WO2013165079A1 - Cathode material for solid oxide fuel cell, composition for cathode containing thereof, cathode for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a solid oxide fuel cell. Specifically, the present invention relates to a solid oxide fuel cell having an oxide having a perovskite related structure as a cathode.
- Solid oxide fuel cell is a high efficiency and environmentally friendly electrochemical power generation technology that directly converts the chemical energy of fuel gas into electrical energy. SOFCs are simpler in structure than other fuel cells because they are all solid, relatively inexpensive, and free from electrolyte loss and replenishment and corrosion. 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-based fuels can be used directly without the need to reform the fuel into hydrogen, which can simplify fuel cell systems and reduce manufacturing costs.
- SOFCs are anodes (anodes or anodes, cathodes) in which fuels such as hydrogen or hydrocarbons are oxidized, cathodes (cathodes or cathodes, anodes) in which oxygen gas is reduced to oxygen ions (O 2- ), and oxygen ion conductivity in which oxygen ions are conducted. It contains a solid electrolyte and requires special physical properties depending on the type of material used.
- the cathode material should have high oxygen reduction, high electron conductivity and high ion conductivity.
- the electron conductivity is low, the electrons required for the anode reaction are not easily moved, and thus the efficiency of the electrochemical reaction is reduced.
- the ion conductivity is low, the oxygen ion reaction generated through the cathode reaction is restricted and oxygen reduction reaction occurs. There is not enough active point.
- the conventional cathode material is a phenomenon that the stability is sharply lowered as the use time increases. That is, the reduction of oxygen in the cathode does not occur smoothly, and as a result, a voltage drop occurs during operation of the SOFC system, which reduces the performance of the battery.
- the technical problem of the present invention is to provide a novel cathode material and a method of manufacturing the same that can improve the stability of the cathode.
- Another technical problem of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell including the material.
- a cathode material for a solid oxide fuel cell comprising a compound of formula RSQO 5 + ⁇ , wherein R is one or more elements selected from the lanthanides, S is one or more elements selected from alkaline earth metal groups, Q is one or more elements selected from transition metals, O is oxygen, and ⁇ is a positive number of 1 or less, and is represented by the formula RSQO 5 + ⁇ It is the value which makes a compound electric neutral.
- a material for a solid oxide fuel cell cathode having a double-layer perovskite structure comprising a compound of formula (1).
- A is an element selected from lanthanides
- a ' is an element selected from alkaline earth metal groups
- B is an element selected from transition metals
- x is a number greater than 0 and less than 1.0
- ⁇ is As a positive number of 1 or less, it is a value which makes the said compound of Formula 1 electrical neutral.
- A may be any one of neodymium (Nd), praseodymium (Pr) or a mixture thereof.
- a 'is barium (Ba), B may be cobalt (Co).
- x is greater than 0 and less than or equal to 0.5.
- Chemical Formula 1 is PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + ⁇ .
- a material for a solid oxide fuel cell cathode having a double-layer perovskite structure comprising a compound of formula (2).
- A is an element selected from lanthanides, A 'and A' 'are selected from alkaline earth metal groups, and B is an element selected from transition metals, wherein x is a number greater than 0 and less than 1.0. Is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of Formula 2 electrically neutral.
- A is an element selected from the lanthanide group, among the elements selected from the alkaline earth metal group A 'is barium (Ba), A' 'is calcium (Ca), and B of the elements selected from the transition metal Cobalt (Co), B 'is iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni) and the like.
- X is a number greater than 0 and less than 1.0, and ⁇ is a positive number of 1 or less, which is a value that makes the compound of Formula 2 electrically neutral.
- a material for a solid oxide fuel cell cathode comprising a compound of formula (3).
- the a and the b may be 0.5.
- X may be 0.25 or more and 0.75 or less.
- X may be 0.25 or more and 0.50 or less.
- the cathode material PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 -x Fe x O 5 + ⁇ It may be.
- X may be greater than 0 and less than or equal to 0.75. X may be 0.25 or more and 0.50 or less.
- a cathode composition comprising the above-described cathode material for a solid oxide fuel cell, an oxygen ion conductive solid oxide and an organic binder.
- This composition may be in the form of a slurry.
- the oxygen ion conducting solid oxide is a group consisting of yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), samaria doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC) and mixtures thereof You can choose from.
- cathode for a solid oxide fuel cell comprising the cathode material described above.
- This cathode may be a complex of an oxygen ion conducting solid oxide with a compound of formula 1, a compound of formula 2, or a compound of formula 3.
- Another aspect of the present invention discloses a solid oxide fuel cell including the aforementioned cathode, an anode disposed facing the cathode, and an electrolyte that is an oxygen ion conducting solid oxide disposed between the cathode and the anode.
- the anode in this fuel cell is not particularly limited and a known anode can be used.
- a method of making a cathode material is provided.
- the manufacturing method includes dissolving metal oxide precursors in a solvent to obtain a precursor solution; Obtaining a solid from the precursor solution; Calcining the solid in air to obtain a calcined product; And polishing the calcined product, wherein the metal oxide precursors may be a mixture of Pr, Ba, Ca, and Co compounds in a stoichiometric ratio capable of producing a compound of Formula 4 below.
- x is a number greater than 0 and less than 1.0.
- the manufacturing method includes dissolving metal oxide precursors in a solvent to obtain a precursor solution; Obtaining a solid from the precursor solution; Calcining the solid in air to obtain a calcined product; And polishing the fired product, wherein the metal oxide precursors may be a mixture of Nd, Ba, Ca, Co and Fe compounds in a stoichiometric ratio capable of producing a compound of Formula 5 below.
- x is a number greater than 0 and less than 1.0.
- the manufacturing method includes dissolving metal oxide precursors in a solvent to obtain a precursor solution; Obtaining a solid from the precursor solution; Calcining the solid in air to obtain a calcined product; And polishing the calcined product, wherein the metal oxide precursors may be a mixture of Ln, Ba, Sr, Co, and Fe compounds in a stoichiometric ratio capable of producing a compound of Formula 6 below.
- x is a number greater than 0 and less than 1.0
- Ln is samarium, neodymium, praseodymium, or a mixture thereof.
- a solid oxide fuel cell having improved oxygen reduction kinetics by reducing an area resistivity and increasing a three-phase interface in which a cathode reaction occurs.
- the stability of the cathode may be improved.
- the fuel cell can operate effectively even at low temperatures below 800 ° C.
- 1 is a diagram illustrating a double layer perovskite structure.
- FIG. 2 is a lanthanide oxide of an aligned double perovskite crystal structure containing interstitial oxygen, showing a crystal structure of one oxide of praseodymium, barium and cobalt.
- FIG. 3 is a view showing an X-ray diffraction pattern according to the content of Ca in the embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a diagram illustrating an X-ray diffraction pattern of NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ according to the amount of Fe in the embodiment of the present invention.
- Figure 5 is a graph showing the X-ray diffraction pattern of SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ by iron content in one embodiment of the present invention.
- FIG. 6 is an Arrhenius graph illustrating the correlation between electrical conductivity and temperature for NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ .
- NdBaCo 2 O 5 + ⁇ and NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ (x 0, 0.25) NdBa due to changes in partial pressure of oxygen gas in the operating temperature range with respect to 0.75 Ca It is a graph which measured the ratio of the number of moles of oxygen with respect to 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ .
- NdBaCo 2 O 5 + ⁇ and NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ (x 0, 0.25) NdBa due to changes in partial pressure of oxygen gas in the operating temperature range with respect to 0.75 Ca It is a graph showing the change in electrical conductivity for 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ .
- 10 (a) to 10 (f) show the cross-sections of the cathode-electrolyte interface of the entire unit cell containing SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ cathode according to the iron content.
- the picture was taken using a microscope (FESEM).
- FIG. 11 is a cross-sectional view of the cathode-electrolyte interface of a cathode-containing total unit cell of NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ having different iron contents using a field emission scanning electron microscope from Nova SEM. to be.
- FIG. 16 is a diagram illustrating I-V polarization curves and maximum power densities of fuel cells according to Ca content in an embodiment of the present invention.
- FIG. 18 is a graph showing thermogravimetric analysis (TGA) results of iron content of NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ in which oxygen content is generated according to temperature.
- TGA thermogravimetric analysis
- 19 (a) and 19 (b) show the correlation between electrical conductivity and temperature for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , respectively.
- Areneus graph showing the relationship by iron content.
- 20 (a) and 20 (b) show the frequency spectra of impedances for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , respectively. Nyquist plot.
- FIG. 21 is a Nyquist plot showing the frequency spectrum of impedance for NBSCF50 at 600 ° C.
- FIG. 22 (a) and 22 (b) are shown at 500 ° C. and 600 ° C. for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , respectively, and FIG. 22 (c) shows SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x.
- the area specific resistance obtained from the Nyquist plot at 500 ° C. for Fe ⁇ O 5 + ⁇ is a graph showing the iron content.
- 23 (a) and 23 (b) show cathode polarization conductivity and temperature for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , respectively.
- Areneus graph showing correlations by iron content.
- FIG. 24 shows the Arrhenius graph and activation energy of FIG. 23 (a).
- FIG. 25 shows the Arrhenius graph and activation energy of FIG. 23 (b).
- FIG. 26 is a graph showing IV polarization curves for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ .
- 27 and 28 are graphs showing IV polarization curves for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 O 5 + ⁇ and NdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + ⁇ , respectively.
- 29 is a graph showing the power density of a battery having an NBSCF-GDC cathode.
- FIG. 31 is a graph illustrating power density of the battery of FIG. 30.
- 32 (a) and 32 (b) are graphs showing power densities obtained from IV polarization curves according to iron content at 500 ° C. and 600 ° C. for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , respectively. .
- the material for a solid oxide fuel cell cathode according to an embodiment of the present invention has the above-described double-layer perovskite crystal structure, and particularly, includes a compound in which a part of the element of A ′ is substituted with calcium.
- the compound may be represented by Formula 1 below.
- A is an element selected from lanthanides
- a ' is an element selected from alkaline earth metal groups
- B is an element selected from transition metals
- x is a number greater than 0 and less than 1.0
- ⁇ is As a positive number of 1 or less, it is a value which makes the said compound of Formula 1 electrical neutral.
- A may be one of neodymium (Nd), praseodymium (Pr), or a mixture thereof.
- B may be cobalt (Co).
- x is greater than 0 and less than or equal to 0.5.
- Formula 1 it may be PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + ⁇ .
- a lamination permutation of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] is basically repeated along the c-axis, and a part of A'O is It can be understood as a structure substituted with CaO.
- the electrochemical reaction of a solid oxide fuel cell is carried out through an anode reaction in which the oxygen gas O 2 of the cathode is converted into an oxygen ion O 2, as well as oxygen transferred through the fuel (H 2 or hydrocarbon) and the electrolyte of the anode as shown in the following reaction formula. It consists of a cathode reaction in which ions react.
- oxygen adsorbed on the electrode surface is dissociated and diffused through the surface to the triple phase boundary where electrolyte, cathode, and pores meet to obtain electrons to become oxygen ions Since the ions move to the anode through the electrolyte, increasing the area of the three-phase interface in which the anode reaction occurs can improve the electrode reaction speed.
- the simple perovskite structure represented by ABO 3 has a large ion radius such as rare earth elements, alkaline rare earths, and alkaline elements at the A-site, which is the corner position of the cubic lattice. Is located, and has 12 coordination number (CN) by oxygen ion.
- the B-site which is the center of the cubic lattice, transition metals having a small atomic radius such as Co and Fe are located, and octahedral (6 coordination number) is formed by oxygen ions.
- oxygen ions are located at each core of the cubic lattice.
- Such a simple perovskite structure generally has a structural displacement when another substance is substituted at the A-site, and its closest oxygen mainly around an element located at the B-site. Structural variation occurs in the octahedron of BO 6 composed of six ions.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a double-layer perovskite structure, a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged in an A-site, and may have a chemical formula of AA′B 2 O 5 + ⁇ .
- Such bilayer perovskite structures can impart improved ionic conductivity to the cathode by the presence of oxygen vacancies to facilitate the movement of ions.
- the aligned double perovskite refers to a crystal lattice structure in which A- or B-site ions are substituted with two or more elements in a general unaligned simple perovskite of ABO 3 form.
- FIG. 2 is a lanthanide oxide of an aligned double perovskite crystal structure containing interstitial oxygen, showing a crystal structure of one oxide of praseodymium, barium and cobalt.
- the aligned double perovskite has a structure in which A-site and B-site ions, in this case, praseodymium (Pr) and barium (Ba) are regularly arranged.
- Another example of an aligned double perovskite is NBSCo.
- NBSCo is replaced by neodymium (Nd) instead of praseodymium and strontium (Sr) instead of barium in place of A, and the Ba / Sr layer on the Nd layer due to the difference in atomic size of Nd and Ba / Sr.
- Nd is regularly arranged thereon.
- the atoms are disordered so that the layers do not separate regularly like aligned perovskite.
- LaBaCo 2 O 5 + ⁇ since La and Ba do not have much difference in atomic size, La and Ba may form layers in order to form an unaligned perovskite structure.
- this is exemplary and in the case of LaBaCo 2 O 5 + ⁇ according to the synthesis method, it is possible to form an aligned perovskite structure.
- Solid oxide fuel cell cathode (cathode) material includes a compound of formula RSQO 5 + ⁇ , wherein R is one or more elements selected from lanthanides, S is an alkaline earth metal group Is one or more elements selected from Q, Q is one or more elements selected from transition metals, O is oxygen, and ⁇ is a positive number of 1 or less, which makes the compound of formula RSQO 5 + ⁇ electrically neutral. Value.
- the material for a solid oxide fuel cell cathode according to an embodiment of the present invention has the above-described double-layer perovskite crystal structure, and particularly, includes a compound in which a part of the element of A ′ is substituted with calcium.
- the compound may be represented by Formula 1 below.
- A is an element selected from lanthanides
- a ' is an element selected from alkaline earth metal groups
- B is an element selected from transition metals
- x is a number greater than 0 and less than 1.0
- ⁇ is As a positive number of 1 or less, it is a value which makes the said compound of Formula 1 electrical neutral.
- A may be one of neodymium (Nd), praseodymium (Pr), or a mixture thereof.
- B may be cobalt (Co).
- x is greater than 0 and less than or equal to 0.5.
- Formula 1 it may be PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + ⁇ .
- a lamination permutation of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] is basically repeated along the c-axis, and a part of A'O is It can be understood as a structure substituted with CaO.
- the lamination permutations of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] are along the c-axis.
- the oxygen bonding force in the [AO] layer is weakened, providing disordered vacancy, and as a result, the diffusion rate of oxygen ions in the cathode bulk when the cathode is formed is significantly improved, thus the oxygen of the molecular oxygen It is thought that the surface defect site
- A may be neodymium (Nd) or praseodymium (Pr) or a mixture thereof, and A ′ may be barium (Ba), strontium (Sr), or a mixture thereof.
- B may be cobalt (Co).
- Chemical Formula 1 may be PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + ⁇ .
- the formula 1 is described as PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + ⁇ , but the present invention is not limited thereto, and may be a compound having various combinations of A, A ', and B described above. have.
- the oxide of Formula 1 includes interstitial oxygen to improve conductivity of oxygen ions.
- ⁇ represents an invasive oxygen and may have a value of 0 ⁇ ⁇ 0.5, but is not limited thereto.
- the value of ⁇ may be determined according to a specific crystal structure.
- the value of x is greater than 0 and less than 1, specifically, greater than 0 and less than 0.5.
- the cathode material has excellent electrochemical characteristics, the development of secondary phases formed at the interface between the cathode and the electrolyte of the solid oxide fuel cell, and the thermal cycle effect ( Since the thermal cycling effect can be optimized, the performance and stability of the cathode can be improved.
- the oxide of Formula 1 includes interstitial oxygen to improve conductivity of oxygen ions.
- ⁇ represents an invasive oxygen and may have a value of 0 ⁇ ⁇ 0.5, but is not limited thereto.
- the value of ⁇ may be determined according to a specific crystal structure.
- the value of x is greater than 0 and less than 1, specifically, greater than 0 and less than 0.5.
- the cathode material has excellent electrochemical characteristics, the development of secondary phases formed at the interface between the cathode and the electrolyte of the solid oxide fuel cell, and the thermal cycle effect ( Since the thermal cycling effect can be optimized, the performance and stability of the cathode can be improved.
- Figure 3 shows the X-ray diffraction pattern according to the content of Ca in the embodiment of the present invention.
- the cathode material of the double layer perovskite structure of PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + ⁇ according to the present invention has the advantage of harmonizing excellent electrical conductivity and chemical stability due to proper substitution of calcium. .
- the material for a solid oxide fuel cell cathode has the above-described double-layer perovskite crystal structure, and in particular, includes a compound in which a part of the element of A 'is substituted with calcium. .
- the compound may be represented by the following formula (2).
- A may be an element selected from lanthanides, A 'and A' 'may be different elements selected from alkaline earth metal groups, and B and B' are selected from transition metals. It may be another element.
- X may be a number greater than 0 and less than 1.0.
- ⁇ is a positive number of 1 or less, and may be a value that makes the compound of Formula 2 electrically neutral.
- A may be any one of lanthanum (La), samarium (Sm), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), gadolinium (Gd), or a mixture thereof.
- a ′ may be barium (Ba), and A ′′ may be calcium (Ca).
- a ′ may be calcium (Ca) and A ′′ may be barium (Ba).
- B may be cobalt (Co), and B 'may be iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), or a mixture thereof.
- the lamination permutation of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] is basically repeated along the c-axis, and a part of A'O is It can be understood as a structure substituted with CaO.
- the lamination permutations of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] are along the c-axis.
- the oxygen bonding force in the [AO] layer is weakened, providing disordered vacancy, and as a result, the diffusion rate of oxygen ions in the cathode bulk when the cathode is formed is significantly improved, thus the oxygen of the molecular oxygen It is thought that the surface defect site
- A may be lanthanum (La), samarium (Sm), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), gadolinium (Gd), or a mixture thereof, and A 'may be barium (Ba), calcium (Ca) Or mixtures thereof.
- the B may be cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), or a mixture thereof.
- the B ' may be cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), or a mixture thereof.
- B may be cobalt (Co), and B 'may be iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), or a mixture thereof.
- Chemical Formula 2 may be NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ .
- Formula 2 is described as NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , but the present invention is not limited thereto, and the compound having various combinations of A, A ', and B described above. Can be.
- FIG. 4 is a diagram illustrating an X-ray diffraction pattern of NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ according to the amount of Fe in the embodiment of the present invention.
- the oxide of Formula 2 includes interstitial oxygen to improve conductivity of oxygen ions.
- ⁇ represents an invasive oxygen and may have a value of 0 ⁇ ⁇ 0.5, but is not limited thereto.
- the value of ⁇ may be determined according to a specific crystal structure.
- the value of x which is a stoichiometric coefficient of Fe, is greater than 0 and less than 1, specifically, 0 or more and 0.5 or less.
- the cathode material has excellent electrochemical characteristics, the expression of secondary phases formed at the interface between the cathode and the electrolyte of the solid oxide fuel cell and the thermal cycle effect (Thermal) Since the cycling effect can be optimized, the stability of the cathode can be improved.
- a 'in includes Ba and includes A ′′ in which a part of A' is substituted with Ca
- excellent electrical conductivity can be ensured.
- B 'in which a part of the B, which is a cobalt position that may be somewhat weak in terms of stability, is substituted with iron
- stability may be increased. For example, it has been found that in this case a good performance of about 1.041 W / cm 2 can be maintained at 600 ° C. even after 120 hours of stability experiments.
- the cathode material of the double layer perovskite structure of NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ can harmonize the excellent electrical conductivity and chemical stability due to the proper substitution of calcium and iron. There is an advantage to that.
- the solid oxide fuel cell cathode (cathode) material according to an embodiment of the present invention has the above-described alignment double perovskite crystal structure, a solid oxide fuel cell comprising a lanthanide oxide of the formula (3) Providing materials for cathode
- the alignment double perovskite lanthanide compound of Formula 3 is basically BaO / CoO 2 / LnO d / CoO 2 in the ideal crystal structure in which the lamination permutation is repeated part of BaO is SrO, part of CoO 2 is FeO 2 It can be understood as a structure substituted with.
- d is determined according to the specific crystal structure.
- the ordered vacancy in the aligning double perovskite lanthanide oxides when the cathode is formed, It is believed that the diffusion rate of oxygen ions in the cathode bulk can be significantly improved, and that the surface defect sites can be provided to improve the reactivity of molecular oxygen to oxygen ions.
- the lanthanide oxide of Formula 3 includes interstitial oxygen to improve conductivity of oxygen ions.
- ⁇ corresponds to a value representing invasive oxygen in the oxide. For example, in one specific case, 0 ⁇ ⁇ 0.5.
- the value of ⁇ depends on the specific element type of Ln or the iron substitution ratio of cobalt (that is, the value of x).
- the value of x is greater than 0 and less than 1, specifically 0.25 or more and 0.75 or less, and more specifically 0.25 or more and 0.50 or less.
- the x value of the cathode material is within the above range, the three-phase interface between the cathode, the electrolyte, and the oxygen of the solid oxide fuel cell is widened to increase oxygen ion conductivity and oxygen reduction kinetics of the material at medium temperature. The resistance of the cathode can be reduced.
- the cathode material of the double-aligned perovskite structure of LnBa a Sr b Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ according to the present invention has the advantage of harmonizing excellent electrical conductivity and chemical stability due to proper substitution of iron. have.
- the power density which has a large influence on the electrical conductivity about 1.0 W / cm 2 is the highest in the prior art at 600 degrees Celsius.
- the present invention has found that, for example, when Ln is neodymium, the maximum power density can be obtained at 600 degrees higher than that of a cathode material in which neodymium is equally employed but not substituted with Fe.
- the cathode material of the present invention when Ln is samarium or praseodymium, the maximum power density is similar to or better than that of the prior art.
- an electric quantity titration experiment and an electrical conductivity experiment are simultaneously performed, and as the iron content in the cathode material is increased, the electrical conductivity is lowered, and the chemical stability of the cathode material is improved to an area where the oxygen partial pressure is lower.
- the cathode material of an unaligned simple perovskite structure with an iron stoichiometric coefficient x of 1.0 tends to be less chemically stable compared to the double perovskite structure.
- cobalt substitution with iron such that x is about 0.5 ensures chemical stability of the material while maintaining a certain level or more of electrical conductivity.
- the cathode material of the present invention by controlling the substitution ratio of strontium and barium, it is possible to compensate for the decrease in electrical conductivity which may occur due to iron substitution. In short, the cathode material of the present invention. In some embodiments, there may be some loss of electrical conductivity compared to conventional cathode materials with good conductivity, but because of the superior chemical stability, overall fuel cell performance may be improved.
- Ln is samarium and neodymium.
- neodymium is advantageous in terms of high electrical conductivity and samarium in low coefficient of thermal expansion.
- the cathode material of Chemical Formula 3 is PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ and x is greater than 0 and less than 1.
- the cathode material of Formula 3 may include PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ and x is greater than 0 and less than or equal to 0.75.
- the cathode material of Chemical Formula 3 is PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2- x Fe x O 5 + ⁇ , and x is 0.25 or more and 0.75 or less.
- the cathode material of Formula 3 may include PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , and x is 0.25 or more and 0.50 or less.
- a method of manufacturing the cathode material for a solid oxide fuel cell comprises the steps of mixing (eg, wet using a solvent) with each metal precursor metered to the composition of Formula 1, Formula 2 or Formula 3, obtaining a solid from the (wet) mixture. And firing the solid in air to obtain a fired product and polishing the fired product.
- the metal precursor is mixed in a stoichiometric ratio to obtain the compound of Formula 1 or Formula 2.
- the metal precursor may include, but are not limited to, nitrides, oxides, halides, etc. of Pr, Ba, Ca, and Co, which are each metal component constituting the cathode material of Formula 1 or Formula 2.
- the metal precursor may include, but are not limited to, nitrides, oxides, halides, etc. of Ln, Ba, Sr, Co, and Fe, which are each metal component constituting the cathode material of Formula 3.
- the metal oxide precursors may be a mixture of Pr, Ba, Ca, and Co compounds in stoichiometric ratios capable of producing a compound of Formula 4 below.
- x is a number greater than 0 and less than 1.0.
- the metal oxide precursors may be a mixture of Nd, Ba, Ca, Co, and Fe compounds in a stoichiometric ratio capable of producing a compound of Formula 5 below.
- x is a number greater than 0 and less than 1.0.
- the metal oxide precursors may be a mixture of Ln, Ba, Sr, Co, and Fe compounds in a stoichiometric ratio capable of producing a compound of Formula 6 below.
- x is a number greater than 0 and less than 1.0
- Ln is samarium, neodymium, praseodymium, or a mixture thereof.
- Water may be used as the solvent used in the solvent mixing step, but is not limited thereto.
- Any metal that can dissolve the metal precursor can be used without limitation, for example, lower alcohol having a total carbon number of 5 or less such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol and the like; Acidic solutions such as nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, citric acid; water; Organic solvents such as toluene, benzene, acetone, diethyl ether and ethylene glycol; Etc. may be used alone or in combination.
- the mixing process is carried out at a temperature of about 100 to 200 °C, it may be carried out for a predetermined time under stirring so that each component is sufficiently mixed.
- an ultrafine solid may be obtained by a spontaneous combustion process.
- the ultra-fine solids may then be heat treated (calcined, sintered) for about 1 hour to about 5 hours, for example at about 600 ° C. for about 4 hours in a temperature range of about 400 ° C. to about 950 ° C.
- a second heat treatment (calcination, sintering) may be performed after the firing.
- This second heat treatment step is a step of firing in air for about 1 hour to 12 hours at a temperature of about 800 to 1300 ° C., for example, about 12 hours at a temperature of about 1100 to 1150 ° C. to obtain a powdery product. do.
- the fired product may be ground or pulverized to obtain a fine powder of a predetermined size.
- the mixed powder is put into a metal mold and pressed, and the pressed pellet may be sintered in air to prepare a cathode material.
- Sintering may be performed in a temperature range of about 800 ° C. to about 1500 ° C. for about 5 hours to about 12 hours, for example, about 12 hours at a temperature of about 1100 to 1150 ° C., but is not limited thereto.
- the calcined product may be polished or pulverized to obtain a fine powder of a predetermined size.
- cathode composition further comprising the aforementioned cathode material for a solid oxide fuel cell and an oxygen ion conductive solid oxide and an organic binder.
- This composition may be in the form of a slurry.
- the oxygen ion conductive solid oxide comprises yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), samaria doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC), lanthanum strontium magnesium gallate ( LSGM) and mixtures thereof.
- the content of the cathode material and the oxygen ion conductive solid oxide in the cathode forming composition may be, for example, about 20 parts by weight to about 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the cathode material.
- a cathode may be prepared from the cathode composition.
- the cathode composition may be coated on a substrate and then heat-treated to form a cathode.
- the cathode thickness may typically range from about 1 ⁇ m to about 100 ⁇ m in a solid oxide fuel cell.
- the thickness of the cathode may range from about 5 ⁇ m to about 50 ⁇ m.
- Another aspect of the present invention discloses a solid oxide fuel cell including the aforementioned cathode, an anode disposed facing the cathode, and an electrolyte that is an oxygen ion conducting solid oxide disposed between the cathode and the anode.
- the anode in this fuel cell is not particularly limited and a known anode can be used.
- the material constituting the solid oxide electrolyte is not particularly limited as long as it can be generally used in the art.
- the following may be used as the solid oxide electrolyte.
- the solid oxide electrolyte may be a stabilized zirconia system such as yttria stabilized zirconia (YSZ) and scandia stabilized zirconia (ScSZ); Ceria-based to which rare earth elements, such as Samaria doped ceria (SDC) and gadolinia doped ceria (GDC), are added; Other LSGM ((La, Sr) (Ga, Mg) O 3 ) systems; Etc. can be used.
- lanthanum gallate doped with strontium or magnesium may be used as the solid oxide electrolyte.
- the solid oxide fuel cell may be manufactured using a conventional method known in various documents in the art, a detailed description thereof will be omitted herein.
- the solid oxide fuel cell may be applied to various structures, such as a cylindrical stack, a flat tubular stack, and a planar type stack.
- the solid oxide fuel cell may be in the form of a stack of unit cells.
- a unit cell MEA, Membrane and Electrode Assembly
- MEA Membrane and Electrode Assembly
- Cathode PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + ⁇ having a stoichiometric coefficient x of Ca of 0, 0.25 or 0.50 was synthesized by a Pechini process.
- the ultra-solid was heat-treated at 600 ° C. for 4 hours, then milled and mixed by ball milling in acetone for 24 hours, then dried, compressed into pellets at 5 MPa and 1100 ° C. in air for 24 hours. Sintered with.
- Cathode NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ having a stoichiometric coefficient x of Fe of 0, 0.25 or 0.50 was synthesized by a Pechini process.
- the self-combustion process yields a very fine solid.
- the ultra-solids were heat-treated at about 600 ° C. for about 4 hours, then milled and mixed in acetone for about 24 hours, then dried, compressed into pellets at about 5 MPa and in air Sintered at about 1150 ° C. for 12 hours.
- the SmBa 0.5 Sr 0.5 (99.9% by Aldrich Corporation, metal basis) Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ appropriate stoichiometric proportion to Sm (NO 3) 3 ⁇ H 2 O , which in accordance with the respective x, Ba ( NO 3) 2 (Aldrich Co., over 99%), Sr (NO 3 ) 2 (Aldrich Co., over 99%), Co (NO 3 ) 3 ⁇ H 2 O (Aldrich Co., 98%), and Fe (NO 3 ) 3 H 2 O (Aldrich, 98%) was dissolved in distilled water together with glycine to obtain a solution.
- the solution was heated to 350 ° C. in air and then subjected to a combustion reaction to form fine powder.
- the powder was calcined at 600 ° C. for 4 hours and then ground to obtain a primary powder.
- the primary powder was calcined again at 900 ° C. for 4 hours.
- the calcined powder was compressed into pellets at 5 MPa and sintered at 1100 ° C. for 24 hours in air.
- FIG. 5 is an X-ray diffraction pattern of SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ prepared in Example 3.
- FIG. X-ray diffraction was measured by powder dispersion method of Cu K ⁇ radiation using the diffractometer of Rigaku of Japan.
- x indicates the stoichiometric coefficient of iron of the formula SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ and is 0, 0.25, 0.50, 0.75 or 1.
- All SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ samples in FIG. 5 formed a single phase free of impurities after sintering at 1100 ° C. for 12 hours in air.
- X-ray diffraction results show a distinct doublet, which is characteristic of an aligned double perovskite structure at low iron content of 0.75 or less and clearly separated from each other.
- the degree may have been changed to an unaligned simple perovskite structure.
- the aligned double perovskite structure where x is 0.75 or less is a space group Pmmm of a tetragonal system
- Table 1 and Table 2 show different volume values according to the interpretation of the spatial group of the SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ oxide.
- Tables 3 and 4 show different volume values depending on the interpretation of the spatial group of the NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ oxide.
- Cathode NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ having a stoichiometric coefficient x of Fe of 0, 0.25, 0.50, 0.75 or 1.0 was synthesized by the glycine-nitrate process (GNP). .
- the solution was heated to 350 ° C. in air and then subjected to a combustion reaction to form fine powder.
- the powder was calcined at 600 ° C. for 4 hours and then ground to obtain a primary powder.
- the primary powder was calcined again at 900 ° C. for 4 hours.
- the calcined powder was compressed into pellets at 5 MPa and sintered at 1100 ° C. for 24 hours in air.
- Cathode slurries were synthesized from the cathode materials of the first, second, third, and fourth embodiments using the following method, respectively.
- Ce 0.9 Gd 0.1 Gd 2- ⁇ (hereinafter referred to as oxygen ion conductive oxide) Composite cathode) was prepared.
- the GDC was synthesized by the aforementioned glycine-nitrate method (GNP) using the metal nitrate and glycine. Specifically, the cathode material powder and the GDC powder were completely mixed in a weight ratio of 6: 4. All electrode powders were mixed with an organic binder (Heraeus V006) for slurry formation. The weight ratio of the cathode material powder, the GDC powder and the organic binder was mixed at 6: 4: 12.
- a symmetric half cell of electrode / GDC / electrode structure was prepared.
- the GDC powder was compressed into pellets and sintered at 1350 ° C. for 4 hours in air to obtain a dense electrolyte.
- the cathode slurries corresponding to Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4 were respectively applied so as to be symmetrical on both sides of this dense GDC electrolyte, and then sintered at 950 ° C. for 4 hours in air. It was.
- the full single cell was manufactured by the co-press method.
- NiO powder, GDC powder and starch were mixed by ball milling in ethanol at a weight ratio of 6: 4: 1.5 for about 24 hours.
- the mixture was dried and compressed into pellets to form an anode.
- the anode surface of the Ni-GDC was then dispersed by air dispersion (co-press method) or by a drop coating method on the anode surface and sintered at about 1350 ° C. for about 5 hours in air.
- the formed cathode and electrolyte were each about 20 [mu] m thick and silver wire was attached to the cathode and anode using silver paste for current collection.
- FIG. 6 is an Arennius graph illustrating the correlation between electrical conductivity and temperature for NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ of Example 2.
- FIG. 6 is an Arennius graph illustrating the correlation between electrical conductivity and temperature for NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ of Example 2.
- the cathode of a fuel cell is a porous composite structure that requires high ionic conductivity, large surface area for rapid reactivity, and a three phase boundary where gases, ions, and electrons can react together. All of these properties also change with the constituents of the material and with the catalytic material being a trace additive. Cathode is measured in the state exposed to air differently from anode, but the literature reports that the low partial pressure environment is created at the interface between the cathode material and the electrolyte.
- NdBaCo 2 O 5 + ⁇ and NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ (x 0, 0.25) NdBa due to changes in partial pressure of oxygen gas in the operating temperature range with respect to 0.75 Ca It is a graph which measured the ratio of the number of moles of oxygen with respect to 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ .
- NdBaCo 2 O 5 + ⁇ and NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ (x 0, 0.25) NdBa due to changes in partial pressure of oxygen gas in the operating temperature range with respect to 0.75 Ca It is a graph showing the change in electrical conductivity for 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ .
- 10 (a) to 10 (f) show the cathode-electrolyte interface of the entire unit cell including the cathode of SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ (SBSCF) of the third embodiment by iron content
- SBSCF field emission scanning electron microscope
- 10 (a) shows a cross section of the cathode and the GDC electrolyte, and the thickness of the cathode and the electrolyte is about 20 ⁇ m.
- 10 (b) to FIG. 10 (f) are SEM photographs showing the cross-section of the SBSCF-GDC composite according to the iron content, and the microstructure does not seem to have a large difference according to the iron content.
- the thickness of the cathode was about 20 ⁇ m and the thickness of the GDC electrolyte was about 20 ⁇ m.
- the thickness of the GDC electrolyte was improved to 10 to 15 ⁇ m. It can be confirmed that the manufacturing of the unit cell manufactured from FIG. 10 was successful because there were no holes, voids, or cracks. All of these cells have similar microstructures, suggesting that iron content does not significantly affect the microstructures.
- NBSCF25 in the formula x 0.25
- NBSCF50 in the formula x 0.50
- NBSCF75 in the formula x 0.75
- the microstructure of the NBSCF-GDC composite also seems to have no significant difference in the microstructure according to the iron content as in the SBSCF-GDC composite.
- the stability of the cathode material, the GDC electrolyte, and the NiO-GDC composite anode battery of Example 1 was evaluated.
- FIG. 12 is a result of measuring a change in voltage when a constant current of -400 mA is applied at 600 ° C. for 100 hours
- FIG. 13 is a case where a constant voltage of 700 mV is applied at 600 ° C. for 100 hours. This is the result of measuring the change of current.
- FIG. 14 is a result of measuring a change in current when a constant voltage of about 700 mV is applied at about 600 ° C. for about 150 hours.
- 15 is a result of measuring the change in voltage when a constant current of about -400 mA is applied at about 550 ° C. for about 100 hours.
- the response while driving is quite stable, and that no detectable voltage or current drop has occurred. Therefore, when the cathode is formed using the cathode material according to the present invention, the fuel cell including the same can be expected to have excellent stability.
- the electrochemical performance of the cathode material, the GDC electrolyte, and the NiO-GDC composite anode total battery of Example 1 was evaluated.
- the cathode material comprises a compound of PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + ⁇ .
- FIG. 16 is a diagram illustrating I-V polarization curves and maximum power densities of fuel cells according to Ca content in an embodiment of the present invention.
- FIG. 16 shows the I-V polarization curves when x is 0, 0.25 and 0.5, and the maximum power density according to the value of x at 600 ° C.
- I-V polarization curve was measured at 500 to 650 °C using a constant potential device of BioLogic. Specifically, the I-V polarization curve used humidified hydrogen gas (3% moisture) as a fuel and a stationary ambient air as an oxidant at 500 to 650 ° C.
- the maximum power density when x is zero, at 600 °C is 1.161W / cm 2, while being on, x is a maximum power density of 0.25 when il is the 1.484W / cm 2, x has a maximum power density when 0.5 days 1.218 W / cm 2 . This is judged to be superior to the prior art in which the power density was about 1.16 / cm 2 at 600 ° C. at the highest level.
- the double-layered perovskite structure lanthanide oxide cathode material of the present invention makes it possible to manufacture a solid oxide fuel cell exhibiting excellent electrochemical performance at a medium temperature below 800 ° C.
- the electrochemical performance of the cathode material of Example 2, the GDC electrolyte, and the entire NiO-GDC composite anode battery was evaluated.
- the cathode material comprises a compound of PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + ⁇ .
- FIG. 17 shows I-V polarization curves and maximum power density when x is 0, 0.25.
- I-V polarization curve was measured in the range of about 500 °C to about 650 °C using a constant potential device of BioLogic. Specifically, the I-V polarization curve used humidified hydrogen gas (3% moisture) as the fuel and stationary ambient air as the oxidant in the range of about 500 ° C to about 650 ° C.
- power density improves as x has a value of 0.25 as compared with when x is 0.
- the maximum power density when x is zero at about 600 °C is 1.263 W / cm 2 being
- x is a maximum power density of 0.25 days, while when the was 1.331 W / cm 2. This is judged to be superior to the prior art in which the power density was about 1.16 W / cm 2 at 600 ° C. at the highest level.
- the double-layered perovskite structure lanthanide oxide cathode material of the present invention enables the production of a solid oxide fuel cell exhibiting excellent electrochemical performance at a medium temperature of about 800 ° C. or less.
- FIG. 18 is a graph showing thermogravimetric analysis (TGA) results of iron content of NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ in which oxygen content is generated according to temperature.
- the vertical axis represents the reduction in oxygen content in weight percent based on before heating, and the horizontal axis is the heating temperature.
- Thermogravimetric analysis was measured in air over 100 ° C. to 900 ° C. at a heating / cooling rate of 2 ° C. per minute using a SDT-Q600 thermogravimetric analyzer from TA instruments, USA.
- the initial room temperature oxygen content was determined by indirect iodometric titration in air.
- the thermal stability of the NBSCF cathode material according to one embodiment of the present invention evaluated for the degree of maintenance of oxygen content, is a sufficient level for use at an operating temperature of 800 ° C or lower. Because of the loss of interstitial oxygen in the lattice, NBSCF samples began to lose oxygen from 200 ° C. From the relationship between the degree of loss of interstitial oxygen and the iron content, one can infer that oxygen binds more strongly with iron than cobalt in the lattice. This is consistent with the standard product free energy of Fe 3 O 4 (-1017.438 kJ / mol) being greater than the standard product free energy of Co 3 O 4 (-794.871 kJ / mol).
- 19 (a) and 19 (b) show the correlation between electrical conductivity and temperature for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , respectively.
- Areneus graph showing the relationship by iron content.
- Electrical conductivity was measured by four terminal DC arrangement of the cathode of the cathode material in air. Silver wires were used as the probes of the four terminals. Current and voltage were measured using a potentiostat of BioLogic at intervals of 50 ° C. at a measurement interval of 100 to 900 ° C.
- 20 (a) and 20 (b) show the frequency spectra of impedances for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , respectively. Nyquist plot.
- FIG. 20 (a) NBSCF-GDC and SBSCF-GDC composite cathode symmetric half-cells synthesized in Examples 3 and 4 at 600 ° C.
- FIG. 20 (b) SBSCF
- a silver wire was connected to both electrodes using silver paste as a current collector.
- This half cell was fixed to the alumina tube using a ceramic adhesive.
- Impedance spectroscopy measurements were made under open circuit voltage (OCV) over a frequency range of 500 kHz to 1 MHz with an AC perturbation of 14 mA in the range 500 ° C. to 650 ° C. using a constant potential device from BioLogic.
- OCV open circuit voltage
- Area resistivity is an indicator covering all resistance elements associated with an electrode, i.e. resistance occurring at the gas-cathode interface, in the bulk of the cathode, or at the cathode-electrolyte interface. Area resistivity is defined as the impedance intercept value for the real axis of the Nyquist plot between high and low frequencies.
- the area resistivity of the NBSCF cathodes in Fig. 20 (a) is 0.105 ⁇ cm 2 , 0.066 ⁇ cm 2 , 0.087 ⁇ cm 2 , 0.106 ⁇ cm 2 and 0.179 ⁇ ⁇ in order of increasing iron content at 600 ° C., respectively. cm 2 .
- FIG. 21 is a Nyquist plot showing the frequency spectrum of impedance for NBSCF50 at 600 ° C.
- NBSCF-GDC composite cathode had the lowest area resistivity at the measurement temperature when compared to the area resistivity measured at 500 °C and 550 °C. At 500 °C, 0.441 ⁇ cm 2 , 600 °C was 0.066 ⁇ cm 2 . This is considered to be the lowest value of the area resistivity at 500 ° C of cathodes published to date.
- FIG. 22 is a graph showing the area resistivity of NBSCF measured at 500 ° C. and 600 ° C. and SBSCF measured at 500 ° C., based on iron content.
- FIG. 22 (a) and 22 (b) are shown at 500 ° C. and 600 ° C. for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , respectively, and FIG. 22 (c) shows SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x.
- the area specific resistance obtained from the Nyquist plot at 500 ° C. for Fe ⁇ O 5 + ⁇ is a graph showing the iron content.
- the rate of oxygen reduction reaction may increase. It is not intended to be bound by any particular theory regarding the working principle of the present invention, but for the sake of understanding, the oxygen reduction kinetics also increases as the iron content increases and the invasive oxygen concentration increases in the Ln-O layer.
- the SBSCF-GDC cathode of FIG. 20 (b) also has an impedance behavior similar to that of the NBSCF-GDC cathode.
- the rate of oxygen reduction reaction seems to be the fastest when the Fe content x is about 0.50 and 0.75, unlike NBSCF-GDC.
- iron is doped to x, the stability of the aligned double perovskite structure is deteriorated and the rate of oxygen reduction is slowed.
- 23 (a) and 23 (b) show cathode polarization conductivity and temperature for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , respectively.
- Areneus graph showing correlations by iron content.
- Arrhenius graphs of NBSCF and SBSCF cathode polarization conductance are shown in FIGS. 23 (a) (NBSCF) and 23 (b) (SBSCF), respectively.
- the apparent activation energy of NBSCF was 105.76 kJ / mol, 95.46 kJ / mol, 101.81 kJ / mol for iron content (x) 0, 0.25, 0.50, 0.75 and 1.0, respectively. , 104.98 kJ / mol and 126.46 kJ / mol.
- This apparent activation energy shows that the ordered aligned double perovskite structure has lower activation energy than the less ordered unaligned simple perovskite structure.
- FIG. 24 shows the Arrhenius graph and activation energy of FIG. 23 (a).
- the activation energy of the NBSCF-GDC as measured as described above was supplied with air of 101.07 kJ / mol, 90.08 kJ / mol, and 107.55 kJ / for iron contents (x) of 0, 0.5, and 1.0. improved to mol
- the SBSCF-GDC cathode of FIG. 23 (b) also has an activation energy similar to that of the NBSCF-GDC cathode.
- the activation energy of the SBSCF-GDC cathode was 125.28 kJ / mol, 116.88 kJ / mol, 104.59 kJ / mol, 112.15 kJ / mol and 119.93 kJ / mol, respectively.
- FIG. 25 shows the Arrhenius graph and activation energy of FIG. 23 (b).
- the activation energy of SBSCF-GDC as measured as described above was supplied with 114.06 kJ / mol, 101.13 kJ / mol, and 112.23 kJ / for iron content (x) of 0, 0.5, and 1.0. improved to mol
- FIG. 26 is a graph showing IV polarization curves for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ .
- 27 and 28 are graphs showing IV polarization curves for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 O 5 + ⁇ -GDC and NdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + ⁇ -GDC, respectively.
- the maximum power densities of the NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 O 5 + ⁇ aligned double perovskite structure were 0.55, 1.06, 1.69 and 2.35 W / at 500 ° C, 550 ° C, 600 ° C and 650 ° C, respectively. cm 2 .
- the maximum power density for NdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + ⁇ is improved to 0.56, 1.01, 1.57 and 2.07 W / cm 2 at 500 ° C., 550 ° C., 600 ° C. and 650 ° C., respectively.
- a battery having an NBSCF-GDC cathode at 600 ° C. is considered to be the best among previously reported values with a power density of 1.104 W / cm 2 .
- 29 is a graph showing the power density of a battery having an NBSCF-GDC cathode.
- the power density becomes 1.95 W / cm 2 . It was 0.63, 1.17, 2.52 W / cm ⁇ 2> at 500 degreeC, 550 degreeC, and 650 degreeC, respectively.
- FIG. 30 is a graph showing IV polarization curves and power densities measured for SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ - GDC cathode containing cells in order of increasing iron content (x).
- FIG. 31 is a graph illustrating power density of the battery of FIG. 30.
- the maximum power density is improved to 1.56 W / cm 2 .
- 32 (a) and 32 (b) are graphs showing power densities obtained from IV polarization curves according to iron content at 500 ° C. and 600 ° C. for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + ⁇ , respectively. .
- the aligning double perovskite structure lanthanide oxide cathode material of the present invention makes it possible to manufacture a solid oxide fuel cell exhibiting excellent electrochemical performance at a medium temperature below 800 ° C.
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Abstract
A cathode material for a solid oxide fuel cell represented by chemical formula AA'1-xCaxB2O5+δ, and a fuel cell using the same are disclosed. In said chemical formula, A is a lanthanide element, A' is an alkaline earth metal element, B is a transition metal element, 0<x<1.0, and δ is a positive number of 1 or less, and thus the compound represented by chemical formula 1 is electrically neutral. It is possible to maintain electrical conductivity of a predetermined level or more while securing the stability of a cathode using the cathode material represented by said chemical formula.
Description
본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 페로브스카이트 관련 구조를 갖는 산화물을 캐소드로 하는 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell. Specifically, the present invention relates to a solid oxide fuel cell having an oxide having a perovskite related structure as a cathode.
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. Solid oxide fuel cell (SOFC) is a high efficiency and environmentally friendly electrochemical power generation technology that directly converts the chemical energy of fuel gas into electrical energy. SOFCs are simpler in structure than other fuel cells because they are all solid, relatively inexpensive, and free from electrolyte loss and replenishment and corrosion. 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-based fuels can be used directly without the need to reform the fuel into hydrogen, which can simplify fuel cell systems and reduce manufacturing costs.
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.SOFCs are anodes (anodes or anodes, cathodes) in which fuels such as hydrogen or hydrocarbons are oxidized, cathodes (cathodes or cathodes, anodes) in which oxygen gas is reduced to oxygen ions (O 2- ), and oxygen ion conductivity in which oxygen ions are conducted. It contains a solid electrolyte and requires special physical properties depending on the type of material used.
기존의 SOFC는 모든 연료전지의 형태 중에서 가장 높은 800 내지 1,000℃ 범위의 고온에서 작동하였기 때문에 고온에서 견딜 수 있는 고온 합금이나 값비싼 세라믹 소재들이 사용되어야 하고, 시스템의 초기 구동 시간이 오래 걸리며, 장시간 운전시 소재의 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 상용화하는데 가장 큰 걸림돌인 전체적인 비용 상승의 문제가 뒤따랐다. 이에 따라, 작동 온도가 800℃ 이하, 예를 들어 약 400 내지 800℃의 온도에서도 효과적으로 전기를 발생할 수 있는 이른바 중온 고체 산화물 연료전지(IT-SOFC)를 개발하려는 연구가 많이 진행되고 있다.Conventional SOFCs operate at high temperatures in the range of 800 to 1,000 ° C, the highest of all fuel cell types, so high temperature alloys or expensive ceramic materials must be used. There is a problem that the durability of the material during operation is reduced. In addition, there was a problem of rising overall costs, which is the biggest obstacle to commercialization. Accordingly, many studies have been conducted to develop a so-called medium-temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC) capable of generating electricity effectively even at an operating temperature of 800 ° C or lower, for example, about 400 to 800 ° C.
그러나 작동 온도의 저감은 SOFC 소재의 전기 저항을 급격히 증가시키게 되고 이는 결국 SOFC의 출력 밀도를 감소시키는 주된 원인으로 작용한다. 작동 온도 저감시 문제되는 이러한 전기 저항은 대부분이 캐소드부에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서 SOFC의 작동 온도를 낮추는데 있어서 캐소드 저항을 줄이는 것이 중요한 문제가 되었다. 종래에는 Haile 등이 2004년에 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ 캐소드 소재를 제시하고 있다. 그러나 이 캐소드 소재를 이용하여 Haile 등이 제시한 성능 수준을 검증하는 유사 연구가 아직 발표된 바 없고 아직 상업화가 이루어지지 않는 것으로 보아 충분한 검증이 필요한 것으로 판단된다.However, the reduction in operating temperature dramatically increases the electrical resistance of SOFC materials, which in turn serves as the main reason for reducing the power density of SOFCs. It is known that most of this electrical resistance, which is a problem in reducing the operating temperature, occurs at the cathode portion. Therefore, reducing the cathode resistance has become an important issue in lowering the operating temperature of SOFCs. Conventionally, Haile et al. Proposed Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ cathode material in 2004. However, similar studies verifying the performance level proposed by Haile et al. Using this cathode material have not been published yet, and commercialization is not yet done.
이처럼 중간 온도에서의 SOFC의 작동을 위해서는 산소의 환원 및 연료 산화 반응이 일어나는 3상 계면에서 신속하게 이온을 수송해 줄 수 있는 전해질과 전해질 물질의 신규한 조합이 필수적인데, 이에 대한 업계의 요구는 아직 충족시키지 못하고 있는 실정이다.The operation of SOFCs at these intermediate temperatures requires a novel combination of electrolytes and electrolyte materials that can quickly transport ions at the three-phase interface where oxygen reduction and fuel oxidation occur. It is not yet met.
특히, 캐소드 소재는 높은 산소의 환원도, 높은 전자전도도 및 높은 이온전도도를 가져야 한다. 전자전도도가 낮을 경우에는 애노드 반응에 필요한 전자들의 이동이 용이하지 않게 되어 전기화학반응의 효율이 떨어지며, 이온전도도가 낮을 경우에는 캐소드 반응을 통해 발생한 산소이온의 이동이 제한되어 산소의 환원반응이 일어나는 활성점이 충분하지 못하게 된다. In particular, the cathode material should have high oxygen reduction, high electron conductivity and high ion conductivity. When the electron conductivity is low, the electrons required for the anode reaction are not easily moved, and thus the efficiency of the electrochemical reaction is reduced. When the ion conductivity is low, the oxygen ion reaction generated through the cathode reaction is restricted and oxygen reduction reaction occurs. There is not enough active point.
한편, 종래의 캐소드 소재는 사용 시간이 증가함에 따라 안정성이 급격하게 저하되는 현상이 발생한다. 즉, 캐소드에서 산소의 환원반응이 원활하게 일어나지 못하고, 그 결과 SOFC 시스템의 작동시 전압 강하가 일어나게 되며 이는 전지의 성능을 감소시키게 된다.On the other hand, the conventional cathode material is a phenomenon that the stability is sharply lowered as the use time increases. That is, the reduction of oxygen in the cathode does not occur smoothly, and as a result, a voltage drop occurs during operation of the SOFC system, which reduces the performance of the battery.
본 발명의 기술적 과제는 캐소드의 안정성을 향상시킬 수 있는 신규 캐소드 소재와 그 제조 방법을 제공하는 것이다. The technical problem of the present invention is to provide a novel cathode material and a method of manufacturing the same that can improve the stability of the cathode.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지를 제공하는 것이다.Another technical problem of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell including the material.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 한 측면에서는, 화학식 RSQO5+δ의 화합물을 포함하는, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재를 제공하고, 상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 S는 알카리 토금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 Q는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, O는 산소이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 RSQO5+δ의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In order to solve the above technical problem, in one aspect of the present invention, there is provided a cathode material for a solid oxide fuel cell, comprising a compound of formula RSQO 5 + δ , wherein R is one or more elements selected from the lanthanides, S is one or more elements selected from alkaline earth metal groups, Q is one or more elements selected from transition metals, O is oxygen, and δ is a positive number of 1 or less, and is represented by the formula RSQO 5 + δ It is the value which makes a compound electric neutral.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 한 측면에서는, 화학식 1의 화합물을 포함하는 이중층 페로브스카이트 구조를 지니는 고체 산화물 연료전지 캐소드(cathode)용 소재를 제공한다.In order to solve the above technical problem, in one aspect of the present invention, there is provided a material for a solid oxide fuel cell cathode having a double-layer perovskite structure comprising a compound of formula (1).
<화학식 1><Formula 1>
AA'1-xCaxB2O5+δ
AA ' 1-x Ca x B 2 O 5 + δ
상기 화학식 1에서, 상기 A는 란탄족에서 선택된 원소, 상기 A'는 알카리 토금속족에서 선택된 원소, 그리고 상기 B는 전이금속에서 선택된 원소이며, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 1, A is an element selected from lanthanides, A 'is an element selected from alkaline earth metal groups, and B is an element selected from transition metals, x is a number greater than 0 and less than 1.0, and δ is As a positive number of 1 or less, it is a value which makes the said compound of Formula 1 electrical neutral.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 A는 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr) 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 또한, A'는 바륨(Ba)이며, B는 코발트(Co) 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, A may be any one of neodymium (Nd), praseodymium (Pr) or a mixture thereof. In addition, A 'is barium (Ba), B may be cobalt (Co).
본 발명의 일실시예에 있어서, x는 0 초과 0.5 이하이다.In one embodiment of the invention, x is greater than 0 and less than or equal to 0.5.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 화학식 1이 PrBa1-xCaxCo2O5+δ 이다.In one embodiment of the present invention, Chemical Formula 1 is PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ .
전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 한 측면에서는, 화학식 2의 화합물을 포함하는 이중층 페로브스카이트 구조를 지니는 고체 산화물 연료전지 캐소드(cathode)용 소재를 제공한다.In order to solve the above technical problem, in one aspect of the present invention, there is provided a material for a solid oxide fuel cell cathode having a double-layer perovskite structure comprising a compound of formula (2).
<화학식 2><Formula 2>
AA'0.75A''0.25B2-xB'xO5+δ
AA ' 0.75 A'' 0.25 B 2-x B' x O 5 + δ
상기 화학식 2에서, 상기 A 는 란탄족에서 선택된 원소, 상기 A' 와 A'' 는 알카리 토금속족에서 선택된 원소, 그리고 상기 B는 전이금속에서 선택된 원소이며, 상기 x 는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Chemical Formula 2, A is an element selected from lanthanides, A 'and A' 'are selected from alkaline earth metal groups, and B is an element selected from transition metals, wherein x is a number greater than 0 and less than 1.0. Is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of Formula 2 electrically neutral.
본 발명의 일실시예에 있어서, A는 란탄족에서 선택된 원소, 알칼리 토금속 족에서 선택된 원소 중 A'는 바륨(Ba), A''는 칼슘(Ca), 그리고 전이금속에서 선택된 원소 중 B는 코발트(Co)이고, B'는 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni) 등이다. 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In one embodiment of the present invention, A is an element selected from the lanthanide group, among the elements selected from the alkaline earth metal group A 'is barium (Ba), A' 'is calcium (Ca), and B of the elements selected from the transition metal Cobalt (Co), B 'is iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni) and the like. X is a number greater than 0 and less than 1.0, and δ is a positive number of 1 or less, which is a value that makes the compound of Formula 2 electrically neutral.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 한 측면에서는, 화학식 3의 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지 캐소드용 소재를 제공한다.In order to solve the above technical problem, in one aspect of the present invention, there is provided a material for a solid oxide fuel cell cathode comprising a compound of formula (3).
<화학식 3><Formula 3>
LnBaaSrbCo2-xFexO5+δ
LnBa a Sr b Co 2-x Fe x O 5 + δ
상기 화학식 3에서, 상기 Ln은 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 또는 이들의 혼합물이고, 상기 a와 b는 각각 0 초과 1 미만의 수들로서, a+b=1을 만족하고, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 3, Ln is samarium, neodymium, praseodymium, or a mixture thereof, wherein a and b are each greater than 0 and less than 1, and satisfies a + b = 1, and x is greater than 0 and less than 1.0 Is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of Formula 3 electrically neutral.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 a와 상기 b는 0.5일 수 있다. 상기 x는 0.25 이상 0.75 이하일 수 있다. 상기 x는 0.25 이상 0.50 이하일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the a and the b may be 0.5. X may be 0.25 or more and 0.75 or less. X may be 0.25 or more and 0.50 or less.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 캐소드 소재는, PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ, SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 또는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 일 수 있다. 상기 x는 0 초과 0.75 이하일 수 있다. 상기 x는 0.25 이상 0.50 이하일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cathode material, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 -x Fe x O 5 + δ It may be. X may be greater than 0 and less than or equal to 0.75. X may be 0.25 or more and 0.50 or less.
본 발명의 다른 측면에서는 전술한 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물 및 유기 바인더를 포함하는 캐소드용 조성물을 제공한다. 이 조성물은 슬러리의 형태일 수 있다. 한 실시 형태에서 상기 산소 이온 전도성 고체 산화물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택할 수 있다.In another aspect of the present invention provides a cathode composition comprising the above-described cathode material for a solid oxide fuel cell, an oxygen ion conductive solid oxide and an organic binder. This composition may be in the form of a slurry. In one embodiment the oxygen ion conducting solid oxide is a group consisting of yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), samaria doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC) and mixtures thereof You can choose from.
본 발명의 다른 하나의 측면에서는 전술한 캐소드 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드를 제공한다. 이 캐소드는 산소 이온 전도성 고체 산화물과 화학식 1의 화합물, 화학식 2의 화합물, 또는 화학식 3의 화합물의 복합체일 수 있다.Another aspect of the present invention provides a cathode for a solid oxide fuel cell comprising the cathode material described above. This cathode may be a complex of an oxygen ion conducting solid oxide with a compound of formula 1, a compound of formula 2, or a compound of formula 3.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에서는 전술한 캐소드, 상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지를 개시한다. 이 연료전지에서 애노드는 특별히 제한되지 않으며 공지의 애노드를 사용할 수 있다.Another aspect of the present invention discloses a solid oxide fuel cell including the aforementioned cathode, an anode disposed facing the cathode, and an electrolyte that is an oxygen ion conducting solid oxide disposed between the cathode and the anode. The anode in this fuel cell is not particularly limited and a known anode can be used.
본 발명의 한 또 다른 측면에서는 캐소드 소재의 제조 방법을 제공한다.In yet another aspect of the invention, a method of making a cathode material is provided.
상기 제조 방법은, 금속 산화물 전구체들을 용매에 용해하여 전구체 용액을 얻는 단계; 상기 전구체 용액에서 고형물을 얻는 단계; 상기 고형물을 대기 중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계; 및 상기 소성물을 연마하는 단계;를 포함하고, 상기 금속 산화물 전구체들은 아래 화학식 4의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 Pr, Ba, Ca, 및 Co 화합물들의 혼합물일 수 있다.The manufacturing method includes dissolving metal oxide precursors in a solvent to obtain a precursor solution; Obtaining a solid from the precursor solution; Calcining the solid in air to obtain a calcined product; And polishing the calcined product, wherein the metal oxide precursors may be a mixture of Pr, Ba, Ca, and Co compounds in a stoichiometric ratio capable of producing a compound of Formula 4 below.
<화학식 4><Formula 4>
PrBa1-xCaxCo2O5+δ
PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ
상기 화학식 4에서, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이다. In Formula 4, x is a number greater than 0 and less than 1.0.
상기 제조 방법은, 금속 산화물 전구체들을 용매에 용해하여 전구체 용액을 얻는 단계; 상기 전구체 용액에서 고형물을 얻는 단계; 상기 고형물을 대기 중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계; 및 상기 소성물을 연마하는 단계;를 포함하고, 상기 금속 산화물 전구체들은 아래 화학식 5의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 Nd, Ba, Ca, Co 및 Fe 화합물들의 혼합물일 수 있다.The manufacturing method includes dissolving metal oxide precursors in a solvent to obtain a precursor solution; Obtaining a solid from the precursor solution; Calcining the solid in air to obtain a calcined product; And polishing the fired product, wherein the metal oxide precursors may be a mixture of Nd, Ba, Ca, Co and Fe compounds in a stoichiometric ratio capable of producing a compound of Formula 5 below.
<화학식 5><Formula 5>
NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ
NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ
상기 화학식 5에서, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이다. In Formula 5, x is a number greater than 0 and less than 1.0.
상기 제조 방법은, 금속 산화물 전구체들을 용매에 용해하여 전구체 용액을 얻는 단계; 상기 전구체 용액에서 고형물을 얻는 단계; 상기 고형물을 대기 중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계; 및 상기 소성물을 연마하는 단계;를 포함하고, 상기 금속 산화물 전구체들은 아래 화학식 6의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 Ln, Ba, Sr, Co 및 Fe 화합물들의 혼합물일 수 있다.The manufacturing method includes dissolving metal oxide precursors in a solvent to obtain a precursor solution; Obtaining a solid from the precursor solution; Calcining the solid in air to obtain a calcined product; And polishing the calcined product, wherein the metal oxide precursors may be a mixture of Ln, Ba, Sr, Co, and Fe compounds in a stoichiometric ratio capable of producing a compound of Formula 6 below.
<화학식 6><Formula 6>
LnBaaSrbCo2-xFexO5+δ
LnBa a Sr b Co 2-x Fe x O 5 + δ
상기 화학식 6에서, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 Ln은 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 또는 이들의 혼합물이다.In Formula 6, x is a number greater than 0 and less than 1.0, and Ln is samarium, neodymium, praseodymium, or a mixture thereof.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 면적 비저항을 줄이고 캐소드 반응이 일어나는 삼상계면을 증가시킴으로써 산소 환원 반응 속도(oxygen reduction kinetics)가 향상된 고체 산화물 연료전지를 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having improved oxygen reduction kinetics by reducing an area resistivity and increasing a three-phase interface in which a cathode reaction occurs.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 캐소드의 안정성이 향상될 수 있다. 또한, 연료전지는 800℃ 이하의 낮은 온도에서도 효과적으로 작동할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the stability of the cathode may be improved. In addition, the fuel cell can operate effectively even at low temperatures below 800 ° C.
도 1은 이중층 페로브스카이트 구조를 도시한 도이다.1 is a diagram illustrating a double layer perovskite structure.
도 2는 침입형 산소를 함유하는 정렬 이중 페로브스카이트 결정 구조의 란탄족 산화물로서, 프라세오디뮴, 바륨과 코발트의 한 산화물의 결정 구조를 보여 주는 도면이다.FIG. 2 is a lanthanide oxide of an aligned double perovskite crystal structure containing interstitial oxygen, showing a crystal structure of one oxide of praseodymium, barium and cobalt.
도 3은 본 발명의 실시예에서 Ca의 함량에 따른 X선 회절 패턴을 도시한 도이다.3 is a view showing an X-ray diffraction pattern according to the content of Ca in the embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에서 Fe의 함량에 따른 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 의 X선 회절 패턴을 도시한 도이다.4 is a diagram illustrating an X-ray diffraction pattern of NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ according to the amount of Fe in the embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 한 실시 형태에서 철 함량별로 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the X-ray diffraction pattern of SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ by iron content in one embodiment of the present invention.
도 6은 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 에 대하여 전기 전도도와 온도의 상관 관계를 Fe 함량별로 나타내는 아레니우스 그래프이다.FIG. 6 is an Arrhenius graph illustrating the correlation between electrical conductivity and temperature for NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ .
도 7은 NdBaCo2O5+δ 와 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 에 대하여 작동 온도 범위 내에서의 산소 기체의 분압의 변화에 따른 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 에 대한 산소의 몰(mole)수의 비를 측정한 그래프이다.7 is NdBaCo 2 O 5 + δ and NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25) NdBa due to changes in partial pressure of oxygen gas in the operating temperature range with respect to 0.75 Ca It is a graph which measured the ratio of the number of moles of oxygen with respect to 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ .
도 8은 NdBaCo2O5+δ 와 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 에 대하여 작동 온도 범위 내에서의 산소 기체의 분압의 변화에 따른 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 에 대한 전기 전도도의 변화를 나타낸 그래프이다.8 is NdBaCo 2 O 5 + δ and NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25) NdBa due to changes in partial pressure of oxygen gas in the operating temperature range with respect to 0.75 Ca It is a graph showing the change in electrical conductivity for 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ .
도 9는 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 에 대하여 600℃에서 임피던스의 주파수 스펙트럼을 나타내는 니퀴스트 플롯으로부터 얻은 면적 비저항 (Area Specific Resistance)을 철 함량에 따라 나타낸 그래프이다.FIG. 9 shows the iron content of Area Specific Resistance obtained from the Nyquist plot showing the frequency spectrum of impedance at 600 ° C. for NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25). The graph shown by.
도 10(a) 내지 도 10(f)는 철 함량별로 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 캐소드 함유 전체 단전지의 캐소드-전해질 계면의 횡단면을 Nova SEM사의 전계 방출형 주사 전자현미경(FESEM)을 이용하여 찍은 사진이다 10 (a) to 10 (f) show the cross-sections of the cathode-electrolyte interface of the entire unit cell containing SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ cathode according to the iron content. The picture was taken using a microscope (FESEM).
도 11은 철 함량을 달리하는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ의 캐소드 함유 전체 단전지의 캐소드-전해질 계면의 횡단면을 Nova SEM사의 전계 방출형 주사 전자현미경을 이용하여 찍은 사진이다.FIG. 11 is a cross-sectional view of the cathode-electrolyte interface of a cathode-containing total unit cell of NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ having different iron contents using a field emission scanning electron microscope from Nova SEM. to be.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시 형태에서 연료 전지의 안정성을 측정한 결과를 도시한 도면들이다.12 and 13 illustrate the results of measuring the stability of a fuel cell in one embodiment of the present invention.
도 14는 본 발명의 실시 형태에서 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 에 대하여 단위 전지의 안정성을 측정한 결과를 도시한 도면이다.FIG. 14 shows the results of measuring stability of a unit cell with respect to NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25) in the embodiment of the present invention. FIG.
도 15는 본 발명의 실시 형태에서 NdBaCo2O5+δ (x = 0) 에 대하여 단위 전지의 안정성을 측정한 결과를 도시한 도면이다.FIG. 15 shows the results of measuring stability of a unit cell with respect to NdBaCo 2 O 5 + δ (x = 0) in an embodiment of the present invention. FIG.
도 16은 본 발명의 실시예에서 Ca의 함량에 따른 연료 전지의 I-V 분극 곡선 및 최대 전력 밀도를 도시한 도이다. FIG. 16 is a diagram illustrating I-V polarization curves and maximum power densities of fuel cells according to Ca content in an embodiment of the present invention.
도 17은 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프이다. 17 is a graph showing IV polarization curves for NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25).
도 18은 가열시 발생하는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 산소 함량의 변화를 온도에 따라 측정한 열중량 분석(TGA) 결과를 철 함량별로 나타낸 그래프이다.FIG. 18 is a graph showing thermogravimetric analysis (TGA) results of iron content of NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ in which oxygen content is generated according to temperature.
도 19(a)와 도 19(b)는 각각 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ와 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 전기 전도도와 온도의 상관 관계를 철 함량별로 나타내는 아레니우스 그래프이다.19 (a) and 19 (b) show the correlation between electrical conductivity and temperature for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , respectively. Areneus graph showing the relationship by iron content.
도 20(a)와 도 20(b)는 각각 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ와 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 임피던스의 주파수 스펙트럼을 나타내는 니퀴스트 플롯(Nyquist plot)이다.20 (a) and 20 (b) show the frequency spectra of impedances for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , respectively. Nyquist plot.
도 21은 600℃에서 NBSCF50에 대한 임피던스의 주파수 스펙트럼을 나타내는 니퀴스트 플롯(Nyquist plot)이다.FIG. 21 is a Nyquist plot showing the frequency spectrum of impedance for NBSCF50 at 600 ° C. FIG.
도 22(a)와 도 22(b)는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 각각 500℃와 600℃에서, 도 22(c)는 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 500℃에서 니퀴스트 플롯으로부터 얻은 면적 비저항(area specific resistance)을 철 함량에 따라 나타낸 그래프이다.22 (a) and 22 (b) are shown at 500 ° C. and 600 ° C. for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , respectively, and FIG. 22 (c) shows SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x. The area specific resistance obtained from the Nyquist plot at 500 ° C. for Fe × O 5 + δ is a graph showing the iron content.
도 23(a)와 도 23(b)는 각각 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ와 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 캐소드 분극 전도도와 온도의 상관 관계를 철 함량별로 나타내는 아레니우스 그래프이다.23 (a) and 23 (b) show cathode polarization conductivity and temperature for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , respectively. Areneus graph showing correlations by iron content.
도 24는 도 23(a)의 아레니우스 그래프 및 활성화 에너지를 나타낸다.FIG. 24 shows the Arrhenius graph and activation energy of FIG. 23 (a).
도 25는 도 23(b)의 아레니우스 그래프 및 활성화 에너지를 나타낸다.25 shows the Arrhenius graph and activation energy of FIG. 23 (b).
도 26은 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프들이다.FIG. 26 is a graph showing IV polarization curves for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ .
도 27 및 도 28은 각각 NdBa0.5Sr0.5Co2O5+δ 및 NdBa0.5Sr0.5CoFeO5+δ에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프들이다.27 and 28 are graphs showing IV polarization curves for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 O 5 + δ and NdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + δ , respectively.
도 29는 NBSCF-GDC 캐소드를 가지는 전지의 전력 밀도를 나타낸 그래프이다.29 is a graph showing the power density of a battery having an NBSCF-GDC cathode.
도 30은 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프들이다.30 are graphs showing IV polarization curves for SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ .
도 31은 도 30의 전지의 전력 밀도를 나타낸 그래프이다.FIG. 31 is a graph illustrating power density of the battery of FIG. 30.
도 32(a)와 도 32(b)는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 각각 500℃와 600℃에서 I-V 분극 곡선으로부터 얻은 전력 밀도를 철 함량에 따라 나타낸 그래프이다.32 (a) and 32 (b) are graphs showing power densities obtained from IV polarization curves according to iron content at 500 ° C. and 600 ° C. for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , respectively. .
본 발명의 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료전지 캐소드(cathode)용 소재는 상술한 이중층 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 것으로, 특히, A'의 원소 일부가 칼슘으로 치환된 화합물을 포함한다. 상기 화합물은 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.The material for a solid oxide fuel cell cathode according to an embodiment of the present invention has the above-described double-layer perovskite crystal structure, and particularly, includes a compound in which a part of the element of A ′ is substituted with calcium. The compound may be represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
AA'1-xCaxB2O5+δ
AA ' 1-x Ca x B 2 O 5 + δ
상기 화학식 1에서, 상기 A는 란탄족에서 선택된 원소, 상기 A'는 알카리 토금속족에서 선택된 원소, 그리고 상기 B는 전이금속에서 선택된 원소이며, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 1, A is an element selected from lanthanides, A 'is an element selected from alkaline earth metal groups, and B is an element selected from transition metals, x is a number greater than 0 and less than 1.0, and δ is As a positive number of 1 or less, it is a value which makes the said compound of Formula 1 electrical neutral.
예를 들어, 상기 화학식 1에서, 상기 A는 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr) 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 또한, A'는 바륨(Ba)이며, B는 코발트(Co) 일 수 있다.For example, in Formula 1, A may be one of neodymium (Nd), praseodymium (Pr), or a mixture thereof. In addition, A 'is barium (Ba), B may be cobalt (Co).
예를 들어, 상기 화학식 1에서, x는 0 초과 0.5 이하이다.For example, in Formula 1, x is greater than 0 and less than or equal to 0.5.
예를 들어, 상기 화학식 1에서, PrBa1-xCaxCo2O5+δ 일 수 있다.For example, in Formula 1, it may be PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ .
상기 화학식 1의 이중층 페로브스카이트 란탄족 화합물은 기본적으로 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O]의 적층 순열이 c축을 따라 반복되고, A'O의 일부가 CaO로 치환된 구조로 이해할 수 있다.In the bilayer perovskite lanthanide compound of Chemical Formula 1, a lamination permutation of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] is basically repeated along the c-axis, and a part of A'O is It can be understood as a structure substituted with CaO.
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 below, the inventors must be conventional or not based on the principle that the inventors can appropriately define the concept of terms in order to best explain their invention. It should not be construed as being limited only to a dictionary meaning, but it should be understood that it should be interpreted as meanings and concepts corresponding to the technical spirit of the present invention as described herein.
일반적으로 고체산화물 연료전지의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이 캐소드의 산소가스 O2가 산소이온 O2-으로 변하는 양극반응과 연료극의 연료(H2 또는 탄화수소)와 전해질을 통해 이동해 온 산소이온이 반응하는 음극반응으로 이루어진다.In general, the electrochemical reaction of a solid oxide fuel cell is carried out through an anode reaction in which the oxygen gas O 2 of the cathode is converted into an oxygen ion O 2, as well as oxygen transferred through the fuel (H 2 or hydrocarbon) and the electrolyte of the anode as shown in the following reaction formula. It consists of a cathode reaction in which ions react.
<반응식><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 연료전지의 캐소드(공기극)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리 및 표면 확산을 거쳐 전해질, 캐소드, 기공이 만나는 삼상계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고 생성된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하게 되므로, 양극반응이 일어나는 삼상계면의 면적을 증가시키면 전극반응속도를 향상시킬 수가 있다.In the cathode of the solid oxide fuel cell, oxygen adsorbed on the electrode surface is dissociated and diffused through the surface to the triple phase boundary where electrolyte, cathode, and pores meet to obtain electrons to become oxygen ions Since the ions move to the anode through the electrolyte, increasing the area of the three-phase interface in which the anode reaction occurs can improve the electrode reaction speed.
한편, ABO3로 표현되는 페로브스카이트(simple perovskite)구조는 큐빅 격자(cubic lattice)의 코너 위치인 A-자리(A-site)에 희토류 원소, 알카라인 희토류, 알카라인 등의 이온반경이 큰 원소들이 위치하고 있으며, 산소이온에 의해 12 배위수(CN, Coordination number)를 가진다. 큐빅 격자의 체심 위치인 B-자리(B-site)에는 Co 및 Fe과 같은 원자반경이 작은 전이금속이 위치하고 있으며, 산소이온에 의해서 8면체(6배위수)를 이루고 있다. 마지막으로 큐빅 격자의 각 면심에는 산소이온이 위치하고 있다. On the other hand, the simple perovskite structure represented by ABO 3 has a large ion radius such as rare earth elements, alkaline rare earths, and alkaline elements at the A-site, which is the corner position of the cubic lattice. Is located, and has 12 coordination number (CN) by oxygen ion. In the B-site, which is the center of the cubic lattice, transition metals having a small atomic radius such as Co and Fe are located, and octahedral (6 coordination number) is formed by oxygen ions. Finally, oxygen ions are located at each core of the cubic lattice.
이러한 페로브스카이트(simple perovskite)구조는 일반적으로 A-자리(site)에 다른 물질이 치환될 경우 구조적인 변위가 발생하며, 주로 B-자리(site)에 위치한 원소를 중심으로 이의 최인접 산소이온(6개)으로 이루어지는 BO6의 8면체에서 구조적인 변이가 발생한다. Such a simple perovskite structure generally has a structural displacement when another substance is substituted at the A-site, and its closest oxygen mainly around an element located at the B-site. Structural variation occurs in the octahedron of BO 6 composed of six ions.
도 1은 이중층 페로브스카이트 구조를 도시한 도면으로, A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조로서, AA'B2O5+δ의 화학식을 가질 수 있다. 이러한 이중층 페로브스카이트 구조는 산소 공공 군집이 존재하여 이온의 움직임을 보다 용이하게 함으로써, 캐소드에 향상된 이온 전도성을 부여할 수 있다.1 is a diagram illustrating a double-layer perovskite structure, a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged in an A-site, and may have a chemical formula of AA′B 2 O 5 + δ . Such bilayer perovskite structures can impart improved ionic conductivity to the cathode by the presence of oxygen vacancies to facilitate the movement of ions.
또한, 본 발명자들은 강화된 산소 확산도 및 전도도 특성을 갖는 정렬 이중 페로브스카이트(ordered double perovskite) 구조의 신규한 란탄족 산화물을 캐소드 소재로 사용하면 중온 연료전지에 적합하다는 것을 밝혀내었다. 본 명세서에서 정렬 이중 페로브스카이트란 ABO3 형태의 일반적인 비정렬 단순 페로브스카이트에서 A자리 또는 B 자리 이온이 두 원소 이상으로 치환되어 있는 결정 격자 구조를 의미한다.In addition, the inventors have found that the use of novel lanthanide oxides in an ordered double perovskite structure with enhanced oxygen diffusivity and conductivity properties as cathode materials is suitable for medium temperature fuel cells. In the present specification, the aligned double perovskite refers to a crystal lattice structure in which A- or B-site ions are substituted with two or more elements in a general unaligned simple perovskite of ABO 3 form.
도 2는 침입형 산소를 함유하는 정렬 이중 페로브스카이트 결정 구조의 란탄족 산화물로서, 프라세오디뮴, 바륨과 코발트의 한 산화물의 결정 구조를 보여 주는 도면이다.FIG. 2 is a lanthanide oxide of an aligned double perovskite crystal structure containing interstitial oxygen, showing a crystal structure of one oxide of praseodymium, barium and cobalt.
도 2에 나타낸 것과 같이, 정렬 이중 페로브스카이트는 A 자리 이온과 B 자리 이온, 이 경우, 프라세오디뮴(Pr)과 바륨(Ba)이 규칙적으로 배열되어 있는 구조이다. 정렬 이중 페로브스카이트의 다른 예로 NBSCo를 들 수 있다. NBSCo는 도 2의 페로브스카이트에서 프라세오디뮴 대신 네오디뮴(Nd)이, A 자리에 바륨 대신 스트론튬(Sr)이 일부 치환되면서 Nd과 Ba/Sr의 원자 크기의 차이로 인해 Nd 층 위에 Ba/Sr 층이 있으며, 다시 그 위에 Nd가 규칙적으로 배열되어 있다. 하지만 비정렬 페로브스카이트의 경우는 원자가 무질서하게 있기 때문에 정렬 페로브스카이트처럼 층이 규칙적으로 분리되지 않는다. 예를 들면 LaBaCo2O5+δ의 경우 La와 Ba는 원자 크기가 많이 차이 나지 않기 때문에, La와 Ba이 층을 이루어 규칙적으로 배열되지 못하고 비정렬 페로브스카이트 구조를 형성할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 합성 방법에 따라서 LaBaCo2O5+δ의 경우에도 정렬 페로브스카이트 구조를 형성할 수 있다.As shown in Fig. 2, the aligned double perovskite has a structure in which A-site and B-site ions, in this case, praseodymium (Pr) and barium (Ba) are regularly arranged. Another example of an aligned double perovskite is NBSCo. In the perovskite of FIG. 2, NBSCo is replaced by neodymium (Nd) instead of praseodymium and strontium (Sr) instead of barium in place of A, and the Ba / Sr layer on the Nd layer due to the difference in atomic size of Nd and Ba / Sr. And again, Nd is regularly arranged thereon. However, in the case of unaligned perovskite, the atoms are disordered so that the layers do not separate regularly like aligned perovskite. For example, in the case of LaBaCo 2 O 5 + δ , since La and Ba do not have much difference in atomic size, La and Ba may form layers in order to form an unaligned perovskite structure. However, this is exemplary and in the case of LaBaCo 2 O 5 + δ according to the synthesis method, it is possible to form an aligned perovskite structure.
본 발명의 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료전지 캐소드(cathode)용 소재는 화학식 RSQO5+δ의 화합물을 포함하고, 상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 S는 알카리 토금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 Q는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, O는 산소이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 RSQO5+δ의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Solid oxide fuel cell cathode (cathode) material according to an embodiment of the present invention includes a compound of formula RSQO 5 + δ , wherein R is one or more elements selected from lanthanides, S is an alkaline earth metal group Is one or more elements selected from Q, Q is one or more elements selected from transition metals, O is oxygen, and δ is a positive number of 1 or less, which makes the compound of formula RSQO 5 + δ electrically neutral. Value.
본 발명의 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료전지 캐소드(cathode)용 소재는 상술한 이중층 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 것으로, 특히, A'의 원소 일부가 칼슘으로 치환된 화합물을 포함한다. 상기 화합물은 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.The material for a solid oxide fuel cell cathode according to an embodiment of the present invention has the above-described double-layer perovskite crystal structure, and particularly, includes a compound in which a part of the element of A ′ is substituted with calcium. The compound may be represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
AA'1-xCaxB2O5+δ
AA ' 1-x Ca x B 2 O 5 + δ
상기 화학식 1에서, 상기 A는 란탄족에서 선택된 원소, 상기 A'는 알카리 토금속족에서 선택된 원소, 그리고 상기 B는 전이금속에서 선택된 원소이며, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 1, A is an element selected from lanthanides, A 'is an element selected from alkaline earth metal groups, and B is an element selected from transition metals, x is a number greater than 0 and less than 1.0, and δ is As a positive number of 1 or less, it is a value which makes the said compound of Formula 1 electrical neutral.
예를 들어, 상기 화학식 1에서, 상기 A는 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr) 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 또한, A'는 바륨(Ba)이며, B는 코발트(Co) 일 수 있다.For example, in Formula 1, A may be one of neodymium (Nd), praseodymium (Pr), or a mixture thereof. In addition, A 'is barium (Ba), B may be cobalt (Co).
예를 들어, 상기 화학식 1에서, x는 0 초과 0.5 이하이다.For example, in Formula 1, x is greater than 0 and less than or equal to 0.5.
예를 들어, 상기 화학식 1에서, PrBa1-xCaxCo2O5+δ 일 수 있다.For example, in Formula 1, it may be PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ .
상기 화학식 1의 이중층 페로브스카이트 란탄족 화합물은 기본적으로 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O]의 적층 순열이 c축을 따라 반복되고, A'O의 일부가 CaO로 치환된 구조로 이해할 수 있다.In the bilayer perovskite lanthanide compound of Chemical Formula 1, a lamination permutation of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] is basically repeated along the c-axis, and a part of A'O is It can be understood as a structure substituted with CaO.
본 발명의 작동 원리에 관하여 어떠한 특정 이론에 얽매이고자 하는 의도는 아니지만, 이해를 돕기 위하여 설명하자면 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O]의 적층 순열이 c축을 따라 반복되면, [AO]층 내의 산소결합력이 약화되어, 비정돈된 공극(disordered vacancy)을 제공하며, 따라서, 캐소드를 형성하였을 때 캐소드 벌크 속의 산소 이온의 확산율이 상당히 향상됨에 따라, 분자 산소의 산소 이온으로의 환원 반응성이 향상되는 표면 결함 부위를 공급할 수 있는 것으로 사료된다. While not intended to be bound by any particular theory regarding the principle of operation of the present invention, for illustrative purposes, the lamination permutations of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] are along the c-axis. Repeatedly, the oxygen bonding force in the [AO] layer is weakened, providing disordered vacancy, and as a result, the diffusion rate of oxygen ions in the cathode bulk when the cathode is formed is significantly improved, thus the oxygen of the molecular oxygen It is thought that the surface defect site | part which improves the reactivity to ions can be provided.
화학식 1에서, A'원소의 일부가 Ca로 치환되면, 캐소드를 형성하였을 때 캐소드의 성능과 안정성(Stability)이 향상된다. 이와 같이, 캐소드의 성능이 향상되는 이유는 전자전도도가 향상되기 때문이며, 안정성이 향상되는 이유는 전기량 적정(coulometric titration) 결과로 볼 때 칼슘이 치환되지 않은 경우보다 칼슘이 치환된 경우 (x = 0.25) 더 낮은 산소분압에서 열역학적 안정성을 유지하고 있기 때문인 것으로 판단된다.In Chemical Formula 1, when a part of A 'element is substituted with Ca, the performance and stability of the cathode is improved when the cathode is formed. As such, the performance of the cathode is improved because the electron conductivity is improved, and the stability is improved when the calcium is substituted (x = 0.25) than the calcium is not substituted as a result of the coulometric titration. This may be due to maintaining thermodynamic stability at lower oxygen partial pressures.
상기 화학식 1에서 A는 네오디뮴(Nd) 또는 프라세오디뮴(Pr) 또는 이들의 혼합물일 수 있고, A'는 바륨(Ba), 스토론튬(Sr) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 B는 코발트(Co)일 수 있다. 구체적인 예로 상기 화학식 1은 PrBa1-xCaxCo2O5+δ일 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 상기 화학식 1이 PrBa1-xCaxCo2O5+δ인 것으로 설명하나, 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 상술한 A, A' 및 B의 다양한 조합을 가지는 화합물일 수 있다.In Formula 1, A may be neodymium (Nd) or praseodymium (Pr) or a mixture thereof, and A ′ may be barium (Ba), strontium (Sr), or a mixture thereof. In addition, B may be cobalt (Co). As a specific example, Chemical Formula 1 may be PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ . Hereinafter, for the convenience of description, the formula 1 is described as PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ , but the present invention is not limited thereto, and may be a compound having various combinations of A, A ', and B described above. have.
상기 화학식 1의 산화물은 침입형 산소(interstitial oxygen)를 포함함으로써 산소 이온의 전도성이 향상된다. 상기 산화물에서 δ가 침입형 산소를 나타내고 0<δ≤0.5의 값을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구체적인 결정 구조에 따라 δ의 값이 정해질 수 있다.The oxide of Formula 1 includes interstitial oxygen to improve conductivity of oxygen ions. In the oxide, δ represents an invasive oxygen and may have a value of 0 <δ ≦ 0.5, but is not limited thereto. The value of δ may be determined according to a specific crystal structure.
상기 화학식 1의 캐소드 소재에서, Ca의 화학양론 계수인 x의 값은 0 초과 1 미만이며, 구체적으로는 0 초과 0.5 이하이다. 상기 캐소드 소재의 x 값이 상기 범위 이내이면, 캐소드 소재가 우수한 전기화학적 특성을 가지며, 고체 산화물 연료전지의 캐소드와 전해질 간의 계면에서 형성되는 2차 상(Secondary Phases)의 발현과, 열 싸이클 효과(Thermal cycling effect)를 최적화할 수 있으므로, 캐소드의 성능과 안정성(stability)이 향상 될 수 있다. In the cathode material of Formula 1, the value of x, the stoichiometric coefficient of Ca, is greater than 0 and less than 1, specifically, greater than 0 and less than 0.5. When the x value of the cathode material is within the above range, the cathode material has excellent electrochemical characteristics, the development of secondary phases formed at the interface between the cathode and the electrolyte of the solid oxide fuel cell, and the thermal cycle effect ( Since the thermal cycling effect can be optimized, the performance and stability of the cathode can be improved.
상기 화학식 1의 산화물은 침입형 산소(interstitial oxygen)를 포함함으로써 산소 이온의 전도성이 향상된다. 상기 산화물에서 δ가 침입형 산소를 나타내고 0<δ≤0.5의 값을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구체적인 결정 구조에 따라 δ의 값이 정해질 수 있다.The oxide of Formula 1 includes interstitial oxygen to improve conductivity of oxygen ions. In the oxide, δ represents an invasive oxygen and may have a value of 0 <δ ≦ 0.5, but is not limited thereto. The value of δ may be determined according to a specific crystal structure.
상기 화학식 1의 캐소드 소재에서, Ca의 화학양론 계수인 x의 값은 0 초과 1 미만이며, 구체적으로는 0 초과 0.5 이하이다. 상기 캐소드 소재의 x 값이 상기 범위 이내이면, 캐소드 소재가 우수한 전기화학적 특성을 가지며, 고체 산화물 연료전지의 캐소드와 전해질 간의 계면에서 형성되는 2차 상(Secondary Phases)의 발현과, 열 싸이클 효과(Thermal cycling effect)를 최적화할 수 있으므로, 캐소드의 성능과 안정성(stability)이 향상 될 수 있다. In the cathode material of Formula 1, the value of x, the stoichiometric coefficient of Ca, is greater than 0 and less than 1, specifically, greater than 0 and less than 0.5. When the x value of the cathode material is within the above range, the cathode material has excellent electrochemical characteristics, the development of secondary phases formed at the interface between the cathode and the electrolyte of the solid oxide fuel cell, and the thermal cycle effect ( Since the thermal cycling effect can be optimized, the performance and stability of the cathode can be improved.
도 3은 본 발명의 실시예에서 Ca의 함량에 따른 X선 회절 패턴을 도시한다.Figure 3 shows the X-ray diffraction pattern according to the content of Ca in the embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, Ca의 화학양론 계수 x가 1.0인 경우는, x가 0, 0.25 또는 0.5의 값을 가질 때와는 전혀 다른 피크를 가지는 이종의 물질의 합성되었음을 알 수 있다. 이는, 물질 각각의 서로 다른 이온반경에 의한 구조적 상호작용에 따른 결과로 유추된다.Referring to FIG. 3, when the stoichiometric coefficient x of Ca is 1.0, it can be seen that a heterogeneous substance having a peak that is completely different from when x has a value of 0, 0.25, or 0.5 is synthesized. This is inferred as a result of the structural interaction by the different ionic radii of each material.
한편, 전기 전도도가 큰 영향을 끼치는 전력 밀도의 경우 종래 기술에서는 섭씨 600℃에서 약 1.16 W/cm2 정도가 최고 수준이었으나, 본 발명에서는 Ba을 Ca으로 일부 치환할 때, 동일한 600℃에서 더 높은 최대 전력 밀도를 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 예를 들어, x가 0.25 정도가 되도록 Ba을 Ca으로 치환하면 캐소드의 안정성을 확보하면서도 종래에 비해 우수한 전기 전도도를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 PrBa1-xCaxCo2O5+δ 화학식의 이중층 페로브스카이트 구조의 캐소드 소재는 칼슘의 적절한 치환으로 인하여 우수한 전기 전도도와 화학적 안정성을 조화시킬 수 있는 이점이 있다. On the other hand, in the case of the power density that has a significant effect on the electrical conductivity in the prior art was about 1.16 W / cm 2 at 600 ℃, the highest level in the present invention, when some of Ba is replaced with Ca, the higher at the same 600 ℃ It has been found that maximum power density can be obtained. For example, when Ba is replaced with Ca so that x is about 0.25, it is possible to secure the stability of the cathode while having excellent electrical conductivity as compared with the prior art. Accordingly, the cathode material of the double layer perovskite structure of PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ according to the present invention has the advantage of harmonizing excellent electrical conductivity and chemical stability due to proper substitution of calcium. .
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료전지 캐소드(cathode)용 소재는 상술한 이중층 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 것으로, 특히, A'의 원소 일부가 칼슘으로 치환된 화합물을 포함한다. 상기 화합물은 하기의 화학식 2로 표시될 수 있다.In addition, the material for a solid oxide fuel cell cathode according to an embodiment of the present invention has the above-described double-layer perovskite crystal structure, and in particular, includes a compound in which a part of the element of A 'is substituted with calcium. . The compound may be represented by the following formula (2).
[화학식 2][Formula 2]
AA'0.75A''0.25B2-xB'xO5+δ
AA ' 0.75 A'' 0.25 B 2-x B' x O 5 + δ
상기 화학식 2에서, 상기 A는 란탄족에서 선택된 원소일 수 있고, 상기 A' 및 상기 A''는 알칼리 토금속 족에서 선택된 서로 다른 원소일 수 있고, 상기 B 및 상기 B'는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소일 수 있다. 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수일 수 있다. 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값일 수 있다.In Formula 2, A may be an element selected from lanthanides, A 'and A' 'may be different elements selected from alkaline earth metal groups, and B and B' are selected from transition metals. It may be another element. X may be a number greater than 0 and less than 1.0. Δ is a positive number of 1 or less, and may be a value that makes the compound of Formula 2 electrically neutral.
예를 들어, 상기 화학식 2에서 상기 A는 란타늄(La), 사마륨(Sm), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 가돌리늄(Gd) 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. For example, in Formula 2, A may be any one of lanthanum (La), samarium (Sm), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), gadolinium (Gd), or a mixture thereof.
예를 들어, 상기 화학식 2에서 A'는 바륨(Ba)일 수 있고, A''는 칼슘(Ca)일 수 있다. 또는 상기 화학식 2에서 A'는 칼슘(Ca)이고 A''는 바륨(Ba)일 수 있다.For example, in Formula 2, A ′ may be barium (Ba), and A ″ may be calcium (Ca). Alternatively, in Formula 2, A ′ may be calcium (Ca) and A ″ may be barium (Ba).
예를 들어, 상기 화학식 2에서 B는 코발트(Co)일 수 있고, 상기 B'는 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 또는 이들의 혼합물일 수 있다.For example, in Formula 2, B may be cobalt (Co), and B 'may be iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), or a mixture thereof.
상기 화학식 2의 이중층 페로브스카이트 란탄족 화합물은 기본적으로 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O]의 적층 순열이 c축을 따라 반복되고, A'O의 일부가 CaO로 치환된 구조로 이해할 수 있다.In the bilayer perovskite lanthanide compound of Chemical Formula 2, the lamination permutation of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] is basically repeated along the c-axis, and a part of A'O is It can be understood as a structure substituted with CaO.
본 발명의 작동 원리에 관하여 어떠한 특정 이론에 얽매이고자 하는 의도는 아니지만, 이해를 돕기 위하여 설명하자면 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O]의 적층 순열이 c축을 따라 반복되면, [AO]층 내의 산소결합력이 약화되어, 비정돈된 공극(disordered vacancy)을 제공하며, 따라서, 캐소드를 형성하였을 때 캐소드 벌크 속의 산소 이온의 확산율이 상당히 향상됨에 따라, 분자 산소의 산소 이온으로의 환원 반응성이 향상되는 표면 결함 부위를 공급할 수 있는 것으로 사료된다. While not intended to be bound by any particular theory regarding the principle of operation of the present invention, for illustrative purposes, the lamination permutations of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] are along the c-axis. Repeatedly, the oxygen bonding force in the [AO] layer is weakened, providing disordered vacancy, and as a result, the diffusion rate of oxygen ions in the cathode bulk when the cathode is formed is significantly improved, thus the oxygen of the molecular oxygen It is thought that the surface defect site | part which improves the reactivity to ions can be provided.
또한, 화학식 2에서, A'원소의 일부가 칼슘(Ca)으로 치환되고, B'원소 자리에 철의 적절한 치환으로 인하여 충분히 우수한 전기 전도도와 캐소드 소재의 안정성(Stability)을 모두 확보할 수 있는 이점이 있다. In addition, in Chemical Formula 2, a part of A 'element is substituted with calcium (Ca), and due to the proper substitution of iron in place of B' element, it is possible to secure both sufficiently good electrical conductivity and stability of the cathode material. There is this.
상기 화학식 2에서 A는 란타늄(La), 사마륨(Sm), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 가돌리늄(Gd) 또는 이들의 혼합물일 수 있고, A'는 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 B는 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 B'는 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 B는 코발트(Co)이고, 상기 B'는 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 또는 이들의 혼합물일 수 있다.In Formula 2, A may be lanthanum (La), samarium (Sm), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), gadolinium (Gd), or a mixture thereof, and A 'may be barium (Ba), calcium (Ca) Or mixtures thereof. In addition, the B may be cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), or a mixture thereof. In addition, the B 'may be cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), or a mixture thereof. In addition, B may be cobalt (Co), and B 'may be iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), or a mixture thereof.
구체적인 예로 상기 화학식 2는 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ일 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 상기 화학식 2가 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ인 것으로 설명하나, 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 상술한 A, A' 및 B의 다양한 조합을 가지는 화합물일 수 있다.As a specific example, Chemical Formula 2 may be NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ . Hereinafter, for the convenience of description, Formula 2 is described as NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ , but the present invention is not limited thereto, and the compound having various combinations of A, A ', and B described above. Can be.
도 4는 본 발명의 실시예에서 Fe의 함량에 따른 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 의 X선 회절 패턴을 도시한 도이다.4 is a diagram illustrating an X-ray diffraction pattern of NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ according to the amount of Fe in the embodiment of the present invention.
상기 화학식 2의 산화물은 침입형 산소(interstitial oxygen)를 포함함으로써 산소 이온의 전도성이 향상된다. 상기 산화물에서 δ가 침입형 산소를 나타내고 0<δ≤0.5의 값을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구체적인 결정 구조에 따라 δ의 값이 정해질 수 있다.The oxide of Formula 2 includes interstitial oxygen to improve conductivity of oxygen ions. In the oxide, δ represents an invasive oxygen and may have a value of 0 <δ ≦ 0.5, but is not limited thereto. The value of δ may be determined according to a specific crystal structure.
상기 화학식 2의 캐소드 소재에서, Fe의 화학양론 계수인 x의 값은 0 초과 1 미만이며, 구체적으로는 0 이상 0.5 이하이다. 상기 캐소드 소재의 x 값이 상기 범위 이내이면, 캐소드 소재가 우수한 전기화학적 특성을 가지며, 고체 산화물 연료전지의 캐소드와 전해질 간의 계면에서 형성되는 2차 상(Secondary Phases)의 발현과 열 싸이클 효과(Thermal cycling effect)를 최적화할 수 있으므로, 캐소드의 안정성(stability)이 향상 될 수 있다. In the cathode material of Formula 2, the value of x, which is a stoichiometric coefficient of Fe, is greater than 0 and less than 1, specifically, 0 or more and 0.5 or less. When the x value of the cathode material is within the above range, the cathode material has excellent electrochemical characteristics, the expression of secondary phases formed at the interface between the cathode and the electrolyte of the solid oxide fuel cell and the thermal cycle effect (Thermal) Since the cycling effect can be optimized, the stability of the cathode can be improved.
상기 A'가 Ba을 포함하고, A'의 일부를 Ca로 치환한 상기 A''를 포함하는 경우, 우수한 전기 전도도를 확보할 수 있다. 또한, 안정성 측면에서 다소 취약할 수 있는 코발트 위치인 상기 B의 일부를 철로 치환한 B'을 포함하는 경우, 안정성이 증가될 수 있다. 예를 들어, 이러한 경우 120 시간 동안의 안정성 실험 후에도 600℃에서 약 1.041 W/cm2 의 우수한 성능을 유지할 수 있다는 것을 발견하였다.When A 'includes Ba and includes A ″ in which a part of A' is substituted with Ca, excellent electrical conductivity can be ensured. In addition, in the case of including B 'in which a part of the B, which is a cobalt position that may be somewhat weak in terms of stability, is substituted with iron, stability may be increased. For example, it has been found that in this case a good performance of about 1.041 W / cm 2 can be maintained at 600 ° C. even after 120 hours of stability experiments.
따라서, 본 발명에 따른 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 화학식의 이중층 페로브스카이트 구조의 캐소드 소재는 칼슘과 철의 적절한 치환으로 인하여 우수한 전기 전도도와 화학적 안정성을 조화시킬 수 있는 이점이 있다. Therefore, the cathode material of the double layer perovskite structure of NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ according to the present invention can harmonize the excellent electrical conductivity and chemical stability due to the proper substitution of calcium and iron. There is an advantage to that.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료전지 캐소드(cathode)용 소재는 상술한 정렬 이중 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 것으로, 하기의 화학식 3의 란탄족 산화물을 포함하는 고체 산화물 연료전지 캐소드(cathode)용 소재를 제공한다In addition, the solid oxide fuel cell cathode (cathode) material according to an embodiment of the present invention has the above-described alignment double perovskite crystal structure, a solid oxide fuel cell comprising a lanthanide oxide of the formula (3) Providing materials for cathode
[화학식 3][Formula 3]
LnBaaSrbCo2-xFexO5+δ
LnBa a Sr b Co 2-x Fe x O 5 + δ
상기 화학식 3에서, Ln은 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 또는 이들의 혼합물이고, 상기 a와 b는 각각 0 초과 1 미만의 수들로서, a+b=1을 만족하고, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 3, Ln is samarium, neodymium, praseodymium, or mixtures thereof, wherein a and b are each greater than 0 and less than 1, and satisfies a + b = 1, and x is greater than 0 and less than 1.0 Δ is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of Formula 3 electrically neutral.
상기 화학식 3의 정렬 이중 페로브스카이트 란탄족 화합물은 기본적으로 BaO/CoO2/LnOd/CoO2의 적층 순열이 반복되는 이상적 결정 구조에서 BaO의 일부가 SrO로, CoO2의 일부가 FeO2로 치환된 구조로 이해할 수 있다. 여기에서, d는 구체적인 결정 구조에 따라 정해진다.The alignment double perovskite lanthanide compound of Formula 3 is basically BaO / CoO 2 / LnO d / CoO 2 in the ideal crystal structure in which the lamination permutation is repeated part of BaO is SrO, part of CoO 2 is FeO 2 It can be understood as a structure substituted with. Here, d is determined according to the specific crystal structure.
본 발명의 작동 원리에 관하여 어떠한 특정 이론에 얽매이고자 하는 의도는 아니지만, 이해를 돕기 위하여 설명하자면 상기 정렬 이중 페로브스카이트 란탄족 산화물 내의 정돈된 공극(ordered vacancy)으로 인하여, 캐소드를 형성하였을 때 캐소드 벌크 속의 산소 이온의 확산율이 상당히 향상되며, 분자 산소의 산소 이온으로의 환원 반응성이 향상되는 표면 결함 부위를 공급할 수 있는 것으로 사료된다.While not intending to be bound by any particular theory regarding the principle of operation of the present invention, for the sake of understanding, the ordered vacancy in the aligning double perovskite lanthanide oxides, when the cathode is formed, It is believed that the diffusion rate of oxygen ions in the cathode bulk can be significantly improved, and that the surface defect sites can be provided to improve the reactivity of molecular oxygen to oxygen ions.
상기 화학식 3의 란탄족 산화물은 침입형 산소(interstitial oxygen)를 포함함으로써 산소 이온의 전도성이 향상된다. 상기 산화물에서 δ가 침입형 산소를 나타내는 값에 해당한다. 예를 들어, 한 구체적인 경우에는 0<δ≤0.5일 수 있다. 상기 δ의 값은 상기 Ln의 구체적인 원소 종류 또는 코발트의 철 치환 비율(즉 x의 값)에 따라 달라지게 된다.The lanthanide oxide of Formula 3 includes interstitial oxygen to improve conductivity of oxygen ions. Δ corresponds to a value representing invasive oxygen in the oxide. For example, in one specific case, 0 <δ ≦ 0.5. The value of δ depends on the specific element type of Ln or the iron substitution ratio of cobalt (that is, the value of x).
상기 화학식 3의 캐소드 소재에서, x의 값은 0 초과 1 미만이며, 구체적으로는 0.25 이상 0.75 이하, 더욱 구체적으로는 0.25 이상 0.50 이하이다. 상기 캐소드 소재의 x 값이 상기 범위 이내이면, 고체 산화물 연료전지의 캐소드, 전해질, 산소 사이의 3상계면을 넓힘으로써 중온에서 상기 소재의 산소 이온 전도성, 산소 환원 반응 속도(oxygen reduction kinetics)를 높이고 캐소드의 저항을 줄일 수 있다. 본 발명의 작동 원리에 관하여 어떠한 특정 이론에 얽매이고자 하는 의도는 아니지만, 이해를 돕기 위하여 설명하자면 x가 0일 경우 정렬 이중 페로브스카이트 구조를 이룰 수 없으며, x가 1 이상일 경우도 비정렬 단순 페로브스카이트 결정 구조로 바뀌기 때문에 전술한 정렬 이중 페로브스카이트 구조에 따른 이점을 얻을 수 없게 되는 것으로 생각된다.In the cathode material of Formula 3, the value of x is greater than 0 and less than 1, specifically 0.25 or more and 0.75 or less, and more specifically 0.25 or more and 0.50 or less. When the x value of the cathode material is within the above range, the three-phase interface between the cathode, the electrolyte, and the oxygen of the solid oxide fuel cell is widened to increase oxygen ion conductivity and oxygen reduction kinetics of the material at medium temperature. The resistance of the cathode can be reduced. While not intended to be bound by any particular theory with regard to the working principle of the present invention, for the sake of understanding, it is impossible to form an aligned double perovskite structure when x is 0, and even when x is 1 or more, simple unaligned. It is believed that the advantage of the above-described alignment double perovskite structure cannot be obtained because of the change to the perovskite crystal structure.
본 발명에 따른 LnBaaSrbCo2-xFexO5+δ 화학식의 이중 정렬 페로브스카이트 구조의 캐소드 소재는 철의 적절한 치환으로 인하여 우수한 전기 전도도와 화학적 안정성을 조화시킬 수 있는 이점이 있다. 전기 전도도가 큰 영향을 끼치는 전력 밀도의 경우 종래 기술에서는 섭씨 600도에서 약 1.0 W/cm2 정도가 최고 수준이다. 하지만 본 발명에서는 예를 들어 Ln이 네오디뮴인 경우 똑같이 네오디뮴을 채택하되 Co를 Fe로 치환하지 않은 캐소드 재료보다 600도에서 더 높은 최대 전력 밀도를 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 그리고 본 발명의 캐소드 재료에서 Ln이 사마륨이나 프라세오디뮴인 경우도 상기 종래 기술과 비슷하거나 더 뛰어난 수준의 최대 전력 밀도를 나타낸다.The cathode material of the double-aligned perovskite structure of LnBa a Sr b Co 2-x Fe x O 5 + δ according to the present invention has the advantage of harmonizing excellent electrical conductivity and chemical stability due to proper substitution of iron. have. In the case of the power density which has a large influence on the electrical conductivity, about 1.0 W / cm 2 is the highest in the prior art at 600 degrees Celsius. However, the present invention has found that, for example, when Ln is neodymium, the maximum power density can be obtained at 600 degrees higher than that of a cathode material in which neodymium is equally employed but not substituted with Fe. In the cathode material of the present invention, when Ln is samarium or praseodymium, the maximum power density is similar to or better than that of the prior art.
본 발명의 한 실시 형태에서는 전기량 적정 실험과 전기 전도도 실험을 동시에 수행하여, 상기 캐소드 재료에서 철의 함량을 늘릴수록 전기 전도도는 낮아지고, 캐소드 재료의 화학적 안정성은 산소 분압이 더 낮은 영역까지 향상되는 것을 발견하였다. 또한, 철의 화학양론 계수 x가 1.0인 비정렬 단순 페로브스카이트 구조의 캐소드 재료는 대체로 이중 페로브스카이트 구조에 비해 화학적 안정성이 떨어지는 경향이 있다는 것을 발견하였다. 따라서, 적어도 본 발명 캐소드 재료의 일부 실시 형태에서는 x가 0.5 정도가 되도록 코발트를 철로 치환하면 일정 수준 이상의 전기 전도도를 유지하면서 재료의 화학적 안정성까지 확보할 수 있다. 나아가 본 발명의 캐소드 재료에서는, 스트론튬과 바륨의 치환 비율을 조절함으로써 철 치환에 따라 생길 수 있는 전기 전도도 감소를 보상할 수 있다. 요컨대 본 발명의 캐소드 재료는. 일부 실시 형태에 따라서 기존의 전도도가 우수한 캐소드 재료에 비해 전기 전도도의 손실이 다소 있을 수 있지만, 화학적 안정성이 우수하기 때문에 전반적으로 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.In an embodiment of the present invention, an electric quantity titration experiment and an electrical conductivity experiment are simultaneously performed, and as the iron content in the cathode material is increased, the electrical conductivity is lowered, and the chemical stability of the cathode material is improved to an area where the oxygen partial pressure is lower. I found that. It has also been found that the cathode material of an unaligned simple perovskite structure with an iron stoichiometric coefficient x of 1.0 tends to be less chemically stable compared to the double perovskite structure. Thus, in at least some embodiments of the inventive cathode material, cobalt substitution with iron such that x is about 0.5 ensures chemical stability of the material while maintaining a certain level or more of electrical conductivity. Furthermore, in the cathode material of the present invention, by controlling the substitution ratio of strontium and barium, it is possible to compensate for the decrease in electrical conductivity which may occur due to iron substitution. In short, the cathode material of the present invention. In some embodiments, there may be some loss of electrical conductivity compared to conventional cathode materials with good conductivity, but because of the superior chemical stability, overall fuel cell performance may be improved.
상기 화학식 3의 캐소드 소재에서 바륨과 스트론튬과 치환율인 a와 b는 a+b=1이고 a와 b가 0이 아닌 양수를 만족하는 범위에서 변화할 수 있다. 한 구체적인 실시 형태에서는 a = b = 0.5이다.In the cathode material of Chemical Formula 3, barium, strontium, and substitution rates a and b may be changed in a range where a + b = 1 and a and b satisfy a nonzero positive number. In one specific embodiment a = b = 0.5.
본 발명의 한 실시 형태에서는 상기 Ln이 사마륨과 네오디뮴이다. Ln이 이들 원소일 때에는 네오디뮴은 전기 전도도가 높고 사마륨은 열팽창 계수가 낮다는 측면에서 유리하다. In one embodiment of the present invention, Ln is samarium and neodymium. When Ln is these elements, neodymium is advantageous in terms of high electrical conductivity and samarium in low coefficient of thermal expansion.
본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 상기 화학식 3의 캐소드 소재가 PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ, SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 또는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ이고, x는 0 초과 1 미만이다. 더욱 구체적인 실시 형태에서는 상기 화학식 3의 캐소드 소재가 PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ, SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 또는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ이고, x는 0 초과 0.75 이하이다. 더 한층 구체적인 실시 형태에서는 상기 화학식 3의 캐소드 소재가 PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ, SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 또는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ이고, x는 0.25 이상 0.75 이하이다. 가장 구체적인 실시 형태에서는 상기 화학식 3의 캐소드 소재가 PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ, SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 또는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ이고, x는 0.25 이상 0.50 이하이다.In one specific embodiment of the present invention, the cathode material of Chemical Formula 3 is PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ and x is greater than 0 and less than 1. In a more specific embodiment, the cathode material of Formula 3 may include PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ and x is greater than 0 and less than or equal to 0.75. In a more specific embodiment, the cathode material of Chemical Formula 3 is PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2- x Fe x O 5 + δ , and x is 0.25 or more and 0.75 or less. In the most specific embodiment, the cathode material of Formula 3 may include PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , and x is 0.25 or more and 0.50 or less.
본 발명의 한 측면에서는 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재의 제조 방법을 개시한다. 이 제조 방법은 상기 화학식 1, 상기 화학식 2 또는 상기 화학식 3의 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.In one aspect of the present invention, a method of manufacturing the cathode material for a solid oxide fuel cell is disclosed. This manufacturing method comprises the steps of mixing (eg, wet using a solvent) with each metal precursor metered to the composition of Formula 1, Formula 2 or Formula 3, obtaining a solid from the (wet) mixture. And firing the solid in air to obtain a fired product and polishing the fired product.
상기 금속 전구체는 상기 화학식 1 또는 상기 화학식 2의 화합물을 얻을 수 있는 화학양론적 비율로 혼합한다. 금속 전구체의 예는 상기 화학식 1 또는 상기 화학식 2의 상기 캐소드 소재를 구성하는 각 금속 성분인 Pr, Ba, Ca, Co 등의 질화물, 산화물, 할로겐화물 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 금속 전구체의 예는 화학식 3의 상기 캐소드 소재를 구성하는 각 금속 성분인 Ln, Ba, Sr, Co, Fe는 의 질화물, 산화물, 할로겐화물 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.The metal precursor is mixed in a stoichiometric ratio to obtain the compound of Formula 1 or Formula 2. Examples of the metal precursor may include, but are not limited to, nitrides, oxides, halides, etc. of Pr, Ba, Ca, and Co, which are each metal component constituting the cathode material of Formula 1 or Formula 2. Examples of the metal precursor may include, but are not limited to, nitrides, oxides, halides, etc. of Ln, Ba, Sr, Co, and Fe, which are each metal component constituting the cathode material of Formula 3.
예시적으로, 상기 금속 산화물 전구체들은 아래 화학식 4의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 Pr, Ba, Ca, 및 Co 화합물들의 혼합물일 수 있다.For example, the metal oxide precursors may be a mixture of Pr, Ba, Ca, and Co compounds in stoichiometric ratios capable of producing a compound of Formula 4 below.
<화학식 4><Formula 4>
PrBa1-xCaxCo2O5+δ
PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ
상기 화학식 4에서, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이다. In Formula 4, x is a number greater than 0 and less than 1.0.
예시적으로, 상기 금속 산화물 전구체들은 아래 화학식 5의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 Nd, Ba, Ca, Co 및 Fe 화합물들의 혼합물일 수 있다.For example, the metal oxide precursors may be a mixture of Nd, Ba, Ca, Co, and Fe compounds in a stoichiometric ratio capable of producing a compound of Formula 5 below.
<화학식 5><Formula 5>
NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ
NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ
상기 화학식 5에서, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이다. In Formula 5, x is a number greater than 0 and less than 1.0.
예시적으로, 상기 금속 산화물 전구체들은 아래 화학식 6의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 Ln, Ba, Sr, Co 및 Fe 화합물들의 혼합물일 수 있다.For example, the metal oxide precursors may be a mixture of Ln, Ba, Sr, Co, and Fe compounds in a stoichiometric ratio capable of producing a compound of Formula 6 below.
<화학식 6><Formula 6>
LnBaaSrbCo2-xFexO5+δ
LnBa a Sr b Co 2-x Fe x O 5 + δ
상기 화학식 6에서, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 Ln은 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 또는 이들의 혼합물이다.In Formula 6, x is a number greater than 0 and less than 1.0, and Ln is samarium, neodymium, praseodymium, or a mixture thereof.
상기 용매 혼합 단계에서 사용되는 용매로서는 물을 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.Water may be used as the solvent used in the solvent mixing step, but is not limited thereto. Any metal that can dissolve the metal precursor can be used without limitation, for example, lower alcohol having a total carbon number of 5 or less such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol and the like; Acidic solutions such as nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, citric acid; water; Organic solvents such as toluene, benzene, acetone, diethyl ether and ethylene glycol; Etc. may be used alone or in combination.
상기 혼합 공정은 약 100 내지 200℃의 온도에서 수행되며, 각 성분이 충분히 혼합될 수 있도록 교반하에 소정 시간 동안 수행할 수 있다.The mixing process is carried out at a temperature of about 100 to 200 ℃, it may be carried out for a predetermined time under stirring so that each component is sufficiently mixed.
상기 혼합 과정과 용매 제거 및 이를 위하여 필요한 첨가제 부가는 예를 들어 글리신-질산염법(glycine nitrate process) 등으로 잘 알려져 있으니 여기서는 상술하지 않는다.The mixing process, the removal of the solvent and the addition of additives necessary for this are well known, for example, as the glycine nitrate process, and thus are not described herein.
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 동안, 예를 들어 약 600℃에서 약 4시간 동안 상기 초미세 고형물을 열 처리(하소, 소결)할 수 있다.After the mixing process, an ultrafine solid may be obtained by a spontaneous combustion process. The ultra-fine solids may then be heat treated (calcined, sintered) for about 1 hour to about 5 hours, for example at about 600 ° C. for about 4 hours in a temperature range of about 400 ° C. to about 950 ° C.
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 800 내지 1300℃의 온도에서 약 1 시간 내지 12 시간 동안, 예를 들어 약 1100 내지 1150℃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 firing in air for about 1 hour to 12 hours at a temperature of about 800 to 1300 ° C., for example, about 12 hours at a temperature of about 1100 to 1150 ° C. to obtain a powdery product. do.
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 캐소드 소재를 제조할 수 있다. 소결은 약 800℃ 내지 약 1500℃의 온도 범위로 약 5 시간 내지 약 12 시간 동안, 예를 들어 약 1100 내지 1150℃의 온도에서 약 12 시간 동안 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 소성된 결과물은 연마하거나 분쇄하여 일정 크기의 미세 분말상을 얻을 수 있다.Subsequently, the fired product may be ground or pulverized to obtain a fine powder of 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 the pressed pellet may be sintered in air to prepare a cathode material. Sintering may be performed in a temperature range of about 800 ° C. to about 1500 ° C. for about 5 hours to about 12 hours, for example, about 12 hours at a temperature of about 1100 to 1150 ° C., but is not limited thereto. The calcined product may be polished or pulverized to obtain a fine powder of a predetermined size.
본 발명의 다른 측면에서는 전술한 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물 및 유기 바인더를 더 포함하는 캐소드용 조성물을 제공한다. 이 조성물은 슬러리의 형태일 수 있다. 한 실시 형태에서 상기 산소 이온 전도성 고체 산화물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 란탄스트론튬마그네슘 갈레이트(LSGM) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택할 수 있다. 상기 캐소드 형성용 조성물에서 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물의 함량은 상기 캐소드 소재 100 중량부에 대하여 예를 들어 약 20 중량부 내지 약 80 중량부일 수 있다.Another aspect of the present invention provides a cathode composition further comprising the aforementioned cathode material for a solid oxide fuel cell and an oxygen ion conductive solid oxide and an organic binder. This composition may be in the form of a slurry. In one embodiment, the oxygen ion conductive solid oxide comprises yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), samaria doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC), lanthanum strontium magnesium gallate ( LSGM) and mixtures thereof. The content of the cathode material and the oxygen ion conductive solid oxide in the cathode forming composition may be, for example, about 20 parts by weight to about 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the cathode material.
상기 캐소드용 조성물로부터 캐소드를 제조할 수 있다. 예를 들어 상기 캐소드 형성재용 조성물을 기재 상에 코팅한 후 열처리하여 캐소드를 형성할 수 있다. A cathode may be prepared from the cathode composition. For example, the cathode composition may be coated on a substrate and then heat-treated to form a cathode.
상기 캐소드의 두께는 통상 고체 산화물 연료전지에서 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 캐소드의 두께는 약 5 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 범위일 수 있다.The cathode thickness may typically range from about 1 μm to about 100 μm in a solid oxide fuel cell. For example, the thickness of the cathode may range from about 5 μm to about 50 μm.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에서는 전술한 캐소드, 상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지를 개시한다. 이 연료전지에서 애노드는 특별히 제한되지 않으며 공지의 애노드를 사용할 수 있다.Another aspect of the present invention discloses a solid oxide fuel cell including the aforementioned cathode, an anode disposed facing the cathode, and an electrolyte that is an oxygen ion conducting solid oxide disposed between the cathode and the anode. The anode in this fuel cell is not particularly limited and a known anode can be used.
이러한 고체 산화물 전해질을 구성하는 소재로는 이 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 고체 산화물 전해질로는 다음과 같은 것들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 고체 산화물 전해질은, 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 사용할 수 있다. 또한, 상기 고체 산화물 전해질은, 스트론튬 또는 마그네슘이 도핑된 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate) 등을 사용할 수 있다.The material constituting the solid oxide electrolyte is not particularly limited as long as it can be generally used in the art. For example, the following may be used as the solid oxide electrolyte. For example, the solid oxide electrolyte may be a stabilized zirconia system such as yttria stabilized zirconia (YSZ) and scandia stabilized zirconia (ScSZ); Ceria-based to which rare earth elements, such as Samaria doped ceria (SDC) and gadolinia doped ceria (GDC), are added; Other LSGM ((La, Sr) (Ga, Mg) O 3 ) systems; Etc. can be used. In addition, as the solid oxide electrolyte, lanthanum gallate doped with strontium or magnesium may be used.
상기 고체 산화물 연료전지는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 고체 산화물 연료전지는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다.Since the solid oxide fuel cell may be manufactured using a conventional method known in various documents in the art, a detailed description thereof will be omitted herein. In addition, the solid oxide fuel cell may be applied to various structures, such as a cylindrical stack, a flat tubular stack, and a planar type stack.
상기 고체 산화물 연료전지는 단위 전지의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 캐소드, 연료극 및 고체산화물 전해질로 구성되는 단위 전지(MEA, Membrane and Electrode Assembly)가 직렬로 적층되고 상기 단위 전지들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위전지의 스택(stack)이 얻어질 수 있다. The solid oxide fuel cell may be in the form of a stack of unit cells. For example, a unit cell (MEA, Membrane and Electrode Assembly) composed of the cathode, the anode and the solid oxide electrolyte is stacked in series and a separator is electrically connected between the unit cells. A stack of cells can be obtained.
[실시예]EXAMPLE
이하 제조예와 실험예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 아래 실시예는 본 발명을 예시로써 상세하게 설명하기 위한 것이며, 어떠한 경우라도 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Preparation Examples and Experimental Examples. The following examples are intended to illustrate the invention in detail and are not intended to limit the scope of the invention in any case.
캐소드 소재의 합성 : 제1 실시예Synthesis of Cathode Material: First Embodiment
Ca의 화학양론 계수 x를 0, 0.25 또는 0.50로 하는 캐소드 소재 PrBa1-xCaxCo2O5+δ를 페치니법(Pechini process)으로 합성하였다. Cathode PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ having a stoichiometric coefficient x of Ca of 0, 0.25 or 0.50 was synthesized by a Pechini process.
상기 각 x에 따른 PrBa1-xCaxCo2O5+δ에 해당하는 화학양론적 비율로 Pr(NO3)3·6H2O(Aldrich사, 금속 기준으로 99.9%), Ba(NO3)2 (Aldrich사, 99% 이상), Ca(NO3)2·4H2O(Alfa Aesar사, 99.98% 이상) 및 Co(NO3)3·6H2O(Aldrich사, 98% 이상)을 에틸렌글리콜과 시트르산과 함께 증류수에 용해하였다. In the stoichiometric ratio corresponding to PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ according to each x, Pr (NO 3 ) 3 · 6H 2 O (Aldrich, 99.9% based on metal), Ba (NO 3 ) 2 (Aldrich, 99% or more), Ca (NO 3 ) 2 4H 2 O (Alfa Aesar, 99.98% or more) and Co (NO 3 ) 3 .6H 2 O (Aldrich, 98% or more) It was dissolved in distilled water together with ethylene glycol and citric acid.
용해 후에는 자발 연소(Self-combustion) 과정을 통해 초미세 고형물을 얻을 수 있다. 이 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 1100℃로 소결하였다. After dissolution, the self-combustion process yields a very fine solid. The ultra-solid was heat-treated at 600 ° C. for 4 hours, then milled and mixed by ball milling in acetone for 24 hours, then dried, compressed into pellets at 5 MPa and 1100 ° C. in air for 24 hours. Sintered with.
캐소드 소재의 합성 : 제2 실시예Synthesis of Cathode Material: Second Example
Fe의 화학양론 계수 x를 0, 0.25 또는 0.50로 하는 캐소드 소재 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 를 페치니법(Pechini process)으로 합성하였다. Cathode NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ having a stoichiometric coefficient x of Fe of 0, 0.25 or 0.50 was synthesized by a Pechini process.
상기 각 x 에 따른 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 에 해당하는 화학양론적 비율로 Nd(NO3)3·6H2O(Aldrich사, 금속 기준으로 99.9%), Ba(NO3)2 (Aldrich사, 99% 이상), Ca(NO3)2·4H2O(Alfa Aesar사, 99.98% 이상) 및 Co(NO3)3·6H2O(Aldrich사, 98% 이상)을 에틸렌글리콜과 시트르산과 함께 증류수에 용해하였다. In the stoichiometric ratio corresponding to NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ according to each x, Nd (NO 3 ) 3 .6H 2 O (Aldrich, 99.9% based on metal), Ba ( NO 3 ) 2 (Aldrich, 99% or more), Ca (NO 3 ) 2 4H 2 O (Alfa Aesar, 99.98% or more) and Co (NO 3 ) 3 · 6H 2 O (Aldrich, 98% or more) ) Was dissolved in distilled water together with ethylene glycol and citric acid.
용해 후에는 자발 연소(Self-combustion) 과정을 통해 초미세 고형물을 얻을 수 있다. 이 초미세 고형물을 약 600℃에서 약 4 시간 동안 열처리 한 후, 아세톤 내에서 약 24 시간 동안 볼밀(ball mill) 하여 분쇄 및 혼합한 다음, 건조 후, 약 5 MPa에서 펠릿으로 압축시키고 공기 중에서 약 12 시간 동안 약 1150℃로 소결하였다. After dissolution, the self-combustion process yields a very fine solid. The ultra-solids were heat-treated at about 600 ° C. for about 4 hours, then milled and mixed in acetone for about 24 hours, then dried, compressed into pellets at about 5 MPa and in air Sintered at about 1150 ° C. for 12 hours.
캐소드 소재의 합성 : 제3 실시예Synthesis of Cathode Material: Third Example
Fe의 화학양론 계수 x를 0, 0.25, 0.50, 0.75 또는 1.0으로 하는 캐소드 소재 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ을 글리신-질산염법(glycine-nitrate process, GNP)으로 합성하였다. SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ cathode material having a stoichiometric coefficient x of Fe of 0, 0.25, 0.50, 0.75 or 1.0 was synthesized by the glycine-nitrate process (GNP). .
상기 각 x에 따른 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 해당하는 화학양론적 비율로 Sm(NO3)3·H2O(Aldrich사, 금속 기준으로 99.9%), Ba(NO3)2(Aldrich사, 99% 이상), Sr(NO3)2(Aldrich사, 99% 이상), Co(NO3)3·H2O(Aldrich사, 98% 이상) 및 Fe(NO3)3·H2O(Aldrich사, 98%)을 글리신과 함께 증류수에 용해하여 용액을 얻었다.The SmBa 0.5 Sr 0.5 (99.9% by Aldrich Corporation, metal basis) Co 2-x Fe x O 5 + δ appropriate stoichiometric proportion to Sm (NO 3) 3 · H 2 O , which in accordance with the respective x, Ba ( NO 3) 2 (Aldrich Co., over 99%), Sr (NO 3 ) 2 (Aldrich Co., over 99%), Co (NO 3 ) 3 · H 2 O (Aldrich Co., 98%), and Fe (NO 3 ) 3 H 2 O (Aldrich, 98%) was dissolved in distilled water together with glycine to obtain a solution.
상기 용액을 공기 중에서 350℃까지 가열하고, 이어서 연소 반응을 거쳐 고운 분말을 형성하였다. 상기 분말을 600℃에서 4시간 동안 하소한 뒤 연마하여 1차 분말을 얻었다. 상기 1차 분말을 900℃에서 4시간 동안 다시 하소하였다. 전도도 측정과 전기량법 적정을 위하여, 상기 하소된 분말을 5 MPa에서 펠릿으로 압축시키고 공기 중에서 24시간 동안 1100℃로 소결하였다. The solution was heated to 350 ° C. in air and then subjected to a combustion reaction to form fine powder. The powder was calcined at 600 ° C. for 4 hours and then ground to obtain a primary powder. The primary powder was calcined again at 900 ° C. for 4 hours. For conductivity measurements and calorimetry titration, the calcined powder was compressed into pellets at 5 MPa and sintered at 1100 ° C. for 24 hours in air.
도 5는 실시예 3에서 제조한 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 의 X선 회절 패턴이다. X선 회절은 일본 Rigaku사의 회절 장치를 써서 Cu Kα 복사의 분말 분산법으로 측정하였다. 도 5에서 x는 화학식 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 의 철의 화학양론 계수를 가리키며 0, 0.25, 0.50, 0.75 또는 1이다.5 is an X-ray diffraction pattern of SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ prepared in Example 3. FIG. X-ray diffraction was measured by powder dispersion method of Cu Kα radiation using the diffractometer of Rigaku of Japan. In FIG. 5, x indicates the stoichiometric coefficient of iron of the formula SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ and is 0, 0.25, 0.50, 0.75 or 1.
도 5의 모든 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 시료는 공기 중에서 12시간 동안 1100℃로 소결된 후에는 불순물이 없는 단일 상을 형성하였다. X선 회절 결과는 0.75 이하의 낮은 철 함량에서 정렬 이중 페로브스카이트 구조의 특징인 이중 피크(doublet)를 보이며 서로 확연히 분리되는 것을 나타내고 있다. 반면에 높은 철 함량(x=1)의 SBSCF에서는 X선 회절 스펙트럼이 겹치지 않은 단독 피크(singlet)인데 이는 x=1인 SBSCF의 결정 구조가 나머지 SBSCF처럼 질서 있는 이중 정렬 페로브스카이트가 아니고 질서도가 떨어지는 비정렬 단순 페로브스카이트 구조로 바뀌었을 가능성도 있다는 것을 보여주고 있다. 여기서 x가 0.75 이하인 정렬 이중 페로브스카이트 구조는 사방정계의 공간군 Pmmm이며 x=1의 질서도가 떨어지는 비정렬 단순 페로브스카이트 결정 구조는 사방정계의 공간군 Pnma였다. 단위 구조 파라미터와 결정 격자내 철의 코발트 치환에 따른 부피 변화는 아래 표 1 및 표 2에 정리하였다. 표 1 및 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이 x=1.0 인 경우 정렬 페로브스카이트인지 비정렬 페로브스카이트인지 정확히 판단하기가 쉽지 않다. 표 1과 표 2는 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 산화물의 공간군에 대한 해석에 따라 다른 부피 값을 나타낸다.All SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ samples in FIG. 5 formed a single phase free of impurities after sintering at 1100 ° C. for 12 hours in air. X-ray diffraction results show a distinct doublet, which is characteristic of an aligned double perovskite structure at low iron content of 0.75 or less and clearly separated from each other. On the other hand, in the high iron content (x = 1) SBSCF, the X-ray diffraction spectrum does not overlap the single peak, which means that the crystal structure of x = 1 SBSCF is not an ordered double-aligned perovskite in order like the rest of SBSCF. It also shows that the degree may have been changed to an unaligned simple perovskite structure. Here, the aligned double perovskite structure where x is 0.75 or less is a space group Pmmm of a tetragonal system, and an unaligned simple perovskite crystal structure of poor order of x = 1 is a space group Pnma of a tetragonal system. Unit structure parameters and volume changes according to cobalt substitution of iron in the crystal lattice are summarized in Tables 1 and 2 below. As can be seen in Table 1 and Table 2, when x = 1.0, it is not easy to accurately determine whether the perovskite is aligned or unaligned perovskite. Table 1 and Table 2 show different volume values according to the interpretation of the spatial group of the SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ oxide.
표 1
Table 1
SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 산화물의 구조 파라미터 | |||||
x | 공간군 | a (Å) | b (Å) | c (Å) | 부 피 (Å) |
0 | Pmmm | 3.865 | 3.788 | 7.724 | 113.075 |
0.25 | Pmmm | 3.863 | 3.797 | 7.717 | 113.180 |
0.50 | Pmmm | 3.866 | 3.805 | 7.720 | 113.574 |
0.75 | Pmmm | 3.879 | 3.839 | 7.737 | 115.206 |
1.00a | Pnma | 5.476 | 5.457 | 7.689 | 229.767 |
a화학식 Sm0.5Ba0.25Sr0.25Co0.5Fe0.5O3의 구조에 바탕한 격자 파라미터와 부피 |
Structural Parameters of SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ Oxide | |||||
x | Space | a (Å) | b (Å) | c (Å) | |
0 | Pmmm | 3.865 | 3.788 | 7.724 | 113.075 |
0.25 | Pmmm | 3.863 | 3.797 | 7.717 | 113.180 |
0.50 | Pmmm | 3.866 | 3.805 | 7.720 | 113.574 |
0.75 | Pmmm | 3.879 | 3.839 | 7.737 | 115.206 |
1.00 a | Pnma | 5.476 | 5.457 | 7.689 | 229.767 |
a formula Sm 0.5 Ba 0.25 Sr 0.25 Co 0.5 Fe lattice parameter a volume basis in the 0.5 O 3 structure |
표 2
TABLE 2
SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 산화물의 구조 파라미터 | |||||
x | 공간군 | a (Å) | b (Å) | c (Å) | 부 피 (Å) |
0 | P4/mmm | 3.862 | 3.862 | 7.571 | 112.913 |
0.25 | P4/mmm | 3.863 | 3.863 | 7.759 | 113.354 |
0.50 | P4/mmm | 3.866 | 3.866 | 7.616 | 113.809 |
0.75 | P4/mmm | 3.870 | 3.870 | 7.653 | 114.612 |
1.00 | P4/mmm | 3.867 | 3.867 | 7.690 | 114.986 |
Structural Parameters of SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ Oxide | |||||
x | Space | a (Å) | b (Å) | c (Å) | |
0 | P4 / mmm | 3.862 | 3.862 | 7.571 | 112.913 |
0.25 | P4 / mmm | 3.863 | 3.863 | 7.759 | 113.354 |
0.50 | P4 / mmm | 3.866 | 3.866 | 7.616 | 113.809 |
0.75 | P4 / mmm | 3.870 | 3.870 | 7.653 | 114.612 |
1.00 | P4 / mmm | 3.867 | 3.867 | 7.690 | 114.986 |
표 1 및 표 2의 결과로부터 결정 구조내 철 함량이 늘어나면서 반지름이 작은Co3+(r=0.545 Å) 나 Co4+(r=0.530 Å)를 반지름이 큰 Fe3+(r=0.645 Å) 나 Fe4+(r=0.585 Å)가 대체함에 따라 격자의 부피가 커지는 것을 알 수 있다. NBSCF 캐소드 소재의 경우도 철 함량이 1보다 낮은 경우에는 정렬 이중 페로브스카이트 구조를 나타내었지만 철 함량이 1인 경우는 나머지 NBSCF처럼 질서 있는 이중 정렬 페로브스카이트가 아니고 질서도가 떨어지는 비정렬 단순 페로브스카이트 구조로 바뀌었을 가능성도 있다는 것을 보여주고 있다. 표 3 및 표 4에서 볼 수 있는 바와 같이 x=1.0 인 경우 정렬 페로브스카이트인지 비정렬 페로브스카이트인지 정확히 판단하기가 용이하지 않다. 표 3 및 표 4는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 산화물의 공간군에 대한 해석에 따라 다른 부피 값을 나타낸다.From the results in Table 1 and Table 2, the smaller the radius of Co 3+ (r = 0.545 Å) or Co 4+ (r = 0.530 Å) as the iron content in the crystal structure was increased, the larger the radius of Fe 3+ (r = 0.645 Å). ) Or Fe 4+ (r = 0.585 Å), the volume of the lattice increases. In the case of NBSCF cathode materials, the iron content was lower than 1, but the ordered double perovskite structure was shown, but the iron content of 1 was not the ordered double alignment perovskite like the rest of NBSCF, and the order was poorly aligned. It also shows that it may have been changed to a simple perovskite structure. As can be seen in Table 3 and Table 4, when x = 1.0, it is not easy to accurately determine whether the perovskite is aligned or unaligned perovskite. Tables 3 and 4 show different volume values depending on the interpretation of the spatial group of the NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ oxide.
표 3
TABLE 3
NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 산화물의 구조 파라미터 | |||||
x | 공간군 | a (Å) | b (Å) | c (Å) | 부 피 (Å) |
0 | P4/mmm | 3.846 | 3.846 | 7.699 | 113.881 |
0.25 | P4/mmm | 3.849 | 3.849 | 7.705 | 114.148 |
0.50 | P4/mmm | 3.849 | 3.849 | 7.709 | 114.207 |
0.75 | P4/mmm | 3.857 | 3.857 | 7.724 | 114.905 |
1.00a | Pnma | 5.485 | 5.466 | 7.702 | 230.925 |
a화학식 Nd0.5Ba0.25Sr0.25Co0.5Fe0.5O3의 구조에 바탕한 격자 파라미터와 부피 |
Structural Parameters of NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ Oxide | |||||
x | Space | a (Å) | b (Å) | c (Å) | |
0 | P4 / mmm | 3.846 | 3.846 | 7.699 | 113.881 |
0.25 | P4 / mmm | 3.849 | 3.849 | 7.705 | 114.148 |
0.50 | P4 / mmm | 3.849 | 3.849 | 7.709 | 114.207 |
0.75 | P4 / mmm | 3.857 | 3.857 | 7.724 | 114.905 |
1.00 a | Pnma | 5.485 | 5.466 | 7.702 | 230.925 |
a formula Nd 0.5 Ba 0.25 Sr 0.25 Co 0.5 Fe lattice parameter a volume basis in the 0.5 O 3 structure |
표 4
Table 4
NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 산화물의 구조 파라미터 | |||||
x | 공간군 | a (Å) | b (Å) | c (Å) | 부 피 (Å) |
0 | P4/mmm | 3.846 | 3.846 | 7.699 | 113.899 |
0.25 | P4/mmm | 3.849 | 3.849 | 7.704 | 114.149 |
0.50 | P4/mmm | 3.849 | 3.849 | 7.709 | 114.212 |
0.75 | P4/mmm | 3.858 | 3.858 | 7.724 | 114.966 |
1.00 | P4/mmm | 3.864 | 3.864 | 7.718 | 115.226 |
Structural Parameters of NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ Oxide | |||||
x | Space | a (Å) | b (Å) | c (Å) | |
0 | P4 / mmm | 3.846 | 3.846 | 7.699 | 113.899 |
0.25 | P4 / mmm | 3.849 | 3.849 | 7.704 | 114.149 |
0.50 | P4 / mmm | 3.849 | 3.849 | 7.709 | 114.212 |
0.75 | P4 / mmm | 3.858 | 3.858 | 7.724 | 114.966 |
1.00 | P4 / mmm | 3.864 | 3.864 | 7.718 | 115.226 |
캐소드 소재의 합성 : 제4 실시예Synthesis of Cathode Material: Fourth Example
Fe의 화학양론 계수 x를 0, 0.25, 0.50, 0.75 또는 1.0으로 하는 캐소드 소재 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ을 글리신-질산염법(glycine-nitrate process, GNP)으로 합성하였다. Cathode NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ having a stoichiometric coefficient x of Fe of 0, 0.25, 0.50, 0.75 or 1.0 was synthesized by the glycine-nitrate process (GNP). .
상기 각 x에 따른 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 해당하는 화학양론적 비율로 Nd(NO3)3·6H2O(Aldrich사, 금속 기준으로 99.9%), Ba(NO3)2(Aldrich사, 99% 이상), Sr(NO3)2(Aldrich사, 99% 이상), Co(NO3)3·6H2O(Aldrich사, 98% 이상) 및 Fe(NO3)3·6H2O(Aldrich사, 98%)을 글리신과 함께 증류수에 용해하여 용액을 얻었다.In the stoichiometric ratio corresponding to NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ according to each x, Nd (NO 3 ) 3 .6H 2 O (Aldrich, 99.9% based on metal), Ba ( NO 3 ) 2 (Aldrich, 99% or more), Sr (NO 3 ) 2 (Aldrich, 99% or more), Co (NO 3 ) 3 · 6H 2 O (Aldrich, 98% or more) and Fe (NO 3 ) 3 · 6H 2 O (Aldrich, 98%) was dissolved in distilled water together with glycine to obtain a solution.
상기 용액을 공기 중에서 350℃까지 가열하고, 이어서 연소 반응을 거쳐 고운 분말을 형성하였다. 상기 분말을 600℃에서 4시간 동안 하소한 뒤 연마하여 1차 분말을 얻었다. 상기 1차 분말을 900℃에서 4시간 동안 다시 하소하였다. 전도도 측정과 전기량법 적정을 위하여, 상기 하소된 분말을 5 MPa에서 펠릿으로 압축시키고 공기 중에서 24시간 동안 1100℃로 소결하였다. The solution was heated to 350 ° C. in air and then subjected to a combustion reaction to form fine powder. The powder was calcined at 600 ° C. for 4 hours and then ground to obtain a primary powder. The primary powder was calcined again at 900 ° C. for 4 hours. For conductivity measurements and calorimetry titration, the calcined powder was compressed into pellets at 5 MPa and sintered at 1100 ° C. for 24 hours in air.
캐소드 슬러리의 합성Synthesis of Cathode Slurry
상기 제1 실시예, 상기 제2 실시예, 상기 제3 실시예, 및 상기 제4 실시예의 캐소드 소재들로부터 캐소드 슬러리를 하기와 같은 방법을 이용하여 각각 합성하였다.Cathode slurries were synthesized from the cathode materials of the first, second, third, and fourth embodiments using the following method, respectively.
상기 제1 실시예, 상기 제2 실시예, 상기 제3 실시예, 및 상기 제4 실시예의 상기 캐소드 소재의 상기 펠릿을 분쇄한 후, 산소 이온 전도성 산화물인 Ce0.9Gd0.1Gd2-δ(이하 GDC로 줄임)을 포함하는 복합 캐소드를 제조하였다. 상기 GDC는 해당 금속 질산염과 글리신을 써서 전술한 글리신-질산염법(GNP)으로 합성하였다. 구체적으로, 캐소드 소재 분말과 GDC 분말을 중량비 6:4로 완전히 혼합하였다. 슬러리 형성을 위하여 모든 전극 분말은 유기 바인더(Heraeus V006)과 함께 혼합하였다. 캐소드 소재 분말, GDC 분말 및 유기 바인더의 중량비는 6:4:12로 혼합하였다.After grinding the pellets of the cathode material of the first embodiment, the second embodiment, the third embodiment, and the fourth embodiment, Ce 0.9 Gd 0.1 Gd 2-δ (hereinafter referred to as oxygen ion conductive oxide) Composite cathode) was prepared. The GDC was synthesized by the aforementioned glycine-nitrate method (GNP) using the metal nitrate and glycine. Specifically, the cathode material powder and the GDC powder were completely mixed in a weight ratio of 6: 4. All electrode powders were mixed with an organic binder (Heraeus V006) for slurry formation. The weight ratio of the cathode material powder, the GDC powder and the organic binder was mixed at 6: 4: 12.
연료전지의 제조Manufacture of Fuel Cells
임피던스 측정을 위하여 전극/GDC/전극 구조의 대칭 반전지(symmetric half cell)를 제조하였다. GDC분말을 펠렛으로 압축하고 공기 중에서 4시간 동안 1350℃로 소결하여 치밀한 전해질을 얻었다. 이 치밀한 GDC 전해질의 양면에 대칭이 되도록 상기 실시예 1, 상기 실시예 2, 상기 실시예 3, 및 상기 실시예 4에 해당되는 상기 캐소드 슬러리들을 각각 도포하고 이어서 공기 중에서 4시간 동안 950℃로 소결하였다.For impedance measurement, a symmetric half cell of electrode / GDC / electrode structure was prepared. The GDC powder was compressed into pellets and sintered at 1350 ° C. for 4 hours in air to obtain a dense electrolyte. The cathode slurries corresponding to Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4 were respectively applied so as to be symmetrical on both sides of this dense GDC electrolyte, and then sintered at 950 ° C. for 4 hours in air. It was.
전체 단전지(full single cell)는 공압축법(co-press method)으로 제작하였다. NiO 분말, GDC 분말과 전분을 중량비 6:4:1.5으로 에탄올 속에서 약 24시간 볼 밀링하여 혼합하였다. 이 혼합액을 건조한 뒤 펠렛으로 압축하여 애노드를 형성하였다. 이어서 상기 애노드면에 공압축법((co-press method))으로 또는 드롭 코팅(drop coating) 방법으로 GDC 분말을 분산시키고 공기 중에서 약 5 시간 동안 약 1350℃로 소결하여, Ni-GDC의 애노드 상에 GDC의 전해질을 형성하였다. 다음으로, 상기 실시예 1, 상기 실시예 2, 상기 실시예 3, 및 상기 실시예 4에 해당되는 캐소드 슬러리들을 전해질 상에 각각 스크린 인쇄한 후, 공기 중에서 약 4 시간 동안 약 1350℃로 또는 약 950℃로 소결하여 연료전지를 제조하였다.The full single cell was manufactured by the co-press method. NiO powder, GDC powder and starch were mixed by ball milling in ethanol at a weight ratio of 6: 4: 1.5 for about 24 hours. The mixture was dried and compressed into pellets to form an anode. The anode surface of the Ni-GDC was then dispersed by air dispersion (co-press method) or by a drop coating method on the anode surface and sintered at about 1350 ° C. for about 5 hours in air. To form an electrolyte of GDC. Next, after screen printing the cathode slurries corresponding to Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4 on the electrolyte, respectively, at about 1350 ° C. for about 4 hours in air or about Sintering was carried out at 950 ° C. to produce a fuel cell.
형성된 캐소드와 전해질의 두께는 각각 약 20㎛이며, 전류 수집을 위해 은 와이어를 은 페이스트를 이용해 캐소드와 애노드에 부착하였다. The formed cathode and electrolyte were each about 20 [mu] m thick and silver wire was attached to the cathode and anode using silver paste for current collection.
도 6은 실시예 2의 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 에 대하여 전기 전도도와 온도의 상관 관계를 Fe 함량별로 나타내는 아레니우스 그래프이다.FIG. 6 is an Arennius graph illustrating the correlation between electrical conductivity and temperature for NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ of Example 2. FIG.
전기 전도도는 해당 캐소드 소재로 된 캐소드를 공기 중에서 4 단자 직류 배치 (four terminal DC arrangement) 하여 측정하였다. 상기 4 개의 단자의 프로브(Probe)로는 은 전선을 이용하였다. 전류와 전압은 약 100 ℃ 내지 약 900℃의 측정 구간에서 약 50℃ 간격으로 BioLogic 사의 일정 전위 장치(Potentiaostat)를 사용하여 측정하였다. Electrical conductivity was measured by four terminal DC arrangement of the cathode of the corresponding cathode material in air. Silver wires were used as the probes of the four terminals. Current and voltage were measured using a potentiostat of BioLogic (Potentiaostat) at intervals of about 50 ° C. in the measurement interval of about 100 ° C. to about 900 ° C.
도 6을 참조하면, 실시예2의 캐소드 소재의 철 함량이 늘어남에 따라, 그리고 온도가 증가함에 따라, 전기 전도도(conductivity)가 줄어드는 경향을 볼 수 있다. 정렬 이중 페로브 스카이트 결정계에서는 300℃를 넘는 온도에서는 온도가 증가함에 따라 전기 전도도가 줄어드는 금속성의 거동을 나타내었다. Referring to FIG. 6, it can be seen that as the iron content of the cathode material of Example 2 increases, and as the temperature increases, electrical conductivity decreases. Aligned double perovskite crystal systems exhibited a metallic behavior of decreasing electrical conductivity with increasing temperature above 300 ° C.
연료전지의 공기극은 높은 이온 전도성, 빠른 반응성을 위한 넓은 표면적, 그리고 기체, 이온, 전자들이 함께 반응할 수 있는 3상계면(three phase boundary)이 필요한 다공성 복합 구조체이다. 이러한 모든 성질은 재료의 구성 성분 및 미량 첨가물인 촉매재료에 의해서도 변화한다. 캐소드는 연료극과 다르게 공기 중에 노출된 상태로 측정하지만 실제 캐소드 소재와 전해질 사이의 경계면에서 낮은 분압의 환경이 조성된다는 문헌의 보고를 통하여 캐소드 소재 또한 산소 분압의 변화에 따른 열역학적 물성치 측정이 필요하다.The cathode of a fuel cell is a porous composite structure that requires high ionic conductivity, large surface area for rapid reactivity, and a three phase boundary where gases, ions, and electrons can react together. All of these properties also change with the constituents of the material and with the catalytic material being a trace additive. Cathode is measured in the state exposed to air differently from anode, but the literature reports that the low partial pressure environment is created at the interface between the cathode material and the electrolyte.
도 7은 NdBaCo2O5+δ 와 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 에 대하여 작동 온도 범위 내에서의 산소 기체의 분압의 변화에 따른 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 에 대한 산소의 몰(mole)수의 비를 측정한 그래프이다.7 is NdBaCo 2 O 5 + δ and NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25) NdBa due to changes in partial pressure of oxygen gas in the operating temperature range with respect to 0.75 Ca It is a graph which measured the ratio of the number of moles of oxygen with respect to 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ .
도 8은 NdBaCo2O5+δ 와 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 에 대하여 작동 온도 범위 내에서의 산소 기체의 분압의 변화에 따른 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 에 대한 전기 전도도의 변화를 나타낸 그래프이다.8 is NdBaCo 2 O 5 + δ and NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25) NdBa due to changes in partial pressure of oxygen gas in the operating temperature range with respect to 0.75 Ca It is a graph showing the change in electrical conductivity for 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ .
도 9는 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 에 대하여 600℃에서 임피던스의 주파수 스펙트럼을 나타내는 니퀴스트 플롯으로부터 얻은 면적 비저항 (Area Specific Resistance)을 철 함량에 따라 나타낸 그래프이다. FIG. 9 shows the iron content of Area Specific Resistance obtained from the Nyquist plot showing the frequency spectrum of impedance at 600 ° C. for NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25). It is a graph shown according to.
상기 실시예 2의 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 캐소드 소재를 이용하여, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 산소 기체의 분압의 변화에 따른 상기 캐소드 소재의 몰(mole) 수에 대한 상기 측정 캐소드 소재 내의 산소의 비를 측정한 결과를 나타내었다. 칼슘과 철이 모두 치환된 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0.25)의 경우 칼슘이나 철이 치환되지 않은 NdBa0.75Ca0.25Co2O5+δ 나 NdBaCo2O5+δ 에 비해 캐소드 소재 내의 산소의 비를 더 낮은 산소 분압에서 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 해당 산소 분압일 때 마다 전기 전도도를 측정하여 전기 전도도의 변화 또한 비교 및 관찰할 수 있었다.NdBa of Example 20.75Ca0.25Co2-xFexO5 + δ7 and 8 show the results of measuring the ratio of oxygen in the measurement cathode material to the number of moles of the cathode material according to the change in the partial pressure of oxygen gas using the cathode material. It was. NdBa with both calcium and iron substituted0.75Ca0.25Co2-xFexO5 + δ(x = 0.25) NdBa without calcium or iron substitution0.75Ca0.25Co2O5 + δI NdBaCo2O5 + δIt can be seen that the ratio of oxygen in the cathode material can be maintained at a lower oxygen partial pressure. In addition, by measuring the electrical conductivity at each oxygen partial pressure, the change in electrical conductivity could also be compared and observed.
도 10(a) 내지 도 10(f)는 철 함량별로 상기 제 3 실시예의 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ (SBSCF)의 캐소드를 포함하는 전체 단전지의 캐소드-전해질 계면의 횡단면을 Nova SEM사의 전계 방출형 주사 전자현미경(FESEM)을 이용하여 찍은 사진이다.10 (a) to 10 (f) show the cathode-electrolyte interface of the entire unit cell including the cathode of SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ (SBSCF) of the third embodiment by iron content The cross section of the photo was taken using a field emission scanning electron microscope (FESEM) from Nova SEM.
도 10(a)는 캐소드와 GDC 전해질의 단면을 나타낸 것으로 캐소드와 전해질의 두께는 약 20 ㎛ 정도이다. 그리고 도 10(b) 내지 도 10(f)는 철의 함량별로 SBSCF-GDC 복합체의 단면을 나타낸 SEM 사진이며 철의 함량에 따라서 미세 구조는 큰 차이가 없는 것으로 보인다. 캐소드의 두께는 약 20 ㎛였고, GDC 전해질의 두께는 약 20 ㎛였다. 또한, 성능의 개선을 위하여 GDC 전해질의 두께를 10 내지 15 ㎛로 개선하였다. 도 10으로부터 제조된 단전지에 구멍이나 공극 또는 균열이 없어 성공적으로 제조가 이루어진 것을 확인할 수 있다. 이 단전지들은 모두 비슷한 미세 구조를 지니고 있어 철 함량이 두드러지게 미세 구조에 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났다.10 (a) shows a cross section of the cathode and the GDC electrolyte, and the thickness of the cathode and the electrolyte is about 20 μm. 10 (b) to FIG. 10 (f) are SEM photographs showing the cross-section of the SBSCF-GDC composite according to the iron content, and the microstructure does not seem to have a large difference according to the iron content. The thickness of the cathode was about 20 μm and the thickness of the GDC electrolyte was about 20 μm. In addition, to improve the performance, the thickness of the GDC electrolyte was improved to 10 to 15 μm. It can be confirmed that the manufacturing of the unit cell manufactured from FIG. 10 was successful because there were no holes, voids, or cracks. All of these cells have similar microstructures, suggesting that iron content does not significantly affect the microstructures.
도 11은 상기 제4 실시예의 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ (NBSCF) 캐소드를 포함하는 전체 단전지의 횡단면을 철 함량별로 찍은 주사 전자현미경 사진이다.11 is a scanning electron micrograph of the cross-section of the entire unit cell including the NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ (NBSCF) cathode of the fourth embodiment by iron content.
도 11에서 NBSCF25는 상기 화학식에서 x=0.25, NBSCF50은 상기 화학식에서 x=0.50, NBSCF75는 상기 화학식에서 x=0.75, NBSCF10은 상기 화학식에서 x=1.0을 가리킨다. 도 11(a) 내지 도 11(e)에서 NBSCF-GDC 복합체의 미세구조도 SBSCF-GDC 복합체와 같이 철 함량에 따라 미세구조는 큰 차이가 없는 것으로 보인다. In Figure 11, NBSCF25 in the formula x = 0.25, NBSCF50 in the formula x = 0.50, NBSCF75 in the formula x = 0.75, NBSCF10 indicates x = 1.0 in the formula. 11 (a) to 11 (e), the microstructure of the NBSCF-GDC composite also seems to have no significant difference in the microstructure according to the iron content as in the SBSCF-GDC composite.
실시예 1의 캐소드 소재의 연료전지의 안정성 측정Stability Measurement of Fuel Cell of Cathode Material of Example 1
실시예 1의 캐소드 소재와 GDC 전해질, NiO-GDC 복합 애노드 전체 전지의 안정성을 평가하였다. The stability of the cathode material, the GDC electrolyte, and the NiO-GDC composite anode battery of Example 1 was evaluated.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시 형태에서 연료 전지의 안정성을 측정한 결과를 도시한 도면들이다.12 and 13 illustrate the results of measuring the stability of a fuel cell in one embodiment of the present invention.
평가 대상인 연료전지는 PrBa1-xCaxCo2O5+δ(x= 0.25)와 PrBa1-xCaxCo2O5+δ(x=0.5)의 캐소드 소재로 형성된 캐소드를 포함하며, x=0.25인 경우의 결과는 도 12에 도시하고 있고, x=0.5인 경우의 결과는 도 13에 도시하고 있다. The fuel cell to be evaluated includes a cathode formed of a cathode material of PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ (x = 0.25) and PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ (x = 0.5), The result when x = 0.25 is shown in FIG. 12, and the result when x = 0.5 is shown in FIG.
구체적으로, 도 12는 600℃에서 100시간 동안 -400 mA의 일정한 전류를 걸어주었을 때 전압의 변화를 측정한 결과이며, 도 13은 반대로 600℃에서 100시간 동안 700 mV의 일정한 전압을 가했을 때의 전류의 변화를 측정한 결과이다. Specifically, FIG. 12 is a result of measuring a change in voltage when a constant current of -400 mA is applied at 600 ° C. for 100 hours, and FIG. 13 is a case where a constant voltage of 700 mV is applied at 600 ° C. for 100 hours. This is the result of measuring the change of current.
도 12 및 도 13에 나타난 바와 같이, 구동되는 동안의 응답이 상당히 안정적이고, 탐지될만한 전압 또는 전류 강하가 발생 되지 않았음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 캐소드 소재를 사용하여 캐소드를 형성할 때, 이를 포함하는 연료전지는 안정성이 우수함을 알 수 있다. As shown in Figs. 12 and 13, it can be seen that the response while driving is quite stable, and that no detectable voltage or current drop has occurred. Therefore, when the cathode is formed using the cathode material according to the present invention, it can be seen that the fuel cell including the same has excellent stability.
다만, x가 0.25인 PrBa1-xCaxCo2O5+δ의 캐소드 소재로 캐소드를 제작한 경우는 100시간 동안 총 3.3% 의 전류 손실이 발생한 반면, x가 0.5인 PrBa1-xCaxCo2O5+δ의 캐소드 소재로 캐소드를 제작한 경우는 동일 조건에서 총 10% 의 전압 손실이 발생한 것으로 관찰되는 바, 이하 도 12에서 도시하는 바와 같이, x가 0.25일 경우가 0.5인 경우보다 안정성 측면에서는 우수한 것으로 알 수 있다.However, when cathodes were made of PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ cathode material with x 0.25, a total of 3.3% current loss occurred over 100 hours, whereas PrBa 1-x Ca with x 0.5 When the cathode was manufactured from a cathode material of x Co 2 O 5 + δ , a total voltage loss of 10% was observed under the same conditions. Hereinafter, as shown in FIG. 12, when x is 0.25, 0.5 is 0.5. It can be seen that it is superior in terms of stability than the case.
실시예 2의 캐소드 소재의 연료전지의 안정성 측정Stability Measurement of Fuel Cell of Cathode Material of Example 2
실시예 2의 캐소드 소재와 GDC 전해질, NiO-GDC 복합 애노드 전체 전지의 안정성을 평가하였다. The stability of the cathode material of Example 2, the GDC electrolyte, and the entire NiO-GDC composite anode battery was evaluated.
도 14는 본 발명의 실시 형태에서 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 에 대하여 단위 전지의 안정성을 측정한 결과를 도시한 도면이다. 도 15는 본 발명의 실시 형태에서 NdBaCo2O5+δ (x = 0) 에 대하여 단위 전지의 안정성을 측정한 결과를 도시한 도면이다.FIG. 14 shows the results of measuring stability of a unit cell with respect to NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25) in the embodiment of the present invention. FIG. FIG. 15 shows the results of measuring stability of a unit cell with respect to NdBaCo 2 O 5 + δ (x = 0) in an embodiment of the present invention. FIG.
평가 대상인 연료전지는 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 의 캐소드 소재로 형성된 캐소드를 포함하며, x = 0.25인 경우의 결과는 도 14에 도시하고 있고, 도 15은 x = 0 인 경우와 NdBaCo2O5+δ의 결과를 도시하고 있다.The fuel cell to be evaluated includes a cathode formed of a cathode material of NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25), and the result of x = 0.25 is shown in FIG. , FIG. 15 shows the case where x = 0 and the result of NdBaCo 2 O 5 + δ .
구체적으로, 도 14는 약 600℃에서 약 150 시간 동안 약 700 mV의 일정한 전압(voltage)을 걸어주었을 때 전류(current)의 변화를 측정한 결과이다. 도 15는 반대로 약 550℃에서 약 100시간 동안 약 -400 mA의 일정한 전류를 가했을 때의 전압의 변화를 측정한 결과이다.Specifically, FIG. 14 is a result of measuring a change in current when a constant voltage of about 700 mV is applied at about 600 ° C. for about 150 hours. 15 is a result of measuring the change in voltage when a constant current of about -400 mA is applied at about 550 ° C. for about 100 hours.
도 14 및 도 15에 나타난 바와 같이, 구동되는 동안의 응답이 상당히 안정적이고, 탐지될만한 전압 또는 전류 강하가 발생 되지 않았음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 캐소드 소재를 사용하여 캐소드를 형성할 때, 이를 포함하는 연료전지는 안정성이 우수함을 기대할 수 있다. As shown in Figs. 14 and 15, it can be seen that the response while driving is quite stable, and that no detectable voltage or current drop has occurred. Therefore, when the cathode is formed using the cathode material according to the present invention, the fuel cell including the same can be expected to have excellent stability.
도 14 및 도 15에서 도시하는 바와 같이, 칼슘과 철이 치환되지 않은 NdBaCo2O5+δ의 경우 약 600℃에서 약 100 시간 동안 약 50 % 이상의 전압 손실이 발생하였다. x가 0인 NdBa0.75Ca0.25Co2O5+δ 의 캐소드 소재로 단위 전지를 제작한 경우는 동일 조건에서 총 11.1 % 의 전압 손실이 발생하였다. 반면, x가 0.25인 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 의 캐소드 소재로 단위 전지를 제작한 경우는 동일 온도에서 약 150 시간 동안 총 2 % 의 전류 손실이 발생하였다. 따라서, 도 14 및 도 15에 도시하는 바와 같이, 칼슘과 철을 적절히 치환하였을 경우 전력밀도 측면과 안정성 측면에서 모두 우수한 것으로 알 수 있다.As shown in FIGS. 14 and 15, in the case of NdBaCo 2 O 5 + δ without substitution of calcium and iron, voltage loss of about 50% or more occurred at about 600 ° C. for about 100 hours. In the case where the unit cell was made of a cathode material of NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2 O 5 + δ in which x was 0, total voltage loss of 11.1% occurred under the same conditions. On the other hand, when the unit cell was made of a cathode material of NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ having x of 0.25, a total current loss of 2% occurred for about 150 hours at the same temperature. Therefore, as shown in FIG. 14 and FIG. 15, when calcium and iron are appropriately substituted, it can be seen that they are excellent in terms of both power density and stability.
실시예 1의 캐소드 소재의 연료전지의 전력 밀도Power Density of Fuel Cell of Cathode Material of Example 1
실시예 1의 캐소드 소재와 GDC 전해질, NiO-GDC 복합 애노드 전체 전지의 전기화학적 성능을 평가하였다. 캐소드 소재는 PrBa1-xCaxCo2O5+δ의 화합물을 포함한다.The electrochemical performance of the cathode material, the GDC electrolyte, and the NiO-GDC composite anode total battery of Example 1 was evaluated. The cathode material comprises a compound of PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ .
도 16은 본 발명의 실시예에서 Ca의 함량에 따른 연료 전지의 I-V 분극 곡선 및 최대 전력 밀도를 도시한 도이다.FIG. 16 is a diagram illustrating I-V polarization curves and maximum power densities of fuel cells according to Ca content in an embodiment of the present invention.
도 16은 x가 0, 0.25 및 0.5인 경우의 I-V 분극 곡선들과, 600℃에서 x의 값에 따른 최대 전력 밀도를 도시하고 있다. 한편, I-V 분극 곡선은 BioLogic사의 일정 전위 장치를 이용하여 500 내지 650℃에서 측정하였다. 구체적으로, I-V 분극 곡선은 500 내지 650℃에서 가습 수소 기체(3% 수분)를 연료로, 정지 상태인 주위 공기를 산화제로 사용하였다. FIG. 16 shows the I-V polarization curves when x is 0, 0.25 and 0.5, and the maximum power density according to the value of x at 600 ° C. On the other hand, I-V polarization curve was measured at 500 to 650 ℃ using a constant potential device of BioLogic. Specifically, the I-V polarization curve used humidified hydrogen gas (3% moisture) as a fuel and a stationary ambient air as an oxidant at 500 to 650 ° C.
도 16을 참조하면, x가 0일 때 비해, x가 0.25 또는 0.5의 값을 가질수록 전력 밀도가 증가하는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 600℃에서 x가 0일 때 최대 전력 밀도는 1.161W/cm2 임에 반해, x가 0.25일 때 최대 전력 밀도는 1.484W/cm2 이며, x가 0.5일 때 최대 전력 밀도는 1.218W/cm2 이었다. 이는 전력 밀도가 600℃에서 약 1.16/cm2 정도가 최고 수준이었던 종래 기술보다 우수한 것으로 판단된다.Referring to FIG. 16, it can be seen that power density increases as x has a value of 0.25 or 0.5, compared to when x is 0. Specifically, the maximum power density when x is zero, at 600 ℃ is 1.161W / cm 2, while being on, x is a maximum power density of 0.25 when il is the 1.484W / cm 2, x has a maximum power density when 0.5 days 1.218 W / cm 2 . This is judged to be superior to the prior art in which the power density was about 1.16 / cm 2 at 600 ° C. at the highest level.
상기 실시예들로부터 본 발명의 이중층 페로브스카이트 구조 란탄족 산화물 캐소드 소재는 800℃ 이하의 중온에서 우수한 전기화학적 성능을 나타내는 고체 산화물 연료전지를 제조할 수 있게 하여 준다는 점을 확인하였다.From the above examples, it was confirmed that the double-layered perovskite structure lanthanide oxide cathode material of the present invention makes it possible to manufacture a solid oxide fuel cell exhibiting excellent electrochemical performance at a medium temperature below 800 ° C.
실시예 2의 캐소드 소재의 연료전지의 전력 밀도Power Density of Fuel Cell of Cathode Material of Example 2
실시예 2의 캐소드 소재와 GDC 전해질, NiO-GDC 복합 애노드 전체 전지의 전기화학적 성능을 평가하였다. 캐소드 소재는 PrBa1-xCaxCo2O5+δ의 화합물을 포함한다. The electrochemical performance of the cathode material of Example 2, the GDC electrolyte, and the entire NiO-GDC composite anode battery was evaluated. The cathode material comprises a compound of PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ .
도 17은 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ (x = 0, 0.25) 에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.17 is a graph showing IV polarization curves for NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ (x = 0, 0.25).
도 17은 x가 0, 0.25 인 경우의 I-V 분극 곡선들과 최대 전력 밀도(power density)를 도시하고 있다. 한편, I-V 분극 곡선은 BioLogic사의 일정 전위 장치를 이용하여 약 500℃ 내지 약 650℃ 범위에서 측정하였다. 구체적으로, I-V 분극 곡선은 약 500℃ 내지 약 650℃ 범위에서 가습 수소 기체(3% 수분)를 연료로, 정지 상태인 주위 공기를 산화제로 사용하였다.FIG. 17 shows I-V polarization curves and maximum power density when x is 0, 0.25. On the other hand, I-V polarization curve was measured in the range of about 500 ℃ to about 650 ℃ using a constant potential device of BioLogic. Specifically, the I-V polarization curve used humidified hydrogen gas (3% moisture) as the fuel and stationary ambient air as the oxidant in the range of about 500 ° C to about 650 ° C.
도 17을 참조하면, x 가 0일 때 비해, x 가 0.25 의 값을 가질수록 전력 밀도가 향상되는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 약 600℃ 에서 x가 0일 때 최대 전력 밀도는 1.263 W/cm2 임에 반해, x가 0.25일 때 최대 전력 밀도는 1.331 W/cm2 이었다. 이는 전력 밀도가 600℃에서 약 1.16 W/cm2 정도가 최고 수준이었던 종래 기술보다 우수한 것으로 판단된다.Referring to FIG. 17, it can be seen that power density improves as x has a value of 0.25 as compared with when x is 0. Specifically, the maximum power density when x is zero at about 600 ℃ is 1.263 W / cm 2 being, x is a maximum power density of 0.25 days, while when the was 1.331 W / cm 2. This is judged to be superior to the prior art in which the power density was about 1.16 W / cm 2 at 600 ° C. at the highest level.
상기 실시예들로부터 본 발명의 이중층 페로브스카이트 구조 란탄족 산화물 캐소드 소재는 약 800℃ 이하의 중온에서 우수한 전기화학적 성능을 나타내는 고체 산화물 연료전지를 제조할 수 있게 하여 준다는 점을 확인하였다.From the above examples, it was confirmed that the double-layered perovskite structure lanthanide oxide cathode material of the present invention enables the production of a solid oxide fuel cell exhibiting excellent electrochemical performance at a medium temperature of about 800 ° C. or less.
실시예 3의 캐소드 소재의 열 안정성Thermal Stability of Cathode Materials of Example 3
도 18은 가열시 발생하는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 산소 함량의 변화를 온도에 따라 측정한 열중량 분석(TGA) 결과를 철 함량별로 나타낸 그래프이다. 세로축은 가열 전을 기준으로 산소 함량의 감소도를 중량 %로 나타낸 것이며, 가로축은 가열 온도이다.FIG. 18 is a graph showing thermogravimetric analysis (TGA) results of iron content of NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ in which oxygen content is generated according to temperature. The vertical axis represents the reduction in oxygen content in weight percent based on before heating, and the horizontal axis is the heating temperature.
열중량 분석은 미국 TA instruments사의 SDT-Q600 열중량 분석기를 이용하여 분당 2℃의 가열/냉각률로 100℃에서 900℃에 걸쳐 공기 중에서 측정하였다. 최초의 실온 산소 함량은 공기 중에서 간접 요오드 적정(iodometric titration)으로 측정하였다.Thermogravimetric analysis was measured in air over 100 ° C. to 900 ° C. at a heating / cooling rate of 2 ° C. per minute using a SDT-Q600 thermogravimetric analyzer from TA instruments, USA. The initial room temperature oxygen content was determined by indirect iodometric titration in air.
도 18의 그래프를 볼 때 산소 함량의 유지 정도로 평가한, 본 발명의 한 실시 형태에 따른 NBSCF 캐소드 소재의 열 안정성은 800℃ 이하의 작동 온도에서 쓰이는데 충분한 수준임을 알 수 있다. 격자내에서 침입형 산소(interstitial oxygen)가 상실되기 때문에 NBSCF 시료들은 200℃부터 산소를 잃기 시작하였다. 침입형 산소의 상실 정도와 철 함량 사이의 관계로부터 산소가 격자 내에서 코발트보다 철과 더 강하게 결합한다는 것을 유추할 수 있다. 이는 Fe3O4의 표준 생성 자유 에너지(-1017.438 kJ/mol)가 Co3O4의 표준 생성 자유 에너지(-794.871 kJ/mol)보다 더 크다는 것과 부합한다.18, it can be seen that the thermal stability of the NBSCF cathode material according to one embodiment of the present invention, evaluated for the degree of maintenance of oxygen content, is a sufficient level for use at an operating temperature of 800 ° C or lower. Because of the loss of interstitial oxygen in the lattice, NBSCF samples began to lose oxygen from 200 ° C. From the relationship between the degree of loss of interstitial oxygen and the iron content, one can infer that oxygen binds more strongly with iron than cobalt in the lattice. This is consistent with the standard product free energy of Fe 3 O 4 (-1017.438 kJ / mol) being greater than the standard product free energy of Co 3 O 4 (-794.871 kJ / mol).
실시예3 및 실시예4의 캐소드 소재의 전기 전도도Electrical Conductivity of Cathode Materials of Examples 3 and 4
도 19(a)와 도 19(b)는 각각 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ와 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 전기 전도도와 온도의 상관 관계를 철 함량별로 나타내는 아레니우스 그래프이다.19 (a) and 19 (b) show the correlation between electrical conductivity and temperature for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , respectively. Areneus graph showing the relationship by iron content.
실시예 3 및 실시예 4에서 합성한 NBSCF와 SBSCF 캐소드 소재의 전기 전도도와 온도의 상관 관계를 나타내는 아레니우스 그래프를 도 19(a)(NBSCF)와 도 19(b)(SBSCF)에 나타내었다.An arehenius graph showing the correlation between the electrical conductivity and temperature of the NBSCF and SBSCF cathode materials synthesized in Examples 3 and 4 is shown in FIGS. 19 (a) (NBSCF) and 19 (b) (SBSCF). .
전기 전도도는 해당 캐소드 소재로 된 캐소드를 공기 중에서 4단자 직류 배치(four terminal DC arrangement) 하여 측정하였다. 상기 네 개의 단자의 프로브로는 은 전선을 이용하였다. 전류와 전압은 100 내지 900℃의 측정 구간에서 50℃ 간격으로 BioLogic사의 일정 전위 장치(potentiostat)를 써서 측정하였다.Electrical conductivity was measured by four terminal DC arrangement of the cathode of the cathode material in air. Silver wires were used as the probes of the four terminals. Current and voltage were measured using a potentiostat of BioLogic at intervals of 50 ° C. at a measurement interval of 100 to 900 ° C.
도 19에서 캐소드 소재의 철 함량이 늘어남에 따라, 그리고 온도가 증가함에 따라 전기 전도도가 줄어드는 경향을 볼 수 있다. 단 SBSCF의 경우 x가 0에서 0.75까지는 같은 온도 하에서 철 함량이 커질수록 전기 전도도가 단조 감소하였으나, 안정된 정렬이중 페로브스카이트 구조를 유지하고 있지 않은 것으로 판단되는 x=1.0인 경우 전기 전도도가 x=0과 x=0.25인 정렬 이중 페로브스카이트 SBSCF들의 사이에 위치하였다. x=1.0인 경우 에서는 300℃를 넘는 온도에서는 온도가 증가함에 따라전기 전도도가줄어드는 금속성의 거동을 나타내었다. 반면에 x=1.0인 경우 온도가 증가함에 따라 전기 전도도도 커지다가 온도가 350℃를 넘으면서부터는 줄어드는 것을 볼 수 있는데, 이는 반도체에서 금속성 거동으로 전이가 일어난 것이다.19, it can be seen that the electrical conductivity decreases as the iron content of the cathode material increases and as the temperature increases. However, in the case of SBSCF, the electrical conductivity monotonously decreased as the iron content increased from 0 to 0.75 at the same temperature. However, when x = 1.0 which is determined to not maintain a stable alignment double perovskite structure, the electrical conductivity was It was located between the aligned double perovskite SBSCFs with x = 0 and x = 0.25. In the case of x = 1.0, at the temperature above 300 ° C, the electrical conductivity decreased as the temperature increased. On the other hand, when x = 1.0, the electrical conductivity increases as the temperature increases and then decreases as the temperature exceeds 350 ° C, which is a transition from the semiconductor to the metallic behavior.
실시예3 및 실시예4의 대칭 캐소드 반전지의 면적 비저항Area resistivity of symmetric cathode half cells of Examples 3 and 4
도 20(a)와 도 20(b)는 각각 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ와 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 임피던스의 주파수 스펙트럼을 나타내는 니퀴스트 플롯(Nyquist plot)이다.20 (a) and 20 (b) show the frequency spectra of impedances for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , respectively. Nyquist plot.
실시예 3 및 실시예 4에서 합성한 NBSCF-GDC와 SBSCF-GDC 복합 캐소드 소재 대칭 반전지의 600℃에서의 면적 비저항(area specific resistance) 거동을 도 20(a)(NBSCF)와 도 20(b)(SBSCF)에 나타내었다. 면적 비저항 측정을 위한 반전지에서는 집전기(current collector)로 은 페이스트를 이용하여 양쪽 전극에 은 전선을 연결하였다. 이 반전지를 세라믹 접착제를 써서 알루미나 튜브에 고정하였다. 임피던스 스펙트로스코피 측정은 BioLogic사의 일정 전위 장치를 써서 500℃ 내지 650℃ 범위에서 교류 섭동(AC perturbation)을 14 mA로 하여 주파수 범위 500 kHz에서 1 MHz에 걸쳐 개방 회로 전압(OCV) 하에서 이루어졌다.The area specific resistance behaviors of the NBSCF-GDC and SBSCF-GDC composite cathode symmetric half-cells synthesized in Examples 3 and 4 at 600 ° C. are shown in FIG. 20 (a) (NBSCF) and FIG. 20 (b). (SBSCF). In the half cell for measuring the area resistivity, a silver wire was connected to both electrodes using silver paste as a current collector. This half cell was fixed to the alumina tube using a ceramic adhesive. Impedance spectroscopy measurements were made under open circuit voltage (OCV) over a frequency range of 500 kHz to 1 MHz with an AC perturbation of 14 mA in the range 500 ° C. to 650 ° C. using a constant potential device from BioLogic.
면적 비저항은 전극과 관련된 모든 저항 요소, 즉 기체-캐소드 계면, 캐소드의 벌크내 또는 캐소드-전해질 계면에서 일어나는 저항을 망라한 지표이다. 면적 비저항은 고주파와 저주파 사이에서 니퀴스트 플롯(Nyquist plot)의 실수축에 대한 임피던스 절편값으로 정해진다. 도 20(a)에서 NBSCF 캐소드의 면적 비저항은 600℃에서 철 함량이 증가하는 순서로 각각 0.105 Ω·cm2, 0.066 Ω·cm2, 0.087 Ω·cm2, 0.106 Ω·cm2과 0.179 Ω·cm2였다.Area resistivity is an indicator covering all resistance elements associated with an electrode, i.e. resistance occurring at the gas-cathode interface, in the bulk of the cathode, or at the cathode-electrolyte interface. Area resistivity is defined as the impedance intercept value for the real axis of the Nyquist plot between high and low frequencies. The area resistivity of the NBSCF cathodes in Fig. 20 (a) is 0.105 Ωcm 2 , 0.066 Ωcm 2 , 0.087 Ωcm 2 , 0.106 Ωcm 2 and 0.179 Ω · in order of increasing iron content at 600 ° C., respectively. cm 2 .
도 21은 600℃에서 NBSCF50에 대한 임피던스의 주파수 스펙트럼을 나타내는 니퀴스트 플롯(Nyquist plot)이다.FIG. 21 is a Nyquist plot showing the frequency spectrum of impedance for NBSCF50 at 600 ° C. FIG.
도 21을 참조하면, NBSCF50의 경우, 공기를 불어넣어서 ASR을 측정한 결과 600℃에서 0.066 Ω·cm2을 나타내며 이는 이전의 0.087 Ω·cm2에 비해 향상된 수치이다.Referring to FIG. 21, in the case of NBSCF50, when ASR was measured by blowing air, the result was 0.066 Ω · cm 2 at 600 ° C., which is an improvement over the previous 0.087 Ω · cm 2 .
500℃와 550℃에서 더 측정한 면적 비저항 값까지 포함하여 비교할 때 NBSCF-GDC 복합 캐소드는 x=0.25인 소재가 측정 온도에서 가장 면적 비저항이 낮았는데, 500℃에서는 0.441 Ω·cm2, 600℃에서는 0.066 Ω·cm2였다. 이는 현재까지 발표되고 있는 캐소드의 500℃에서의 면적 비저항 중 가장 낮은 값으로 판단된다.NBSCF-GDC composite cathode had the lowest area resistivity at the measurement temperature when compared to the area resistivity measured at 500 ℃ and 550 ℃. At 500 ℃, 0.441 Ωcm 2 , 600 ℃ Was 0.066 Ωcm 2 . This is considered to be the lowest value of the area resistivity at 500 ° C of cathodes published to date.
도 22는 니퀴스트 플롯으로 500℃와 600℃에서 측정한 NBSCF와 500℃에서 측정한 SBSCF의 면적 비저항을 철 함량 기준으로 정리한 그래프이다. 22 is a graph showing the area resistivity of NBSCF measured at 500 ° C. and 600 ° C. and SBSCF measured at 500 ° C., based on iron content.
도 22(a)와 도 22(b)는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 각각 500℃와 600℃에서, 도 22(c)는 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 500℃에서 니퀴스트 플롯으로부터 얻은 면적 비저항(area specific resistance)을 철 함량에 따라 나타낸 그래프이다.22 (a) and 22 (b) are shown at 500 ° C. and 600 ° C. for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , respectively, and FIG. 22 (c) shows SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x. The area specific resistance obtained from the Nyquist plot at 500 ° C. for Fe × O 5 + δ is a graph showing the iron content.
500℃에서 철 함량이 늘어남에 따라 면적 비저항이 0.5 Ω·cm2 수준까지 줄어들다가 다시 늘어나는 것을 볼 수 있다. 정렬 이중 페로브스카이트 구조가 확실한 캐소드 소재(x≠1)의 면적 비저항이 x=1 인 경우보다 현저하게 낮은 것을 볼 수 있다.As the iron content increases at 500 ° C, the area resistivity decreases to 0.5 Ω · cm 2 and then increases again. It can be seen that the aligned double perovskite structure is significantly lower than the case where the area resistivity of the positive cathode material (x ≠ 1) is x = 1.
일반적으로 이동성 산소종의 농도가 커질수록 산소 환원 반응 속도가 높아질 수 있다. 본 발명의 작동 원리에 관하여 어떠한 특정 이론에 얽매이고자 하는 의도는 아니지만, 이해를 돕기 위하여 설명하자면 철 함량이 커지면서 Ln-O 층에서 침입형 산소 농도가 늘어나면 산소 환원 반응 속도(oxygen reduction kinetics)도 코발트:철 비율이 3:1에 이를 때(즉 x=0.5)까지는 빨라지는 것으로 생각된다. 하지만 이 지점에서 철 함량을 더 높이면 양이온이 질서 배치를 이루는 정렬 이중 페로브스카이트에서 질서도가 떨어지는 비정렬 단순 페로브스카이트로 산화물의 구조가 바뀌게 된다.In general, as the concentration of the mobile oxygen species increases, the rate of oxygen reduction reaction may increase. It is not intended to be bound by any particular theory regarding the working principle of the present invention, but for the sake of understanding, the oxygen reduction kinetics also increases as the iron content increases and the invasive oxygen concentration increases in the Ln-O layer. The cobalt: iron ratio is thought to be accelerated until it reaches 3: 1 (ie x = 0.5). However, higher iron content at this point changes the structure of the oxide with less orderly simple perovskite in the ordered double perovskite where the cations form an orderly arrangement.
도 20(b)의 SBSCF-GDC 캐소드도 상기 NBSCF-GDC 캐소드와 비슷한 임피던스 거동을 보이는 것을 알 수 있다. SBSCF-GDC의 경우는 NBSCF-GDC와는 약간 다르게 Fe 함량 x가 0.50, 0.75 정도일 때 산소 환원 반응 속도가 가장 빠른것으로 보인다. 하지만 x가 1에 이르도록 철이 도핑되면 정렬 이중 페로브스카이트 구조의 안정성이 나빠지면서 산소 환원 반응 속도가 느려지게 된다.It can be seen that the SBSCF-GDC cathode of FIG. 20 (b) also has an impedance behavior similar to that of the NBSCF-GDC cathode. In the case of SBSCF-GDC, the rate of oxygen reduction reaction seems to be the fastest when the Fe content x is about 0.50 and 0.75, unlike NBSCF-GDC. However, when iron is doped to x, the stability of the aligned double perovskite structure is deteriorated and the rate of oxygen reduction is slowed.
실시예3 및 실시예4의 캐소드 분극 전도도Cathode Polarization Conductivity of Examples 3 and 4
도 23(a)와 도 23(b)는 각각 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ와 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 캐소드 분극 전도도와 온도의 상관 관계를 철 함량별로 나타내는 아레니우스 그래프이다.23 (a) and 23 (b) show cathode polarization conductivity and temperature for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ and SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , respectively. Areneus graph showing correlations by iron content.
NBSCF와 SBSCF 캐소드 분극 전도도(cathode polarization conductance)의 아레니우스 그래프를 각각 도 23(a)(NBSCF)와 도 23(b)(SBSCF)에 나타내었다.Arrhenius graphs of NBSCF and SBSCF cathode polarization conductance are shown in FIGS. 23 (a) (NBSCF) and 23 (b) (SBSCF), respectively.
도 23(a)의 데이터로부터 NBSCF의 겉보기 활성화 에너지(apparent activation energy)는 철 함량(x) 0, 0.25, 0.50, 0.75와 1.0에 대하여 각각 105.76 kJ/mol, 95.46 kJ/mol, 101.81 kJ/mol, 104.98 kJ/mol과 126.46 kJ/mol이었다. 이 겉보기 활성화 에너지는 질서 있는 정렬 이중 페로브스카이트 구조가 질서도가 떨어지는 비정렬 단순 페로브스카이트 구조보다 활성화 에너지가 더 낮다는 것을 보여 준다.From the data in FIG. 23 (a), the apparent activation energy of NBSCF was 105.76 kJ / mol, 95.46 kJ / mol, 101.81 kJ / mol for iron content (x) 0, 0.25, 0.50, 0.75 and 1.0, respectively. , 104.98 kJ / mol and 126.46 kJ / mol. This apparent activation energy shows that the ordered aligned double perovskite structure has lower activation energy than the less ordered unaligned simple perovskite structure.
도 24는 도 23(a)의 아레니우스 그래프 및 활성화 에너지를 나타낸다.FIG. 24 shows the Arrhenius graph and activation energy of FIG. 23 (a).
도 24를 참조하면, 전술한 바와 같이 공기를 공급하며 측정한 결과 NBSCF-GDC 의 활성화 에너지는 철 함량(x) 0, 0.5, 와 1.0에 대하여 101.07 kJ/mol, 90.08 kJ/mol, 107.55 kJ/mol 로 향상된다.Referring to FIG. 24, the activation energy of the NBSCF-GDC as measured as described above was supplied with air of 101.07 kJ / mol, 90.08 kJ / mol, and 107.55 kJ / for iron contents (x) of 0, 0.5, and 1.0. improved to mol
도 23(b)의 SBSCF-GDC 캐소드도 상기 NBSCF-GDC 캐소드와 비슷한 활성화 에너지를 지닌다는 것을 알 수 있다. 반전지 비저항 측정 결과로부터 SBSCF-GDC 캐소드의 활성화 에너지를 구하면 각각 125.28 kJ/mol, 116.88 kJ/mol, 104.59 kJ/mol, 112.15 kJ/mol과 119.93 kJ/mol이었다. 즉, x=0.5 근처에서 활성화 에너지가 최소임을 보여주고 있으며, 비정렬 페로브스카이트 구조인 x=1.0의 경우와 철이 포함되지 않은 경우(x=0.0)에 활성화 에너지가 다소 크게 나타남을 확인할 수 있다.It can be seen that the SBSCF-GDC cathode of FIG. 23 (b) also has an activation energy similar to that of the NBSCF-GDC cathode. The activation energy of the SBSCF-GDC cathode was 125.28 kJ / mol, 116.88 kJ / mol, 104.59 kJ / mol, 112.15 kJ / mol and 119.93 kJ / mol, respectively. In other words, it shows that the activation energy is minimal near x = 0.5, and the activation energy appears somewhat larger in the case of the unaligned perovskite structure x = 1.0 and in the absence of iron (x = 0.0). have.
도 25는 도 23(b)의 아레니우스 그래프 및 활성화 에너지를 나타낸다.25 shows the Arrhenius graph and activation energy of FIG. 23 (b).
도 25를 참조하면, 전술한 바와 같이 공기를 공급하며 측정한 결과 SBSCF-GDC 의 활성화 에너지는 철 함량(x) 0, 0.5, 와 1.0에 대하여 114.06 kJ/mol, 101.13 kJ/mol, 112.23 kJ/mol 로 향상된다.Referring to FIG. 25, the activation energy of SBSCF-GDC as measured as described above was supplied with 114.06 kJ / mol, 101.13 kJ / mol, and 112.23 kJ / for iron content (x) of 0, 0.5, and 1.0. improved to mol
실시예3 및 실시예4의 전체 전지의 전력 밀도Power Density of the Whole Cell of Examples 3 and 4
도 26은 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.FIG. 26 is a graph showing IV polarization curves for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ .
실시예 3 및 실시예 4에서 얻은 NBSCF와 SBSCF의 복합 캐소드 소재와 GDC 전해질, NiO-GDC 복합 애노드 전체 전지의 전기화학적 성능을 평가하였다. I-V 분극 곡선은 BioLogic사의 일정 전위 장치를 이용하여 500 내지 650℃에서 측정하였다. 500 내지 650℃에서 가습 수소 기체(3% 수분)을 연료로, 정지 상태인 주위 공기를 산화제로 사용하였다. 도 26(a) 내지 도 26(e)는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ-GDC 캐소드 함유 전지에 대하여 측정한 I-V 분극 곡선과 전력 밀도를 x 값이 늘어나는 순서로 나타낸 그래프이다. x=0인 NdBa0.5Sr0.5Co2O5+δ 정렬 이중 페로브스카이트 구조의 최대 전력 밀도는 500℃, 550℃, 600℃과 650℃에서 각각 0.246, 0.482, 0.814와 1.152 W/cm2이었다. 반면에 x=1인 NdBa0.5Sr0.5CoFeO5+δ 비정렬 단순 페로브스카이트 구조의 경우는 전력 밀도가 500℃, 550℃, 600℃과 650℃에서 각각 0.215, 0.451, 0.814와 1.225 W/cm2이었다. 이 결과는 질서도가 떨어지는 NdBa0.5Sr0.5CoFeO5+δ의 최대 전력 밀도가 고도로 질서 있는 NdBa0.5Sr0.5Co2O5+δ보다 고온에서는 상대적으로 낮다는 것을 가리킨다. 전해질의 두께를 10~15 um로 줄이고, 전극 제작방법을 drop coating 방법으로 바꾸게 되면 성능이 더 향상된다.The electrochemical performance of the composite cathode material of NBSCF and SBSCF, GDC electrolyte, and NiO-GDC composite anode cells obtained in Examples 3 and 4 was evaluated. IV polarization curves were measured at 500 to 650 ° C. using a constant potential device from BioLogic. Humidified hydrogen gas (3% moisture) was used as the fuel at 500 to 650 ° C, and stationary ambient air was used as the oxidant. 26 (a) to 26 (e) are graphs showing IV polarization curves and power densities measured for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ -GDC cathode containing cells in order of increasing x value to be. The maximum power densities of NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 O 5 + δ aligned double perovskite structure with x = 0 are 0.246, 0.482, 0.814 and 1.152 W / cm 2 at 500 ° C, 550 ° C, 600 ° C and 650 ° C, respectively. It was. On the other hand, NdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + δ unaligned simple perovskite structures with x = 1 have power densities of 0.215, 0.451, 0.814 and 1.225 W / 500 at 500 ° C, 550 ° C, 600 ° C and 650 ° C, respectively. cm 2 . This result indicates that the lower order NdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + δ maximum power density is relatively lower at higher temperatures than the highly ordered NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 O 5 + δ . If the thickness of the electrolyte is reduced to 10-15 um and the electrode manufacturing method is changed to the drop coating method, the performance is further improved.
도 27 및 도 28은 각각 NdBa0.5Sr0.5Co2O5+δ-GDC 및 NdBa0.5Sr0.5CoFeO5+δ-GDC 에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프들이다.27 and 28 are graphs showing IV polarization curves for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 O 5 + δ -GDC and NdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + δ -GDC, respectively.
도 27을 참조하면, NdBa0.5Sr0.5Co2O5+δ 정렬 이중 페로브스카이트 구조의 최대 전력 밀도는 500℃, 550℃, 600℃과 650℃에서 각각 0.55, 1.06, 1.69와 2.35 W/cm2이었다.Referring to FIG. 27, the maximum power densities of the NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2 O 5 + δ aligned double perovskite structure were 0.55, 1.06, 1.69 and 2.35 W / at 500 ° C, 550 ° C, 600 ° C and 650 ° C, respectively. cm 2 .
도 28을 참조하면, NdBa0.5Sr0.5CoFeO5+δ 의 경우 최대 전력 밀도는 500℃, 550℃, 600℃과 650℃에서 각각 0.56, 1.01, 1.57와 2.07 W/cm2로 개선된다.Referring to FIG. 28, the maximum power density for NdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + δ is improved to 0.56, 1.01, 1.57 and 2.07 W / cm 2 at 500 ° C., 550 ° C., 600 ° C. and 650 ° C., respectively.
또한, 온도가 낮아지면 비정렬 단순 페로브스카이트 구조의 산화물 캐소드의 전기화학적 성능이 정렬 이중 페로브스카이트 캐소드보다 상당히 떨어지는 것도 분명하다. 철 함량과 전기화학적 성능의 관계를 살펴보면 NBSCF는 철 함량이 0을 기준으로 x=0.25까지는 철 함량과 전기화학적 성능이 같이 증가하다가, 0.25를 넘어서면 다시 감소하였다. 예를 들어 600℃에서 NBSCF-GDC 캐소드를 가지는 전지는 전력 밀도 1.104 W/cm2로 기존에 보고되고 있는 값 중에 가장 우수한 것으로 판단된다. It is also clear that at lower temperatures the electrochemical performance of the oxide cathodes of the unaligned simple perovskite structure is significantly lower than the aligned double perovskite cathodes. In the relationship between the iron content and the electrochemical performance, NBSCF increased the iron content and the electrochemical performance up to x = 0.25 based on the iron content, and then decreased again after 0.25. For example, a battery having an NBSCF-GDC cathode at 600 ° C. is considered to be the best among previously reported values with a power density of 1.104 W / cm 2 .
도 29는 NBSCF-GDC 캐소드를 가지는 전지의 전력 밀도를 나타낸 그래프이다.29 is a graph showing the power density of a battery having an NBSCF-GDC cathode.
도 29를 참조하면, 전술한 바와 같이 제작방법을 개선하면 전력 밀도는 1.95 W/cm2 가 된다. 500℃, 550℃와 650℃에서 각각 0.63, 1.17, 2.52 W/cm2이었다.Referring to FIG. 29, when the manufacturing method is improved as described above, the power density becomes 1.95 W / cm 2 . It was 0.63, 1.17, 2.52 W / cm <2> at 500 degreeC, 550 degreeC, and 650 degreeC, respectively.
도 30은 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ-GDC 캐소드 함유 전지에 대하여 측정한 I-V 분극 곡선과 전력 밀도를 철의 함량(x)이 늘어나는 순서로 나타낸 그래프이다. FIG. 30 is a graph showing IV polarization curves and power densities measured for SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ- GDC cathode containing cells in order of increasing iron content (x).
SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ-GDC 캐소드의 경우 Fe의 함량이 0.50일 때 최대 전력 밀도가 600℃에서 0.964 W/cm2로 가장 높은 전기화학적 성능을 보였다.SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ -GDC cathode showed the highest electrochemical performance with the maximum power density of 0.964 W / cm 2 at 600 ° C when the Fe content was 0.50.
도 31은 도 30의 전지의 전력 밀도를 나타낸 그래프이다.FIG. 31 is a graph illustrating power density of the battery of FIG. 30.
도 31을 참조하면, 제작방법을 개선하면 최대 전력 밀도는 1.56 W/cm2로 개선된다.Referring to FIG. 31, when the manufacturing method is improved, the maximum power density is improved to 1.56 W / cm 2 .
도 32(a)와 도 32(b)는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ에 대하여 각각 500℃와 600℃에서 I-V 분극 곡선으로부터 얻은 전력 밀도를 철 함량에 따라 나타낸 그래프이다.32 (a) and 32 (b) are graphs showing power densities obtained from IV polarization curves according to iron content at 500 ° C. and 600 ° C. for NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , respectively. .
도 32(a)와 도 32(b)에 나타난 바와 같이, NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ-GDC 캐소드 함유 전지의 성능(x=0.25, 0.50과 0.70)은 x=0.5일 때 600℃에서 1 W/cm2을 넘어 가장 우수하였고, 철 함량이 더 커지면 전기화학적 성능이 감소하였다.As shown in FIGS. 32 (a) and 32 (b), the performance (x = 0.25, 0.50 and 0.70) of the NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ- GDC cathode-containing battery was x = 0.5. It was the best exceeding 1 W / cm 2 at 600 ℃ when, the higher the iron content was reduced the electrochemical performance.
상기 실시예들로부터 본 발명의 정렬 이중 페로브스카이트 구조 란탄족 산화물 캐소드 소재는 800℃ 이하의 중온에서 우수한 전기화학적 성능을 나타내는 고체 산화물 연료전지를 제조할 수 있게 하여 준다는 점을 확인하였다.From the above examples, it was confirmed that the aligning double perovskite structure lanthanide oxide cathode material of the present invention makes it possible to manufacture a solid oxide fuel cell exhibiting excellent electrochemical performance at a medium temperature below 800 ° C.
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. Although the present invention has been described with reference to specific contents and some embodiments as described above, it should be understood that this is only a description given as a specific example in order to help a more general understanding of the present invention. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and those skilled in the art may make various modifications and variations to such embodiments, and such modifications and variations are also within the spirit of the present invention. Covered in
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, the embodiments described above and the appended claims, as well as all equivalents and equivalent modified embodiments of the claims, fall within the scope of the present invention.
Claims (25)
- 화학식 RSQO5+δ의 화합물을 포함하는, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재: A cathode material for a solid oxide fuel cell, comprising a compound of formula RSQO 5 + δ :상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 S는 알카리 토금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, 상기 Q는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이고, O는 산소이고, R is one or more elements selected from lanthanides, S is one or more elements selected from alkaline earth metal groups, Q is one or more elements selected from transition metals, O is oxygen,상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 RSQO5+δ의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Δ is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of formula RSQO 5 + δ electrically neutral.
- 제1항에 있어서,The method of claim 1,상기 화학식 RSQO의 화합물은 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재:The compound of formula RSQO comprises a compound of formula 1, the cathode material for a solid oxide fuel cell:<화학식 1><Formula 1>AA'1-xCaxB2O5+δ AA ' 1-x Ca x B 2 O 5 + δ상기 화학식 1에서, 상기 A는 상기 란탄족에서 선택된 원소, 상기 A'는 상기 알카리 토금속족에서 선택된 원소, 그리고 상기 B는 상기 전이금속에서 선택된 원소이며,In Formula 1, A is an element selected from the lanthanide group, A 'is an element selected from the alkaline earth metal group, and B is an element selected from the transition metal,상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, X is a number greater than 0 and less than 1.0,상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Δ is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of Formula 1 electrically neutral.
- 제2항에 있어서,The method of claim 2,상기 A는 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr) 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재. The A is any one of neodymium (Nd), praseodymium (Pr) or a mixture thereof, the cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제2항에 있어서,The method of claim 2,상기 A'는 바륨(Ba)인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.A 'is barium (Ba), the cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제2항에 있어서,The method of claim 2,상기 B는 코발트(Co)인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.B is cobalt (Co), the cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제2항에 있어서,The method of claim 2,상기 x는 0 초과 0.5 이하인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.X is greater than 0 and less than or equal to 0.5, a cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제2항에 있어서,The method of claim 2,상기 화학식 1은 PrBa1-xCaxCo2O5+δ 인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.Formula 1 is a PrBa 1-x Ca x Co 2 O 5 + δ , the cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제1항에 있어서,The method of claim 1,상기 화학식 RSQO의 화합물은 하기의 화학식 2의 화합물을 포함하는, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재:The compound of Formula RSQO comprises a compound of Formula 2, the cathode material for a solid oxide fuel cell:<화학식 2><Formula 2>AA'0.75A''0.25B2-xB'xO5+δ AA ' 0.75 A'' 0.25 B 2-x B' x O 5 + δ상기 화학식 2에서, 상기 A는 상기 란탄족에서 선택된 원소이고, 상기 A' 및 상기 A''는 상기 알칼리 토금속 족에서 선택된 서로 다른 원소이고, 상기 B 및 상기 B'는 상기 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소이고,In Formula 2, A is an element selected from the lanthanide group, A 'and A' 'are different elements selected from the alkaline earth metal group, and B and B' are different from each other selected from the transition metal. Elemental,상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, X is a number greater than 0 and less than 1.0,상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Δ is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of Formula 2 electrically neutral.
- 제8항에 있어서,The method of claim 8,상기 A는 란타늄(La), 사마륨(Sm), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 가돌리늄(Gd) 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.The A is any one of lanthanum (La), samarium (Sm), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), gadolinium (Gd) or a mixture thereof, the cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제8항에 있어서,The method of claim 8,상기 A'는 바륨(Ba)이고, 상기 A''는 칼슘(Ca) , 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.A ′ is barium (Ba), and A ″ is calcium (Ca), a cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제8항에 있어서,The method of claim 8,상기 B는 코발트(Co)이고, 상기 B'는 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 니켈(Ni), 또는 이들의 혼합물인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.B is cobalt (Co), and B 'is iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), nickel (Ni), or a mixture thereof, a cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제8항에 있어서,The method of claim 8,상기 x는 0 초과 0.5 이하인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.X is greater than 0 and less than or equal to 0.5, a cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제8항에 있어서,The method of claim 8,상기 화학식 2는 NdBa0.75Ca0.25Co2-xFexO5+δ 인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.Formula 2 is NdBa 0.75 Ca 0.25 Co 2-x Fe x O 5 + δ , the cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제1항에 있어서,The method of claim 1,상기 화학식 RSQO의 화합물은 하기의 화학식 3의 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재:The compound of formula RSQO is a solid oxide fuel cell cathode material comprising the compound of formula<화학식 3><Formula 3>LnBaaSrbCo2-xFexO5+δ LnBa a Sr b Co 2-x Fe x O 5 + δ상기 화학식 3에서, 상기 Ln은 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 또는 이들의 혼합물이고, 상기 a와 b는 각각 0 초과 1 미만의 수들로서, a+b=1을 만족하고, 상기 x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, 상기 δ는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 3, Ln is samarium, neodymium, praseodymium, or a mixture thereof, wherein a and b are each greater than 0 and less than 1, and satisfies a + b = 1, and x is greater than 0 and less than 1.0 Is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of Formula 3 electrically neutral.
- 제14항에 있어서,The method of claim 14,상기 a와 상기 b는 0.5인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.And a and b are 0.5, the cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제14항에 있어서,The method of claim 14,상기 x는 0.25 이상 0.75 이하인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.X is 0.25 or more and 0.75 or less, the cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제16항에 있어서,The method of claim 16,상기 x는 0.25 이상 0.50 이하인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.X is 0.25 or more and 0.50 or less, the cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제14항에 있어서,The method of claim 14,상기 캐소드 소재는, PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ, SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ 또는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ이고, 상기 x는 0 초과 0.75 이하인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.The cathode material is PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ , SmBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ or NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 2-x Fe x O 5 + δ X is greater than 0 and less than or equal to 0.75.
- 제18항에 있어서,The method of claim 18,상기 x는 0.25 이상 0.50 이하인, 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재.X is 0.25 or more and 0.50 or less, the cathode material for a solid oxide fuel cell.
- 제 1항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물 및 유기 바인더를 더 포함하는 캐소드용 조성물.20. A composition for a cathode, further comprising a cathode material according to claim 1, an oxygen ion conducting solid oxide, and an organic binder.
- 제20항에 있어서,The method of claim 20,상기 산소 이온 전도성 고체 산화물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 란탄스트론튬마그네슘 갈레이트(LSGM) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 캐소드용 조성물.The oxygen ion conducting solid oxides are yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), samaria doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC), lanthanum strontium magnesium gallate (LSGM) and these The composition for a cathode selected from the group consisting of.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 캐소드 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드.20. A cathode for a solid oxide fuel cell comprising the cathode material of claim 1.
- 제22항에 있어서, The method of claim 22,상기 캐소드가 산소 이온 전도성 고체 산화물과 상기 화학식 1의 화합물, 상기 화학식 2의 화합물, 또는 상기 화학식 3의 화합물의 복합체인 고체 산화물 연료전지용 캐소드.A cathode for a solid oxide fuel cell, wherein the cathode is a complex of an oxygen ion conductive solid oxide and the compound of Formula 1, the compound of Formula 2, or the compound of Formula 3. 3.
- 제23항에 따른 캐소드; A cathode according to claim 23;상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드; 및 An anode disposed facing the cathode; And상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지.A solid oxide fuel cell comprising an electrolyte that is an oxygen ion conducting solid oxide disposed between the cathode and the anode.
- 제24항에 있어서,The method of claim 24,상기 고체산화물 연료전지의 작동 온도가 800℃ 이하인, 고체 산화물 연료전지.Solid oxide fuel cell, the operating temperature of the solid oxide fuel cell is 800 ℃ or less.
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