120: 캐소드, 130: 전해질, 140: 버퍼층100: solid oxide fuel cell, 110: anode,
120: cathode, 130: electrolyte, 140: buffer layer
Claims (11)
상기 애노드 소재를 환원 분위기에서 열처리하여, 상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로부터 상기 코발트를 용리(exsolution)하여 결정화하는 단계;를 포함하고,
상기 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질은 하기의 화학식 2의 화합물을 포함하는, 고체 산화물 연료전지의 애노드 소재의 제조 방법:
<화학식 2>
RBaMn2-xCoxO5+δ
상기 화학식 2에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하며, O는 산소이고, 상기 x는 0 초과 2 미만의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Providing an anode material comprised of a bilayer perovskite crystal structure material comprising cobalt; And
And heat treating the anode material in a reducing atmosphere to exsolution and crystallize the cobalt from the double layered perovskite crystal structure material,
Wherein the double layer perovskite crystal structure material comprises a compound represented by the following formula (2): < EMI ID =
(2)
RBaMn 2-x Co x O 5 +?
Wherein R is one or more elements selected from a rare earth group or a lanthanide group, O is oxygen, x is a number of more than 0 and less than 2, and? Is a positive number of 0 or 1 or less , And the compound of formula (2) is a value that is electrically neutral.
상기 R은, 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 란탄(La), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 고체 산화물 연료전지의 애노드 소재의 제조 방법.The method according to claim 1,
The R may be at least one selected from the group consisting of Y, Sc, Sm, Gd, La, Nd, Pr, Si, Gd, (Eu), terbium (Tb), erbium (Er), or mixtures thereof.
상기 환원 분위기는 수소 분위기를 포함하는, 고체 산화물 연료전지의 애노드 소재의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the reducing atmosphere comprises a hydrogen atmosphere. ≪ Desc / Clms Page number 20 >
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