KR101213060B1 - 고체산화물 연료전지용 공기극 물질 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 공기극 물질은 이중층 페로브스카이트 구조를 가지며, 란탄족원소, 알칼리토금속족에서 선택된 원소가 A위치를 점유하며, 코발트가 B위치를 점유하는 하기의 화학식 1의 물질인 특징이 있다.
(화학식 1)
LaMbNcCodFe(2-d)O5+δ
(L은 란탄족에서 선택된 원소이며, M 및 N은 각각 알칼리토금속족에서 선택된 서로 다른 원소이며, 0.5≤a≤1.5, 0.25≤b≤0.75, 0.25≤c≤0.75, a+b+c=2, 0≤d≤2, 0≤δ≤1 임 )
본 발명의 공기극 물질을 함유하는 공기극층은 통상의 고체산화물 연료전지 공기극층에 비하여 매우 낮은 면저항을 가지며, 열 안정성 및 신뢰도가 높고, 공기극층과 전해질층의 계면에 다수의 산소환원 자리를 제공하는 장점이 있으며, 군집형 산소 공공(oxygen vacancy)이 존재하는 이중층 페로브스카이트 구조를 가지므로 산소이온의 확산이 용이한 장점이 있다.
고체산화물 연료전지, 공기극, 이중층 페로브스카이트, 란탄족

Description

고체산화물 연료전지용 공기극 물질{Materials for Cathode in Solid Oxide Fuel Cells}
본 발명은 신규한 고체산화물 연료전지용 공기극 물질 및 본 발명에 따른 공기극 물질을 함유하는 고체산화물 연료전지용 공기극층에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지의 공기극 물질로 도핑된 란탄 마그네타이트(doped lanthanum manganite) 산화물이 주로 사용되고 있다. 도핑된 란탄 마그네타이트 산화물의 경우 산화분위기에서 안정하고 1000℃이상의 고온에서 충분한 전기 전도도를 가지며, 전해질로 사용되는 안정화 지르코니아(YSZ; Yttria stabilized zircornia)와 비슷한 열팽창계수를 가지므로 열 충격 또는 열싸이클(thermal cycling)에도 매우 안정한 우수한 공기극의 특성을 보여주고 있다.
고체산화물 공기극 물질의 경우, Sr과 같은 물질들이 치환되면 Sr의 치환량에 따라서 산소 공공이 증가하는 경향을 보이나, 도핑된 란탄 마그네타이트 산화물의 경우, 식 (1)과 같이 치환한 물질에 의한 산소공공이 증가하지 않는 경향을 보이고 있다.
Figure 112009015056853-pat00001
(1)
LSM(LaSrMnO3)과 같은 공기극 물질의 경우 식 (1)과 같이 Sr의 치환에 의해서 전자 및 정공의 농도가 증가함에 따라서 전기 전도도가 증가하게 된다. 하지만 식 (1)과 같은 현상으로 인해서 산소분자의 환원 장소가 삼상경계면(TPB; three phase boundary)에 한정되는 단점을 갖는다. 이러한 한정된 환원 장소에 의해 중?저온(600~800℃)의 영역에서는 충분한 산소환원 반응이 일어나기 어려운 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 크게 3가지의 접근 방법이 있다.
첫 번째는 전자 전도성을 보이는 LSM에 이온 전도성을 보이는 전해질 물질을 혼합하는 방법이며 이를 복합전극이라고 부른다. 예를 들어서 LSM-YSZ[J. W. Kim, A. V. Virkar, K. Z. Fung, K. Mehta, and S. C. Singhal, "Polarization Effects in Intermediate Temperature, Anode-supported Solid Oxide Fuel Cells." Journal of the Electrochemical Society 146 (1999) 69-78.; T. Tsai, and S. A. Barnett, "Effect of LSM-YSZ Cathode on Thin-Electrolyte Solid Oxide Fuel Cell Performance." Solid State Ionics ,93 (1997) 207-217.] 및 LSM-GDC[E. P. Murray, and S. A. Barnett, "(La,Sr)MnO3-(Ce,Gd)O2 -x Composite Cathodes for Solid Oxide Fuel Cells." Solid State Ionics 143 (2001) 265-273.]의 복합 공기극의 경우 우수한 성능을 보인다고 보고되고 있다.
두 번째는 페로브스카이트 구조의 B-위치(B-site)에 Mn과 같은 물질이 아닌 Co, Al, Cu, 및 Fe와 같은 물질을 치환하는 것이다. 이러한 방법의 경우 800℃이하의 온도 영역에서 충분한 공기극 특성을 발현하게 된다. 대표적으로 La0 .8Sr0 .2CoO3, LaxSr1 -xTiO3[O. A. Marina, N. L. Canfield, and J. W. Stevenson, "Thermal, Electrical, and Electrocatalytical Properties of Lanthanum-Doped Strontium Titanate," Solid State Ionics 149 (2002) 21-28.], LaxSr1 - xCuO2 .5-δ[H. C. Yu, and K. Z. Fung, "LaxSr1 - xCuO2 .5-δ as New Cathode Materials for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells." Materials Research Bulletin 38 (2003) 231-239.], LaxSr2 - xFeO4 +δ[A. J. Jennings, and S. J. Skinner, "Thermal Stability and Conduction Properties of the LaxSr2 - xFeO4 +δ System." Solid State Ionics 152-153 (2002) 663-667.], La0 .6Sr0 .4Co0 .2Fe0 .6O3[E. Maguire, B. Gharbage, F. M. B. Marques, and J. A. Labrincha, "Cathode Materials for Intermediate Temperature SOFCs," Solid State Ionics 127 (2000) 329-335.; A. Hartley, M. Sahibzada, M. Weston, I. S. Metcalfe, and D. Mantzavinos, " La0 .6Sr0 .4Co0 .2Fe0 .6O3 as the Anode and Cathode for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells," Catalysis Today, 55 (2000) 197-204.], La1 - xSrxAlyFe1 -yO3[G. W. Coffey, J. Hardy, L. R. Pedersen, P. C. Rieke, E. C. Thomsen, and M. Walpole, "Electrochemical Properties of Lanthanum Strontium Aluminum Ferrites for the Oxygen Reduction Reaction," Solid State Ionics, 158 (2003) 1-9.], Ln1 - xSrxCo1 - yFeyO3 -δ (Ln=Pr, Nd, Gd, x=0.2, 0.3)[L. Qiu, T. Ichikawa, A. Hirano, N. Imanishi, and Y. Takeda, "Ln1 - xSrxCo1 - yFeyO3 -δ(Ln=Pr, Nd, Gd; x=0.2, 0.3) for the Electrodes of Solid Oxide Fuel Cells," Solid State Ionics 158 (2003) 55-65.], Sr0 .8Ce0 .1Fe0 .7Co0 .3O3 -δ[M. T. Colomer, B. C. H. Steele, and J. A. Kilner, "Structural and Electrochemical Properties of the Sr0 .8Ce0 .1Fe0 .7Co0 .3O3 -δ Perovskite as Cathode Material for IT-SOFCs," Solid State Ionics, 147 (2002) 41-48.], 및 La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3-δ[K. Kuroda, I. Hashimoto, K. Adachi, J. Akikusa, Y. Tamou, N. Komada, T. Ishihara, and Y. Takita, "Characterization of Solid Oxide Fuel Cell Using Doped Lanthanum Gallate," Solid State Ionics, 132 (2000) 199-208.] 등과 같은 공기극 물질들이 있다.
세 번째는 고체연료전지 공기극의 특성에 부합하는 신물질을 개발하는 것이다. 고체산화물 연료전지의 구성요소 중 성능 향상이 가장 필요한 부분은 공기극 이며, 공기극의 특성에 가장 잘 부합하는 공기극 재료를 개발하고자 하는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
일반적으로, ABO3로 표현되는 페로브스카이트(simple perovskite)구조는 큐빅 격자(cubic lattice)의 코너 위치인 A-자리(A-site)에 희토류 원소, 알카라인 희토류, 알카라인등의 이온반경이 큰 원소들이 위치하고 있으며, 산소이온에 의해 12배 위수(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. 일반적으로 A-자리에 Sr 및 다른 물질이 치환될 경우 구조적인 변위가 발생하며, 주로 B-자리에 위치한 원소를 중심으로 이의 최인접 산소이온(6개)으로 이루어지는 BO6의 8면체에서 구조적인 변이가 발생한다.
ABO3에 치환될 수 있는 물질인 다양한 원소를 이용하여 다양한 물성 및 구조적 특성을 갖는 페로브스카이트계 물질을 합성할 수 있다. 원소 주기율표상에 존재하는 90%이상의 금속원소들이 치환 가능하며, A-자리 및 B-자리의 치환량에 따라서 다양한 물성을 보이는 페로브스카이트 산화물을 형성할 수 있는 것으로 보고되고 있다[S. Trasatti, "Electrodes of Conductive Metallic oxides part A, B," Elsevier Scientific Publishing Co., Amsterdam, 1980, 1981].
고체산화물 연료전지에 활용가능한 새로운 물질에 대한 연구가 진행됨에 따라 도 1(a)에 도시된 ABO3의 단순 페로브스카이트 구조에서 도 1(b)에 도시된 AABBO6의 복합 페로브스카이트 구조, 도 1(c)에 도시된 ordered 또는 disordered 산소 공공 군집이 존재하는 A2B2O5+δ의 변형된 페로브스카이트 또는 이중층 페로브스카이트의 구조적 변이를 갖는 물질들이 개발되었다. (도 1(a)~(c)는 Progress in Solid State Chemistry 35 (2007) 481-490에 개재된 도면이다)
고체산화물 연료전지에 활용가능하며, 페로브스카이트 산화물계를 기반으로 하 여 이중층 페로브스카이트 구조를 갖는 물질로, YBaCo2O5 +δ, YBaCo2O5 +δ[Journal of physical chemistry C, 111 (2007) 19120-19125], GdBaCo2O5 +δ[- Solid State Ionics 177 (2006) 2009-2011; Journal of Materials Chemistry 17 (2007) 3175-3181], LaBaMn2O6 -δ[Chemistry of Materials.10 (1998) 1974-1983], PrBaCo2O5 +δ, GdBaCo2O5 +δ, YBaCo2O5+δ[Journal of rare earths 25 (2007) 275-281], PrBaCo2O5 +δ[Journal of Materials Chemistry, 17 (2007) 2500-2505], PrBaCo2O5 +δ[Chemistry of Materials 17 (2005) 5439-5445], NdBaCo2O5 +δ[Journal of Solid State Chemistry 170 (2003) 339-350], GdBaCo2O5 +δ[Physical Review B 71,(2005) 134414-1-134414-28], PrBaCo2O5 +δ, NdBaCo2O5 +δ, SmBaCo2O5 +δ, EuBaCo2O5 +δ, GdBaCo2O5 +δ, TbBaCo2O5 +δ, DyBaCo2O5+δ, HoBaCo2O5 +δ[Journal of Solid State Chemistry 142 (1999) 247-260], TbBaCo2O5 +δ[Physical Review B 61 (2000), R13 325- R13 328], YBaCuxCo2 - xO5[Chemistry of Materials 6(1994) 441-447], LaSrFeO4, La2SrFe2O7, LaSr3Fe3O10[Ceramics. Silikaty 49 (1) (2005) 29-33]이 개발되어 공지된 바 있다.
본 발명은 신규한 고체산화물 연료전지용 공기극 물질을 제공하는 것이며, 본 발명에 따른 공기극 물질을 함유하는 고체산화물 연료전지의 공기극을 제공하는 것이다.
이하 본 발명을 상술함에 있어, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 공기극 물질은 하기의 화학식 1의 물질인 특징을 갖는다.
(화학식 1)
LaMbNcCodFe(2-d)O5+δ
(L은 란탄족에서 선택된 원소이며, M 및 N은 각각 알칼리토금속족에서 선택된 서로 다른 원소이며, 0.5≤a≤1.5, 0.25≤b≤0.75, 0.25≤c≤0.75, a+b+c=2, 0≤d≤2, 0≤δ≤1 임)
본 발명의 고체연료전지용 공기극 물질은 Fe를 함유하지 않는 경우(d=2) LaMbNcCo2O5+δ(L은 란탄족에서 선택된 원소이며, M 및 N은 각각 알칼리토금속족에서 선택된 서로 다른 원소이며, 0.5≤a≤1.5, 0.25≤b≤0.75, 0.25≤c≤0.75, a+b+c=2, 0≤δ≤1 임)인 특징이 있으며, Co를 함유하지 않는 경우(d=0) LaMbNcFe2O5 +δ(L은 란탄족에서 선택된 원소이며, M 및 N은 각각 알칼리토금속족에서 선택된 서로 다른 원소이며, 0.5≤a≤1.5, 0.25≤b≤0.75, 0.25≤c≤0.75, a+b+c=2, 0≤δ≤1 임)인 특징이 있으며, Co 및 Fe를 함유하는 경우 LaMbNcCodFe(2-d)O5+δ(L은 란탄족에서 선택된 원소이며, M 및 N은 각각 알칼리토금속족에서 선택된 서로 다른 원소이며, 0.5≤a≤1.5, 0.25≤b≤0.75, 0.25≤c≤0.75, a+b+c=2, 0d2, 0≤δ≤1 임)인 특징이 있다.
상기 화학식 1의 물질은 이중층 페로브스카이트 구조를 갖는 특징이 있으며, 상기 화학식 1에서 L, M 및 N은 페로브스카이트 구조의 A 위치(A site)를 점유(occupying)하며, 상기 Co; Fe; 또는 Co 및 Fe;는 페로브스카이트 구조의 B 위치(B site)를 점유(occupying)하는 특징이 있다.
상기 화학식 1에서 L의 란탄족 원소는 Pr, Nd, Sm 또는 Gd인 것이 바람직하며, 상기 화학식 1에서 M은 Ba이며, N은 Sr인 것이 바람직하다. 즉, 페로브스카이트 구조의 A 위치는 Pr, Nd, Sm 또는 Gd의 란탄족 원소; Ba; 및 Sr에 의해 점유되는 것이 바람직하다.
상기 화학식 1에서 a는 1이며, b+c=1인 것이 바람직하며, a=1, b=c=0.5인 것이 더욱 바람직하다.
L1M0 .5N0 .5의 경우 L1M1또는 L1N1의 경우와 비교하였을 경우 전기전도도가 우수한 것으로 알려져 있다. 예를 들어서 YBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ의 경우 YBaCo2O5+δ에 비교해서 전 온도 구간에서 전기전도도가 우수한 것으로 보고되었으며, YBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ의 경우 최고 전자전도도가 약 130S/cm인 반면 YBaCo2O5+δ의 경우 약 50S/cm으로 보고되었다[Alistair McKinlay, Paul Connor, John T. S. Irvine, and Wuzong Zhou, J. Phys. Chem. C, 111 (2007) 19120-19125].
이때, 본 발명에 따른 상기 바람직한 원소 및 바람직한 원소비의 공기극 물질은 상기 란탄족 원소가 Pr 또는 Nd인 경우, 테트라고날 격자(tetragonal lattice)를 갖는 특징이 있으며, 상기 란탄족 원소가 Sm 또는 Gd인 경우, 오쏘롬빅 격자(Orthorhombic lattice)를 갖는 특징이 있다.
상기 공기극 물질은 상기 화학식 1의 물질;과 고체산화물 연료전지용 전해질 물질;이 혼합된 것일 수 있으며, 이때, 상기 전해질 물질은 Ce0 .9Gd0 .1O2 -δ,Ce0 .8Gd0 .2O2 -δ,Sm0 .8Gd0 .2O2 -δ 및 La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ군에서 하나 이상 선택된 물질이다.바람직하게, 상기 전해질 물질은 Ce0.9Gd0.1O2-δ이다.
상기 화학식 1의 물질과 상기 전해질 물질이 혼합된 공기극 물질인 경우, 공기극층의 상기 화학식1의 물질: 전해질 물질의 질량비는 9:1 에서 5:5 사이인 것이 바람직하다. 이는 공기극의 열팽창계수를 전해질의 열팽창계수와 상응하게 조절하기 위함이며, 공기극의 저항성분을 줄이기 위함이다. 또한 전해질 물질을 공기극물 질과 혼합하여 공기극층을 제조하는 경우, 급격한 온도변화에 의해서 발생되는 열충격(thermal shock)을 완화시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 화학식1의 물질은 통상의 고상반응법을 이용하여 제조가능하며, 바람직하게 란탄족 탄산염 또는 란탄족 산화물의 란탄선구물질; 알칼리토금속족 탄산염 또는 알칼리토금속족 산화물의 알칼리토금속선구물질; 및 탄산코발트, 산화코발트, 탄산철, 산화철 또는 이들의 혼합물인 B-위치 선구물질;을 혼합하여 900 내지 1100℃의 온도로 1차 열처리하여 얻어진 하소체를 분쇄한 후 1000 내지 1200℃의 온도로 2차 열처리하여 제조되는 특징이 있다.
란탄족 탄산염은 Pr, Nd, Sm 또는 Gd의 탄산염이며, 상기 란탄족 산화물은 Pr, Nd, Sm 또는 Gd의 산화물이며, 상기 알칼리토금속족 탄산염은 Ba 또는 Sr의 탄산염이며, 상기 알칼리토금속족산화물은 Ba 또는 Sr의 산화물인 것이 바람직하다. 상기 혼합은 건식 또는 습식 혼합일 수 있으며, 통상의 밀링기를 사용하여 수행될 수 있다. 상기 1차 열처리에 의해 얻어진 하소체의 분쇄 후, 체거름이 더 수행될 수 있으며, 하소체의 분쇄는 압축, 충격, 마찰등을 이용한 건식 또는 습식 분쇄일 수 있다.
본 발명은 상술한 공기극 물질을 함유하는 고체산화물 연료전지의 공기극층 제공하며, 이때, 상기 공기극층은 종래의 공기극 물질에 비해 매우 낮은 면저항을 갖는 특징이 있으며, 고체산화물 연료전지가 사용되는 500 내지 800℃의 모든 온도범위에서 매우 낮은 면저항 특성이 유지되는 특징이 있다.
본 발명의 공기극 물질을 함유하는 공기극층은 통상의 고체산화물 연료전지 공기극층에 비하여 매우 낮은 면저항을 가지며, 열 안정성 및 신뢰도가 높고, 공기극층과 전해질층의 계면에 다수의 산소환원 자리를 제공하는 장점이 있으며, 계면에서의 반응 활성(activity)이 좋으며, 군집형 산소 공공(oxygen vacancy)이 존재하는 이중층 페로브스카이트 구조를 가지므로 산소이온의 확산이 용이한 장점이 있다.
(실시예 1)
SmBa 0 .5 Sr 0 .5 Co 2 O 5 +δ
원료로 Sm2O3(제조사:Aldrich, 제품번호:228672-100G,(Catalog number), 12060-58-1(CAS)) 10.311g, BaCO3(제조사:Aldrich, 제품번호:237108-1kg(Catalog number),513-77-9(CAS)) 5.834g, SrCO3(제조사:Aldrich, 제품번호:472018-500g (Catalog number), 1633-05-2(CAS)) 4.364g 및 Co3O4(제조사:Aldrich, 제품번호:221643-250G(Catalog number), 1308-06-1(CAS)) 9.491g을 마노유발을 이용하여 건식 혼합한 후, 아세톤 및 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 160rpm의 조건에서 습식 혼합 하였다. 습식 혼합 후, 약 60℃의 온도로 건조하여 혼합 분말을 제 조하였다. 제조된 혼합분말을 고순도 알루미나 도가니에 담아 고온노(fournace)에 장입하여 1000℃에서 8시간 동안 1차 열처리 하였다. 1차 열처리시 승온 및 감온 속도는 2℃/min이었다. 1차 열처리에 의해 얻어진 하소체를 마노 유발로 미세하게 분쇄한 후, 100 micrometer mesh의 체를 이용하여 체거름 하였다. 체거름하여 얻어진 분말을 아세톤 및 지르코니아볼을 이용하여 24시간 동안 볼밀한 후, 약 60℃의 온도로 건조하였다. 이후, 1100℃에서 24시간 동안 2차 열처리 하여 이중층 페로브스카이트 구조의 SmBa0.5Sr0.5Co2O5+δ를 제조하였다.
(실시예 2)
PrBa 0 .5 Sr 0 .5 Co 2 O 5 +δ
Pr6O11(제조사:Alfa Aesar, 제품번호:11234(stock), B08R017(Lot), 12037-29-5(CAS)) 10.148g, BaCO3 5.882g, SrCO3 4.400g 및 Co3O4 9.569g를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 PrBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ를 제조하였다.
(실시예 3)
NdBa 0 .5 Sr 0 .5 Co 2 O 5 +δ
Nd2O3(제조사:Alfa Aesar, 제품번호:11248(stock), C07Q27(Lot), 1313-97- 9(CAS)) 10.069g, BaCO3 5.905g, SrCO3 4.418g 및 Co3O4 9.608를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 NdBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ를 제조하였다.
(실시예 4)
GdBa 0 .5 Sr 0 .5 Co 2 O 5 +δ
Gd2O3(제조사:Alfa Aesar, 제품번호:11291(stock), E19Q18(Lot), 12064-62-9(CAS)) 10.573g, BaCO3 5.756g, SrCO3 4.306g 및 Co3O4 9.365g를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 GdBa0.5Sr0.5Co2O5+δ를 제조하였다.
(실시예 5)
SmBa 0 .5 Sr 0 .5 Fe 2 O 5 +δ
Sm2O3 10.438g, BaCO3 5.906g, SrCO3 4.418g 및 Fe3O4 (제조사:Aldrich, 제품번호:31006-9(catalog number), 1317-61-9(CAS)) 9.238g를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 SmBa0 .5Sr0 .5Fe2O5 +δ를 제조하였다.
(실시예 6)
PrBa 0 .5 Sr 0 .5 Fe 2 O 5 +δ
Pr6O11 :10.274g, BaCO3 :5.955g, SrCO3 :4.455g 및 Fe3O4 :9.316g를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 PrBa0.5Sr0.5Fe2O5+δ를 제조하였다.
(실시예 7)
NdBa 0 .5 Sr 0 .5 Fe 2 O 5 +δ
Nd2O3 :10.195g, BaCO3 :5.979g, SrCO3 :4.473g 및 Fe3O4:9.354g를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 NdBa0 .5Sr0 .5Fe2O5 +δ를 제조하였다.
(실시예 8)
GdBa 0 .5 Sr 0 .5 Fe 2 O 5 +δ
Gd2O3 :10.702g, BaCO3 :5.826g, SrCO3 :4.358g 및 Fe3O4 :9.114g를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 GdBa0.5Sr0.5Fe2O5+δ를 제조하였다.
(실시예 9)
SmBa 0 .5 Sr 0 .5 Co 1 .7 Fe 0 .3 O 5 +δ
Sm2O3 :10.330g, BaCO3 :5.844g, SrCO3 :4.372g, Co3O4 :8.082g 및 Fe3O4 :1.371g를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 SmBa0.5Sr0.5Co1.7Fe0.3O5+δ를 제조하였다.
(실시예 10)
SmBa 0 .5 Sr 0 .5 Co 1 .5 Fe 0 .5 O 5 +δ
Sm2O3 :10.342g, BaCO3 :5.851g, SrCO3 :4.377g, Co3O4 :7.140g 및 Fe3O4 :2.289g를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 SmBa0 .5Sr0 .5Co1 .5Fe0 .5O5 +δ를 제조하였다.
(실시예 11)
SmBa 0 .5 Sr 0 .5 Co 1 .3 Fe 0 .7 O 5 +δ
Sm2O3 :10.355g, BaCO3 :5.859g, SrCO3 :4.377g, Co3O4 :6.196g 및 Fe3O4g :3.208 를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 SmBa0 .5Sr0 .5Co1 .3Fe0 .7O5 +δ를 제조하였다.
(실시예 12)
SmBa 0 .5 Sr 0 .5 CoFeO 5 +δ
Sm2O3 :10.374g, BaCO3 :5.869g, SrCO3 :4.391g, Co3O4 :4.775g 및 Fe3O4 :4.591g를 원료로 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 이중층 페로브스카이트 구조의 SmBa0 .5Sr0 .5CoFeO5 +δ를 제조하였다.
(실시예 13)
전해질과 혼합된 공기극 물질
실시예 1에서 제조된 SmBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ(SBSCO): Ce0 .9Gd0 .1O2 -δ (GDC)의 질량비가 50:50(5SBSCO5GDC), 60:40(6SBSCO4GDC), 70:30(7SBSCO3GDC), 80:20(8SBSCO2GDC), 90:10(9SBSCO1GDC)이 되도록 각각 중량하여 막자사발을 이용한 건식 혼합 후, 에탄올 및 지르코니아볼(직경 약1cm)을 이용하여 24시간 동안 습식 혼합하였다. 혼합된 각각의 슬러리를 60℃의 오븐에서 건조하여 5SBSCO5GDC분말, 6SBSCO4GDC분말, 7SBSCO3GDC분말, 8SBSCO2GDC분말 및 9SBSCO1GDC분말을 각각 제조하였다. 전해질 물질인 Ce0 .9Gd0 .1O2 -δ(GDC)는 Praxair사(Lot 번호 03-P5739DM)에서 combustion spray pyrolysis 방법을 사용하여 합성하여 판매하는 물질을 사용했으며 순도 99.9%, 표면적(Surface area) 21.37 m2/g이었다.
본 발명에 따라 실시예 1 내지 실시예 12에서 제조된 물질들은 X-선 회절장치의 X-선 회절 결과 및 투과전자현미경의 전자회절 패턴 결과를 이용하여 그 구조 및 상(phase)을 분석하였으며, 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM)에 부착된 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 이용한 구성 성분 분석 및 원소별 캐미칼 맵핑을 이용하여 제조된 물질의 이상 생성여부 및 균질성을 분석하였다.
분석결과, 실시예 1 내지 실시예 12에서 제조된 모든 물질은 서로 다른 상 또는 물질이 섞여있지 않은 균질한 단일 상을 가지며, 이중층 페로브스카이트 구조를 가짐을 알 수 있었다.
실시예 1 내지 실시예 12에서 제조된 모든 물질은 유사한 X-선 회절 결과를 나타내었으며, 도 2는 실시예 1 내지 4에서 제조된 SmBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ(도 2의(b)) 의 X-선 회절 결과를 도시한 것이다.
도 2와 같이 SmBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ(SBSCO)이 이중층 페로브스카이트 구조를 가짐을 알 수 있으며, 또한 원소주기율표의 La계열의 Pr, Nd, Sm, 또는 Gd의 치환에 따라서 픽의 형태가 달라지는 것을 추가 실험 결과를 통해서 확인 할 수 있었다. 일 예로, 도 2(b)와 같이 SmBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ는 각 픽들이 2개의 픽으로 분리되어 있는 것을 확인 할 수 있으며 이는 기존에 보고되었던 도 2(a)의 SmBaCo2O5 +δ 와 일치하는 것을 확인 하였다. 투과전자현미경을 이용한 상세한 구조분석 결과, SmBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ 오쏘롬빅 격자(orthorhombic lattice)를 보이는 것을 알 수 있었다.
(실시예 14)
공기극 층이 구비된 반전지
공기극층의 물질로 실시예 13에서 제조된 5SBSCO5GDC 또는 6SBSCO4GDC 분말을 이용하였으며, Ce0 .9Gd0 .1O2 -δ(이하 GDC)를 이용하여 반전지를 제조하였다.
전해질층을 제조하기 위해, 3.6g 의 GDC를 중량한 다음 직경인 2.2cm인 금속몰드를 이용하여 약 2ton의 중량으로 가압 성형하여 펠렛(pellet)형태의 성형체를 제작하였다. 제조된 성형체는 1400℃의 고온노에서 분당 2℃의 온도상승으로 4시간 소결처리하여 전해질펠렛을 제조하였다.
공기극층을 제조하기 위해, 5SBSCO5GDC 또는 6SBSCO4GDC 1g과 공기극잉크 (알파터미놀78wt% 셀룰로오소22wt%의 혼합) 1g을 중량하여 마노유발에 혼합한 후 공기극 슬러리를 제조하였다. 이후, 스크린 프린트를 이용하여 버퍼층이 형성된 전해질펠렛의 양단에 공기극 슬러리를 1회 도포하여 1000oC에서 1시간 열처리 하였다. 도 3은 전해질 펠렛(GDC)에 공기극층이 순차적으로 적층된 반전지의 단면 SEM 사진이다.
하기의 표 1은 반전지로 제조된 6SBSCO4GDC 공기극층의 면저항(Interfacial resistance)을 측정하여 정리한 것이다.
(표 1)
공기극 조성 Temperature ()
550 600 650 700
면저항
(O)		 6SBSCO4GDC
on GDC		 0.415 0.168 0.065 0.031
상기의 표 1 에서 “on GDC"는 GDC를 전해질 펠렛으로 이용하여 그 상부에 공기극층인 6SBSCO4GDC가 형성된 구조를 의미한다.
표 1에서 알 수 있듯이 기존에 사용되고 있는 고체산화물 연료전지의 공기극 물질의 면저항 값보다 모든 온도조건에서 약 1/10 정도로 낮은 값을 가짐을 알 수 있다. 또한, 이중층 페로브스카이트의 구조적 특성에 의해(] G. Kim, S. Wang, A. J. Jacobson, L. Reimus, P. Brodersen and C. A. Mims, "Rapid oxygen ion diffusion and surface exchange kinetics in PrBaCo2O5 +x with a perovskite related structure and ordered A cations," Journal of Materials Chemistry, 17 (2007) 2500-2505) 공기극층과 전해질층의 계면에 다수의 산소환원 자리를 제공하며, 산소이온의 확산이 용이함을 알 수 있다.
실시예 14와 유사한 방법으로 실시예 1에서 제조된 SmBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ (이하 SBSCO)의 공기극층을 갖는 반전지를 제조하였으며 상술한 바와 같이 GDC 전해질 펠렛상에 형성된 6SBSCO4GDC공기극층, SBSCO공기극층 및 이를 비교하기 위해서 SmBaCo2O5 +δ(SBSCO)를 동일한 실험조건으로 정리 도시한 결과는 도 4에 나타내었다.
일반적으로 종래 문헌에 보고되고 있는 공기극의 면저항특징은 도4에 표시된 log(0.2)와 log(0.1)사이에 존재하고 있다. 그러나 본 발명에 따른 이중층 페로브스카이트 구조의 공기극은 이보다 면저항값이 약1/10정도 낮을뿐만 아니라 특히 60wt%의 SBSCO에 40wt%의 GDC가 포함된 복합 공기극의 경우 이중에서도 가장 낮은 면저항을 가짐을 알 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들은 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 페로브스카이트 구조의 구조적 변이를 도시한 도면으로, 도 1(a)는 단순 페로브스카이트 구조, 1(b)는 복합 페로브스카이트 구조, 1(c)는 이중층 페로브스카이트 구조를 도시한 도면이며,
도 2,3은 본 발명에 따라 제조된 공기극 물질의 X-선 회절 결과를 도시한 도면이다.
도 4은 본 발명에 따라 제조된 공기극층이 구비된 반전지 단면의 주사전자현미경(SEM) 사진이며,
도 5는 본 발명에 따라 제조된 6SBSCO4GDC, SBSCO 및 SBCO 공기극층의 면저항을 온도에 따라서 정리하여 도시한 것이다.

Claims (13)

  1. 하기의 화학식 1의 이중층 페로브스카이트(double layered perovskite) 구조인 고체산화물 연료전지용 공기극 물질로서,
    (화학식 1)
    LaMbNcCodFe(2-d)O5+δ
    (상기 식에서 L은 란탄족에서 선택된 원소, M 및 N은 각각 알칼리토금속족에서 선택된 서로 다른 원소이고, 0.5≤a≤1.5, b=c=0.5, 0≤d≤2, 0≤δ≤1임)
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 L, M 및 N은 페로브스카이트 구조의 A 위치(A site)를 점유하며, 상기 Fe는 페로브스카이트 구조의 B 위치(B site)를 점유하며, 상기 식에서 d>0인 경우, Co 및 Fe는 페로브스카이트 구조의 B 위치(B site)를 점유하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 물질.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 L은 Pr, Nd, Sm 또는 Gd인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 물질.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 M은 Ba이며, N은 Sr인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 물질.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 a는 1이며, b+c=1인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 물질.
  7. 삭제
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 공기극 물질은 상기 화학식 1의 물질;과 고체산화물 연료전지용 전해질 물질;이 혼합된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 물질.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전해질 물질은 Ce0 .9Gd0 .1O2 -δ, Ce0 .8Gd0 .2O2 -δ, Sm0 .8Gd0 .2O2 -δ 및 La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .2O3 -δ군에서 하나 이상 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 물질.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 전해질 물질은 Ce0 .9Gd0 .1O1 -δ인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 물질.
  11. 삭제
  12. 제 3항에 있어서,
    상기 화학식 1의 물질은
    란탄족 탄산염 또는 란탄족 산화물의 란탄선구물질과 알칼리토금속족 탄산염 또는 알칼리토금속족 산화물의 알칼리토금속선구물질의 혼합물인 A-위치 선구물질; 및
    탄산코발트, 산화코발트, 탄산철, 산화철 또는 이들의 혼합물인 B-위치 선구물질;을 혼합한 후, 900 내지 1100℃의 온도로 1차 열처리하여 얻어진 하소체를 분쇄한 후 1000 내지 1200℃의 온도로 2차 열처리하여 제조된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극 물질.
  13. 제 1항, 제 3항 내지 제 6항, 제 8항 내지 제 10항, 제 12항 중 어느 한 항의 연료전지용 공기극 물질을 함유하는 고체산화물 연료전지의 공기극.
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