KR100499651B1 - 고온연료전지용전기화학적활성소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 층(layer)상으로 설계되어 있고, 음극층(3), 양극층(4) 및 양극층과 음극층 사이의 전해질층(2)을 포함하는 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자(electrochemically active element)(1)에 관한 것이다.
전해질이 이트륨(Y)에 의해 안정화된 산화 지르코늄(ZrO2)으로 이루어진 세라믹 물질이고, 추가적으로 산화 알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다. 음극이 전해질층 상에서 소결을 통해 혼합 분말로 제조된다. 이 음극 혼합물이 산화물 NiO 및 CeO2를 포함하고, A가 예를 들면 Sm, Y, Gd 및/또는 Pr인 A2O3형 산화물을 포함할 수 있다. 혼합물의 소결 온도를 낮추기 위하여 0.5 내지 5 몰%의 CoO, FeO 및/또는 MnO를 음극 혼합물에 첨가한다.

Description

고온 연료전지용 전기화학적 활성 소자{ELECTROCHEMICALLY ACTIVE ELEMENT FOR A HIGH TEMPERATURE FUEL CELL}
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 고온 연료전지용 전기화학적 활성 소자(electrochemically active element) 및 연료전지 배터리에 관한 것이다.
예를 들어 EP-A 0 714 147(=P.6651)와 같은 고온 연료전지내에는 소위 PEN이라는 전기 화학적 활성소자는 자체 지지판(self supporting plate)으로 형성되어 있는데, 매우 얇고 취성(聚性)을 갖게 된다. PEN은 양극(P), 전해질(E) 및 음극(N)으로 구성되어 있다. 양극(cathode)은 공기쪽에 배열되어 있고, 음극(anode)은 가스쪽에 배열되어 있다. PEN은 연료전지 제조에 사용되는 독립 소자이다. PEN이 프레질(fragile)하기 때문에, 배터리를 조립하는데 어려움이 있다.
약 900℃의 작동 온도에서 산소 이온을 전도시키는 전해질은 안정화 산화 지르코늄(ZrO2)로 구성되어 있는데, 산소 이온의 이동성을 개선하기 위하여 추가물질 즉, 예를 들어 3 내지 12 몰% 정도의 산화이트륨(Y2O3)을 첨가하여 왔다. 또한, 더 큰 세기(strength)의 전해질층을 얻기 위하여 2 내지 20 몰%의 A2O3를 첨가할 수 있다. 전극은 먼저 음극이 소결온도 약 1250 내지 1450 ℃에서, 다음에 양극이 조금 낮은 소결온도 약 1100 내지 1300 ℃에서 소결(sintering)에 의해 전해질층에 도입된다. 음극물질의 소결 중 고온의 영향으로 전해질층에서 입자의 성장이 일어나 전해질층이 더욱 더 큰 취성을 갖게 된다. 따라서, 배터리를 조립할때는 특별한 주의가 요구된다. 특히 배터리의 반복되는 운전 중단으로 온도가 하강한 후 재상승한다면, 운전시 PEN에서 균열(cracks)이 또한 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은 기존의 PEN보다 더 작은 취성을 갖는 고온 연료전지용 전기화학적 활성 소자를 제공하는 것이다. 이러한 목적은 청구항 1에서 특징지어지는 소자(element)에 의해 충족된다.
고온 연료전지용 전기화학적 활성 소자(1)는 층(layers)상으로 설계되며, 음극층, 양극층 및 음극층과 양극층사이에 있는 전해질층을 포함한다. 전해질은 이트륨(Y)에 의해 안정화된 산화 지르코니움(ZrO2)으로 이루어진 세라믹 물질인데, 추가로 산화 알루미늄(Al2O3)를 또한 포함할 수 있다. 음극은 전해질층에서 소결을 통해 혼합 분말로 제조된다. 이러한 음극 혼합물은 산화물 NiO 및 CeO2를 포함하며, 예를 들어 A가 Sm, Y, Gd 및/또는 Pr인 A2O3형 산화물을 포함한다. 본 발명에 따르면, 혼합물의 소결 온도를 낮추기 위해 0.5 내지 5 몰%의 CoO, FeO 및/또는 MnO가 음극 혼합물에 첨가된다. 본 발명에 따라 실시하면 음극제조시 소결온도가 내려가기 때문에, 전해질내 결정의 성장이 덜 강하게 나타나 전해질층의 최초 세기(strength)가 대부분 유지된다.
종속항인 특허청구범위 제2항 내지 제10항은 본 발명에 따른 소자의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 특허청구범위 제11항의 요지는 본 발명에 따른 소자를 갖는 연료 전지 배터리이다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 설명한다.
연료 전지 배터리(도 1, 10)는 평면형 가스및 공기 공급장치(6)를 함께 갖는 복수개의 PEN(1)을 포함하고 있다. 배터리(10)는 실제적으로 중앙의 축(17)을 기준으로 대칭이 되도록 설계되어 있다. 분리 가능한 소자(1, 6)는 교대로 스택형(stack-like)으로 배열되어 있으며, 전체 전극 부위에 걸쳐 균일하게 분포되어 있는 많은 접촉 위치에서 서로 전기적으로 접촉하고 있다.
기체 연료(70)는 스택축(17)을 따라 나있는 중앙 통로(7)를 통해 그리고 개별적인 가스 및 공기 공급장치 소자(6)을 통해 음극(3)에 공급된다. 공기(80)는 스택 주위로 공급되어 갭형(gap-shaped) 챔버(81)로 들어간다. 챔버(81)내에 예열이 있은 후 공기는 중앙의 통과 개구(82)를 통해 양극(4)으로 들어간 후, 가스(70)에 평행한 스택 주변을 따라 되돌아 나간다. 전극(3, 4)에 면하고 있는 가스 및 공기 공급 소자(6)의 측면은 전극사이의 전기적 접촉점을 형성하고 있는 엘러베이션(73,84)을 가지고 있다. 개별적인 PEN에서 발생되는 전압에 의한 전류가 스택(17)의 축방향으로 흐르게 하기 위하여, 가스 및 공기 공급 소자(6)는 금속 물질로 이루어져 있다.
PEN의 평면 구조가 도 2에 도시되어 있는데, 음극(3), 전해질(2), 양극(4) 및 중간층(5)로 구성되어 있다. 여기서, 중간층은 반드시 필요한 것은 아니나, 전해질층(2)와 양극층(4)사이에 배열되어 전자 및 이온 전도를 촉진시킴으로써 분극에 의한 영향을 감소시킨다. 나아가, 중간층은 양극(4)의 소결이 일어나는 동안 확산 장벽(diffusion barrier)으로써 바람직하지 않은 단계의 형성을 막기 때문에 PEN의 장기적인 안정성을 개선한다.
전극 제조시 실크 스크린 프린팅 기술을 사용하여 혼합 분말을 투입한다. 여기서, 분말 입자는 바인딩, 건조 및 용해를 통해 혼합되어 흐를수 있는 혼합물로 형성된다. 예를 들어 점성에 영향을 미치고자 한다면, 예로 왁스와 같은 물질을 추가로 첨가한다면 바람직하다.
전해질층(2)의 두께는 약 100 내지 300㎛에 이르고, 음극층(3) 및 양극층(4)의 두께는 각각 약 30㎛이다. 중간층(5)의 두께는 그 평균이 약 1 내지 5㎛ 사이이다. 중간층의 양극층(4) 방향 경계면(45)을 전해질층(2) 방향 경계면(25)보다 매우 넓게 하기 위하여 중간층의 두께에 미크론 범위내에서 큰 변화를 둔다.
음극(3)의 혼합 분말은 예를 들어 A가 Sm(사마륨), Y(이트륨), Gd(가돌리늄) 및/또는 Pr(프라세오디뮴)인 A2O3형 산화물 뿐만 아니라 산화물 NiO와 CeO2를 포함하고 있다. 혼합물의 소결온도를 낮추기 위해 상기 음극 혼합물에 0.5 내지 5 몰%의 CoO, FeO 및/또는 MnO가 첨가된다. 상기 물질로 소결온도를 적어도 100 K 정도 낮출 수 있다.
음극 혼합물에서 NiO성분은 바람직하게 60 내지 80 중량%의 비율로 부분적으로 RuO2로 대체될 수 있다. 메탄의 개질(reforming) 즉, H2O가 없는 연료 가스내에서 CH4의 CO 및 H2로의 전환이 음극(3)에 의해 수행될 경우, 상기 물질이 형성된다.
A2O3형 산화물이 약 10 내지 20 몰%로 음극 혼합물에 포함되어 있고, 나머지는 NiO 외에 CeO2 와 CoO, FeO 및/또는 MnO로 구성되며, 필요에 따라서는 RuO2로 구성되어 있다.
양극(4)의 혼합 물질은 다음과 같은 조성을 가지고 있다.
(Ln1-wEw)(G1-zJz)O3,
여기서 Ln은 란탄족 원소이며, 예를 들어 Y, La 또는 Pr이고, 바람직하게는 Pr이며,
E는 알칼리 토금속이며, 예를 들어 Mg, Ca 또는 Sr이고, 바람직하게는 Sr이며,
G는 전이 금속이며, 예를 들어 Cr, Mn, Fe, Co 또는 Ni이고, 바람직하게는 Mn이며,
J는 G와 동일하지 않은 2차 전이 금속이고, 바람직하게는 Co이며,
더 나아가 W는 0.1 보다 크고 0.5 보다 작으며, 바람직하게는 0.4이며,
Z는 0.01보다 크고 0.5보다 작으며, 바람직하게는 0.02이다.
양극 혼합물의 10 내지 30 중량부를 일부분 또는 전체적으로 안정화된 ZrO2로 대체할 수 있다. 양극 혼합물에 포함되어 있는 금속 예를 들면, Pr, Sr, Mn 및 Co는 혼합 분말에 유기 물질, 특히 아세테이트의 염으로써 투입된다. 연료 전지의 운전시 즉, 작동 온도까지 가열되고 공기중 산소의 작용하에 있을 때, 금속이 산화 금속으로 변하고 동시에 유기 물질이 제거된다. 또한, 귀금속염 특히, 팔라듐아세테이트는 양극의 반응을 촉매로써 촉진시키기 위하여 양극 혼합물에 첨가될 수 있다.
중간층은 매우 많은 부분이 세라믹 물질로 이루어져 있는데, 이 세라믹 물질의 일부는 CeO를, 다른 일부는 양극 혼합물질에서와 같은 A2O3형 산화물를 포함하고 있다. 소결 온도를 낮추기 위하여 음극 혼합 물질에 첨가되었던 것과 같은 물질 즉, CoO, FeO 및/또는 MnO를 상기 물질에 첨가한다. 따라서, 조성물은 다음과 같은 공식으로 표시된다.
여기서, A는 원소 Y, Pr, Sm 및/또는 Gd 중의 하나이며,
D는 원소 Fe, Co 및/또는 Mn 중의 하나이며,
나아가, X는 0.1보다 크고, 0.4보다 작으며,
y는 0.005보다 크고 0.05보가 작으며,
δ는 0.1의 차수 크기를 갖는 작은 수이다.
상기 제시된 조성물 중 하나를 갖는 PEN은 평면형 대신에 곡면형 예를 들면, 관형(管形)도 될 수 있다.
본 발명의 고온 연료 전지용 전기화학적 소자는 기존의 PEN보다 더 작은 취성을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 배터리의 단면을 도시한 것으로, 좌측은 측면도를 우측은 황단면을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기화학적 활성 소자의 횡단면을 개략적으로 도시한 도면이다.

Claims (11)

  1. 층(layer)상으로 설계되어 있고, 음극층(3),양극층(4), 및 양극층과 음극층 사이에 전해질층(2)을 포함하는 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자(electrochemically active element)에 있어서,
    a) 상기 전해질은 이트륨(Y)에 의해 안정화된 산화 지르코늄(ZrO2)으로 이루어진 세라믹 물질이고, 추가적으로 산화 알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있으며,
    b) 상기 음극은 전해질층 상에서 소결을 통해 혼합 분말로 제조되며,
    c) 상기 음극 혼합물은 산화물 NiO 및 CeO2를 포함하고, A가 예를 들면 Sm, Y, Gd 및/또는 Pr인 A2O3형 산화물을 포함할 수 있으며,
    d) 상기 혼합물의 소결 온도를 낮추기 위하여 0.5 내지 5 몰%의 CoO, FeO 및 /또는 MnO를 음극 혼합물에 첨가하는
    고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극 혼합물의 NiO성분은 부분적으로 RuO2로 대체될 수 있으며, 상기 RuO2 성분의 양은 약 60 내지 80 중량%인 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 A2O3형 산화물이 최고 20 몰%로 음극 혼합물에 포함되며, 상기 음극 혼합물의 나머지는 NiO외에 CeO2와 CoO, FeO 및/또는 MnO로 구성되며, 필요에 따라서는 RuO2로 구성되는 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    상기 양극(4)는 소결을 통해 혼합 분말로 제조되며, 이 양극 혼합물이 하기 조성
    (Ln1-wEw)(G1-zJz)O3,
    여기서 Ln은 란탄족 원소이며, 예를 들어 Y, La 또는 Pr이고, 바람직하게는 Pr이고,
    E는 알칼리 토금속이며, 예를 들어 Mg, Ca 또는 Sr이고, 바람직하게는 Sr이며,
    G는 전이 금속이며, 예를 들어 Cr, Mn, Fe, Co 또는 Ni이고, 바람직하게는 Mn이고,
    J는 G와 동일하지 않은 2차 전이 금속이며, 바람직하게는 Co이며,
    더 나아가 W는 0.1 보다 크고 0.5 보다 작으며, 바람직하게는 0.4이고,
    Z는 0.01보다 크고 0.5보다 작으며, 바람직하게는 0.02
    를 가지는 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양극 혼합물의 10 내지 30 중량%가 일부분 또는 전부분이 안정화된 산화 지르코늄(ZrO2)으로 대체되는 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자.
  6. 제4항에서,
    양극 혼합물에 포함된 금속 예를 들어, Pr, Sr, Mn 및 Co가 유기 물질, 특히 아세테이트의 염으로서 혼합 분말에 투입되며, 연료전지의 운전시 상기 유기 물질의 제거와 동시에 공기 중 산소의 작용하에 상기 금속이 산화 금속으로 변환되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자.
  7. 제4항에서,
    분극 현상(polarization effect)을 감소시키는 중간층(5)이 전해질층(2)과 양극층(4)사이에 배열되는 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자.
  8. 제7항에서,
    상기 중간층(5)의 매우 많은 부분이 세라믹 물질로 구성되어 있으며, 소결 온도를 낮추기 위하여 음극 혼합 물질에 첨가되었던 것과 같은 물질 즉, CoO, FeO 및/또는 MnO를 상기 세라믹 물질에 첨가하며, 상기 세라믹 물질의 일부는 CeO를, 다른 일부는 음극 혼합물질에서와 같은 A2O3형 산화물을 포함하고 있고,
    상기 중간층이 하기 식
    여기서, A는 원소 Y, Pr, Sm 및/또는 Gd 중의 하나이며,
    D는 원소 Fe, Co 및/또는 Mn 중의 하나이고,
    나아가, X는 0.1보다 크고, 0.4보다 작으며,
    y는 0.005보다 크고 0.05보다 작고,
    δ는 0.1의 차수 크기를 갖는 작은 수
    로 표시되는 조성물인 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자.
  9. 제8항에서,
    상기 중간층(5)의 두께는 그 평균이 약 1 내지 5㎛이며, 중간층의 양극층(4) 방향 경계면을 전해질층 방향 경계면보다 매우 넓게 하기 위하여, 상기 중간층의 두께를 미크론 범위내에서 크게 변화시키는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    상기 소자가 평면으로 설계되고, 상기 전해질층(2)의 두께가 약 100 내지 300㎛이며, 상기 양극층과 음극층(3, 4)의 두께가 각각 약 30㎛인 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지용 전기화학적 활성 소자.
  11. 제10항에 따른 전기화학적 활성 소자를 가지며, 상기 소자의 대부분이 평면형 가스 및 공기 공급 소자(6)와 함께 스택 모양으로 배열되어 있으며, 각 소자(1, 6)가 분리가능하게 서로 접촉하는 연료전지 배터리.
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