KR101534607B1 - Porous cathode composite for solid oxide regenerative fuel cell, fabrication method thereof and solid oxide regenerative fuel cell comprising the same - Google Patents

Porous cathode composite for solid oxide regenerative fuel cell, fabrication method thereof and solid oxide regenerative fuel cell comprising the same Download PDF

Info

Publication number
KR101534607B1
KR101534607B1 KR1020130129891A KR20130129891A KR101534607B1 KR 101534607 B1 KR101534607 B1 KR 101534607B1 KR 1020130129891 A KR1020130129891 A KR 1020130129891A KR 20130129891 A KR20130129891 A KR 20130129891A KR 101534607 B1 KR101534607 B1 KR 101534607B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
solid oxide
porous
composite
real number
Prior art date
Application number
KR1020130129891A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20150049385A (en
Inventor
이성일
손지원
이종호
제해준
윤경중
이해원
김병국
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020130129891A priority Critical patent/KR101534607B1/en
Publication of KR20150049385A publication Critical patent/KR20150049385A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101534607B1 publication Critical patent/KR101534607B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/9016Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H01M4/9025Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H01M4/9033Complex oxides, optionally doped, of the type M1MeO3, M1 being an alkaline earth metal or a rare earth, Me being a metal, e.g. perovskites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 페로브스카이트와 플루오라이트의 다공성 복합체 및 상기 다공성 복합체 전극의 표면에 형성된 나노촉매를 포함하는 고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체에 관한 것으로서, 종래 고체산화물 재생 연료전지(SORFC) 성능은 공기극의 분극 현상에 의해서 크게 제한되어 왔으나, 본 발명에 따르면 다공성 복합체 공기극의 기공 내부에 나노촉매가 균일하게 침투되어 있어 O2 환원 및 O2 - 산화를 위한 공기극 표면 반응이 촉진되고, 이에 의해서 고체산화물 연료전지(SOFC)/고체산화물 전기분해조(SOEC) 성능을 동시에 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 고체 산화물 재생 연료전지용 공기극 복합체의 제조방법은 종래의 다양한 용매 주입 기술에 적용이 가능하여 생산 공정상으로 도입이 용이하고, 공기극 복합체가 800 ℃에서 결정화가 이루어지기 때문에 별도의 열처리 공정 없이도 고체 산화물 재생 연료전지(SORFC) 운전 초기에 결정화를 진행할 수 있으므로 제조 공정 단순화에도 기여할 수 있다.The present invention relates to a porous cathode composite for a solid oxide regenerative fuel cell comprising a porous composite of perovskite and fluorite and a nanocatalyst formed on the surface of the porous composite electrode. The performance of the conventional solid oxide regenerative fuel cell (SORFC) wateuna is greatly limited by the polarization of the air electrode, there is a nano-catalyst in the pores inside the porous composite cathode is uniformly penetrate O 2 reduction and O 2 according to the invention the air electrode surface reactions for oxidation is promoted, whereby the solid by Oxide fuel cell (SOFC) / solid oxide electrolytic cell (SOEC) performance can be greatly improved at the same time. In addition, since the method of manufacturing the air electrode composite for a solid oxide recycle fuel cell according to the present invention is applicable to various conventional solvent injection techniques, it is easy to introduce into the production process, and since the air electrode composite is crystallized at 800 ° C, Since the crystallization can proceed at the beginning of the operation of the solid oxide fuel cell (SORFC) without the heat treatment process, it can contribute to the simplification of the manufacturing process.

Description

고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고체 산화물 재생 연료전지{Porous cathode composite for solid oxide regenerative fuel cell, fabrication method thereof and solid oxide regenerative fuel cell comprising the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a porous cathode composite for a solid oxide regeneration fuel cell, a method for producing the same, and a solid oxide regenerative fuel cell comprising the solid oxide regenerative fuel cell,

본 발명은 고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a porous cathode composite for a solid oxide regenerative fuel cell and a method of manufacturing the same.

차세대 연료전지 기술로서 연료전지-수전해 일체형 에너지 변환 및 저장 시스템인 일체형 재생 연료전지(Unitized Regenerative Fuel Cell, URFC) 기술이 연료전지가 상업화된 이후 연료전지 연구를 이끌 가장 유력한 연구 주제로 부상되고 있다.As a next-generation fuel cell technology, a fuel cell - a unitized regenerative fuel cell (URFC) technology, which is an integrated energy conversion and storage system, is emerging as the most promising research topic to lead fuel cell research .

상기 일체형 재생 연료전지(URFC)는 연료전지(fuel cell) 모드와 전해조(electrolyzer) 모드로 구성되고, 연료전지 모드에서는 기존 연료전지 구동과 동일하게 전기에너지를 생성하고, 전해조 모드에서는 전기에너지를 공급하여 연료전지 반응에서 부산물로 생성된 물을 전기 분해시킴으로서 다시 수소와 산소를 발생시키는 시스템으로 구성되어 있다. 이때 재생된 수소 및 산소를 연료전지에 재공급하여 전기에너지를 얻어내는 기술이 바로 URFC 기술의 핵심이고, 재생 수소를 사용하기 때문에 기존 연료전지의 수소 에너지 이용 효율을 약 10-15%로 크게 개선시킬 것으로 예상하고 있다.The integrated regenerative fuel cell (URFC) is constituted by a fuel cell mode and an electrolyzer mode. In the fuel cell mode, electrical energy is generated in the same manner as the conventional fuel cell driving mode. In the electrolytic cell mode, And a system for generating hydrogen and oxygen again by electrolyzing water produced as a by-product in a fuel cell reaction. In this case, the technology of re-supplying the regenerated hydrogen and oxygen to the fuel cell to obtain the electric energy is the core of the URFC technology and the use efficiency of the hydrogen fuel of the existing fuel cell is greatly improved to about 10-15% .

URFC 중에서도 효율이 가장 우수한 기술인 세라믹 막을 전해질로 하는 고체산화물 재생 연료전지(SORFC, Solid Oxide Regenerative Fuel Cell)는 고효율 청정에너지전환을 위한 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)와 그 역운전에 해당하는 수소제조용 고체산화물 전기분해조(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)를 통합한 전지로서, 대용량 전력공급과 수소생산/저장/활용이 가능하기 때문에 신재생에너지의 불균등한 저품질의 전력을 수요에 맞추어 안정적으로 공급하기에 적합한 기술이다. 즉, 전력 수요가 적은 시간에는 신재생에너지의 잉여 전력을 사용하여 수소를 제조하여 저장하고 전력수요가 많은 시간에는 이를 연료로 사용하여 전력을 공급할 수 있다. 이는 800 ℃의 고온 영역에서 작동하기 때문에 저온형 재생연료전지에 비하여 열역학적, 반응 속도론적으로 유리하고 상대적으로 높은 효율 및 성능을 지니고 있어, 재료간의 반응문제 및 신소재 개발, 전극특성 향상, 스택 제조, 운전시험 평가 등이 주요 연구개발의 핵심 이슈로 대두되고 있다.Solid Oxide Regenerative Fuel Cell (SORFC), which is the most efficient technology among URFCs, is a solid oxide fuel cell (SOFC) for high-efficiency clean energy conversion and its reverse operation It is a battery that incorporates the corresponding Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) for hydrogen production. It can supply large capacity electricity and produce / store / utilize hydrogen. Therefore, unequal low quality electricity of renewable energy It is a technology suitable for stable supply. That is, hydrogen can be manufactured and stored by using surplus power of new and renewable energy in a time when power demand is low, and power can be supplied by using it as fuel when power demand is high. Since it operates at a high temperature region of 800 ° C, it has thermodynamic and kinetic advantages compared to the low-temperature type regenerative fuel cell and has relatively high efficiency and performance. Therefore, it is possible to solve the reaction problems between the materials and develop new materials, Driving test evaluation are emerging as key issues in major research and development.

그러나, 현재까지 개발되어 있는 SOFC 기술을 적용하여 수소 생산을 위한 SOEC로 운전할 경우 현저히 낮은 성능을 보이며, 이 때 발생하는 성능 손실 중 상당부분이 공기극에서의 분극에 기인한다. 따라서, 기술의 상용화를 위해서는 장수명, 고성능의 우수한 대면적 전해질 및 전극 제조 등의 SOFC와 SOEC 모드로 작동할 때와 비슷한 성능을 지니는 시스템의 개발과 SOFC와 SOEC 양 방향 운전에서 모두 낮은 분극을 보이는 새로운 조성 및 구조를 갖는 공기극의 개발이 절실히 요구된다.
However, when the SOFC technology is applied to SOEC for the hydrogen production, the performance is remarkably low, and a large part of the performance loss is caused by polarization at the air electrode. Therefore, for commercialization of the technology, it is necessary to develop a system having performance similar to that of operating in the SOFC and SOEC modes, such as long life, high-performance large-area electrolytes and electrode fabrication, The development of an air electrode having a composition and structure is desperately required.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 공기극 표면 반응을 촉진하여 고체 산화물 연료전지 및 고체산화물 전기분해 성능을 동시에 크게 향상시킬 수 있는 고체 산화물 재생 연료전지용 공기극 복합체 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
Disclosure of Invention Technical Problem [6] The present invention provides a solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same, which can greatly improve both the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolysis performance by promoting the surface reaction of the air electrode.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problems,

하기 [화학식 2]로 표시되는 페로브스카이트와 플루오라이트의 다공성 복합체 및 상기 복합체의 표면에 형성된 하기 [화학식 1]로 표시되는 나노촉매를 포함하는 고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체를 제공한다.There is provided a porous cathode composite for a solid oxide regeneration fuel cell comprising a porous composite of perovskite and fluorite represented by the following Chemical Formula 2 and a nanocatalyst represented by the following Chemical Formula 1 formed on the surface of the composite.

[화학식 2](2)

A1- XBXC1 - YDYO3 (페로브스카이트) - E1 - ZFZO2 (플루오라이트) A 1- X B X C 1 - Y D Y O 3 -δ ( perovskite) - E 1 - Z F Z O 2 -δ ( fluorite)

상기 [화학식 2]에서, A는 La, Ba, Y 중 하나의 원소이고, B는 Sr, Ca 중 하나의 원소이며, C와 D는 Mn, Co, Fe, Ni 중 각각 하나의 원소이고, E는 Y, Sc, Gd, Sm, Ca 중 하나의 원소이고, F는 Zr, Ce 중 하나의 원소이며, X는 0 < X < 1의 실수이고 Y는 0 < Y < 1의 실수이고, Z는 0 < Z < 1의 실수이며, δ는 0 ≤ δ ≤ 1의 실수이고,In the above formula 2, A is one element of La, Ba and Y, B is one element of Sr and Ca, C and D are elements of one of Mn, Co, Fe and Ni, E X is a real number of 0 <X <1, Y is a real number of 0 <Y <1, and Z is a real number of 0 < 0 < Z &lt; 1, [delta] is a real number of 0 &lt;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

GxH1 - xIO3 G x H 1 - x IO 3

상기 [화학식 1]에서, G와 H는 각각 Sm, Sr, La, Ca, Ba 중 하나의 원소이고, I는 Co, Mn, Fe 중 하나의 원소이며, X는 0 < X < 1의 실수이고, δ는 0 ≤ δ ≤ 1의 실수이다.
In the above formula 1, G and H are elements of one of Sm, Sr, La, Ca and Ba, I is one element of Co, Mn and Fe, X is a real number of 0 < , and? is a real number of 0???? 1.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 나노촉매는 상기 다공성 복합체의 내부 기공 표면에 침투되어 형성된 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the nanocatalyst may be formed by penetrating the inner pore surface of the porous composite.

본 발명의 일 실시예에 의하면, X선 회절 분석에서 상기 다공성 복합체 및 상기 나노촉매는 페로브스카이트 또는 플루오라이트 결정 구조를 가진다. According to one embodiment of the present invention, in the X-ray diffraction analysis, the porous composite and the nanocatalyst have a perovskite or fluorite crystal structure.

또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하고, 다공성 공기극 복합체의 기공 내부 표면에서 균일한 나노촉매를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a porous cathode composite for a solid oxide regenerative fuel cell, comprising the steps of: forming a uniform nanocatalyst on the inner surface of the pores of the porous cathode composite.

(a) 금속 전구체 화합물을 알코올 수용액에 용해시키고, 우레아를 첨가한 후 혼합하여 하기 [화학식 1]로 표시되는 나노촉매 전구체 용액을 제조하는 단계,(a) dissolving a metal precursor compound in an aqueous alcohol solution, adding urea, and mixing to prepare a nanocatalyst precursor solution represented by the following formula (1)

(b) 상기 나노촉매 전구체 용액을 하기 [화학식 2]로 표시되는 다공성 복합체 전극에 침지한 후, 우레아 분해 공정을 수행하는 단계,(b) immersing the nanocatalyst precursor solution in a porous composite electrode represented by the following formula (2), followed by performing a urea decomposition process,

(c) 상기 우레아 분해 공정 후 소성시키는 단계.(c) firing the urea decomposition process.

[화학식 2](2)

A1- XBXC1 - YDYO3 (페로브스카이트) - E1 - ZFZO2 (플루오라이트) A 1- X B X C 1 - Y D Y O 3 -δ ( perovskite) - E 1 - Z F Z O 2 -δ ( fluorite)

상기 [화학식 2]에서, A는 La, Ba, Y 중 하나의 원소이고, B는 Sr, Ca 중 하나의 원소이며, C와 D는 Mn, Co, Fe, Ni 중 각각 하나의 원소이고, E는 Y, Sc, Gd, Sm, Ca 중 하나의 원소이고, F는 Zr, Ce 중 하나의 원소이며, X는 0 < X < 1의 실수이고 Y는 0 < Y < 1의 실수이고, Z는 0 < Z < 1의 실수이며, δ는 0 ≤ δ ≤ 1의 실수이고,In the above formula 2, A is one element of La, Ba and Y, B is one element of Sr and Ca, C and D are elements of one of Mn, Co, Fe and Ni, E X is a real number of 0 <X <1, Y is a real number of 0 <Y <1, and Z is a real number of 0 < 0 < Z &lt; 1, [delta] is a real number of 0 &lt;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

GxH1 - xIO3 G x H 1 - x IO 3

상기 [화학식 1]에서, G와 H는 각각 Sm, Sr, La, Ca, Ba 중 하나의 원소이고, I는 Co, Mn, Fe 중 하나의 원소이며, X는 0 < X < 1의 실수이고, δ는 0 ≤ δ ≤ 1의 실수이다.
In the above formula 1, G and H are elements of one of Sm, Sr, La, Ca and Ba, I is one element of Co, Mn and Fe, X is a real number of 0 < , and? is a real number of 0???? 1.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속 전구체는 질산염 또는 아세테이트일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the metal precursor may be nitrate or acetate.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알코올 수용액은 알코올 : 물의 부피비가 0.5-3 : 1일 수 있으며, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the alcohol aqueous solution may have a volume ratio of alcohol: water of 0.5-3: 1, and the alcohol may be at least one selected from methanol, ethanol, propanol and butanol.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전구체 용액 내의 우레아와 전구체 물질 양이온의 몰비는 5-15 : 1일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the molar ratio of urea in the precursor solution to the precursor material cation may be 5-15: 1.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계의 우레아 분해 공정은 70-100 ℃에서 수행될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the urea decomposition process of step (b) may be performed at 70-100 ° C.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계의 소성은 700-1,000 ℃에서 수행될 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the firing in the step (b) may be performed at 700-1,000 ° C.

고체산화물 재생 연료전지(SORFC) 성능은 공기극의 분극 현상에 의해서 크게 제한되어 왔으나, 본 발명에 따르면 다공성 복합체 공기극의 기공 내부에 나노촉매가 균일하게 침투되어 있어 O2 환원 및 O2 - 산화를 위한 공기극 표면 반응이 촉진되고, 이에 의해서 고체산화물 연료전지(SOFC)/고체산화물 전기분해조(SOEC) 성능을 동시에 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 고체 산화물 재생 연료전지용 공기극 복합체의 제조방법은 종래의 다양한 용매 주입 기술에 적용이 가능하여 생산 공정상으로 도입이 용이하고, 공기극 복합체가 800 ℃에서 결정화가 이루어지기 때문에 별도의 열처리 공정 없이도 고체 산화물 재생 연료전지 운전 초기에 결정화를 진행할 수 있으므로 제조 공정 단순화에도 기여할 수 있다.
The solid oxide reproduction fuel cell (SORFC) performance wateuna is greatly limited by the polarization of the air electrode, in accordance with the present invention is a nano-catalyst penetrate evenly pores inside of the porous composite cathode's O 2 reduction and O 2 - for the oxidation The surface reaction of the cathode is promoted, thereby greatly enhancing the performance of the SOFC / SO oxidizing tank (SOEC) at the same time. In addition, since the method of manufacturing the air electrode composite for a solid oxide recycle fuel cell according to the present invention is applicable to various conventional solvent injection techniques, it is easy to introduce into the production process, and since the air electrode composite is crystallized at 800 ° C, Since the crystallization can proceed at the beginning of the operation of the solid oxide regenerative fuel cell without the heat treatment process, it can contribute to simplification of the manufacturing process.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 복합체의 기공 내부 표면에 나노촉매를 포함하는 다공성 공기극 복합체의 XRD 패턴이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 고체 산화물 재생 연료전지(SORFC)의 구조를 나타내는 SEM 이미지로서, (a)는 SORFC 단면, (b)는 LSCF-GDC 다공성 복합체 공기극, (c)는 상기 다공성 복합체 공기극 내에 균일하게 형성된 나노촉매(SSC)의 구조이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 나노촉매(SSC)가 연료전지의 성능에 미치는 영향을 보여주는 그래프로서, (a)는 공기극 내부의 기공에 나노촉매(SSC)가 침투된 SOFC와 그렇지 않은 SOFC 성능을 비교하는 그래프이고, (b)는 나노촉매(SSC)가 침투된 SORFC의 성능을 비교하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지의 임피던스 측정결과를 나타낸 그래프로서, (a)는 OCV, (b)는 SOFC 모드 (0.7V), (c)는 SOEC 모드 (1.2V)에서 측정된 결과이다.
1 is an XRD pattern of a porous cathode composite comprising a nanocatalyst on the pore inner surface of a porous composite according to an embodiment of the present invention.
2 is a SEM image showing a structure of a solid oxide fuel cell (SORFC) according to an embodiment of the present invention, wherein (a) is a SORFC cross section, (b) is an LSCF- GDC porous composite cathode, (SSC) structure uniformly formed in the porous composite cathode.
FIG. 3 is a graph showing the effect of a nanocatalyst (SSC) according to an embodiment of the present invention on the performance of a fuel cell, wherein (a) shows the relationship between the SOFC permeated with nanocatalyst (SSC) (B) is a graph comparing the performance of a SORFC in which a nanocatalyst (SSC) is impregnated.
FIG. 4 is a graph showing impedance measurement results of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, wherein (a) is an OCV, (b) is an SOFC mode (0.7 V) This is the measured result.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면은 하기 [화학식 2]로 표시되는 다공성 복합체의 기공 내부 표면에 하기 [화학식 1]로 표시되는 나노촉매를 포함하는 고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a porous cathode composite for a solid oxide regeneration fuel cell comprising a nanocatalyst represented by the following formula (1) on a pore inner surface of a porous composite represented by the following formula (2).

[화학식 2](2)

A1-XBXC1-YDYO3-δ (페로브스카이트) - E1-ZFZO2-δ (플루오라이트)(Perovskite) -E 1 -Z F Z O 2-隆 (fluorite) -A 1 -X B X C 1 -Y D Y O 3-δ

상기 [화학식 2]에서, A는 La, Ba, Y 중 하나의 원소이고, B는 Sr, Ca 중 하나의 원소이며, C와 D는 Mn, Co, Fe, Ni 중 각각 하나의 원소이고, E는 Y, Sc, Gd, Sm, Ca 중 하나의 원소이고, F는 Zr, Ce 중 하나의 원소이며, X는 0 < X < 1의 실수이고 Y는 0 < Y < 1의 실수이고, Z는 0 < Z < 1의 실수이며, δ는 0 ≤ δ ≤ 1의 실수이고,In the above formula 2, A is one element of La, Ba and Y, B is one element of Sr and Ca, C and D are elements of one of Mn, Co, Fe and Ni, E X is a real number of 0 <X <1, Y is a real number of 0 <Y <1, and Z is a real number of 0 < 0 < Z &lt; 1, [delta] is a real number of 0 &lt;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

GxH1-xIO3-δ G x H 1-x IO 3 -?

상기 [화학식 1]에서, G와 H는 각각 Sm, Sr, La, Ca, Ba 중 하나의 원소이고, I는 Co, Mn, Fe 중 하나의 원소이며, X는 0 < X < 1의 실수이고, δ는 0 ≤ δ ≤ 1의 실수이다.
In the above formula 1, G and H are elements of one of Sm, Sr, La, Ca and Ba, I is one element of Co, Mn and Fe, X is a real number of 0 < , and? is a real number of 0???? 1.

상기 나노촉매는 다공성 복합체의 기공 내부 표면에 균일하게 침투(infiltration)되어 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 기공 내부 표면에 나노촉매를 포함하는 다공성 공기극 복합체는 페로브스카이트 또는 플루오라이트 구조를 가지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 다공성 공기극 복합체는 나노촉매가 다공성 복합체의 기공 내부에 균일하게 형성되어 있는 것이다.
Wherein the nano catalyst is formed by uniformly infiltrating the inner surface of the pores of the porous composite, wherein the porous porous material composite including the nanocatalyst on the pore inner surface has a perovskite structure or a fluorite structure . The porous cathode composite according to the present invention is characterized in that the nanocatalyst is uniformly formed in the pores of the porous composite.

또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하고, 다공성 복합체의 기공 내부 표면에서 균일한 나노촉매를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for producing a porous cathode composite for a solid oxide regenerative fuel cell, which comprises the steps of: forming a uniform nanocatalyst on the pore inner surface of the porous composite;

(a) 금속 전구체 화합물을 알코올 수용액에 용해시키고, 우레아를 첨가한 후 혼합하여 하기 [화학식 1]로 표시되는 나노촉매 전구체 용액을 제조하는 단계,(a) dissolving a metal precursor compound in an aqueous alcohol solution, adding urea, and mixing to prepare a nanocatalyst precursor solution represented by the following formula (1)

(b) 상기 나노촉매 전구체 용액을 하기 [화학식 2]로 표시되는 다공성 복합체 전극에 침지한 후, 우레아 분해 공정을 수행하는 단계,(b) immersing the nanocatalyst precursor solution in a porous composite electrode represented by the following formula (2), followed by performing a urea decomposition process,

(c) 상기 우레아 분해 공정 후 소성시키는 단계.(c) firing the urea decomposition process.

[화학식 2](2)

A1- XBXC1 - YDYO3 (페로브스카이트) - E1 - ZFZO2 (플루오라이트) A 1- X B X C 1 - Y D Y O 3 -δ ( perovskite) - E 1 - Z F Z O 2 -δ ( fluorite)

상기 [화학식 2]에서, A는 La, Ba, Y 중 하나의 원소이고, B는 Sr, Ca 중 하나의 원소이며, C와 D는 Mn, Co, Fe, Ni 중 각각 하나의 원소이고, E는 Y, Sc, Gd, Sm, Ca 중 하나의 원소이고, F는 Zr, Ce 중 하나의 원소이며, X는 0 < X < 1의 실수이고 Y는 0 < Y < 1의 실수이고, Z는 0 < Z < 1의 실수이며, δ는 0 ≤ δ ≤ 1의 실수이고,In the above formula 2, A is one element of La, Ba and Y, B is one element of Sr and Ca, C and D are elements of one of Mn, Co, Fe and Ni, E X is a real number of 0 <X <1, Y is a real number of 0 <Y <1, and Z is a real number of 0 < 0 < Z &lt; 1, [delta] is a real number of 0 &lt;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

GxH1 - xIO3 G x H 1 - x IO 3

상기 [화학식 1]에서, G와 H는 각각 Sm, Sr, La, Ca, Ba 중 하나의 원소이고, I는 Co, Mn, Fe 중 하나의 원소이며, X는 0 < X < 1의 실수이고, δ는 0 ≤ δ ≤ 1의 실수이다.
In the above formula 1, G and H are elements of one of Sm, Sr, La, Ca and Ba, I is one element of Co, Mn and Fe, X is a real number of 0 < , and? is a real number of 0???? 1.

먼저, 금속 전구체 화합물을 알코올 수용액에 용해시킨 후, 우레아를 첨가한 후, 혼합하여 나노촉매 전구체 용액을 제조한다.First, after the metal precursor compound is dissolved in an aqueous alcohol solution, urea is added and mixed to prepare a nanocatalyst precursor solution.

상기 금속 전구체 화합물은 질산염 또는 아세테이트 화합물일 수 있다.The metal precursor compound may be a nitrate salt or an acetate compound.

상기 알코올 수용액은 알코올과 물의 부피비가 0.5-3 : 1일 수 있고, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The alcohol aqueous solution may have a volume ratio of alcohol to water of 0.5-3: 1, and the alcohol may be at least one selected from methanol, ethanol, propanol, and butanol.

상기 질산염 또는 아세테이트 화합물을 녹이기 위해서는 물이 필요하고, 초미세 크기의 기공 내로 전구체 용액이 투입될 수 있도록 전구체 용액의 표면 장력을 낮추기 위해서는 알코올과 같은 유기 용매가 필요하다.Water is needed to dissolve the nitrate or acetate compound, and an organic solvent such as alcohol is needed to lower the surface tension of the precursor solution so that the precursor solution can be injected into the micro pores.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 유기 용매로 알코올을 사용하여 알코올과 물의 혼합용액을 이용하여 용해시키며, 더욱 바람직하게는 알코올과 물의 부피비가 0.5-3 : 1인 혼합용액을 이용하여 용해시킨다.According to a preferred embodiment of the present invention, an alcohol is used as an organic solvent to dissolve using a mixed solution of alcohol and water, more preferably, a mixed solution having a volume ratio of alcohol and water of 0.5: 3: 1 is used .

또한, 상기 전구체 용액 내의 우레아와 전구체 화합물로부터 유래된 양이온의 몰비가 5-15 : 1일 수 있다.Also, the molar ratio of urea in the precursor solution to the cation derived from the precursor compound may be 5-15: 1.

다음으로 상기 (a) 단계에서 얻은 나노촉매 전구체 용액을 in-situ로 다공성 복합체 공기극 물질의 기공 내부에 침투법으로 수행하여 침투시킨 후, 우레아 분해 공정을 수행하고, 상기 우레아 분해 공정은 70-100 ℃에서 수행될 수 있다.Next, the nanocatalyst precursor solution obtained in step (a) is in-situ impregnated into the pores of the porous composite cathode material by impregnation and then subjected to a urea decomposition step, wherein the urea decomposition step is carried out at 70-100 Lt; 0 &gt; C.

우레아는 나노촉매 전구체 용액 제조 시 착화제 역할을 하며, 침투법 수행 후 70-100 ℃의 온도로 가열을 하게 되면 우레아 분해가 일어나고 분해에 의해서 금속 수산화물/금속 탄산염이 침전되도록 하는 역할을 하므로 가열 온도 범위가 중요하다.The urea serves as a complexing agent in the preparation of the nanocatalyst precursor solution, and when heated at a temperature of 70-100 ° C after the permeation process, the urea decomposes and the metal hydroxide / metal carbonate precipitates by decomposition. Scope is important.

상기보다 높은 범위의 온도로 가열하는 경우에는 우레아 분해 대신에 건조 공정이 일어나서 모세관력이 다공성 복합체의 표면으로 전구체 용액을 가져와 전극의 상단 표면과 가까운 나노입자의 농축을 야기하므로 나노 촉매가 다공성 복합체의 내부 기공 표면에 균일하지 않은 입자 성장을 일으켜 전지 성능을 떨어뜨리는 문제점이 있을 수 있다.In the case of heating to a higher temperature range, a drying process takes place instead of urea decomposition, and the capillary force brings the precursor solution to the surface of the porous composite, thereby causing concentration of the nanoparticles close to the upper surface of the electrode. There may be a problem in that non-uniform particle growth occurs on the surface of the inner pore, thereby deteriorating the performance of the battery.

마지막으로, 상기 우레아 분해 공정 후 700-1,000 ℃에서 소성시키는 단계를 수행하여 다공성 공기극 복합체를 결정화시킨다.Finally, the step of firing at 700-1,000 ° C after the urea decomposition step is performed to crystallize the porous cathode composite.

상기 소성 단계를 거치면서 제조된 본 발명에 따른 다공성 공기극 복합체는 다공성 복합체의 기공 내부 표면에 형성된 나노촉매가 결정화되어 지지체 골격(backbone)이 되는 다공성 복합체와 함께 더욱 향상된 열적 안정성을 갖게 된다.The porous cathode composite according to the present invention produced through the above firing step has improved thermal stability together with the porous composite in which the nanocatalyst formed on the inner surface of the pores of the porous composite is crystallized to become a backbone.

본 발명에 따른 다공성 공기극 복합체의 제조방법에서, 상기 열처리 공정은 나노촉매 입자를 원하는 크기, 형태 및 결정 구조로 제조함에 있어서 결정적인 역할을 한다.In the method of manufacturing the porous cathode composite according to the present invention, the heat treatment process plays a crucial role in manufacturing the nanocatalyst particles in a desired size, shape, and crystal structure.

또한, 고체산화물 재생 연료전지의 작동온도보다 높지 않은 온도에서 결정화 공정이 가능한바, 별도의 열처리 공정 없이도 고체 산화물 재생 연료전지 운전 초기에 결정화를 진행할 수 있으므로 제조 공정 단순화에도 기여할 수 있으며, 이를 통하여 과도한 입자 성장 및 불필요한 화학적 결합을 막을 수 있다.In addition, since the crystallization process can be performed at a temperature not higher than the operating temperature of the solid oxide recycle fuel cell, the crystallization can proceed at the beginning of the operation of the solid oxide recycle fuel cell without a separate heat treatment process, thereby contributing to simplification of the manufacturing process. Particle growth and unnecessary chemical bonding can be prevented.

또한, 본 발명에 따른 제조방법은 종래의 다양한 용매 주입 기술에 적용이 가능하여 생산 공정상으로 도입이 용이하다.
In addition, the manufacturing method according to the present invention can be applied to various conventional solvent injection techniques, and is easily introduced into a production process.

또한, 본 발명은 상기 다공성 공기극 복합체를 포함하는 고체 산화물 재생 연료전지에 관한 것으로서, O2 환원 및 O2 - 산화를 위한 공기극 표면 반응을 더욱 향상된 것을 특징으로 하여, 종래 고체산화물 재생 연료전지보다 오믹 저항을 낮추며, 전극 분극 저항을 현저하게 감소시키므로 종래 고체산화물 재생 연료전지보다 성능이 60%이상 증가 되는 효과를 달성한다.
In addition, the present invention relates to a solid oxide play a fuel cell comprising a porous cathode composite, O 2 reduction and O 2 - and wherein the better the air electrode surface reactions for oxidation, the ohmic than the conventional solid oxide regeneration fuel cell The resistance is lowered, and the electrode polarization resistance is remarkably reduced, so that the performance is improved by 60% or more than that of the conventional solid oxide regenerative fuel cell.

이하에서, 본 발명에 따른 구체적인 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이러한 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수는 없고, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다 할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples of the present invention. However, it should be understood that the scope and content of the present invention are not construed to be limited or limited by the embodiments, and that based on the teachings of the present invention including the following examples, It will be apparent that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

제조예Manufacturing example 1. 본 발명에 따른 다공성  1. Porosity according to the present invention 공기극Air pole 복합체의 제조 Manufacture of Composites

(1) 나노촉매(SSC)의 제조(1) Preparation of Nanocatalyst (SSC)

나노촉매를 제조하기 위해 1 mol/L Sm0 .5Sr0 .5CoO3 (SSC) 전구체 용액은 물과 에탄올이 혼합된 용매 내에서 Sm(NO3)3·6H2O, Sr(NO3)2, Co(NO3)2·6H2O 및 우레아를 혼합하여 Sm0 .5Sr0 .5CoO3 촉매를 얻었다. 상기 [우레아]/[양이온] 비율은 10이고, 상기 [물]/[에탄올] 용액의 부피비는 1.7로 수행하였다.
For the production of nano-catalyst 1 mol / L Sm 0 .5 Sr 0 .5 CoO 3 (SSC) precursor solution Sm (NO 3) in a solvent mixture of water and ethanol 3 · 6H 2 O, Sr ( NO 3 ) 2 , Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O and urea were mixed to obtain Sm 0 .5 Sr 0 .5 CoO 3 catalyst. The [urea] / [cation] ratio was 10, and the volume ratio of the [water] / [ethanol] solution was 1.7.

(2) 다공성 공기극 복합체의 제조(2) Preparation of porous cathode composite

상기 (1)에서 얻은 나노촉매를 다공성 물질 표면에 형성시켜 다공성 공기극 복합체를 제조하기 위해 마이크로-시린지를 사용한 침투법(infiltration)을 수행하였다.Infiltration using a micro-syringe was performed to form the porous cathode composite by forming the nanocatalyst obtained in the above (1) on the surface of the porous material.

상기 (1)에서 얻은 [우레아]/[양이온] 비가 10인 SSC 질산염 전구체 및 우레아를 포함하는 화학 용액을 다공성 전극(LSCF-GDC)에 함침시킨 후, 상기 바로 80 ℃에서 2시간 동안 열처리하여 침전을 수행한 후(상기 침투 및 열처리 단계는 3회 반복), 800 ℃에서 소성하였다.The porous electrode (LSCF-GDC) was impregnated with a chemical solution containing the SSC nitrate precursor and urea having the [urea] / [cation] ratio of 10 obtained in the above (1) (The above penetration and heat treatment steps were repeated three times) and then fired at 800 ° C.

상기 공정에서의 온도 조절은 나노촉매 입자의 크기 및 형태에 있어서 원하는 결정 구조의 형태를 구현함에 있어서 결정적인 역할을 한다. 고체 산화물 재생 연료전지의 작동 온도보다 상당히 높지 않은 온도에서 나노촉매를 결정화시키는 것이 바람직하다. 또한, 단순한 in-situ 결정화 공정이 연료전지가 작동하는 동안에 가능한바, 과도한 입자 성장을 방지할 수 있고, 원치 않는 화학적 결합도 막을 수 있다.
The temperature control in this process plays a crucial role in realizing the desired crystal structure in the size and shape of the nanocatalyst particles. It is desirable to crystallize the nanocatalyst at a temperature that is not significantly higher than the operating temperature of the solid oxide regenerative fuel cell. In addition, a simple in-situ crystallization process is possible during fuel cell operation, preventing excessive particle growth and also preventing unwanted chemical bonding.

실시예Example 1. 고체 산화물 재생 연료전지 1. Solid oxide regeneration fuel cell

(1) 수소 전극 기판의 제조(1) Production of hydrogen electrode substrate

수소 전극 기판의 제조를 위해, 산화니켈(NiO), 이트리아로 안정화된 지르코니아(YSZ) 및 폴리(메틸 메타아크릴레이트)(PMMA) 공극-형성 물질을 분산제, 바인더 및 가소제가 포함된 에탄올 내에서 볼-밀링을 통해 24시간 동안 혼합하고, 분무 건조하여 그래뉼(granule)을 얻었다. 상기 NiO, YSZ 및 PMMA의 부피비는 0.37 : 0.33 : 0.3이고, 상기 기판은(2 cm × 2 cm)은 60 MPa에서 그래뉼의 단일축 압착을 통해 제조하였다.
(NiO), yttria stabilized zirconia (YSZ), and poly (methyl methacrylate) (PMMA) pore-forming materials were prepared in ethanol containing dispersants, binders and plasticizers Mixed for 24 hours by ball-milling, and spray dried to obtain a granule. The volume ratio of NiO, YSZ and PMMA was 0.37: 0.33: 0.3 and the substrate (2 cm x 2 cm) was prepared by uniaxial compression of granules at 60 MPa.

(2) 슬러리의 제조(2) Production of slurry

슬러리는 수소 전극 기능층(NiO/YSZ), 전해질(YSZ), 상호 확산 장벽층(GDC), 공기 전극 기능층(LSCF+GDC), 및 공기 전극 집전층(LSCF)를 α-터피네올에 녹인 분산제, 바인더 및 가소제를 포함하는 세라믹 파우더를 유성형 볼밀 후, 후속적 스크린 프린팅을 사용하여 제조하였다. 상기 수소 전극 기능층 및 전해질은 스크린 프린트한 후, 곧 바로 1370 ℃에서 일괄소성(Co-Sintering)하였다. 상기 GDC 상호 확산 장벽층은 일괄소성된 YSZ 전해질 상에 스크린 프린트되었고, 1250 ℃에서 소결하였다. 그 다음 상기 LSCF-GDC 공기 전극 기능층 및 LSCF 집전층을 공기 중 1050 ℃에서 스크린-프린트 및 신터링 하였다. 상기 유효 전극 면적은 1 cm × 1 cm이다.
The slurry contains a hydrogen electrode functional layer (NiO / YSZ), an electrolyte (YSZ), an interdiffusion barrier layer (GDC), an air electrode functional layer (LSCF + GDC), and an air electrode collector layer (LSCF) A ceramic powder containing dissolved dispersant, binder and plasticizer was prepared using a planetary ball mill followed by subsequent screen printing. The hydrogen electrode functional layer and the electrolyte were subjected to screen-printing and then immediately co-sintered at 1370 ° C. The GDC interdiffusion barrier layer was screen printed on the batch fired YSZ electrolyte and sintered at 1250 ° C. The LSCF-GDC air electrode functional layer and the LSCF current collector layer were then screen-printed and sintered at 1050 ° C in air. The effective electrode area is 1 cm x 1 cm.

실험예Experimental Example ..

먼저, X-ray 회절(XRD)을 이용하여 본 발명에 따른 다공성 공기극 복합체 입자의 결정 구조를 확인하였다.First, the crystal structure of the porous cathode composite particles according to the present invention was confirmed by X-ray diffraction (XRD).

다음으로 실시예 1에 따른 전지에 대해서 수소 전극에는 3-50% H2O를 포함하는 H2를 사용하고, 공기 전극에는 공기를 사용하여 700-800 ℃ 온도 사이에서 파우더 생성 및 수소 생성 모드를 확인하였다. 가스 유속은 모든 전극을 200 sccm으로 고정하였다. 전기화학적 특성은 Solartron 1260/1287 진동수 측정기 및 일정 전위기를 사용하여 수행하였다.Following the process of Example with respect to the hydrogen electrode of the battery 1 using a H 2 containing 3-50% H 2 O, and the air electrode, using the air generated powder between 700-800 ℃ temperature and hydrogen-producing mode, Respectively. The gas flow rate was fixed at 200 sccm for all electrodes. The electrochemical properties were measured using a Solartron 1260/1287 oscillator and a constant voltage.

또한, 상기 전기화학적 특성 테스트 후에, 상기 전지를 나누고, 전지의 일부는 진공 상태에서 에폭시를 주입하여 경화시킨 후에, 0.25 ㎛ 이하로 연마하였다. 표면의 단면에 대해서 주사 전자 현미경(SEM)으로 확인하였다.
After the electrochemical property test, the battery was divided, and a part of the battery was cured by injecting epoxy in a vacuum state and then polished to 0.25 탆 or less. The cross section of the surface was confirmed by scanning electron microscope (SEM).

실험예Experimental Example 1. One.

상기 나노촉매(SSC)와 다공성 물질(LSCF-GDC)의 화학적 양립 가능성의 결정화 거동 측정을 위하여, SSC 전구체 용액 내에 LSCF 입자를 분산시키고, 80 ℃에서 2시간 및 800 ℃에서 1시간 동안 열처리 한 후, X-ray 회절(XRD)을 이용하여 본 발명에 따른 다공성 공기극 복합체 입자의 결정 구조를 측정하여 조사였다.In order to measure the crystallization behavior of the nanocatalyst (SSC) and the porous material (LSCF-GDC), LSCF particles were dispersed in the SSC precursor solution and heat-treated at 80 ° C. for 2 hours and at 800 ° C. for 1 hour , And X-ray diffraction (XRD) were used to measure the crystal structure of the porous cathode composite particles according to the present invention.

하기 도 1에 나타나 있는 바와 같이, XRD 패턴에서 모든 주요피크는 SSC 및 LSCF 퍼로브스카이트형으로 확인되었고, 2차 상태 형성은 기구 감도 내에서 측정되지 않았다.As shown in FIG. 1, all major peaks in the XRD pattern were identified as SSC and LSCF perovskite, and secondary state formation was not measured within instrument sensitivity.

우레아 분해 공정에서, 결정화 거동은 우레아가 착화제 뿐만 아니라 침전제로 제공하기 때문에 [우레아]/[양이온] 비에 큰 영향을 받는 것으로 확인되었다.In the urea cracking process, the crystallization behavior was found to be strongly affected by the [urea] / [cation] ratio since urea was provided as a precipitant as well as a complexing agent.

구체적으로, 금속 양이온으로 우레아 복합체를 혼합하고, 80 ℃ 이상의 온도에서 분해시킨 후, 천천히 식히고, 용액을 통해 암모니아 및 이산화탄소의 방출을 조절하였다.Specifically, the urea composite was mixed with metal cations and decomposed at a temperature of 80 캜 or higher, then cooled slowly, and the release of ammonia and carbon dioxide was controlled through the solution.

CO(H2N)2 + 3H2O → CO2 + 2NH3 + 2H2O(1)CO (H 2 N) 2 + 3H 2 O? CO 2 + 2NH 3 + 2H 2 O (1)

그 결과, 상기 용액의 pH는 계속 증가하고, OH- 및 CO3 2 -의 안정된 공급은 순차적 소성 방법에서 바람직한 세라믹 상태 형성을 위한 침전제로써 금속 수산화물 및 수산화탄산의 침전을 유도하였다.As a result, the pH of the solution continued to increase, and a steady supply of OH - and CO 3 2 - led to the precipitation of metal hydroxides and hydroxycarboxylic acid as precipitants for the formation of the desired ceramic state in the sequential firing process.

도 1에서 퍼로브스카이트 나노촉매(SSC)의 완전한 상태 형성을 확인되었고, [우레아]/[양이온] 비가 10인 경우에 800 ℃에서 결정화하기 충분하다는 것을 확인하였다. 또한, 추가적인 반응물이 없거나 주요 피크 이동은 LSCF와 화학적 결합 때문으로 확인되었고, 이는 SSC 나노촉매 및 LSCF 구조가 화학적으로 융화되는 것을 의미한다.The complete formation of the perovskite nano catalyst (SSC) was confirmed in FIG. 1, and it was confirmed that crystallization at 800 ° C. was sufficient when the [urea] / [cation] ratio was 10. In addition, no additional reactants or major peak migration were identified due to chemical bonding with LSCF, which means that the SSC nanocatalyst and LSCF structure are chemically compatible.

따라서 in-situ 결정화는 SORFC 장치의 초기 단계에서 SSC 나노촉매의 형성을 가능하게 하여, 제조 공정이 단순하며, 매우 높은 온도에 노출되는 것 때문에 나타나는 나노입자의 결정립 조대화를 막을 수 있다.
Thus, in-situ crystallization allows the formation of SSC nanocatalysts in the early stages of the SORFC device, simplifying the fabrication process and preventing grain boundary coarsening caused by exposure to very high temperatures.

실험예Experimental Example 2. 2.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 연구에 이용된 SORFC의 세부구조는 도 2의 a에 나타내었다. 상기 전지는 다공성 Ni-YSZ 수소 전극 기판(800 ㎛ 이상), 미세하고 다공성 Ni-YSZ 수소 전자 기능층(7 ㎛ 이하), 밀집된 YSZ 전해질(8 ㎛ 이하), 부분적으로 밀집된 GDC 상호 확산 장벽층(6 ㎛ 이하), 미세한 다공성 LSCF-GDC 공기 전자 기능층(12 ㎛ 이하), 및 다공성 LSCF 공기 집전자 집천층(16 ㎛ 이하)으로 구성되어 있다.As shown in Fig. 2, the detailed structure of the SORFC used in this study is shown in Fig. 2 (a). The cell comprised a porous Ni-YSZ hydrogen electrode substrate (not less than 800 μm), a fine, porous Ni-YSZ hydrogen electronic functional layer (not more than 7 μm), dense YSZ electrolyte (not more than 8 μm), a partially dense GDC interdiffusion barrier layer 6 μm or less), a fine porous LSCF-GDC air electronic functional layer (12 μm or less), and a porous LSCF air current collector layer (16 μm or less).

도 2의 b에서 LSCF-GDC 합성 공기 전극의 후방 산란된 전자 이미지는 두 개로 분리된 상태로 구별되고, 에너지 분산형 분광 분석 결과는 LSCF는 회색 및 GDC는 흰색으로 나타났고, 평균 입자 직경이 0.4 ㎛ 이하인 매우 미세 크기로 LSCF 및 GDC 둘 다 균일하게 혼합되어 있다.In Fig. 2 (b), the backscattered electron image of the LSCF-GDC composite air electrode was separated into two separated states. The results of energy dispersive spectroscopy showed that LSCF was gray and GDC was white, and the average particle diameter was 0.4 Both LSCF and GDC are homogeneously mixed with a very fine size of 탆 or less.

상기 공극의 체적분율 및 평균 공극 직경은 이미지 분석에 기초한 결과, 80% 이상 및 0.7 ㎛이하이다. 공기 전극의 매우 미세한 구조는 전기화학적 반응이 가능한 활성 부분이 증가하는 점에서 유리하나, 문제점은 용액이 초미세한 공극으로 함침되는 것으로부터 유발되므로, 이는 화학적 용액의 젖음 특징이 중요함을 강조하는 것이다.The volume fraction of the voids and the average pore diameter are, based on image analysis, 80% or more and 0.7 탆 or less. The very fine structure of the air electrode is advantageous in that the active portion capable of electrochemical reaction is increased, but the problem is emphasized that the wetting characteristic of the chemical solution is important since the solution is caused by impregnation with ultrafine pores .

물이 높은 극성 때문에 대부분 금속 질산염 전구체에 대해 우수한 용액임에도 불구하고 수용액은 물의 높은 표면 장력(25 ℃에서 72.0 mN/m) 때문에 퍼로브스카이트 전극 및 전해액에 낮은 젖음 특성을 보인다. 이러한 수용액의 표면 장력은 에탄올(25 ℃에서 22.3 mN/m), 아세톤(25 ℃에서 23.7 mN/m) 및 이소프로판올(25 ℃에서 21.7 mN/m)과 같은 낮은 표면 장력을 갖는 유기 용액을 첨가함으로서 줄일 수 있다. 본 발명에서는 표면장력, 물과 혼화성 및 끓는 온도를 고려하여 에탄올을 공용매로 사용하였다. 다공성 LSCF-GDC 전극을 사용한 침투 실험에서, 에탄올의 첨가로 인하여 현저하게 증가된 젖음 특성을 확인하였다. 특히, [물]/[에탄올] 부피비가 1.7인 용액은 질산염 전구체의 용해 및 초미세크기 공극으로 침투 가능성을 조절하기에 충분한 것으로 확인되었다.Due to the high polarity of the water, the aqueous solution exhibits low wetting properties in perovskite electrodes and electrolytes due to the high surface tension of water (72.0 mN / m at 25 ° C), although it is mostly an excellent solution for metal nitrate precursors. The surface tension of such an aqueous solution was determined by adding an organic solution having a low surface tension such as ethanol (22.3 mN / m at 25 ° C), acetone (23.7 mN / m at 25 ° C) and isopropanol (21.7 mN / m at 25 ° C) Can be reduced. In the present invention, ethanol was used as a co-solvent in consideration of surface tension, miscibility with water and boiling temperature. In penetration experiments using porous LSCF-GDC electrodes, wetting properties significantly increased due to the addition of ethanol. In particular, it has been found that a solution having a [water] / [ethanol] volume ratio of 1.7 is sufficient to control the penetration of nitrate precursors and ultrafine size pores.

도 2의 c에 전지 작동 초기 단계인 800 ℃의 온도에서 화학적 용해와 in-situ 결정화 침투에 의해서 다공성 LSCF-GDC 공기 전극 표면에 형성된 SSC 나노촉매를 나타내었다.FIG. 2C shows the SSC nanocatalyst formed on the surface of the porous LSCF-GDC air electrode by chemical dissolution and in-situ crystallization infiltration at a temperature of 800 ° C., which is an initial stage of battery operation.

도 2의 c에 나타낸 바와 같이, 공기극 전체에 걸쳐서 입자의 균일한 분산은 액체 비드가 형성될 수 있는 낮은 표면 젖음 때문이고, LSCF와 GDC 양쪽 모두 전구체 용액의 우수한 젖음성을 가지기 때문임을 확인할 수 있다. 또한, SSC 나노촉매는 40-80 nm 범위의 직경으로서, 균일한 입자 형태와 분포를 가지며, 이는 핵형성 방법을 조절하고 있는 본 발명에 따른 우레아 분해 공정의 이점이다.As shown in Fig. 2c, it can be confirmed that the uniform dispersion of the particles over the entire air electrode is due to the low surface wettability with which the liquid beads can be formed, and both LSCF and GDC have excellent wettability of the precursor solution. In addition, SSC nanocatalysts have diameters in the range of 40-80 nm with uniform particle morphology and distribution, which is an advantage of the urea cracking process according to the present invention, which regulates the nucleation process.

또한, 본 발명에 따른 우레아 분해 공정에서, 우레아는 용액 내에서 혼합하고, 80 ℃ 이하의 온도로 가열하자마자 천천히 분해되고, 용액을 통한 리간드는 균일한 침전을 개시하기 위해서 균일하게 제공된다. 따라서, 나노입자 형태의 동역학이 잘 조절되어 하기 도 2의 c에 나타낸 바와 같이, 나노촉매 입자의 크기 및 형태학이 뛰어난 균질성을 갖는다.Further, in the urea decomposition process according to the present invention, the urea is mixed in the solution and decomposed slowly as soon as it is heated to a temperature of 80 캜 or lower, and the ligand through the solution is uniformly provided to initiate uniform precipitation. Therefore, the dynamics of nanoparticle morphology is well controlled, and as shown in Fig. 2 (c), the size and morphology of nanocatalyst particles have excellent homogeneity.

또한, 침전물의 형성이 우레아 분해 공정 대신에 건조 공정에 의해 개시된다면, 모세관력이 다공성 매트릭스의 표면으로 전구체 용액을 가져와 서 전극의 상단 표면과 가까운 곳에 나노입자의 농축을 야기할 것이다.
Also, if the formation of the precipitate is initiated by a drying process instead of a urea decomposition process, the capillary forces will bring the precursor solution to the surface of the porous matrix and cause concentration of the nanoparticles close to the top surface of the electrode.

실험예Experimental Example 3. 3.

전류 밀도 전압(I-V) 곡선 및 해당하는 출력 밀도는 하기 도 3(a)에 나타나 있는 바와 같이, SOFC 표준 전지와 비교하였다. 상기 측정은 연료로서 습한 H2(3% H2O)와 산화제로서 공기를 사용하여 750 ℃ 온도에서 수행되었다.The current density voltage (IV) curve and the corresponding power density were compared with the SOFC standard cell as shown in Fig. 3 (a). The measurement was carried out at a temperature of 750 ° C using air as fuel and wet H 2 (3% H 2 O) as the oxidant.

표준 전지의 최대 출력 밀도는 1.05 W/cm2이고, 본 발명에 따른 나노촉매가 침투된 전지는 1.62 W/cm2이다. 0.7 V에서 표준 전지의 출력 밀도는 0.86 W/cm2이고, 본 발명에 따른 나노촉매가 침투된 전지는 1.39 W/cm2이다. 이는 종래 LSCF-GDC 공기 전극 내로 SSC 나노 촉매의 침투를 통해서 SOFC 조작 조건 하에서 60% 이상 증가된 것이다.The maximum output density of the standard cell is 1.05 W / cm 2, and the cell in which the nanocatalyst according to the present invention is impregnated is 1.62 W / cm 2 . The output density of the standard cell at 0.7 V is 0.86 W / cm 2, and the cell into which the nanocatalyst according to the present invention is impregnated is 1.39 W / cm 2 . This was increased by more than 60% under SOFC operating conditions through the penetration of SSC nanocatalyst into conventional LSCF-GDC air electrode.

또한, 동일한 전지에 대해서 수소 전극 상에 H2 및 공기 전극 상에 공기 내의 50 % H2O를 공급하면서, 750 ℃ SOFC 및 SOEC 모드에서 실험하였다(도 3(b) 참고). 종래 본 연구자들에 의해 상기 증기량은 성능과 안정성을 모두 고려한 SOEC 작동 조건에서 Ni-YSZ 수소 전극에 최적인 것으로 보고된바 상기 수소 전극에서 공급된 증기량은 50%로 고정하였고, 증기 공급 시 낮은 증기량은 충분하지 못하고, 높은 증기 함량에서는 Ni의 부분 산화를 일으키는 문제점이 있다. 상기 두 전지에 대해 측정된 0.96 V의 OCV는 일정한 운전 조건에 따른 이론적인 값과 잘 일치하고, 수소 전극에 의도한 증기량이 적절하게 공급되었음을 나타낸다.Further, for the same battery with a feed of 50% H 2 O in the air to the H 2 and the air electrode on the hydrogen electrode, it was tested at 750 ℃ SOFC and SOEC mode (Fig. 3 (b) below). It is reported that the amount of steam is optimum for the Ni-YSZ hydrogen electrode under the SOEC operating condition considering both performance and stability. The amount of steam supplied from the hydrogen electrode is fixed to 50%, and the amount of steam There is a problem in that partial oxidation of Ni is caused at a high vapor content. The OCV of 0.96 V measured for the two cells is in good agreement with the theoretical value according to certain operating conditions and indicates that the desired amount of vapor was supplied to the hydrogen electrode.

한편, SOEC 모드에서, 열적 중립 전압(thermal neutral voltage)에서 상기 수소 생성률은 증기 분해의 흡열성열이 오믹가열에 의해 보상되고, 상기 수소 생성 반응은 전위 위에 위치해 있는 외부열 공급자 없이도 지속될 수 있기 때문에 중요한데, 본 발명에 따른 전지의 열적 중립 전압은 750 ℃에서 1.29 V이고, 전류 밀도는 SSC 나노 촉매의 침투에 의해 0.9에서 1.8 A/cm2로 증가하였고, H2 생성률 배가는 실현 가능한 SOEC 운전 조건 하에서 3.7에서 7.4 Nm3/m2hr와 일치하였다.
On the other hand, in the SOEC mode, the hydrogen generation rate at the thermal neutral voltage is important because the endothermic heat of vapor decomposition is compensated by the ohmic heating, and the hydrogen generation reaction can last without the external heat supplier located above the potential , The thermal neutral voltage of the cell according to the invention was 1.29 V at 750 ° C and the current density increased from 0.9 to 1.8 A / cm 2 due to the penetration of the SSC nanocatalyst, and the doubling of the H 2 production rate was achieved under realizable SOEC operating conditions 3.7 to 7.4 Nm 3 / m 2 hr.

실험예Experimental Example 4. 4.

본 발명에 따른 나노촉매(SSC)의 침투 효과를 SORFC의 다양한 운전 조건 하에서 수행된 임피던스 스펙트럼을 사용하여 분석하였다. 임피던스 스펙트럼의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)에서, 높은-진동수 절편은 전지의 옴저항과 일치하고, 낮은-진동수 절편은 옴 저항 및 전극 분극 저항을 포함하는 총 전지 저항으로 설명된다. 이에, 전극 분극 저항은 낮은-진동수 절편과 높은-진동수 절편의 차로 얻을 수 있다(도 4 참조). The penetration effect of the nanocatalyst (SSC) according to the present invention was analyzed using the impedance spectrum performed under various operating conditions of the SORFC. In the Nyquist plot of the impedance spectrum, the high-frequency intercept is consistent with the ohmic resistance of the cell, and the low-frequency intercept is described by the total cell resistance including ohmic resistance and electrode polarization resistance. Thus, the electrode polarization resistance can be obtained by the difference between the low-frequency section and the high-frequency section (see FIG. 4).

도 4(a)의 OCV에서 측정된 상기 임피던스 스펙트럼은 SSC 침투에 의해 옴 저항이 약간 저하되고, 전극 분극 저항이 현저하게 낮아지는 것을 보여준다. SSC 침투에 의해 옴 저항이 약간 감소하는 것은 전류에 대한 추가적인 전도 경로를 제공하는 LSCF-GDC 전극의 표면상에 형성된 SSC 나노-입자의 로컬 네트워크로부터 얻은 결과로서, 이는 SSC(800 ℃에서 1000 S/cm 이하) 전기 전도도가 대체로 LSCF(800 ℃에서 약 300 S/cm)보다 높기 때문이다.The impedance spectrum measured at the OCV in FIG. 4 (a) shows that the ohmic resistance is slightly lowered by SSC penetration and the electrode polarization resistance is remarkably lowered. The slight reduction in ohmic resistance due to SSC penetration results from the local network of SSC nano-particles formed on the surface of the LSCF-GDC electrode, which provides an additional conduction path to the current, which is SSC (1000 S / cm), because the electrical conductivity is generally higher than LSCF (about 300 S / cm at 800 ° C).

한편, 상기 SSC 침투에 의한 전극 분극 저항의 급격한 감소를 설명하기 위해서는 임피던스 스펙트럼의 주파수 응답과 관련이 있는 기초 반응 경로를 이해하는 것이 필요하다. 공기 전극의 임피던스 스펙트럼은 전극 반응과 관련된 물리적 및/또는 화학적 과정을 반영하는 수많은 평편한 아크가 중복되어 구성되어 있는 것으로 알려져 있다. 각각의 단일 단계들은 그들의 고유의 특징적 진동수를 나타내고, 전지 재료 및 구조의 형태에 따라 서로 다르게 반응한다.In order to explain the drastic decrease in the electrode polarization resistance due to the SSC penetration, it is necessary to understand the fundamental reaction path related to the frequency response of the impedance spectrum. The impedance spectrum of the air electrode is known to consist of a number of flat arcs overlapping reflecting the physical and / or chemical processes associated with the electrode response. Each single step represents their inherent characteristic frequency and reacts differently depending on the type of cell material and structure.

도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 보드 선도(Bode polt)는 테스트된 전지의 임피던스 스펙트럼이 102-103 Hz 및 1-10 Hz의 특정 진동수를 갖는 두 개의 도미넌트로 구성되어 있음을 명확하게 나타낸다. 상기 낮은-진동수 아크(1-10 Hz)의 크기는 SSC 침투에 의해 상당히 저하되는 반면, 높은-진동수 아크(102-103 Hz)는 비교적 공기 전극의 변형에 둔감한 것으로 확인되었다. 도 4(b) 및 4(c) 각각의 도면에서는 SOFC(0.7 V)와 SOEC(1.2 V)가 모든 운전 조건 하에서 일괄적으로 유사한 경향성을 나타내는 것으로 확인되었다.As shown in FIG. 4 (a), the board diagram (Bode polt) clearly shows that the impedance spectrum of the tested cell is composed of two dominants having a specific frequency of 10 2 -10 3 Hz and 1-10 Hz . It has been found that the size of the low-frequency arc (1-10 Hz) is significantly reduced by SSC penetration, while the high-frequency arc (10 2 -10 3 Hz) is relatively insensitive to air electrode deformation. 4B and 4C, it was confirmed that the SOFC (0.7 V) and the SOEC (1.2 V) show a similar tendency collectively under all the operating conditions.

한편, 연료전지 데이터 결과와 밀접하게 관련 있는 별도의 반쪽 전지(half cell) 기술을 사용하여 공기/수소 전극의 임피던스 스펙트럼을 분석하였다. Meanwhile, the impedance spectrum of the air / hydrogen electrode was analyzed using a separate half cell technique closely related to the fuel cell data.

LSCF-GDC 공기 전극의 성능은 낮은 진동수 임피던스(1-10 Hz)에 의해 결정되는 것으로 확인되었고, 표면 화학적 교환과 관련이 있으며, 산소 이온 확산의 작은 기여에 의해 높은 진동 범위(102-103 Hz)에서도 나타났다. 반면, Ni-YSZ 수소 전극의 경우, 기체-고체 상호결합에 의해 주 임피던스 아크는 102-103 Hz에서 나타났고, 얇은 기판을 통한 기체 상태 확산에 의해 수소 전극-지지된 배열을 갖는 낮은-진동수 임피던스 아크(1-10 Hz)가 확인되었다. 상기 결과는 연료 전지 임피던스의 설명에 직접적으로 적용될 수 있다.The performance of the LSCF-GDC air electrode has been confirmed by low frequency impedance (1-10 Hz) and is associated with surface chemical exchange, and due to the small contribution of oxygen ion diffusion, the high vibration range (10 2 -10 3 Hz). On the other hand, in the case of the Ni-YSZ hydrogen electrode, the main impedance arc appeared at 10 2 -10 3 Hz due to the gas-solid interconnection, and the low- A frequency-impedance arc (1-10 Hz) was identified. The results can be directly applied to the description of the fuel cell impedance.

특히, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 높은-진동수 아크(102-103 Hz)는 LSCF-GDC 공기 전극의 산소 이온 확산이 미치는 영향이 비교적 작기 때문에 Ni-YSZ 수소 전극에서 기체-고체 상호교환에 의해 가장 중요한 특징이 되고, 상기 낮은-진동수 아크(1-10 Hz)는 LSCF-GDC 공기 전극 및 Ni-YSZ 수소 전극 기판을 통한 기체 확산으로 이루어진다. 따라서 상기 표면 화학적 교환은 LSCF-GDC 공기 전극 반응을 조절하는 것으로 제안되고, 이는 종래 결과와 일치하며, 도 4(a)-(c)에 나타낸 바와 같이, SSC 나노-촉매의 결합은 속도 제한 과정의 촉진과 낮은-진동수 임피던스 아크의 저하를 통해 전극 성능을 효과적으로 증가시킬 수 있다.In particular, as shown in Fig. 4, the high-frequency arc (10 &lt; 2 &gt; -10 3 Hz) has a relatively small effect of oxygen ion diffusion on the LSCF- GDC air electrode, And the low-frequency arc (1-10 Hz) consists of gas diffusion through the LSCF-GDC air electrode and the Ni-YSZ hydrogen electrode substrate. Thus, the surface chemical exchange is proposed to regulate the LSCF-GDC air electrode reaction, which is consistent with conventional results, and the binding of the SSC nano-catalyst, as shown in Figures 4 (a) - (c) And lowering the low-frequency impedance arc can effectively increase the electrode performance.

한편, 공기 전극에서 산소 환원이 발전 모드에서 발생하고, 산소 기체 발생은 수소 제조 모드에서 발생한다. 따라서 O2 환원(도 4b 참조) 및 O2 - 산화(도 4c 참조)를 통한 표면 화학적 교환은 다공성 LSCF-GDC 공기 전극의 SSC 나노-촉매의 결합에 의해 현저하게 가속화될 수 있고, 그 결과 SOFC 및 SOEC 성능이 상당히 증가 될 수 있다.On the other hand, oxygen reduction occurs at the air electrode in the power generation mode, and oxygen gas generation occurs at the hydrogen production mode. Therefore, O 2 reduction (see Fig. 4b) and O 2 - Surface Chemical Exchange via oxidation (see Fig. 4c) is porous LSCF-GDC air electrode SSC nano-can be significantly accelerated by the combination of the catalyst and, as a result SOFC And SOEC performance can be significantly increased.

Claims (10)

삭제delete 삭제delete (a) 나노촉매 전구체 화합물을 알코올 수용액에 용해시키고, 우레아를 첨가한 후 혼합하여 하기 [화학식 1]로 표시되는 나노촉매 전구체 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 나노촉매 전구체 용액에 하기 [화학식 2]로 표시되는 다공성 복합체 전극에 침지한 후, 70 내지 90 ℃에서 우레아 분해 공정을 수행하는 단계; 및
(c) 상기 우레아 분해 공정 후 소성시키는 단계;를 포함하되,
상기 전구체 용액 내의 우레아와 양이온의 몰비는 5-15 : 1인 고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체의 제조방법:
[화학식 2]
A1-XBXC1-YDYO3-δ (페로브스카이트) - E1-ZFZO2-δ (플루오라이트)
상기 [화학식 2]에서, A는 La, Ba, Y 중 하나의 원소이고, B는 Sr, Ca 중 하나의 원소이며, C와 D는 Mn, Co, Fe, Ni 중 각각 하나의 원소이고, E는 Y, Sc, Gd, Sm, Ca 중 하나의 원소이고, F는 Zr, Ce 중 하나의 원소이며, X는 0 < X < 1의 실수이고 Y는 0 < Y < 1의 실수이고, Z는 0 < Z < 1의 실수이며, δ는 0 ≤ δ ≤ 1의 실수이고,
[화학식 1]
GxH1-xIO3-δ(SSC)
상기 [화학식 1]에서, G와 H는 각각 Sm, Sr, La, Ca, Ba 중 하나의 원소이고, I는 Co, Mn, Fe 중 하나의 원소이며, X는 0 < X < 1의 실수이고, δ는 0 ≤ δ ≤ 1의 실수이다.
(a) dissolving a nanocatalyst precursor compound in an alcohol aqueous solution, adding urea, and mixing to prepare a nanocatalyst precursor solution represented by Formula 1 below;
(b) immersing the nanocatalyst precursor solution in a porous composite electrode represented by the following formula (2), followed by performing a urea decomposition process at 70 to 90 캜; And
(c) firing the urea decomposition process,
Wherein the molar ratio of urea to cation in the precursor solution is 5-15: 1.
(2)
(Perovskite) -E 1 -Z F Z O 2-隆 (fluorite) -A 1 -X B X C 1 -Y D Y O 3-δ
In the above formula 2, A is one element of La, Ba and Y, B is one element of Sr and Ca, C and D are elements of one of Mn, Co, Fe and Ni, E X is a real number of 0 <X <1, Y is a real number of 0 <Y <1, and Z is a real number of 0 < 0 < Z < 1, [delta] is a real number of 0 <
[Chemical Formula 1]
G x H 1-x IO 3-隆 (SSC)
In the above formula 1, G and H are elements of one of Sm, Sr, La, Ca and Ba, I is one element of Co, Mn and Fe, X is a real number of 0 &lt; , and? is a real number of 0???? 1.
제3항에 있어서,
상기 전구체 화합물은 질산염 또는 아세테이트인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the precursor compound is nitrate or acetate. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제3항에 있어서,
상기 알코올 수용액은 알코올 : 물의 부피비가 0.5-3 : 1이고, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the alcohol aqueous solution is at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, and butanol, and the alcohol has a volume ratio of water to water of 0.5: 3: 1, and the alcohol is at least one selected from methanol, ethanol, propanol and butanol.
삭제delete 삭제delete 제3항에 있어서,
상기 (b) 단계의 소성은 700-1,000 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 재생 연료전지용 다공성 공기극 복합체의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the calcination in step (b) is performed at 700-1000 &lt; 0 &gt; C.
제3항 내지 제5항 및 제8항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 다공성 공기극 복합체.
A porous cathode composite prepared by the method of any one of claims 3 to 5 and 8.
제9항에 따른 다공성 공기극 복합체를 포함하는 고체 산화물 재생 연료전지.A solid oxide regenerative fuel cell comprising the porous cathode composite according to claim 9.
KR1020130129891A 2013-10-30 2013-10-30 Porous cathode composite for solid oxide regenerative fuel cell, fabrication method thereof and solid oxide regenerative fuel cell comprising the same KR101534607B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130129891A KR101534607B1 (en) 2013-10-30 2013-10-30 Porous cathode composite for solid oxide regenerative fuel cell, fabrication method thereof and solid oxide regenerative fuel cell comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130129891A KR101534607B1 (en) 2013-10-30 2013-10-30 Porous cathode composite for solid oxide regenerative fuel cell, fabrication method thereof and solid oxide regenerative fuel cell comprising the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150049385A KR20150049385A (en) 2015-05-08
KR101534607B1 true KR101534607B1 (en) 2015-07-09

Family

ID=53387473

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130129891A KR101534607B1 (en) 2013-10-30 2013-10-30 Porous cathode composite for solid oxide regenerative fuel cell, fabrication method thereof and solid oxide regenerative fuel cell comprising the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101534607B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190131948A (en) 2018-05-18 2019-11-27 재단법인대구경북과학기술원 Ceramic anode material for solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108110262A (en) * 2016-11-25 2018-06-01 中国科学院大连化学物理研究所 A kind of method of high-temperature fuel cell cathode modification
KR102226103B1 (en) * 2019-08-09 2021-03-11 한국에너지기술연구원 Method for Enhancing SOFC cathode performance by solution infiltration using ultrasonic machine
CN114561656A (en) * 2022-04-06 2022-05-31 北京理工大学 Medium-low temperature metal support solid oxide electrolytic cell

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120016293A (en) * 2009-05-28 2012-02-23 더 유니버시티 오브 리버풀 Cathode
KR20130052286A (en) * 2011-11-11 2013-05-22 한국과학기술연구원 Fabrication and structure of low- and intermediate-temperature-operating solid oxide fuel cell by spin coating and low-temperature sintering

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120016293A (en) * 2009-05-28 2012-02-23 더 유니버시티 오브 리버풀 Cathode
KR20130052286A (en) * 2011-11-11 2013-05-22 한국과학기술연구원 Fabrication and structure of low- and intermediate-temperature-operating solid oxide fuel cell by spin coating and low-temperature sintering

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Journal of Power Sources 195 (2010) 419-424 *
Journal of Power Sources 195 (2010) 419-424*

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190131948A (en) 2018-05-18 2019-11-27 재단법인대구경북과학기술원 Ceramic anode material for solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150049385A (en) 2015-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5591526B2 (en) Solid oxide cell and solid oxide cell stack
CN103811772B (en) Composite containing perovskite structure oxide and its production and use
Gao et al. Infiltrated Pr2NiO4 as promising bi-electrode for symmetrical solid oxide fuel cells
CN1323459C (en) Fuel battery structure and process for preparing same
CN100449834C (en) Anode-electrolyte-cathode assembly of middly temp SOFC and preparation method thereof
US20140106259A1 (en) Positive electrode composite for solid oxide fuel cell, method of preparing the same and solid oxide fuel cell including the same
KR101743935B1 (en) A preparation method for the fuel electrode of solid oxide electrolysis cells embedded with bimetallic catalyst
KR101534607B1 (en) Porous cathode composite for solid oxide regenerative fuel cell, fabrication method thereof and solid oxide regenerative fuel cell comprising the same
Yue et al. Ultrafine, Dual-Phase, Cation-Deficient PrBa0. 8Ca0. 2Co2O5+ δ Air Electrode for Efficient Solid Oxide Cells
EP2538474A2 (en) Material for solid oxide fuel cell, cathode including the material, and solid oxide fuel cell including the material
JP5969632B2 (en) Method for synthesizing air electrode powder for medium- and low-temperature solid oxide fuel cells by sol-gel method
KR101124859B1 (en) Manufacturing method of lscf powder and cell having the powder for solid oxide fuel cell
Yoon et al. Superior power density solid oxide fuel cells by enlarging the three-phase boundary region of a NiO–Ce 0.8 Gd 0.2 O 1.9 composite anode through optimized surface structure
CN114420943A (en) Heterogeneous interface composite electrode material and preparation method and application thereof
KR101611254B1 (en) Method of manufacturing anode materials for solid oxide fuel cell
Zhang et al. An intermediate temperature fuel cell based on composite electrolyte of carbonate and doped barium cerate with SrFe0. 7Mn0. 2Mo0. 1O3− δ cathode
KR101702217B1 (en) Low-temperature Solid Oxide Fuel Cell
Sheikh et al. A review on MCFC matrix: State-of-the-art, degradation mechanisms and technological improvements
KR102261142B1 (en) SOFC cathodes using electrochemical technique and its manufacturing method
KR102137988B1 (en) symmetrical solid oxide fuel cell having perovskite structure, method of manufacturing the same and symmetrical solid oxide electrolyzer cell having the perovskite structure
Chen et al. Cycling performance and interface stability research of tubular protonic reversible solid oxide cells with air electrodes by different manufacturing processes
CN114635150A (en) Novel solid oxide electrolytic cell oxygen electrode and preparation method thereof
KR102661110B1 (en) Electrochemical device including bi-functional catalyst
Packiaraj et al. Investigation on SmBa0. 5Sr0. 5Co1. 5Fe0. 5O5+ δ Double Perovskite as an Oxygen Electrode for Reversible Solid Oxide Fuel Cell
KR101257431B1 (en) Membrane-electrode assembly, method of fabricating the same and stack and solid oxide fuel cell including membrane-electrode assembly

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180703

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190701

Year of fee payment: 5