KR101368792B1 - 고체 산화물 연료전지용 캐소드와 그 제조 방법 및 이 캐소드를 포함하는 연료전지 - Google Patents

Abstract

화학식 La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}의 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재와 이를 사용한 연료전지를 개시한다. 상기 화학식에서, 상기 화학식 1에서, x는 0초과 4 미만의 양수이고, δ는 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. 본 발명의 일 구현예에 의하면, 캐소드의 산소 이온 전도성을 향상시켜, 캐소드의 분극저항을 감소시킬 수 있으며, 800℃ 이하의 낮은 온도에서도 낮은 전극저항을 유지할 수 있다.

Description

고체 산화물 연료전지용 캐소드와 그 제조 방법 및 이 캐소드를 포함하는 연료전지{Cathode for Solid Oxide Fuel Cell, Method for Producing Thereof and Fuel Cell Comprising the Same}

본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 산소 이온의 전도도가 향상될 수 있는 캐소드와 그 제조 방법 및 이 캐소드를 포함하는 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.

고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)는 연료 가스의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 고효율의 환경친화적인 전기화학식 발전 기술로서, 이온전도성을 가지는 고체산화물을 전해질로 사용한다. SOFC는 다른 형태의 연료전지보다 상대적으로 저렴한 재료, 연료의 불순물에 대한 상대적으로 높은 허용도, 복합 발전 능력(hybrid power generation capability), 그리고 높은 효율 등과 같은 많은 장점이 있으며, 연료를 수소로 개질할 필요 없이 탄화수소계 연료를 직접 사용할 수 있어 연료전지 시스템의 단순화와 가격저하를 가져올 수 있다. SOFC는 수소 또는 탄화수소와 같은 연료가 산화되는 애노드, 산소가스가 산소이온(O^{2 -}　)으로 환원되는 캐소드, 및 산소이온(O^{2 -}　)이 전도되는 이온전도성 고체산화물 전해질로 이루어진다.

기존의 SOFC는 800~1,000℃ 범위의 고온에서 작동하기 때문에 고온에서 견딜 수 있는 고온 합금이나 값비싼 세라믹 재료들이 사용되어야 하고, 시스템의 초기 구동 시간이 오래 걸리며, 장시간 운전시 재료의 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 상용화하는데 가장 큰 걸림돌인 전체적인 비용 상승의 문제가 뒤따른다.

이에 따라, SOFC의 작동온도를 800℃ 이하로 낮추려는 많은 연구들이 진행되고 있다. 그러나, 작동온도의 저감은 SOFC 캐소드 소재의 전기저항을 급격히 증가시키게 되고, 이는 결국 SOFC의 출력밀도를 감소시키는 주된 원인으로 작용한다. 이와 같이, SOFC의 작동온도의 저감은 캐소드 저항의 크기에 많은 영향을 주기 때문에, 중저온용 SOFC에 있어서 캐소드 저항을 낮추려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 　

공개 특허 공보 제2008-0074851호

본 발명의 기술적 과제는 캐소드의 산소 이온 전도성을 향상시킬 수 있는 신규 캐소드 소재와 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 한 측면에서는, 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재를 제공한다.

<화학식 1>

La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}

상기 화학식 1에서, x는 0초과 4 미만의 양수이고, δ는 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.

전술한 측면의 한 실시 형태에서는, x가 0.8, 1.6 또는 2.4이다.

본 발명의 다른 측면에서는, 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재 및 산소 이온 전도성 고체 산화물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드를 제공한다.

<화학식 1>

La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}

상기 화학식 1에서, x는 0.8, 1.6 또는 2.4이고, δ는 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.

전술한 측면의 한 실시 형태에서는, 상기 산소 이온 전도성 고체 산화물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)이다.

전술한 측면의 다른 실시 형태에서는, 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재는 42wt%로 포함된다.

전술한 측면의 또 다른 실시 형태에서는, 상기 캐소드는 Ruddlesden-Popper 구조를 가진다.

본 발명의 다른 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 캐소드는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물의 복합체이다.

<화학식 1>

La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}

상기 화학식 1에서, x는 0.8, 1.6 또는 2.4이고, δ는 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.

전술한 측면의 한 실시 형태에서는, 산소 이온 전도성 고체 산화물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)이다.

전술한 측면의 다른 실시 형태에서는, 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재는 42wt%로 포함된다.

전술한 측면의 또 다른 실시 형태에서는, 상기 캐소드는 Ruddlesden-Popper 구조를 가진다.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에서는, 다공성의 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬래브(Slab)를 형성하는 단계, 상기 슬래브에 금속 산화물 전구체들을 포함하는 용액을 침투 시키는 단계 및 상기 용액이 침투된 상기 슬래브를 열처리하여 Ruddlesden-Popper 구조 형성하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드의 제조방법을 제공한다. 여기서, 상기 금속 산화물 전구체들은 하기 화학식 1의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 La, Sr 및 Ni 화합물들의 혼합물이다.

<화학식 1>

La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}

상기 화학식 1에서, x는 0.8, 1.6 또는 2.4이고, δ는 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.

전술한 측면의 한 실시 형태에서는, 상기 슬래브의 열처리 전에, 상기 슬래브(Slab) 내로 침투한 상기 용액으로부터 질소화 이온과 구연산을 분해하기 위하여 상기 슬래브를 하소(Calcine)하는 단계를 더 포함한다.

전술한 측면의 다른 실시 형태에서는, 상기 용액을 침투시키는 단계와, 상기 슬래브를 하소하는 단계를 수회 반복한다.

본 발명의 일 구현예에 의하면, 캐소드의 산소 이온 전도성을 향상시켜, 캐소드의 분극저항을 감소시킬 수 있으며, 800℃ 이하의 낮은 온도에서도 낮은 전극저항을 유지할 수 있다.

도 1은 페로브스카이트 구조를 도시한 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에서 캐소드가 가지는 Ruddlesden-Popper 구조를 도시한 도이다.
도 3은 본 발명의 고체산화물 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

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.

일반적으로 고체산화물 연료전지의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이 캐소드의 산소가스 O₂가 산소이온 O^{2 -}으로 변하는 양극반응과 연료극의 연료(H₂ 또는 탄화수소)와 전해질을 통해 이동해 온 산소이온이 반응하는 음극반응으로 이루어진다.

<반응식>

양극반응: 1/2 O₂ + 2e^- -> O^{2 -}

음극반응: H₂ + O^{2 -} -> H₂O + 2e^-

고체산화물 연료전지의 캐소드(공기극)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리 및 표면 확산을 거쳐 전해질, 캐소드 및 기공이 만나는 삼상계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고 생성된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하게 된다. 따라서, 고체산화물 연료전지의 캐소드에서 산소 이온의 전도도가 향상되면, 캐소드의 분극저항을 감소시킬 수 있고, 800℃ 이하의 낮은 온도에서도 낮은 전극저항을 유지할 수 있다.

한편, 페로브스카이트 계열은 도 1에 도시한 바와 같이 ABO₃를 기본구조로 하는데, ABO₃ 결정 구조에서 A 사이트는 보다 큰 금속 양이온으로서 정육면체의 모서리에 위치하고, B 사이트는 보다 작은 금속 양이온으로서 체심에 위치하고, O 음이온은 면심에 위치한다.

본 발명의 일 측면은 산소 이온의 전도도가 향상될 수 있는 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 고체산화물 연료전지용 캐소드 소재를 제공함에 있다. 상기 고체산화물 연료전지용 캐소드 소재는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.

[화학식 1]

La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}

화학식 1에서 x는 0초과 4 미만의 양수로서, 구체적으로 0.8, 1.6 또는 2.4일 수 있으며, δ는 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.

상기 화학식 1의 화합물은 A 사이트에 위치하는 La의 일부가 Sr로 치환된 구조를 가진다. Sr은 +2가 이고, La은 +3이므로, 상기 화합물이 전기적으로 중성을 유지하기 위해서 산소의 10-δ 값이 작아져야 하고, 이를 위해서는 δ 값이 커져야 한다. δ 값이 커지면, 화합물의 결정 구조 내에서 산소의 공공(Vacancy)가 많이 생기게 되며, 이러한 열린 공간은 이온의 움직임을 보다 용이하게 함으로써, 캐소드에 보다 향상된 이온 전도성을 부여할 수 있다.

또한, 상기 화학식 1의 산화물은 침입형 산소(interstitial oxygen)를 포함함으로써 산소 이온의 전도성이 향상되는데, 상기 산화물에서 δ가 침입형 산소를 나타내고 있다. 따라서, La의 일부가 Sr로 치환되면, δ 값이 커지므로 산소 이온의 전도성이 향상될 수 있다. 이러한 δ는 화학식 1의 x 값에 의존하는 값으로, 구체적인 결정 구조에 따라 정해질 수 있다.

본 발명에 따른 La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ} 화학식의 캐소드 소재는 La의 일부를 적절하게 Sr로 치환함으로써, δ 값을 증가시켜 캐소드의 분극저항을 감소시킬 수 있으며, 800℃ 이하의 낮은 온도에서도 낮은 전극저항을 유지할 수 있다.

다만, 본 발명의 캐소드 소재는 이에 한하지 않는다. 본 발명은 페로브스카이트 계열의 ABO₃ 결정 구조를 가질 때, A사이트의 금속 양이온이 보다 작은 전하 값을 가지는 양이온으로 치환되는 구조일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서는 고체산화물 연료전지용 캐소드 및 이의 제조방법을 제공한다.

상기 고체산화물 연료전지용 캐소드는 전술한 캐소드 소재 외에 산소 이온 전도성 고체 산화물로써 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 더 포함하며, Ruddlesden-Popper 구조를 가질 수 있다.

Ruddlesden-Popper 구조는 La _{n +1}Ni _n O_{3 n +1}의 일반구성을 가지며, c축을 따라 페로브스카이트 산화물 층과 Rock-salt 층으로 구성된다. 여기서, n은 페로브스카이트 산화물 층의 수를 나타낸다. 도 2는 일 예로 n=3인 Ruddlesden-Popper 구조를 도시한다.

Ruddlesden-Popper 구조는 층상구조로서 표면의 니켈 금속쪽으로 전자가 이동하며, n이 증가하면 페로브스카이트 산화물 층이 많아지므로, 이온과 전자의 전도성이 향상될 수 있다.

한편, 층내의 페로브스카이트 산화물은 La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}의 화학식을 가지므로, 전술한 바와 같이, δ 값이 커짐에 따라 산소 이온의 전도성이 향상되고, 이에 따라 고체산화물 연료전지용 캐소드의 분극저항을 감소시킬 수 있다. 이때, 페로브스카이트 산화물은 42wt%로 포함될 수 있다.

이러한 고체산화물 연료전지용 캐소드는 다공성의 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬래브(Slab)에 전술한 고체산화물 연료전지용 캐소드 소재를 형성하기 위한 전구체들을 포함하는 용액을 침투(Infiltration)시켜 형성할 수 있다.

먼저, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬래브(Slab)는, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬러리를 형성한 후, 이 슬러리를 이용하여 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 백본(Backbone)을 형성함으로써 제조할 수 있다.

구체적으로, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬러리는, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말, 분산제, 바인더 및 포어 형성자(예: 그라파이트)를 증류수에 혼합하여 형성할 수 있다. 이 슬러리를 이용하여 일정한 크기의 백본(Backbone)을 제조한 후, 대략 65%의 공극율을 가지는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 구조를 가지도록 하기 위해, 백본을 대략 1500℃에서 열처리함으로써, 다공성의 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬래브(Slab)를 형성할 수 있다.

고체산화물 연료전지용 캐소드 소재를 형성하기 위한 전구체들을 포함하는 용액은, 상기 화학식 1의 캐소드 소재를 구성하는 각 금속 전구체를 용매에 분산시켜 형성할 수 있다.

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 등의 산용액; 물; 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 디에틸에테르, 에틸렌 글리콜 등의 유기용매; 등을 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.

각 금속 전구체는 화학식 1의 화합물을 얻을 수 있는 화학양론적 비율로 혼합한다. 금속 전구체의 예는 화학식 1의 상기 캐소드 소재를 구성하는 각 금속 성분인 La, Sr 및 Ni의 질화물, 산화물, 할로겐화물 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.

일 예로, 상기 캐소드 소재의 전구체 용액은 La(NO₃)₃·6H₂O, Sr(NO₃)₂, 및 Ni(NO₃)₂·6H₂O을 구연산(Citric acid)과 함께 증류수에 용해하여 형성할 수 있다.

이와 같이 형성된 캐소드 소재의 전구체 용액을 상술한 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬래브 내로 침투(Infiltration)시킨다. 침투는 캐소드 소재의 전구체를 포함하는 용액 내에 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬래브를 침지함으로써 수행할 수 있다.

캐소드 소재의 전구체를 포함하는 용액이 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬래브 내로 침투하며, 질소화 이온과 구연산을 분해하기 위하여 대기중에서 약 450℃의 온도로 하소시킨다(Calcined). 한편, 이와 같은 침투 과정은 수 차례 반복할 수 있다. 예를 들어, 페로브스카이트 산화물이 대략 42wt%로 포함될 때까지 상기 침투 과정은 반복될 수 있다.

La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ} 화학식의 캐소드 소재가 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬래브 내로 침투가 완료되면, 대기중에서 약 850℃의 온도로 대략 4시간 동안 열처리하여 캐소드를 형성할 수 있다. 형성되는 캐소드는 Ruddlesden-Popper 구조를 가지게 된다.

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

도 3은 본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따른 고체산화물 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 고체산화물 연료전지(20)는 고체산화물 전해질(21)을 중심으로 양쪽에 캐소드(22) 및 애노드(23)가 배치된다.

고체산화물 전해질(21)은 공기와 연료가 혼합되지 않도록 치밀해야 하고 산소이온 전도도가 높고 전자전도도가 낮아야 한다. 또한, 상기 전해질(21)은 양쪽에 산소 분압차가 아주 큰 캐소드(22)와 애노드(23)가 위치하므로 넓은 산소분압 영역에서 위의 물성을 유지할 필요가 있다.

이러한 고체산화물 전해질(21)을 구성하는 재료로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 고체산화물 전해질(21)로는 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.

상기 고체산화물 전해질(21)의 두께는 통상 10nm 내지 100μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 고체산화물 전해질(21)의 두께는 100nm 내지 50μm일 수 있다.

애노드(23, 연료극)는 연료의 전기화학적 산화와 전하 전달 역할을 한다. 따라서 애노드 촉매는 연료 산화 촉매 물성이 아주 중요하고 전해질 재료와 화학적으로 안정하고 열팽창 계수도 유사한 것을 사용하는 것이 좋다. 상기 애노드(23)는 고체산화물 전해질(21)을 형성하는 재료와 니켈 옥사이드 등이 혼합된 서머트(cermet)를 포함할 수 있다. 예를 들어, YSZ를 전해질로 사용하는 경우, 애노드(23)로는 Ni/YSZ 복합체(ceramic-metallic composite)을 사용할 수 있다. 이외에도 Ru/YSZ 서머트나 Ni, Co, Ru, Pt 등의 순수 금속 등을 애노드(23) 재료로 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 애노드(23)는 필요에 따라 활성탄소를 추가로 포함할 수 있다. 상기 애노드(23)는 연료가스가 잘 확산되어 들어갈 수 있도록 다공성을 가지는 것이 좋다.

상기 애노드(23)의 두께는 통상 1 내지 1000 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 애노드(23)의 두께는 5 내지 100 μm일 수 있다.

상기 캐소드(22)는 산소가스가 산소이온으로 환원되며, 캐소드(22)에 공기를 계속 흘려주어 일정한 산소 분압을 유지하도록 유지시켜 준다. 상기 캐소드(22)는 전술한 바와 같이 화학식 1의 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물로써 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 포함하며, Ruddlesden-Popper 구조를 가질 수 있다. 특히, 캐소드 소재는 일부 La이 Sr로 치환된 La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}의 화학식을 가지므로, δ 값이 커짐에 따라 산소 이온의 전도성이 향상되고, 이에 따라 고체산화물 연료전지용 캐소드의 분극저항을 감소시킬 수 있다. 이때, 페로브스카이트 산화물은 대략 42wt%로 포함될 수 있다.

상기 캐소드(22)의 두께는 통상 1 내지 100 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 캐소드(22)의 두께는 5 내지 50 μm일 수 있다.

상기 캐소드(22)는 산소가스가 잘 확산되어 들어갈 수 있도록 다공성을 가지는 것이 좋다.

일 구현예에 따르면, 상기 캐소드(22)와 고체산화물 전해질(21) 사이에는 기능층으로서 반응방지층(24)을 더 포함할 수 있다. 상기 반응방지층(24)은 캐소드(22)와 고체산화물 전해질(21) 사이의 반응을 방지 또는 억제하여 이들 사이에 부도체층이 발생하는 것을 방지 또는 억제한다. 이러한 반응방지층(24)은 예를 들어, 가돌리늄 도프된 세리아(GDC), 사마륨 도프된 세리아(SDC) 및 이트륨 도프된 세리아(YDC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 반응방지층(24)은 두께가 통상 1 내지 50 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 반응방지층(24)의 두께는 2 내지 10 μm일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 고체산화물 연료전지(20)는 상기 캐소드(22)의 적어도 한 측면, 예를 들어 캐소드(22)의 바깥 측면에 전자전도체를 포함하는 전기집전층을 더 포함할 수 있다. 상기 전기집전층(25)은 양극 구성에 있어서 전기를 모으는 집전체(current collector) 역할을 할 수 있다.

상기 전기집전층(25)은, 예를 들어 란타늄 코발트 산화물(LaCoO₃), 란타늄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 란타늄 스트론튬 크롬 망간 산화물(LSCM), 란타늄 스트론튬 망간 산화물(LSM), 및 란타늄 스트론튬 철 산화물(LSF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전기집전층(25)은 위에서 열거한 재료들을 단독으로 사용하거나, 2 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 이들 재료를 이용하여 단일층으로 구성하거나 2 이상 복수개의 적층구조로 구성하는 것도 가능하다.

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.

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.

20: 고체산화물 연료전지 21: 고체산화물 전해질
22: 캐소드 23: 애노드
24: 반응방지층 25: 전기집전층

Claims (13)

1. 삭제
2. 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재:
   <화학식 1>
   La_4-xSr_xNi₃O_10-δ
   상기 화학식 1에서, x는 0.8, 1.6 또는 2.4이고, δ는 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
3. 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재; 및
   산소 이온 전도성 고체 산화물;을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드:
   <화학식 1>
   La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}
   상기 화학식 1에서, x는 0.8, 1.6 또는 2.4이고, δ는 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
4. 제3항에 있어서,
   상기 산소 이온 전도성 고체 산화물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)인 고체 산화물 연료전지용 캐소드.
5. 제3항에 있어서,
   상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재는 42wt%로 포함된 고체 산화물 연료전지용 캐소드.
6. 제3항에 있어서,
   상기 캐소드는 Ruddlesden-Popper 구조를 가지는 고체 산화물 연료전지용 캐소드.
7. 캐소드;
   상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드; 및
   상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질;을 포함하고,
   상기 캐소드는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물의 복합체인 고체 산화물 연료전지:
   <화학식 1>
   La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}
   상기 화학식 1에서, x는 0.8, 1.6 또는 2.4이고, δ는 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
8. 제7항에 있어서,
   상기 산소 이온 전도성 고체 산화물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)인 고체 산화물 연료전지.
9. 제7항에 있어서,
   상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재는 42wt%로 포함된 고체 산화물 연료전지.
10. 제7항에 있어서,
    상기 캐소드는 Ruddlesden-Popper 구조를 가지는 고체 산화물 연료전지.
11. 다공성의 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 슬래브(Slab)를 형성하는 단계;
    상기 슬래브에 금속 산화물 전구체들을 포함하는 용액을 침투시키는 단계; 및
    상기 용액이 침투된 상기 슬래브를 열처리하여 Ruddlesden-Popper 구조 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 금속 산화물 전구체들은 하기 화학식 1의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 La, Sr 및 Ni 화합물들의 혼합물인 고체 산화물 연료전지용 캐소드의 제조방법:
    <화학식 1>
    La_{4 - x}Sr_xNi₃O_{10 -δ}
    상기 화학식 1에서, x는 0.8, 1.6 또는 2.4이고, δ는 상기 화학식 1의 상기 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
12. 제11항에 있어서,
    상기 슬래브의 열처리 전에, 상기 슬래브(Slab) 내로 침투한 상기 용액으로부터 질소화 이온과 구연산을 분해하기 위하여 상기 슬래브를 하소(Calcine)하는 단계;를 더 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드의 제조방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 용액을 침투 시키는 단계와, 상기 슬래브를 하소하는 단계를 수회 반복하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드의 제조방법.
    

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