KR100863315B1 - 고체 산화물 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료 전지에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 양극 및 음극을 다수의 나노 와이어 또는 나노 로드 형태로 형성하여 더욱 빠른 전기 화학적 반응을 유도하도록 하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 고체 산화물 전해질과, 고체 산화물 전지(전해질)의 일측 표면에 다수의 나노 와이어 형태로 형성된 양극과, 고체 산화물 전지(전해질)의 타측 표면에 다수의 나노 와이어 형태로 형성된 음극으로 이루어진 고체 산화물 연료 전지를 개시한다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 고체 산화물 연료 전지는 전해질과 접촉하는 양극 및 음극이 다수의 나노 와이어 형태로 형성됨으로써, 전해질과 양극 및 음극 사이의 반응 면적이 넓어져, 전자(혹은 이온)의 트랜스포트 레이트 및 전지 효율이 증가된다. 또한, 본 발명에 의한 고체 산화물 연료 전지는 양극 및 음극에 자연스럽게 연료와 공기의 반응을 위한 유로가 형성됨으로써, 별도의 복잡한 유로 형성 설계가 필요 없게 된다.
고체 산화물 연료 전지, 나노 와이어, 나노 로드, 전착, 전기영동

Description

고체 산화물 연료 전지{Solid Oxide Fuel Cell}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지에서 양극 및 윽극(음극)에 형성된 나노 와이어 또는 나노 로드를 도시한 SEM(Scanning Electron Micrograph) 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지에서 나노 와이어 형성을 위한 전착의 일례를 도시한 개략도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100,200; 본 발명에 의한 고체 산화물 연료 전지
110; 고체 산화물 전해질 120; 양극
130; 음극 140; 다공성 금속 필름
본 발명은 고체 산화물 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세히는 양극 및 음극을 다수의 나노 와이어 또는 나노 로드 형태로 형성하여 더욱 빠른 전기 화학적 반응을 유도할 수 있는 고체 산화물 연료 전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지라 함은 수소나 천연가스 등의 연료를 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 장치로서 높은 효율과 무공해, 무소음 등의 특성으로 인하여 미래의 주요한 에너지 기술의 하나로 인식되고 있다. 연료 전지에는 여러 가지 종류가 있는데 이 중 고체산화물 연료전지(SOFC)는 그 전해질로서 고체 산화물인 이트리아가 첨가된 지르코니아 세라믹스(YSZ)나 가돌리움 혹은 사마리움이 첨가된 세리아 또는 (La1-xSrxGa1-yMayO3)란타늄-스트론튬-가돌리늄(갈륨)-마그네슘 산화물(LSGM)을 사용하는 것을 지칭한다.
고체 산화물 연료전지(SOFC)의 단위 셀은 상기의 고체 전해질들을 가운데 두고 한쪽 면에는 음극을 그리고 다른 쪽 면에는 양극을 부착한 형태로 만들어 진다. 통상적인 음극으로서는 산화니켈(NiO)과 안정화 지르코니아의 혼합물이 사용되고 있으며, 양극으로서는 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM)이나 또는 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF) 등이 사용되고 있다.
종래의 고체산화물 연료전지(SOFC)의 단위 셀 제조방법으로는 먼저 적당한 두께(약 200㎛ 내외)의 치밀한 전해질 소결체를 통상적인 로에서 소결하여 제조한 뒤 한쪽 면에는 음극을 그리고 다른 쪽 면에는 양극을 코팅하여 열처리함으로써 제작하는 방법이 있다. 또, 다른 방법으로는 먼저 음극(NiO와 지르코니아 분말의 혼합체)을 통상적인 세라믹스 성형공정에 따라 적당한 두께(약 1mm 내외)로 성형하고 상대적 저온(통산(상) 1300(1200) - 1400℃)에서 1차 소결하여 예비 소결체로 제작한 뒤, 그 위에 고체 산화물인 전해질을 통상적인 세라믹스 코팅 방법(슬러리 코팅이나 스프레이 코팅 등)으로 얇게(약 5 - 20㎛ 내외) 코팅한 뒤 소결로에서 분당 10oC 이하의 느린 속도로 승온하여 1400-1500oC 의 온도구간에서 1- 5시간 유지하는 방법으로 2차 소결을 행하고, 다시 상기의 전해질 층의 윗면에 양극(LSM이나 LSCF 등)을 코팅하고 상기와 유사한 방법으로 3차 소결을 행하여 소결체로 제작하는 방법이 알려져 있다.
그러나 이러한 종래의 고체 산화물 연료 전지는 전기 화학적 반응이 일어나는 동시에 전해질과 접촉하는 음극의 표면 및 양극의 표면이 마이크로 스케일 단위로 형성되기 때문에 전자(혹은 이온)의 트랜스포트 레이트(transport rate)가 작고, 따라서 연료 전지의 효율이 낮은 문제가 있다.
또한, 종래의 고체 산화물 연료 전지는 필수적으로 음극 및 양극에 공기와 연료가 흘러갈 수 있도록 각종 소결 공정을 통하여 복잡한 유로를 형성해야 하는데, 이러한 유로의 형성이 매우 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전해질과 접촉하는 양극 및 음극을 다수의 나노 와이어 또는 나노 로드 형태로 형성함으로써, 전자(혹은 이온)의 트랜스포트 레이트 및 전지 효율을 증가시킬 수 있는 고체 산화물 연료 전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 양극 및 음극에 복잡한 유로 형성을 위한 별도의 공정이 필요 없는 고체 산화물 연료 전지를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 고체 산화물 연료 전지는 고체 산화물 전해질과, 상기 고체 산화물 전지의 일측 표면에 다수의 나노 와이어 형태로 형성된 양극과, 상기 고체 산화물 전지의 타측 표면에 다수의 나노 와이어 형태로 형성된 음극을 포함한다.
상기 고체 산화물 전해질은 지르코니아 세라믹스(ZrO2), 세리아(CeO2) 및 란타늄-스트론튬-가돌리늄-(갈륨)마그네슘 산화물(LSGM)중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 양극의 나노 와이어는 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM) 및 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF)중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 음극의 나노 와이어는 산화니켈(NiO) 및 안정화 지르코니아의 혼합물중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 양극 및 음극의 나노 와이어는 직경이 1Å~100nm일 수 있다.
상기 양극 및 음극의 나노 와이어는 길이가 1nm~100μm일 수 있다.
상기 고체 산화물 전해질은 양측 표면에 다공성 금속 필름이 형성되고, 상기 각각의 다공성 금속 필름에 나노 와이어 형태의 양극 및 음극이 형성될 수 있다.
상기 음극의 나노 와이어는 템플레이트를 이용한 전착(electrodeposition) 또는 전기영동 증착(electrophoretic deposition)에 의해 형성될 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 고체 산화물 연료 전지는 전해질과 접촉하는 양극 및 음극이 다수의 나노 와이어(또는 나노 로드) 형태로 형성됨으로써, 전해질과 양극 및 음극 사이의 반응 면적이 넓어져, 전자(혹은 이온)의 트랜스포트 레이트 및 전지 효율이 증가된다.
또한, 상기와 같이 하여 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지는 양극 및 음극에 자연스럽게 연료와 공기의 반응을 위한 유로가 형성됨으로써, 별도의 복잡한 유로 형성 설계가 필요 없게 된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지(100)를 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 고체 산화물 연료 전지(100)는 고체 산화물 전해질(110)과, 나노 와이어 형태로 형성된 양극(120)과, 나노 와이어 형태로 형성된 음극(130)을 포함한다.
상기 고체 산화물 전해질(110)은 지르코니아 세라믹스(ZrO2), 세리아(CeO2), 란타늄-스트론튬-가돌리늄-(갈륨)마그네슘 산화물(LSGM) 및 그 등가물중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 나노 와이어 형태의 양극(120)은 상기 고체 산화물 전해질(110)의 일측면에 접촉하여 형성되어 있다. 이러한 양극(120)의 나노 와이어는 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM), 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF) 및 그 등가물중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 나노 와이어 형태의 음극(130)은 상기 고체 산화물 전해질(110)의 타측면에 접촉하여 형성되어 있다. 이러한 음극(130)의 나노 와이어는 산화니켈(NiO), 안정화 지르코니아의 혼합물 및 그 등가물중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
한편, 상기 음극(130) 또는 양극(120)의 나노 와이어는 직경이 1Å~100nm일 수 있다. 상기 나노 와이어의 직경이 1Å 이하인 것은 실질적으로 제조하기 어렵고, 상기 나노 와이어의 직경이 100nm 이상인 것은 전자 전달율이 저하된다. 또한, 상기 나노 와이어는 길이가 1nm~100μm일 수 있다. 상기 나노 와이어의 길이가 1nm 이하인 것은 전자 전달율이 저하되고, 100μm 이상인 것은 실질적으로 제조하기 어렵다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지(200)를 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 고체 산화물 연료 전지(200)는 고체 산화 물 전해질(110)과, 다공성 금속 필름(140)과, 나노 와이어 형태로 형성된 양극(120)과, 나노 와이어 형태로 형성된 음극(130)을 포함한다.
상기 고체 산화물 전해질(110)은 지르코니아 세라믹스(ZrO2), 세리아(CeO2), 란타늄-스트론튬-가돌리늄-(갈륨)마그네슘 산화물(LSGM) 및 그 등가물중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 다공성 금속 필름(140)은 상기 고체 산화물 전해질(110)의 일측면과 타측면에 각각 형성되어 있다. 이러한 다공성 금속 필름(140)은 상기 고체 산화물 전해질(110), 양극(120) 및 음극(130)과 전기적으로 연결되는 재료이면 어떤 재료를 이용해도 좋다. 더불어, 이러한 다공성 금속 필름(140)은 상기 양극(120) 및 음극(130)의 길이보다 작은 두께를 갖도록 형성한다.
상기 나노 와이어 형태의 양극(120)은 상기 고체 산화물 전해질(110)의 일측면에 접촉한 동시에 상기 다공성 금속 필름(140)에 결합된 형태로 형성되어 있다. 따라서 상기 나노 와이어 형태의 양극(120)은 상기 다공성 금속 필름(140)에 의해 좀더 안정적인 구조를 하게 된다. 이러한 양극(120)의 나노 와이어는 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM), 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF) 및 그 등가물중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 나노 와이어 형태의 음극(130)은 상기 고체 산화물 전해질(110)의 타측면에 접촉한 동시에 상기 다공성 금속 필름(140)에 결합된 형태로 형성되어 있다. 따라서 상기 나노 와이어 형태의 음극(130)은 상기 다공성 금속 필름(140)에 의해 좀더 안정적인 구조를 하게 된다. 이러한 음극(130)의 나노 와이어는 산화니켈(NiO), 안정화 지르코니아의 혼합물 및 그 등가물중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
한편, 상기 음극(130) 또는 양극(120)의 나노 와이어는 직경이 1Å~100nm일 수 있다. 상기 나노 와이어의 직경이 1Å 이하인 것은 실질적으로 제조하기 어렵고, 상기 나노 와이어의 직경이 100nm 이상인 것은 전자 전달율이 저하된다. 또한, 상기 나노 와이어는 길이가 1nm~100μm일 수 있다. 상기 나노 와이어의 길이가 1nm 이하인 것은 전자 전달율이 저하되고, 100μm 이상인 것은 실질적으로 제조하기 어렵다.
도 3은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지에서 양극 및 윽극에 형성된 나노 와이어 또는 나노 로드를 도시한 SEM(Scanning Electron Micrograph) 사진이다.
도시된 바와 같이 나노 와이어 또는 나노 로드는 고체 산화물 전해질의 표면에 다수가 형성될 수 있다. 이러한 나노 와이어 또는 나노 로드는 상술한 바와 같이 직경이 1Å~100nm이고, 길이가 1nm~100μm일 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지에서 나노 와이어 형성을 위한 전착의 일례를 도시한 개략도이다.
도시된 바와 같이 전극(210)의 표면에는 나노 와이어 또는 나노 로드가 형성 될 수 있도록 다수의 통공이 형성된 멤브레인(220)이 형성된다. 또한, 상기 전극(210) 및 멤브레인(220)의 상부에는 대향 전극(230)이 형성되고, 일측에는 참조 전극(240)이 위치된다. 더불어, 상기 전극(210) 위의 멤브레인(220), 대향 전극(230) 및 참조 전극(240)은 모두 전해액(250) 내부에 위치된다.
이와 같은 구조에 의해 상기 전극(210)과 대향 전극(230) 사이에 교류 또는 직류를 흘려주면, 상기 참조 전극(240)으로부터 이탈된 금속이 상기 멤브레인(220)의 통공에 채워져 나노 와이어 또는 나노 로드를 형성하게 된다.
여기서, 상기 전극(210)은 고체 산화물 전해질 즉, 지르코니아 세라믹스(ZrO2), 세리아(CeO2) 및 란타늄-스트론튬-가돌리늄-(갈륨)마그네슘 산화물(LSGM)중 선택된 어느 하나일 수 있으나 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 참조 전극(240)은 양극의 와이어를 위한 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM), 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF) 및 그 등가물중 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 참조 전극(240)은 음극의 나노 와이어를 위한 산화니켈(NiO), 안정화 지르코니아의 혼합물 및 그 등가물중 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 여기서 상기 멤브레인(220)이 나노 와이어 또는 나노 로드를 만들기 위한 템플레이트가 된다.
한편, 도면에 도시되지는 않았지만 상기 나노 와이어 또는 나노 로드는 템플 레이트를 이용한 전기영동 증착(electrophoretic deposition)에 의해 형성될 수도 있다.
상기 전기영동 증착에서는 졸 입자 전하(sol particle charge)가 이용되고, 멤브레인에 형성된 통공에서 졸 입자의 전기영동이 일어나도록 전기장이 인가된다. 이러한 전기영동 증착은 멤브레인의 통공 내부에 좀더 긴 나노 와이어를 형성할 수 있고, 생산성이 좀더 우수하다.
더불어, 상기 전착 또는 전기영동 증착을 수행하기 전에 상기 고체 산화 전해질 표면에 미리 다공성 금속 필름을 형성함으로써, 고체 산화물 연료 전지의 완성후에도 상기 고체 산화 전해질 표면에 다공성 금속 필름이 잔존하도록 할 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 고체 산화물 연료 전지는 전해질과 접촉하는 양극 및 음극이 다수의 나노 와이어(또는 나노 로드) 형태로 형성됨으로써, 전해질과 양극 및 음극 사이의 반응 면적이 넓어져, 전자(혹은 이온)의 트랜스포트 레이트 및 전지 효율이 증가된다.
또한, 상기와 같이 하여 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지는 양극 및 음극에 자연스럽게 연료와 공기의 반응을 위한 유로가 형성됨으로써, 별도의 복잡한 유로 형성 설계가 필요 없게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 고체 산화물 전해질;
    상기 고체 산화물 전지(전해질)의 일측 표면에 다수의 나노 와이어 형태로 형성된 양극; 및,
    상기 고체 산화물 전지(전해질)의 타측 표면에 다수의 나노 와이어 형태로 형성된 음극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고체 산화물 전해질은 양이온(Y,Sc)이 치환된 지르코니아 세라믹스(ZrO2), 양이온(Gd,Sm)이 치환된 세리아(CeO2) 및 란타늄-스트론튬-가돌리늄(갈륨)-마그네슘(La1-xSrxGa1-yMayO3) 산화물(LSGM)중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양극의 나노 와이어는 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM) 및 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF)중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 양극의 나노 와이어는 Ln1-xAxB1-yCyO3-d (단, Ln은 La, Ce, Pr, Nd, Sm 및 Gd으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소, A는 Sr, Ca 및 Ba으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소, B와 C는 Fe, Co, Ni 및 Mn으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소이고, 0.05 <= x <= 1.0, 0.02 <= y <= 1.0, d<=1 임)의 일반식을 갖는 페로브스카이트형 결정구조를 갖는 복합산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 음극의 나노 와이어는 산화니켈(NiO) 등 전도성금속및 안정화 지르코니아의 혼합물중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 및 음극의 나노 와이어는 직경이 1Å~100nm인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 및 음극의 나노 와이어는 길이가 1nm~100μm인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 고체 산화물 전해질은 양측 표면에 다공성 금속 필름이 형성되고, 상기 각각의 다공성 금속 필름에 나노 와이어 형태의 양극 및 음극이 형성된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 과 양극의 나노 와이어는 템플레이트를 이용한 전착(electrodeposition) 또는 전기영동 증착(electrophoretic deposition)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.
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