KR101662652B1 - solid oxide electrolyzer cell generating carbon monoxide and method of manufacturing the same - Google Patents

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신지영
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은, 저온에서 작동가능하고, 높은 효율로 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 전해 셀은 일산화탄소를 생성하고, 이산화탄소가 분해되어 형성된 일산화탄소 가스를 배출하고, 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 캐소드; 상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 이산화탄소가 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함한다.The present invention provides a solid oxide electrolytic cell operable at a low temperature and producing carbon monoxide with high efficiency. The solid oxide electrolytic cell according to an embodiment of the present invention includes a cathode having a double layer perovskite structure, which generates carbon monoxide, discharges carbon monoxide gas formed by decomposition of carbon dioxide, and has a double layer perovskite structure; An anode disposed facing the cathode and discharging oxygen gas formed by decomposition of the carbon dioxide; And an electrolyte disposed between the anode and the cathode.

Description

일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀 및 그 제조 방법{solid oxide electrolyzer cell generating carbon monoxide and method of manufacturing the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid oxide electrolytic cell producing carbon monoxide and a method of manufacturing the same,

본 발명은 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명은 페로브스카이트 관련 구조를 갖는 산화물을 캐소드로 하는 고체 산화물 전해 셀 및 그 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid oxide electrolytic cell for generating carbon monoxide, and more particularly, to a solid oxide electrolytic cell using an oxide having a perovskite-related structure as a cathode and a method for producing the same.

최근에는, 수소 가스를 이용하여 에너지를 얻는 기술에 대한 연구가 주목되고 있다. 종래의 에너지원인 석탄이나 석유가 탄소를 포함하는 반면, 수소 가스는 탄소를 전혀 포함하지 않고 대부분이 물로 전환되므로, 에너지원으로서 사용된 후 불필요한 부산물의 생성이 전혀 없고, 물로 전환 시에 큰 에너지를 발생시킬 수 있다. 따라서, 수소 가스는 가장 친환경적이고 이상적인 에너지원으로 고려되고 있다.Recently, research on a technique for obtaining energy using hydrogen gas has been attracting attention. Conventional sources of energy such as coal or petroleum contain carbon, whereas hydrogen gas does not contain carbon at all and is mostly converted to water, so there is no generation of unnecessary byproducts after being used as an energy source, . Therefore, hydrogen gas is considered to be the most environmentally friendly and ideal energy source.

에너지원으로서 수소를 사용하기 위하여는, 물이나 탄화 수소 등으로부터 수소 가스를 취득할 필요가 있다. 수소 가스 취득을 위하여, 천연가스, 석탄, 석유 등의 탄화수소 계열의 물질을 이용해서 수증기 개질 열분해 가스화 과정을 거쳐 수소 가스를 생성할 수 있다. 그러나, 이러한 탄화수소 계열의 물질은 원하지 않는 부산물인 이산화탄소 등을 함께 생성하게 되므로, 환경을 오염시키는 우려가 있다. 특히, 이산화탄소는 온실 효과로 인하여, 세계 각국에서 배출량을 규제하고 있다.In order to use hydrogen as an energy source, it is necessary to obtain hydrogen gas from water, hydrocarbon, or the like. Hydrogen gas can be produced through a steam reforming thermal decomposition gasification process using hydrocarbon-based materials such as natural gas, coal, and petroleum to obtain hydrogen gas. However, such hydrocarbon-based materials generate carbon dioxide and the like, which are undesired by-products, and thus may pollute the environment. In particular, carbon dioxide limits emissions from around the world due to the greenhouse effect.

이러한 이산화탄소 배출량을 감소시키는 방법으로서, 이산화탄소를 연료로서 사용할 수 있는 일산화탄소로 전환하는 기술이 주목 받고 있다. 이러한 기술로서, 이산화탄소를 전기분해에 의한 환원으로 일산화탄소 가스로 전환하는 기술이 있다. 이산화탄소의 전기 분해에 따른 일산화 탄소 가스 제조 기술은 폐열을 재활용할 수 있으므로, 일산화탄소 가스 제조 기술로서 각광을 받고 있다.As a method for reducing such a carbon dioxide emission amount, a technique of converting carbon dioxide into carbon monoxide which can be used as fuel has been attracting attention. As such a technique, there is a technology of converting carbon dioxide into carbon monoxide gas by reduction by electrolysis. The technology for producing carbon monoxide gas by electrolysis of carbon dioxide is in the spotlight as a technology for producing carbon monoxide gas because waste heat can be recycled.

현재의 기술에 따른 전기분해법은 800℃ 이상의 고온의 열을 이용하므로, 원자력 발전에서 배출되는 폐열 온도 수준으로 한정되어 있다. 또한, 이러한 고온 환경에서는 전극 물질인 니켈이 일산화탄소-이산화탄소에 대하여 불안정하고, 특히 상기 니켈이 고온에서 조대화되어 열화될 우려가 있다. 또한, 니켈은 수소 가스 생성에는 효율이 좋은 편이지만, 일산화탄소 가스 생성에는 낮은 효율을 보이고 있다.The electrolysis method according to the present technology uses heat at a high temperature of 800 ° C or higher, and thus is limited to the level of waste heat discharged from nuclear power generation. Further, in such a high-temperature environment, nickel, which is an electrode material, is unstable with respect to carbon monoxide-carbon dioxide, and in particular, there is a fear that the nickel is coarsened at high temperature and is deteriorated. In addition, nickel has a high efficiency for generating hydrogen gas, but has a low efficiency for generating carbon monoxide gas.

따라서, 저온에서 작동 가능하고 높은 효율로 이산화탄소로부터 일산화탄소를 생성하는 전해 기술이 요구된다. Thus, there is a need for an electrolytic technique that is operable at low temperatures and produces carbon monoxide from carbon dioxide at high efficiency.

미국등록특허 제8,591,718호U.S. Patent No. 8,591,718

본 발명의 기술적 과제는 저온에서 작동가능하고, 높은 효율로 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀을 제공하는 것이다.The technical problem of the present invention is to provide a solid oxide electrolytic cell that can operate at a low temperature and produces carbon monoxide with high efficiency.

본 발명의 기술적 과제는 저온에서 작동가능하고, 높은 효율로 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀의 제조 방법을 제공하는 것이다.A technical object of the present invention is to provide a method of manufacturing a solid oxide electrolytic cell which is operable at a low temperature and which produces carbon monoxide with high efficiency.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀은, 이산화탄소가 분해되어 형성된 일산화 탄소 가스를 배출하는 캐소드; 상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 이산화탄소가 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함한다. 상기 캐소드는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide electrolytic cell comprising: a cathode for discharging carbon monoxide gas formed by decomposition of carbon dioxide; An anode disposed facing the cathode and discharging oxygen gas formed by decomposition of the carbon dioxide; And an electrolyte disposed between the anode and the cathode. The cathode comprises a compound of the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

RET2O5+δ RET 2 O 5 + 隆

상기 화학식 1에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Wherein R comprises one or more elements selected from rare earth elements or lanthanides, E comprises one or more elements selected from the group of the alkaline earth metals, and T is selected from the group consisting of one selected from transition metals Or more, O is oxygen, and? Is a positive number of 0 or 1 or less, and is a value that makes the compound of formula (1) electrically neutral.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 화학식 1에서, 상기 R은 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the R is at least one selected from the group consisting of yttrium (Y), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), scandium (Sc), samarium (Sm), gadolinium (Gd) ), Terbium (Tb), erbium (Er), or mixtures thereof.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 화학식 1에서, 상기 E는, 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, E is at least one element selected from the group consisting of beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba) And mixtures thereof.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 화학식 1에서, 상기 T는, 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, T is a metal selected from the group consisting of manganese (Mn), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), chromium (Cr), nickel (Ni) Ti), niobium (Nb), or mixtures thereof.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물은, 이중층 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the compound of Formula 1 may have a double-layered perovskite structure.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 캐소드는 하기의 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cathode may comprise a compound of the following formula (2).

<화학식 2>(2)

RBaMn2O5+δ RBaMn 2 O 5 +?

상기 화학식 2에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Wherein R is one or more elements selected from a rare earth group or a lanthanide group, O is oxygen, and? Is a positive number of 0 or 1 or less, the compound of the formula (2) Value.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 화학식 2의 화합물은 YBaMn2O5+δ 의 화합물, NdBaMn2O5+δ 의 화합물, 또는 PrBaMn2O5+δ 의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the compound of Formula 2 may include a compound of YBaMn 2 O 5 + delta , a compound of NdBaMn 2 O 5 + delta , or a compound of PrBaMn 2 O 5 + delta .

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 애노드는 La0.8Sr0.2Fe-YSZ, PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물, NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물, 또는 GdBa0.5Sr0.5CoFeO5+δ 화합물을 포함할 수 있다. 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 해당 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In one embodiment of the present invention, the anode comprises La 0.8 Sr 0.2 Fe-YSZ, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 + δ compound, NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 + 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 +? &Lt; / RTI &gt; compounds. Is a positive number of 0 or 1 or less and the value of the compound is an electrical neutrality.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전해질은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 란타늄 갈레이트 및 이들의 혼합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrolyte is selected from the group consisting of yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), samarium doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC) And mixtures thereof.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 고체 산화물 전해 셀의 작동 온도가 600℃ 내지 800℃의 범위일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the operating temperature of the solid oxide electrolytic cell may range from 600 ° C to 800 ° C.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀은, 이산화탄소가 분해되어 형성된 일산화탄소 가스를 배출하고, 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 캐소드; 상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 이산화탄소가 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide electrolytic cell comprising: a cathode having a double layer perovskite structure, which discharges carbon monoxide gas formed by decomposition of carbon dioxide; An anode disposed facing the cathode and discharging oxygen gas formed by decomposition of the carbon dioxide; And an electrolyte disposed between the anode and the cathode.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀의 제조 방법은, 금속 산화물 전구체들을 용매에 용해하여 전구체 용액을 얻는 단계; 상기 전구체 용액에서 용매를 증발시켜 고형물을 얻는 단계; 상기 고형물을 공기 중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계; 및 상기 소성물을 연마하는 단계;를 포함하고, 상기 금속 산화물 전구체들은 아래 화학식 1의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 R, E, 및 T 화합물들의 혼합물을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a solid oxide electrolytic cell, comprising: dissolving metal oxide precursors in a solvent to obtain a precursor solution; Evaporating the solvent in the precursor solution to obtain a solid; Firing the solid material in air to obtain a fired product; And polishing the sintered body, wherein the metal oxide precursors comprise a mixture of R, E, and T compounds in stoichiometric proportions capable of producing a compound of Formula 1 below.

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

RET2O5+δ RET 2 O 5 + 隆

상기 화학식 1에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Wherein R comprises one or more elements selected from rare earth elements or lanthanides, E comprises one or more elements selected from the group of the alkaline earth metals, and T is selected from the group consisting of one selected from transition metals Or more, O is oxygen, and? Is a positive number of 0 or 1 or less, and is a value that makes the compound of formula (1) electrically neutral.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물은 YBaMn2O5+δ 의 화합물, NdBaMn2O5+δ 의 화합물, 또는 PrBaMn2O5+δ 의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the compound of Formula 1 may include a compound of YBaMn 2 O 5 + delta , a compound of NdBaMn 2 O 5 + delta , or a compound of PrBaMn 2 O 5 + delta .

본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀은 이중층 페로브스카이트 구조의 화합물로 구성된 캐소드를 포함한다.The solid oxide electrolytic cell according to the technical idea of the present invention includes a cathode composed of a compound having a double layer perovskite structure.

본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀은 600oC 내지 800oC의 이산화탄소를 전기 분해하여 일산화탄소 가스를 형성할 수 있다. 상기 온도 범위는 원자력 발전의 폐열 온도에 비하여 낮으므로, 상대적으로 저온인 다양한 폐열 소스를 이용할 수 있다. Solid oxide electrolyte according to the technical features of the present invention the cell may form a carbon monoxide gas by electrolysis of carbon dioxide of 600 o C to 800 o C. Since the temperature range is lower than the waste heat temperature of nuclear power generation, various waste heat sources which are relatively low temperature can be used.

또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀은 상기 온도 범위에서 높은 전기 전도도를 가지므로 효율적이고 경제적으로 일산화탄소 가스를 형성할 수 있다.In addition, since the solid oxide electrolytic cell according to the technical idea of the present invention has a high electric conductivity in the temperature range, carbon monoxide gas can be efficiently and economically formed.

또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀은 캐소드에 니켈을 사용하지 않고, 이중층 페로브스카이트 구조의 화합물을 사용하므로, 고온에서의 니켈 입자의 결정립 조대화 현상을 원천적으로 방지할 수 있고, 상기 캐소드는 전해질이나 일산화탄소 가스와 반응성이 거의 없으므로 열적 및 화학적 안정성을 제공할 수 있다.Further, since the solid oxide electrolytic cell according to the technical idea of the present invention does not use nickel for the cathode but uses a compound having a bilayer perovskite structure, it is possible to fundamentally prevent crystal grain coarsening phenomenon of nickel particles at high temperatures And the cathode has little reactivity with an electrolyte or a carbon monoxide gas, and thus can provide thermal and chemical stability.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The effects of the present invention described above are exemplarily described, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 전해 셀을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 전해 셀의 캐소드를 구성하는 이중층 페로브스카이트 구조를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 전해 셀의 전류-전압 분극 곡선을 도시한 그래프이다.
1 is a schematic view showing a solid oxide electrolytic cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing a double layer perovskite structure constituting the cathode of the solid oxide electrolytic cell according to the embodiment of the present invention.
3 is a graph showing current-voltage polarization curves of a solid oxide electrolytic cell according to an embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. In interpreting the terms or words used in the present specification and claims, it is to be understood that the interpretation of terms or words used herein is necessarily conventional, based on the principle that the inventor can properly define the concept of the term to describe its invention in the best way It is to be understood that the invention is not to be interpreted as being limited only by the precautionary sense, but should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention as described in the present specification.

본 발명의 기술적 사상은 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀을 제공하는 것이다.The technical idea of the present invention is to provide a solid oxide electrolytic cell that generates carbon monoxide.

연료 전지는 수소와 산소의 전기화학반응에 의하여 전기를 생성하고, 부산물로서 물을 생산하는 반면, 수전해 반응은 수증기 형태로 물을 공급하고 전기 에너지를 인가하여, 전기화학적인 물의 분해반응에 의해 수소 가스와 산소 가스가 형성된다. 반응열은 연료 전지는 발열 반응인 반면, 수전해 반응은 흡열반응이다. 따라서, 셀로부터 전류를 생산하는 연료전지와는 반대로, 전해 셀은 전류가 인가됨에 따라 물이 분해되어 수소 가스를 발생시킨다. 물을 대신하여 이산화탄소를 공급하고, 전기 에너지를 인가하는 경우에는, 전기화학적인 이산화탄소의 분해반응에 의해 일산화탄소 가스와 산소 가스가 형성된다. 이러한 이산화탄소 전해 반응도 흡열반응이다.The fuel cell produces electricity by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen and produces water as a byproduct. On the other hand, the water electrolytic reaction is performed by supplying water in the form of water vapor, applying electric energy, Hydrogen gas and oxygen gas are formed. The heat of reaction is the exothermic reaction of the fuel cell, while the hydrothermal reaction is the endothermic reaction. Therefore, contrary to the fuel cell that generates current from the cell, the electrolytic cell decomposes the water as the current is applied to generate hydrogen gas. When carbon dioxide is supplied instead of water and electric energy is applied, carbon monoxide gas and oxygen gas are formed by the decomposition reaction of electrochemical carbon dioxide. This carbon dioxide electrolysis reaction is also an endothermic reaction.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 전해 셀(100)을 개략적으로 도시하는 도면이다.1 is a schematic view showing a solid oxide electrolytic cell 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 고체 산화물 전해 셀(100)은 캐소드(110), 캐소드(110)를 마주보고 배치되는 애노드(120), 및 캐소드(110)와 애노드(120) 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질(electrolyte)(130)을 포함한다. 캐소드(110)는 일산화탄소 가스와 접촉하므로 연료 전극으로 지칭될 수 있고, 애노드(120)는 산소 가스와 접촉하므로 산소 전극으로 지칭될 수 있다.1, a solid oxide electrolytic cell 100 includes a cathode 110, an anode 120 disposed opposite the cathode 110, and an anode 120 disposed between the cathode 110 and the anode 120, And an electrolyte 130 which is a solid oxide. The cathode 110 may be referred to as a fuel electrode because it is in contact with carbon monoxide gas, and the anode 120 may be referred to as an oxygen electrode in contact with oxygen gas.

고체 산화물 전해 셀(100)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드(110)의 이산화탄소(CO2)가 일산화탄소(CO)와 산소 이온(O2-)으로 변하는 음극반응과 전해질(130)을 통해 이동해 온 상기 산소 이온이 산소 가스(O2)로 변하는 양극반응으로 이루어진다. 이러한 반응은 통상적인 연료 전지의 반응 원리와는 반대이다.The electrochemical reaction of the solid oxide electrolytic cell 100 can be carried out in the same manner as in the electrochemical reaction in which the carbon dioxide (CO 2 ) of the cathode 110 changes into the carbon monoxide (CO) and the oxygen ion (O 2- ) (O 2 ), which is the oxygen ion that has been moved through the oxygen gas (O 2 ). This reaction is opposite to the reaction principle of a typical fuel cell.

<반응식><Reaction Scheme>

음극반응: CO2 + 2e- -> O2- + COCathode reaction: CO 2 + 2e - -> O 2- + CO

양극반응: O2- -> 1/2 O2 + 2e-
Anode reaction: O 2- -> 1/2 O 2 + 2e -

고체 산화물 전해 셀(100)에 외부 전원(140)으로부터 전력이 인가되면, 외부 전원(140)으로부터 고체 산화물 전해 셀(100)에 전자가 제공된다. 상기 전자는 캐소드(110)에 제공되는 이산화탄소와 반응하여 일산화탄소 가스와 산소 이온을 생성한다. 상기 일산화탄소 가스는 외부로 배출되고, 상기 산소 이온은 전해질(130)을 통과하여 애노드(120)로 이동된다. 애노드(120)로 이동된 상기 산소 이온은 전자를 잃고 산소 가스로 변환하여 외부로 배출된다. 상기 전자는 외부 전원(140)으로 흐르게 된다. 이러한 전자 이동을 통하여, 고체 산화물 전해 셀(100)는 이산화탄소를 전기 분해하여, 캐소드(110)에서 일산화탄소 가스를 형성하고, 애노드(120)에서 산소 가스를 형성할 수 있다.When power is applied to the solid oxide electrolytic cell 100 from the external power supply 140, electrons are supplied from the external power supply 140 to the solid oxide electrolytic cell 100. The electrons react with carbon dioxide provided to the cathode 110 to generate carbon monoxide gas and oxygen ions. The carbon monoxide gas is discharged to the outside, and the oxygen ions are transferred to the anode 120 through the electrolyte 130. The oxygen ions transferred to the anode 120 lose electrons and are converted into oxygen gas and discharged to the outside. The electrons flow to the external power source 140. Through the electron transfer, the solid oxide electrolytic cell 100 can electrolyze the carbon dioxide to form carbon monoxide gas in the cathode 110, and form oxygen gas in the anode 120.

애노드(120)는 특별히 제한되지 않으며, 다양한 종류의 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 애노드(120)는, 예를 들어 LaSrFe-YSZ를 포함할 수 있고, 예를 들어 La0.8Sr0.2Fe-YSZ를 포함할 수 있다. 애노드(120)는, 예를 들어 이중층 페로브 스카이트 구조를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 애노드는(120)는, 예를 들어 PrBaaSr1-aCo2-bFebO5+δ 화합물 (상기 a는 0 이상 1 이하의 수이고, 상기 b는 0 이상 2 이하의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수임)을 포함할 수 있고, 예를 들어 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물, NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물, 또는 GdBa0.5Sr0.5CoFeO5+δ 화합물 등을 포함할 수 있다.The anode 120 is not particularly limited and may be formed to include various kinds of materials. The anode 120 may include, for example, LaSrFe-YSZ, and may include, for example, La 0.8 Sr 0.2 Fe-YSZ. The anode 120 may comprise, for example, a material having a bilayer perovskite structure. The anode 120 may be formed of, for example, PrBa a Sr 1-a Co 2 -b Fe b O 5 + δ compound (wherein a is a number of 0 or more and 1 or less, b is a number of 0 or more and 2 or less, For example, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 +隆 compound, NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 +隆 compound, or GdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 +? Compounds and the like.

전해질(130)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전해질(130)은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ) 등의 안정화 지르코니아계; 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등과 같은 희토류 원소가 첨가된 세리아계; 기타 LSGM ((La, Sr)(Ga, Mg)O3)계; 등을 포함할 수 있다. 또한, 전해질(130)은, 스트론튬 또는 마그네슘이 도핑된 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate) 등을 포함할 수 있다.The electrolyte 130 is not particularly limited as long as it can be generally used in the art. For example, the electrolyte 130 may be a stabilized zirconia based system such as yttria stabilized zirconia (YSZ) and scandia stabilized zirconia (ScSZ); Ceria system to which a rare earth element such as samaria-doped ceria (SDC), gadolinia-doped ceria (GDC) and the like is added; Other LSGM ((La, Sr) (Ga, Mg) O 3 ) system; And the like. In addition, the electrolyte 130 may include strontium or magnesium-doped lanthanum gallate.

고체 산화물 전해 셀(100)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 고체 산화물 전해 셀(100)는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다.The solid oxide electrolytic cell 100 can be manufactured by using a conventional method known in the art, so a detailed description thereof will be omitted here. In addition, the solid oxide electrolytic cell 100 can be applied to various structures such as a tubular stack, a flat tubular stack, a planar type stack, and the like.

고체 산화물 전해 셀(100)는 단위 셀의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 캐소드(110), 애노드(120), 및 전해질(130)로 구성되는 단위 셀(MEA, Membrane and Electrode Assembly)이 직렬로 적층되고 상기 단위 셀들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위 셀의 스택(stack)이 얻어질 수 있다. The solid oxide electrolytic cell 100 may be in the form of a stack of unit cells. For example, a membrane electrode assembly (MEA) composed of a cathode 110, an anode 120, and an electrolyte 130 is stacked in series and a separator plate (not shown) electrically connecting the unit cells a stack of unit cells can be obtained.

본 발명의 기술적 사상은 고체 산화물 전해 셀(100)을 구성하고, 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 캐소드(110) 에 관한 것이다. 따라서, 캐소드(110)를 각각 구성하는 물질에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.The technical idea of the present invention relates to a cathode 110 constituting a solid oxide electrolytic cell 100 and having a double layer perovskite structure. Therefore, the materials constituting each of the cathodes 110 will be described in detail.

캐소드(110)는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있다. The cathode 110 may include a compound represented by the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

RET2O5+δ RET 2 O 5 + 隆

상기 화학식 1에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. 상기 δ는 하기의 이중층 페로브스카이트 구조에서의 침입형 산소(interstitial oxygen)를 나타내고 구체적인 결정 구조에 따라 상기 δ의 값이 정해질 수 있다.Wherein R comprises one or more elements selected from rare earth elements or lanthanides, E comprises one or more elements selected from the group of the alkaline earth metals, and T is selected from the group consisting of one selected from transition metals Or more, O is oxygen, and? Is a positive number of 0 or 1 or less, and is a value that makes the compound of formula (1) electrically neutral. The above 隆 represents interstitial oxygen in the following double layer perovskite structure and the value of 隆 can be determined according to a specific crystal structure.

상기 R은, 예를 들어 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The R may be, for example, yttrium (Y), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), scandium (Sc), samarium (Sm), gadolinium (Gd), europium (Eu), terbium ), Or mixtures thereof.

상기 E는, 예를 들어 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The E may include, for example, beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra)

상기 T는, 예를 들어 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The T may be, for example, Mn, Co, Fe, Cu, Cr, Ni, Ti, Nb, . &Lt; / RTI &gt;

상기 R, 상기 E, 상기 T에 대하여 제시된 물질은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The materials presented for R, E, and T are illustrative, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.

캐소드(110)는 하기의 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다. The cathode 110 may include a compound of the following formula (2).

<화학식 2>(2)

RBaMn2O5+δ RBaMn 2 O 5 +?

상기 화학식 2에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Wherein R is one or more elements selected from a rare earth group or a lanthanide group, O is oxygen, and? Is a positive number of 0 or 1 or less, the compound of the formula (2) Value.

상기 R은, 예를 들어 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The R may be, for example, yttrium (Y), neodymium (Nd), praseodymium (Pr), scandium (Sc), samarium (Sm), gadolinium (Gd), europium (Eu), terbium ), Or mixtures thereof.

상기 화학식 2의 화합물은, 예를 들어 YBaMn2O5+δ 의 화합물, NdBaMn2O5+δ 의 화합물, 또는 PrBaMn2O5+δ 의 화합물을 포함할 수 있다.
The compound of Formula 2 may include, for example, a compound of YBaMn 2 O 5 + delta , a compound of NdBaMn 2 O 5 + delta , or a compound of PrBaMn 2 O 5 + delta .

캐소드(110)는 이중층 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가질 수 있다. 이하에서는, 이중층 페로브스카이트 구조에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.The cathode 110 may have a double layer perovskite structure. Hereinafter, the double layer perovskite structure will be described in detail.

단일 페로브스카이트(simple perovskite) 구조는 ABO3의 화학식을 가질 수 있다. 상기 단일 페로브스카이트 구조는, 큐빅 격자(cubic lattice)의 코너 위치인 A-자리(A-site)에는 이온반경이 상대적으로 큰 원소들이 위치할 수 있고, 산소 이온에 의해 12 배위수(CN, Coordination number)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 A-자리에는 희토류 원소, 알카라인 희토류 원소, 알카라인 원소들이 위치할 수 있다. 상기 큐빅 격자의 체심(body center) 위치인 B-자리(B-site)에는 이온반경이 상대적으로 작은 원소들이 위치할 수 있고, 산소 이온에 의해 6 배위수를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 B-자리에는 전이금속이 위치할 수 있다. 상기 큐빅 격자의 각 면심(face center)에는 산소이온이 위치할 수 있다. 이러한 단일 페로브스카이트 구조는 일반적으로 A-자리(site)에 다른 물질이 치환될 경우 구조적인 변위가 발생할 수 있고, 주로 B-자리(site)에 위치한 원소를 중심으로 이의 최인접 산소이온(6개)으로 이루어지는 BO6의 8면체에서 구조적인 변이가 발생할 수 있다. A simple perovskite structure may have the formula ABO 3 . In the single perovskite structure, elements having relatively large ionic radii may be located in the A-site at the corner of the cubic lattice, and the number of coordination numbers (CN , Coordination number). For example, a rare earth element, an alkaline rare earth element, and an alkaline element may be located in the A-site. The B-site, which is the body center of the cubic lattice, may contain elements having relatively small ionic radii, and may have six coordination numbers by oxygen ions. For example, the transition metal may be located in the B-site. Oxygen ions may be located at each face center of the cubic lattice. Such a single perovskite structure can generally result in structural displacements when other materials are substituted on the A-site, and it is often the case that the nearest oxygen ions in the octahedron of BO 6 consisting of six) it may cause structural variations.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 전해 셀(100)의 캐소드(110)를 구성하는 이중층 페로브스카이트 구조를 도시하는 개략도이다.2 is a schematic view showing a double layer perovskite structure constituting the cathode 110 of the solid oxide electrolytic cell 100 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 이중층 페로브스카이트 구조는 A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조로서, AA'B2O5+δ의 화학식을 가질 수 있다. 구체적으로, 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 란탄족 화합물은 기본적으로 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O] 의 적층 순열이 c축을 따라 반복될 수 있다. 예를 들어, 상기 B는 망간(Mn)이고, 상기 A는 이트륨(Y) 또는 란탄족일 수 있고, 상기 A'는 바륨(Ba)일 수 있다.Referring to FIG. 2, the bilayer perovskite structure is a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged on the A-site, and may have a formula of AA'B 2 O 5 + delta . Specifically, a lanthanide compound having a bilayer perovskite structure can be basically repeated with the lamination permutation of [BO 2 ] - [AO] - [BO 2 ] - [A'O] along the c axis. For example, B may be manganese (Mn), A may be yttrium (Y) or lanthanide, and A 'may be barium (Ba).

또한, 상기 바륨은, 예를 들어 칼슘에 의하여 일부 치환될 수 있다. 또한, 상기 망간은 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 또는 니오븀(Nb) 등과 같은 전이 금속에 의하여 일부 치환될 수 있다.In addition, the barium may be partially substituted, for example, by calcium. The manganese may be partially substituted by a transition metal such as cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), chromium (Cr), nickel (Ni), titanium (Ti), or niobium have.

수소 분위기에서 환원을 시키면, 단일 페로브스카이트(simple perovskite) 구조 물질은 이중층 페로브스카이트 구조(double perovskite) 물질로 변하게 된다. 이런 이중충 페로브스카이트 구조가 되면 산소 이온의 움직임이 빨라지고 열적 및 화학적 안정성이 향상될 수 있다. 또한 종래의 캐소드에 비하여 수소 분위기에서의 전기 전도성이 높고 열적 화학적 안정성을 가지고 우수한 성능을 나타내는 캐소드를 구현할 수 있다.
Upon reduction in a hydrogen atmosphere, the single perovskite structure material is transformed into a double perovskite material. Such a double perovskite structure can accelerate oxygen ion movement and improve thermal and chemical stability. In addition, a cathode having higher electrical conductivity in a hydrogen atmosphere and thermo-chemical stability than the conventional cathode and exhibiting excellent performance can be realized.

이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀(100)의 캐소드(110)의 제조 방법을 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing the cathode 110 of the solid oxide electrolytic cell 100 according to the technical idea of the present invention will be described.

캐소드(110)의 제조 방법은 상기 화학식 1인 RET2O5+δ 화합물의 조성에 맞도록 계량된 각 금속 전구체를 (예를 들어 용매를 이용하여 습식) 혼합하는 단계, 상기 (습식) 혼합물로부터 고형물을 얻는 단계, 상기 고형물을 공기 중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계 및 상기 소성물을 연마하는 단계를 포함한다.The cathode 110 is prepared by mixing each of the metal precursors metered in accordance with the composition of the RET 2 O 5 +? Compound of Formula 1 (for example, wet using a solvent), mixing the (wet) Obtaining a solid product, firing the solid product in air to obtain a fired product, and polishing the fired product.

금속 전구체의 예는 화학식 1의 화합물을 구성하는 각 금속 성분인 R, E, T는 각각의 질화물, 산화물, 할로겐화물 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 화학식 1의 화합물이 PrBaMn2O5+δ 이고, 상기 금속 전구체는 Pr, Ba, Mn, 등의 적어도 하나를 포함하는 질화물, 산화물, 할로겐화물 등일 수 있다.Examples of the metal precursor include, but are not limited to, nitrides, oxides, and halides of R, E, and T, which are metal components constituting the compound of Formula 1, respectively. For example, the compound of Formula 1 may be PrBaMn 2 O 5 + δ , and the metal precursor may be a nitride, oxide, halide, or the like containing at least one of Pr, Ba, Mn,

상기 금속 전구체를 상기 용매와 혼합하는 단계에서는, 물을 용매로서 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 용매로는 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, 구연산 등의 산성 용액; 물; 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 디에틸에테르, 에틸렌 글리콜 등의 유기용매; 등을 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.In the step of mixing the metal precursor with the solvent, water may be used as a solvent, but the present invention is not limited thereto. The solvent may be any solvent capable of dissolving the metal precursor. Examples of the solvent include lower alcohols having a total carbon number of 5 or less, such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and butanol; Acidic solutions such as nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, and citric acid; water; Organic solvents such as toluene, benzene, acetone, diethyl ether and ethylene glycol; May be used alone or in combination.

상기 금속 전구체를 상기 용매와 혼합하는 단계는, 약 100℃ 내지 약 200℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있고, 각 성분이 충분히 혼합될 수 있도록 교반하에 소정 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 혼합 과정과 용매 제거 및 이를 위하여 필요한 첨가제 부가는 예를 들어 페치니법(pechini method) 등으로 잘 알려져 있으니 여기서는 상술하지 않는다.The step of mixing the metal precursor with the solvent may be performed at a temperature in the range of about 100 ° C to about 200 ° C and may be carried out for a predetermined time under agitation so that each component can be thoroughly mixed. The mixing process, removing the solvent, and addition of additives required for this purpose are well known, for example, by the pechini method, and therefore are not described here.

상기 혼합 과정을 거친 후, 자발 연소 과정에 의해 초미세 고형물을 얻을 수 있다. 이어서, 약 400℃ 내지 약 950℃의 온도 범위로 약 1 시간 내지 약 5 시간 범위 동안, 예를 들어 약 600℃에서 약 4시간 동안 상기 초미세 고형물을 열 처리(하소, 소결)할 수 있다.After the mixing process, ultrafine solid material can be obtained by spontaneous combustion. The ultrafine solid can then be heat treated (calcined, sintered) for a time period ranging from about 400 ° C. to about 950 ° C. for a time period ranging from about 1 hour to about 5 hours, for example, at about 600 ° C. for about 4 hours.

필요한 경우 상기 소성 후 제 2의 열 처리(하소, 소결)를 할 수도 있다. 이러한 제 2 열처리 공정은 공기 중에서 소성하는 공정으로서 약 950℃ 내지 약 1500℃ 범위의 온도에서 약 1 시간 내지 약 24 시간 범위 동안, 예를 들어 약 950 내지 약 1500℃ 범위 의 온도에서 약 12 시간 동안 수행하여 분말상의 결과물을 얻게 된다. If necessary, a second heat treatment (calcination, sintering) may be performed after the firing. This second heat treatment process is a step of calcining in air for about 12 hours at a temperature in the range of about 950 DEG C to about 1500 DEG C, for a period of about 1 hour to about 24 hours, for example, at a temperature in the range of about 950 to about 1500 DEG C To obtain a powdery product.

이어서, 상기 소성된 결과물은 연마하거나 분쇄하여 일정 크기의 미세 분말상을 얻을 수 있다. 예를 들어, 약 24 시간 동안 아세톤 내에서 볼 밀링 하여 분쇄 및 혼합한다. 다음으로, 혼합된 분말을 금속 몰드에 넣고 프레스한 후, 가압된 펠렛(Pellet)을 대기 중에서 소결하여 소결체를 제조할 수 있다. 소결은 약 950℃ 내지 약 1500℃ 범위의 온도로 약 12 시간 내지 약 24 시간 범위 동안, 예를 들어 약 950 내지 약 1500℃ 범위의 온도에서 약 24 시간 동안 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 소성된 결과물은 연마하거나 분쇄하여 일정 크기의 미세 분말상을 얻을 수 있다. Then, the fired product may be ground or pulverized to obtain a fine powder having a predetermined size. For example, milling and mixing by ball milling in acetone for about 24 hours. Next, the mixed powder is put in a metal mold and pressed, and then the pressed pellet is sintered in the atmosphere to produce a sintered body. Sintering may be performed at a temperature in the range of about 950 ° C to about 1500 ° C for a period ranging from about 12 hours to about 24 hours, for example, at a temperature in the range of from about 950 to about 1500 ° C for a period of about 24 hours, . The fired product may be ground or pulverized to obtain a fine powder having a predetermined size.

이어서, 이중층 페로브스카이트 구조를 형성하기 위해 약 800℃ 온도에서 97% H2 (3% H2O에 상응함)의 분위기에서 환원하여 캐소드용 물질을 형성할 수 있다.
The material for the cathode may then be reduced in an atmosphere of 97% H 2 (corresponding to 3% H 2 O) at a temperature of about 800 ° C to form a bilayer perovskite structure.

[실시예][Example]

이하에서는, 본 발명을 예시로써 상세하게 설명하기 위하여 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 상기 실시예는 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The above embodiments are not intended to limit the scope of the present invention.

상기 화학식 1의 화합물 중에서, PrBaMn2O5+δ 화합물을 캐소드용 물질로서 선택하였다. Of the compounds of Formula 1, the PrBaMn 2 O 5 + delta compound was selected as the cathode material.

상기 캐소드용 물질을 형성하기 위하여, 해당 금속 전구체들을 에틸렌글리콜, 시트르산, 및 증류수가 혼합된 용매에 용해하였다. 용해 후에는 자발 연소(Self-combustion) 과정을 통해 초미세 고형물을 얻었다. 상기 초미세 고형물을 600℃에서 4시간 동안 열처리 한 후, 아세톤 내에서 24시간 동안 볼밀(ball mill) 하여 분쇄 및 혼합한 다음, 건조 후, 5 MPa에서 펠릿으로 압축시키고 공기 중에서 24시간 동안 1500℃로 소결하였다. 그리고, 이중층 페로브스카이트 구조를 형성하기 위해 100% H2 (3% H2O에 상응함)의 분위기에서 환원된 후 환원 물질을 형성하였다. 상기 환원 물질을 분쇄한 후, 유기 바인더(Heraeus V006)과 함께 혼합하여 캐소드용 슬러리를 합성하였다.In order to form the cathode material, the metal precursors were dissolved in a solvent mixed with ethylene glycol, citric acid, and distilled water. After the dissolution, ultrafine solid was obtained through self-combustion process. The ultrafine solid was heat-treated at 600 ° C. for 4 hours, pulverized and mixed in a ball mill for 24 hours in acetone, dried, compressed with pellets at 5 MPa and air-dried at 1500 ° C. for 24 hours Lt; / RTI &gt; Then, a reducing material was formed after reducing in an atmosphere of 100% H 2 (corresponding to 3% H 2 O) to form a bilayer perovskite structure. The reducing material was pulverized and mixed with an organic binder (Heraeus V006) to synthesize a cathode slurry.

전체 단위 셀(full single cell)을 제조하기 위하여, LSGM 분말을 펠렛으로 압축하고 공기 중에서 5시간 동안 약 1475℃로 소결하고 폴리싱을 통해 300mm 정도의 두께를 치밀한 전해질을 얻었다. 다음으로, 상기 캐소드용 슬러리와 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물을 포함하는 애노드 슬러리를 전해질 양면에 각각 스크린 인쇄한 후, 공기 중에서 약 4 시간 동안 약 950℃로 소결하여, 캐소드, 전해질 및 애노드로 구성된 전체 단위 셀을 제조하였다.LSGM powder was compressed with pellets and sintered in air at about 1475 ° C for 5 hours in order to manufacture a full single cell, and polished to obtain a dense electrolyte having a thickness of about 300 mm. Next, after each screen printing an anode slurry comprising for the cathode slurry and PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 + δ compound in the electrolyte on both sides, and sintered at about 950 ℃ for about 4 hours in air, the cathode , An electrolyte and an anode were prepared.

상기와 같이 형성된 상기 캐소드, 상기 애노드, 및 상기 전해질의 두께는 각각 약 20㎛, 약 20㎛ 및 약 300㎛ 이었다. 전류 인가를 위해 은 와이어를 은 페이스트를 이용해 상기 캐소드와 상기 애노드에 부착하였다. 또한, 필요한 경우, 상기 캐소드와 상기 애노드에 Co-Fe의 촉매를 15 wt% 첨가할 수 있다. The thicknesses of the cathode, the anode, and the electrolyte formed as described above were about 20 mu m, about 20 mu m, and about 300 mu m, respectively. For current application, a silver wire was attached to the cathode and the anode using a silver paste. If necessary, 15 wt% of a Co-Fe catalyst may be added to the cathode and the anode.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 전해 셀의 전류-전압 분극 곡선을 도시한 그래프이다.3 is a graph showing current-voltage polarization curves of a solid oxide electrolytic cell according to an embodiment of the present invention.

도 3의 전류-전압(I-V) 분극 곡선은 BioLogic사의 일정 전위 장치를 이용하여 측정하였다. 도 3의 전류-전압 분극 곡선은 800℃에서 100% 이산화탄소, 10% 일산화탄소 및 90% 이산화탄소, 50% 일산화탄소 및 50% 이산화탄소를 캐소드에 제공하여 측정하였다. The current-voltage (I-V) polarization curve of Figure 3 was measured using a constant potential device from BioLogic. The current-voltage polarization curve of FIG. 3 was measured by providing 100% carbon dioxide, 10% carbon monoxide and 90% carbon dioxide, 50% carbon monoxide and 50% carbon dioxide to the cathode at 800 ° C.

도 3을 참조하면, 100% 이산화탄소를 사용한 경우에는(도 3에서 CO:CO2 = 0:100), 약 0.02 V의 전압에 비하여 높은 전압에서는 전류밀도가 음의 값을 나타내었고, 약 0.02 V의 전압에 비하여 낮은 전압에서는 전류 밀도가 양의 값을 나타내었다. 10% 일산화탄소 및 90% 이산화탄소를 사용한 경우에는(도 3에서 CO:CO2 = 10:90) , 약 0.9 V의 전압에 비하여 높은 전압에서는 전류 밀도가 음의 값을 나타내었고, 약 0.9 V의 전압에 비하여 낮은 전압에서는 전류 밀도가 양의 값을 나타내었다. 50% 일산화탄소 및 50% 이산화탄소를 사용한 경우에는(도 3에서 CO:CO2 = 50:50), 약 1.0 V의 전압에 비하여 높은 전압에서는 전류 밀도가 음의 값을 나타내었고, 약 1.0 V의 전압에 비하여 낮은 전압에서는 전류 밀도가 양의 값을 나타내었다.Referring to FIG. 3, when 100% carbon dioxide was used (CO: CO 2 = 0: 100 in FIG. 3), the current density was negative at a higher voltage than about 0.02 V, The current density was positive at low voltage. In the case of using 10% carbon monoxide and 90% carbon dioxide (CO: CO 2 = 10:90 in FIG. 3), the current density was negative at a higher voltage than the voltage of about 0.9 V, The current density was positive at low voltage. In the case of using 50% carbon monoxide and 50% carbon dioxide (CO: CO 2 = 50:50 in FIG. 3), the current density was negative at a higher voltage than the voltage of about 1.0 V, The current density was positive at low voltage.

도 3에서, 양의 값의 전류 밀도는 고체 산화물 전해 셀이 연료 전지 모드로 작동될 수 있는 것을 의미하며, 전자가 도 1에 도시된 방향, 즉 애노드(120)로부터 캐소드(110)로 향하는 방향과는 반대 방향, 즉 캐소드(110)로부터 애노드(120)로 향하는 방향으로 이동하는 것을 의미한다. 상기 음의 값의 전류 밀도는 고체 산화물 전해 셀이 전해 모드로 작동될 수 있는 것을 의미하며, 전자가 도 1에 도시된 방향과는 동일한 방향, 즉 애노드(120)로부터 캐소드(110)로 향하는 방향으로 이동하는 것을 의미한다. 즉, 상기 음의 값의 전류 밀도에 해당되는 범위에서는, 에너지 공급원에서 전자가 캐소드로 이동하여 이산화탄소를 분해하여 일산화탄소와 산소이온이 생성되고, 이에 따라 상기 전자와 결합된 산소 이온이 캐소드로부터 전해질을 거쳐 애노드로 이동하여 산소 가스로 변환될 수 있다. 3, a positive value of the current density means that the solid oxide electrolytic cell can be operated in the fuel cell mode, and the electrons are emitted in the direction shown in FIG. 1, that is, in the direction from the anode 120 to the cathode 110 That is, in the direction from the cathode 110 toward the anode 120. [0064] The negative current density means that the solid oxide electrolytic cell can be operated in the electrolytic mode, and the electrons flow in the same direction as the direction shown in FIG. 1, that is, in the direction from the anode 120 to the cathode 110 &Lt; / RTI &gt; That is, in a range corresponding to the negative current density, electrons move from the energy source to the cathode to decompose carbon dioxide to generate carbon monoxide and oxygen ions, whereby the oxygen ions combined with the electrons generate an electrolyte And can be converted into oxygen gas.

또한, 100% 이산화탄소의 경우 90% 이산화탄소나 50% 이산화탄소에 비해 동일한 전압에서 전류 밀도의 절대값이 더 크게 나타났다.In addition, the absolute value of the current density at 100% carbon dioxide was larger at 90% carbon dioxide or 50% carbon dioxide than at the same voltage.

전류 밀도가 음의 값을 가지는 범위에 대하여 심층 분석하면, 이산화탄소 공급량이 증가함에 따라, 전류 밀도의 절대값이 증가하는 경향을 보였다. 예를 들어, 800℃에서 1.3V의 전압을 나타내는 경우에, 100% 이산화탄소를 공급하였을 경우에는 1.37 Acm-2, 90% 이산화탄소를 공급하였을 경우에는 0.54 Acm-2, 50% 이산화탄소를 공급하였을 경우에는 0.30 Acm-2의 전류 밀도의 절대값을 나타내었다. 따라서, 동일한 전압에서 이산화탄소를 캐소드에 100% 비율로 공급하였을 때의 전류 밀도의 절대값이 일산화탄소를 포함하고 있을 때의 절대값에 비하여 훨씬 큰 것으로 보아, 100% 이산화탄소의 경우 높은 효율로 이산화탄소가 분해되어 일산화탄소가 생성되는 것을 알 수 있다.
In-depth analysis of the range in which the current density has a negative value shows that the absolute value of the current density tends to increase as the amount of carbon dioxide supplied increases. For example, when a voltage of 1.3 V is applied at 800 ° C., it is 1.37 Acm -2 when 100% carbon dioxide is supplied, 0.54 Acm -2 when 90% carbon dioxide is supplied, and 50% And an absolute value of the current density of 0.30 Acm -2 . Therefore, when the absolute value of the current density when the carbon dioxide is supplied to the cathode at the same voltage is 100%, the absolute value of the current density is much larger than the absolute value when the carbon dioxide is contained. In the case of 100% carbon dioxide, And carbon monoxide is produced.

본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀은 이중층 페로브스카이트 구조의 화합물로 구성된 캐소드를 포함한다.The solid oxide electrolytic cell according to the technical idea of the present invention includes a cathode composed of a compound having a double layer perovskite structure.

본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀은 600oC 내지 800oC의 이산화탄소를 전기 분해하여 일산화탄소 가스를 형성할 수 있다. 상기 온도 범위는 원자력 발전의 폐열 온도에 비하여 낮으므로, 상대적으로 저온인 다양한 폐열 소스를 이용할 수 있다. Solid oxide electrolyte according to the technical features of the present invention the cell may form a carbon monoxide gas by electrolysis of carbon dioxide of 600 o C to 800 o C. Since the temperature range is lower than the waste heat temperature of nuclear power generation, various waste heat sources which are relatively low temperature can be used.

또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀은 상기 온도 범위에서 높은 전기 전도도를 가지므로 효율적이고 경제적으로 일산화탄소 가스를 형성할 수 있다.In addition, since the solid oxide electrolytic cell according to the technical idea of the present invention has a high electric conductivity in the temperature range, carbon monoxide gas can be efficiently and economically formed.

또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 전해 셀은 캐소드에 니켈을 사용하지 않고, 이중층 페로브스카이트 구조의 화합물을 사용하므로, 고온에서의 니켈 입자의 결정립 조대화 현상을 원천적으로 방지할 수 있고, 상기 캐소드는 전해질이나 일산화탄소 가스와 반응성이 거의 없으므로 열적 및 화학적 안정성을 제공할 수 있다.Further, since the solid oxide electrolytic cell according to the technical idea of the present invention does not use nickel for the cathode but uses a compound having a bilayer perovskite structure, it is possible to fundamentally prevent crystal grain coarsening phenomenon of nickel particles at high temperatures And the cathode has little reactivity with an electrolyte or a carbon monoxide gas, and thus can provide thermal and chemical stability.

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. While the present invention has been particularly shown and described with reference to certain exemplary embodiments thereof, it should be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. .

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.Accordingly, all equivalents of the claims and their equivalents, as well as the embodiments described hereinabove and the appended claims, are also within the scope of the inventive concept.

100: 고체 산화물 전해 셀, 110: 캐소드,
120: 애노드, 130: 전해질, 140: 외부 전원
100: solid oxide electrolytic cell, 110: cathode,
120: anode, 130: electrolyte, 140: external power source

Claims (13)

이산화탄소가 분해되어 형성된 일산화탄소 가스를 배출하는 캐소드;
상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 이산화탄소가 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀로서,
상기 캐소드는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀.
<화학식 1>
RET2O5+δ
상기 화학식 1에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
A cathode for discharging carbon monoxide gas formed by decomposition of carbon dioxide;
An anode disposed facing the cathode and discharging oxygen gas formed by decomposition of the carbon dioxide; And
A solid oxide electrolytic cell for generating carbon monoxide, the solid oxide electrolytic cell comprising an electrolyte disposed between the anode and the cathode,
Wherein the cathode comprises a compound of the following formula (1).
&Lt; Formula 1 >
RET 2 O 5 + 隆
Wherein R comprises one or more elements selected from rare earth elements or lanthanides, E comprises one or more elements selected from the group of the alkaline earth metals, and T is selected from the group consisting of one selected from transition metals Or more, O is oxygen, and? Is a positive number of 0 or 1 or less, and is a value that makes the compound of formula (1) electrically neutral.
청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1에서, 상기 R은 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀.
The method according to claim 1,
In the above formula (1), R is at least one selected from the group consisting of Y, neodymium, praseodymium, scandium, samarium, gadolinium, Er), or mixtures thereof. &Lt; / RTI &gt;
청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1에서, 상기 E는, 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra) 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀.
The method according to claim 1,
Wherein E is at least one element selected from the group consisting of beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium Solid oxide electrolytic cell.
청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1에서, 상기 T는, 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀.
The method according to claim 1,
In Formula 1, T is at least one element selected from the group consisting of Mn, Co, Fe, Cu, Cr, Ni, Ti, Wherein the solid oxide electrolytic cell produces carbon monoxide.
청구항 1에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은, 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀.
The method according to claim 1,
The compound of formula (1) has a double layer perovskite structure and produces carbon monoxide.
청구항 1에 있어서,
상기 캐소드는 하기의 화학식 2의 화합물을 포함하는, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀.
<화학식 2>
RBaMn2O5+δ
상기 화학식 2에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
The method according to claim 1,
Wherein the cathode comprises a compound of the following formula (2).
(2)
RBaMn 2 O 5 +?
Wherein R is one or more elements selected from a rare earth group or a lanthanide group, O is oxygen, and? Is a positive number of 0 or 1 or less, the compound of the formula (2) Value.
청구항 6에 있어서,
상기 화학식 2의 화합물은 YBaMn2O5+δ 의 화합물, NdBaMn2O5+δ 의 화합물, 또는 PrBaMn2O5+δ 의 화합물을 포함하는, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀.
The method of claim 6,
Wherein the compound of formula (2) comprises a compound of YBaMn 2 O 5 + delta , a compound of NdBaMn 2 O 5 + delta , or a compound of PrBaMn 2 O 5 + delta .
청구항 1에 있어서,
상기 애노드는 La0.8Sr0.2Fe-YSZ, PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물, NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물, 또는 GdBa0.5Sr0.5CoFeO5+δ 화합물을 포함하며,
상기 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물에서, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이고,
상기 NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물에서, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이고,
상기 GdBa0.5Sr0.5CoFeO5+δ 화합물에서, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 GdBa0.5Sr0.5CoFeO5+δ 화합물을 전기적 중성으로 하는 값인, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀.
The method according to claim 1,
The anode may be selected from the group consisting of La 0.8 Sr 0.2 Fe-YSZ, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 + δ compound, NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 + δ compound or GdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + &Lt; / RTI &gt;
In the PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 + δ compound, wherein δ is a positive number of less than or equal to 0 or 1, the value of the PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 + δ compound is electrically neutral,
In the NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 + δ compound, wherein δ is a positive number of less than or equal to 0 or 1, the value of the NdBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5 + δ compound is electrically neutral,
The GdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + In compounds, wherein δ is a positive number of less than or equal to 0 or 1, the GdBa 0.5 Sr 0.5 CoFeO 5 + δ A solid oxide electrolytic cell producing carbon monoxide, the value of which makes the compound electrically neutral.
청구항 1에 있어서,
상기 전해질은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 란타늄 갈레이트 및 이들의 혼합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀.
The method according to claim 1,
The electrolyte comprises at least one of yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), samarium doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC), lanthanum gallate, Solid oxide electrolytic cell that produces carbon monoxide.
청구항 1에 있어서,
상기 고체 산화물 전해 셀의 작동 온도가 600℃ 내지 800℃의 범위인, 일산화탄소를 생성하는 고체 산화물 전해 셀.
The method according to claim 1,
Wherein an operating temperature of said solid oxide electrolytic cell is in a range of 600 캜 to 800 캜.
삭제delete 금속 산화물 전구체들을 용매에 용해하여 전구체 용액을 얻는 단계;
상기 전구체 용액에서 용매를 증발시켜 고형물을 얻는 단계;
상기 고형물을 공기 중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계; 및
상기 소성물을 연마하는 단계;를 포함하고,
상기 금속 산화물 전구체들은 아래 화학식 1의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 R, E, 및 T 화합물들의 혼합물을 포함하는, 고체 산화물 전해 셀의 제조 방법:
<화학식 1>
RET2O5+δ
상기 화학식 1에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
Dissolving the metal oxide precursors in a solvent to obtain a precursor solution;
Evaporating the solvent in the precursor solution to obtain a solid;
Firing the solid material in air to obtain a fired product; And
And polishing the sintered body,
Wherein said metal oxide precursors comprise a mixture of stoichiometric ratios of R, E, and T compounds capable of producing a compound of Formula 1: < EMI ID =
&Lt; Formula 1 &gt;
RET 2 O 5 + 隆
Wherein R comprises one or more elements selected from rare earth elements or lanthanides, E comprises one or more elements selected from the group of the alkaline earth metals, and T is selected from the group consisting of one selected from transition metals Or more, O is oxygen, and? Is a positive number of 0 or 1 or less, and is a value that makes the compound of formula (1) electrically neutral.
청구항 12에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 YBaMn2O5+δ 의 화합물, NdBaMn2O5+δ 의 화합물, 또는 PrBaMn2O5+δ 의 화합물을 포함하는, 고체 산화물 전해 셀의 제조 방법.
The method of claim 12,
Wherein the compound of formula (1) comprises a compound of YBaMn 2 O 5 + delta , a compound of NdBaMn 2 O 5 + delta , or a compound of PrBaMn 2 O 5 + delta .
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