KR101679423B1 - 복합체 나노튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 복합체 나노튜브의 제조방법 - Google Patents

복합체 나노튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 복합체 나노튜브의 제조방법 Download PDF

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Abstract

고체산화물 전해질, 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하며, 상기 제 1 전극 및/또는 제 2 전극이 복합체 나노튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지가 제시된다.

Description

복합체 나노튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 복합체 나노튜브의 제조방법{Solid oxide fuel cell containing composite nanotube and preparation method thereof}
복합체 나노튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지, 및 복합체 나노튜브의 제조방법에 관한 것이다.
대체에너지 중 하나로 관심의 대상이 되는 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자전해질 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지(PAFC, phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분된다.
상기 고체산화물 연료전지는 전해질로서 이온 전도성을 가지는 고체산화물을 사용한다. 상기 고체산화물 연료전지는 효율이 높고, 내구성이 높으며, 다양한 종류의 연료를 사용할 수 있으며, 제조 비용이 상대적으로 저렴하다.
상기 고체산화물 연료전지의 단위전지는 고체산화물 전해질과 전극으로 구성된다. 상기 고체산화물 연료전지는 750 내지 1200℃의 고온에서 작동하므로, 상기 고온에서 안정한 소재만이 적용될 수 있다. 따라서, 상기 고체산화물 연료전지의 작동온도를 낮추는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 작동온도가 낮아지면 전극의 저항이 급격히 증가하여 출력밀도가 저하된다.
따라서, 상기 전극의 저항 증가를 억제하기 위하여 전극 내에 산소이온 전도체, 전자 전도체, 및 연료 또는 공기가 접촉할 수 있는 삼상계면(triple phase boundary)의 면적을 증가시키는 것이 요구된다.
한 측면은 복합체 나노튜브를 포함하는 새로운 구조의 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
다른 한 측면은 상기 복합체 나노튜브의 제조방법을 제공하는 것이다.
한 측면에 따라,
고체산화물 전해질; 제 1 전극; 및 제 2 전극을 포함하며,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전극이 복합체 나노튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지가 제공된다.
다른 한 측면에 따라
전극 성분의 전구체, 및 고체산화물 전해질 성분의 전구체를 제1 용매에 첨가하여 제 1 용액을 준비하는 단계;
상기 제 2 용매에 용해도 개선제를 첨가하여 제 2 용액을 준비하는 단계;
상기 제 1 용액과 제 2 용액을 혼합하여 혼합용액을 준비하는 단계;
상기 혼합용액을 전기방사시켜 나노섬유를 준비하는 단계; 및
상기 나노섬유를 열처리하는 단계;를 포함하는 고체산화물 연료전지용 복합체 나노튜브 제조방법.
한 측면에 따르면 전극이 복합체 나노튜브를 포함하여 3상 계면의 면적이 증가함에 의하여 전극의 저항이 감소될 수 있다.
도 1a는 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브의 주사전자현미경 이미지이다. 스케일러의 크기는 10.0㎛이다.
도 1b는 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브의 주사전자현미경 이미지이다. 스케일러의 크기는 200nm이다.
도 1c는 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브의 주사전자현미경 이미지이다. 스케일러의 크기는 50nm이다.
도 2a는 실시예 2에서 제조된 복합체 나노튜브의 주사전자현미경 이미지이다. 스케일러의 크기는 100nm이다.
도 2b는 실시예 2에서 제조된 복합체 나노튜브의 투과전자현미경 이미지이다. 스케일러의 크기는 100nm이다.
도 3은 실시예 3에서 제조된 복합체 나노튜브의 투과전자현미경 이미지이다.
도 4는 실시예 2에서 제조된 복합체 나노튜브의 EDM 맵핑(mapping) 이미지이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브의 X선 회절 실험 결과이다.
도 6는 실시예 4 및 비교예 1에서 제조된 셀에 대한 음극 저항 측정 결과에 대한 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)이다.
도 7은 실시예 1에서 사용된 전기방사장치의 개략도이다.
이하에서 예시적인 하나 이상의 구현예에 따른 고체산화물 연료전지, 및 복합체 나노튜브의 제조방법에 관하여 더욱 상세히 설명한다.
일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지는 고체산화물 전해질; 제 1 전극; 및 제 2 전극을 포함하며, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전극이 복합체 나노튜브를 포함한다.
상기 복합체 나노튜브가 전극 성분인 전자 전도체와 고체산화물 전해질 성분인 산소이온 전도체를 동시에 포함함에 의하여 산소이온 전도체, 전자 전도체, 및 연료 또는 공기가 접촉할 수 있는 삼상계면(triple phase boundary)의 면적이 증가될 수 있다. 이러한 삼상계면의 면적이 증가됨에 의하여 전극 저항이 감소될 수 있다.
상기 복합체 나노튜브는 2차원 또는 3차원적인 구조체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 구조체는 2차원 또는 3차원적인 부직포 형태일 수 있으나, 반드시 이러한 형태로 한정되는 것은 아니며 당해 기술 분야에서 사용될 수 있는 모든 형태의 구조체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 복합체 나노튜브가 전기방사법으로 소정의 기판 상에 연속적으로 방사된 후 열처리되어 부직포 형태의 시트를 형성할 수 있다. 상기 시트의 두께에 따라 2차원 부직포 또는 3차원 부직포 형태일 수 있다.
상기 고체산화물 전해질은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치될 수 있으며,상기 2차원 또는 3차원적인 복합체 나노튜브 구조체는 상기 전극들과 고체산화물 전해질 사이의 계면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 복합체 나노튜브 구조체는 고체산화물과 접촉하는 전극 표면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 복합체 나노튜브 구조체 자체가 전극이 될 수 있다.
상기 복합체 나노튜브의 외부직경은 50 내지 100nm일 수 있으나, 반드시 이러한 범위로 한정되는 것은 아니며 전극의 저항을 감소시킬 있는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노튜브의 외부직경은 50 내지 80nm일 수 있다.
상기 복합체 나노튜브의 내부직경은 10 내지 40nm일 수 있으나, 반드시 이러한 범위로 한정되는 것은 아니며 전극의 저항을 감소시킬 수 있는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노튜브의 내부직경은 15 내지 30nm일 수 있다.
상기 복합체 나노튜브의 벽두께(wall thickness)는 10 내지 30nm일 수 있으나, 반드시 이러한 범위로 한정되는 것은 아니며, 전극의 저항을 감소시킬 수 있는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노튜브의 벽두께는 15 내지 30nm일 수 있다.
상기 복합체 나노튜브의 길이는 100nm 이상일 수 있으나, 반드시 이러한 범위로 한정되는 것은 아니며 전극의 저항을 감소시킬 수 있는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노튜브의 길이는 내지 100nm 내지 10mm일 수 있다.
상기 복합체 나노튜브는 고체산화물 전해질을 구성하는 성분들과 전극을 구성하는 성분들을 동시에 포함하는 복합체이다. 예를 들어, 상기 복합체 나노튜브는 상기 고체산화물 전해질을 형성하는 재료의 분말과 니켈 옥사이드가 혼합된 세메트(cermet)일 수 있다.
도 5에서 보여지는 바와 같이 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지에 포함된 복합체 나노튜브는 전극 성분인 NiO의 상(pahse) 및 고체산화물 성분인 GDC(gadollium doped ceria)의 상(pahse)을 모두 포함한다.
상기 복합체 나노튜브에 포함된 고체산화물 전해질 성분은 양이온(Y,Sc) 도핑된 지르코니아(ZrO2), 양이온(Gd,Sm) 도핑된 세리아(CeO2), 란타늄-스트론튬-가돌리늄(갈륨)-마그네슘(La1-xSrxGa1-yMgyO3) 산화물(LSGM), 양이온 (Y, La) 도핑된 비스무스 산화물 (Bi2O3)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며, 전극의 저항을 감소시킬 수 있는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 고체산화물 전해질 성분은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등일 수 있다. 상기 YSZ는 예를 들어 Zr0.84Y0.16O2일 수 있다.
상기 복합체 나노튜브에 포함된 전극 성분은 페로브스카이트(perovskite) 복합산화물; 스트론튬, 코발트, 철 중 하나 이상이 도핑된 란타늄 망간 산화물; 산화니켈(NiO), 금속니켈, 산화구리 (CuO), 금속구리로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며, 전극의 저항을 감소시킬 수 있는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, (Sm,Sr)CoO3, (La,Sr)MnO3, (La,Sr)CoO3, (La,Sr)(Fe,Co)O3, (La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3 등의 금속 산화물 입자, 백금, 루테늄, 팔라듐 등의 귀금속, 스트론튬, 코발트, 철 등이 도핑된 란탄 망가나이트, La0.8Sr0.2MnO3(LSM), La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3(LSCF) 등이다.
상기 복합체 나노튜브는 다공성일 수 있다. 상기 기공은 상기 복합체 나노튜브의 벽을 관통하거나 상기 복합체 나노튜브 벽의 표면으로부터 내부에 걸쳐 분산되어 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 복합체 나노튜브의 벽(wall)은 벽 내에 다수의 기공이 포함된 일종의 그물망 같은 형태일 수 있다. 도 1c에 보여지는 바와 같이 복합체 나노튜브의 벽에 복수의 기공이 포함될 수 있다. 상기 복합체 나노튜브가 복수의 기공을 포함함에 의하여 산소이온 전도체, 전자 전도체, 및 연료 또는 공기가 접촉할 수 있는 삼상계면(triple phase boundary)의 면적이 현저히 증가될 수 있다. 이러한 삼상계면의 면적이 현저히 증가됨에 의하여 전극 저항이 감소될 수 있다.
상기 다공성 복합체 나노튜브가 포함하는 기공의 직경은 10nm일 수 있다. 예를 들어, 상기 기공의 직경은 2 내지 10nm일 수 있으나, 반드시 이러한 범위롤 한정되는 것은 아니며 전극 저항이 감소될 수 있는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다.
제 1 전극은 양극 또는 음극일 수 있으며, 제 2 전극은 나머지 전극일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 전극은 음극 또는 양극일 수 있다.
상기 고체산화물 전해질, 양극 및 음극의 두께는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 범위라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 고체산화물 전해질의 두께는 10㎛ 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 고체산화물 전해질은 5nm 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 고체산화물 전해질은 5nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 고체산화물 전해질은 5nm 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 및 양극은 서로 독립적으로 10㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 및 양극은 서로 독립적으로 50nm 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 및 양극은 서로 독립적으로 50nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 및 양극은 서로 독립적으로 50nm 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 음극 및 양극의 두께는 상기 복합체 나노튜브 구조체 자체의 두께일 수 있다.
예를 들어, 고체산화물 연료전지가 포함하는 복합체 나노튜브는 NiO 또는 Ni; 및 가돌리늄 도핑된 세리아;를 포함하는 세메트(cermet)일 수 있다. 상기 NiO 또는 Ni 및 가돌리튬 도핑된 세리아가 0.8:1.2 내지 1.2:0.8의 원자%비로 포함될 수 있으며, 튜브의 벽에 직경 2 내지 8nm의 기공을 복수개 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 복합체 나노튜브 제조방법은 전극 성분의 전구체, 및 고체산화물 전해질 성분의 전구체를 제1 용매에 첨가하여 제 1 용액을 준비하는 단계; 상기 제 2 용매에 용해도 개선제 (DMF)와 분산제 (PVP) 를 첨가하여 제 2 용액을 준비하는 단계; 상기 제 1 용액과 제 2 용액을 혼합하여 혼합용액을 준비하는 단계; 상기 혼합용액을 전기방사시켜 나노섬유를 준비하는 단계; 및 상기 나노섬유를 열처리하는 단계;를 포함한다.
상기 제 1 용액을 준비하는 단계에서 사용되는 고체산화물 성분의 전구체는 세륨 질화물, 가돌리튬 질화물, 지르코늄 산화물, 이트륨 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 전구체는 (NH4)2Ce(NO3)6, Gd(NO3)3 xH2O(0≤x≤9)일 수 있다.
상기 제 1 용액을 준비하는 단계에서 사용되는 전극 성분의 전구체는 니켈 질화물, 구리 질화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 전구체는 Ni(NO3)2 6H2O일 수 있다.
상기 제 1 용액을 준비하는 단계에서 사용되는 제 1 용매는 에탄올, 메탄올로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으며, 상기 제 2 용액을 준비하는 단계에서 사용되는 용해도 개선제는 제 2 용매가 디메틸포름아미드로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 제 2 용액을 준비하는 단계에서 사용되는 분산제는 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜 (PVA) 로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 고체산화물 전해질 성분의 전구체 및 전극 성분의 전구체가 첨가되어 용해되어 얻어지는 제 1 용액은 전기방사되어야 하므로 불용물이 전기방사 단계 전에 제거될 수 있다.
상기 전기방사 단계는 당해 기술분야에서 알려진 일반적인 방법 및 조건에서 방사될 수 있다. 상기 전기방사 시에 적용되는 전압은 1 내지 100kV일 수 있다. 방사된 용액은 나노섬유 형태로 기판 상에 형성되며 일종의 부직포 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 고체산화물 전해질일 수 있다.
상기 방사된 나노섬유를 300 내지 900℃에서 열처리하여 복합체 나노튜브가 얻어질 수 있다. 상기 열처리 온도는 상기 범위로 반드시 한정되지 않으며 상기 복합체 나노튜브를 얻을 수 있는 온도라면 모두 사용 가능하다. 예를 들어, 상기 열처리 온도는 500 내지 700℃일 수 있다. 상기 열처리는 500oC 공기 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는 1 내지 10시간 동안 수행될 수 있다.
상기 복합체 나노튜브 제조방법은 수소 분위기에서 열처리되어 환원되는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 수소 분위기에서의 열처리 온도는 400 내지 1000℃일 수 있으며, 열처리 시간은 1 내지 10 시간일 수 있다. 상기 수소분위기에서의 열처리에 의하여 복합체 내에 포함된 NiO의 일부 또는 전부가 Ni로 환원될 수 있다. 이러한 환원은 연료전지의 구동에 의하여도 달성될 수 있다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
(복합체 나노튜브의 제조)
실시예 1
무수 에탄올 30ml에 (NH4)2Ce(NO3)6 0.476g, Gd(NO3)3 xH2O(0≤x≤9) 0.033g 및 Ni(NO3)2 6H2O 0.509g을 투입한 후 교반시켜 완전히 용해시켰다. 이를 제 1 용액이라고 한다.
디메틸포름아미드 9ml에 폴리비닐피롤리돈 1g을 투입한 후 교반시켜 완전히 용해시켰다. 이를 제 2 용액이라고 한다.
상기 제 1 용액과 제 2 용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하였다.
상기 혼합용액을 전기방사장치(나노엔씨㈜, E-spinning)의 시린지(syringe)에 투입한 후 16kV의 전압을 인가하면서 수집판(collector)에 전기방사시켜 부직포 형태의 나노파이버를 수득하였다. 상기 전기방사장치의 개략도가 도 7에 보여진다.
상기 나노파이버를 500℃의 공기 분위기에서 1시간 동안 열처리하여 복합체 나노튜브를 수득하였다. 얻어진 복합체 나노튜브가 도 1a 내지 1c에 보여진다.
제조된 복합체 나노튜브의 외부직경은 40 내지 100 nm이었고, 내부직경은 10 내지 50nm이었고, 벽두께는 15 내지 25nm이었으며, 기공 크기는 10nm 미만이었다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브를 500℃의 수소 분위기(5v% H2 + 95v% N2)에서 1시간 동안 추가적으로 열처리하여 복합체 나노튜브를 수득하였다. 얻어진 복합체 나노튜브가 도 2a 및 2b에 보여진다.
제조된 복합체 나노튜브의 외부직경은 40 내지 100nm이었고, 내부직경은 10 내지 50nm이었고, 벽두께는 15 내지 25nm이었으며, 기공 크기는 3 내지 10nm이었다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브를 700℃의 수소 분위기(5v% H2 + 95v% N2)에서 1시간 동안 추가적으로 열처리하여 복합체 나노튜브를 수득하였다. 얻어진 복합체 나노튜브가 도 3에 보여진다.
제조된 복합체 나노튜브의 외부직경은 40 내지 100nm이었고, 내부직경은 10 내지 50nm이었고, 벽두께는 15 내지 25nm이었으며, 기공 크기는 5 내지 20nm이었다.
(EDS 실험)
평가예 1
상기 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브에 대하여 EDS(Electron Diffraction Sopectra) 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 1 및 도 4에 나타내었다. 표 1에 보여지는 바와 같이 GDS의 함량과 NiO의 함량이 거의 1:1의 원자% 비율을 나타내었다. 따라서, NiO와 GDS가 거의 유사한 함량으로 포함되어 있음을 알 수 있다.
또한, 도 4에 보여지는 바와 같이 Ce, Gd 및 Ni은 복합체 나노튜브 전체에 균일하게 분포되어 있다. 도 4에서 왼쪽 상단의 나노튜브는 상기 EDS 실험에 사용된 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브의 주사전자현미경 사진이다.
원자%(atomic %)
Ce 21.70
Gd 2.43
Ni 24.38
(X선 회절 실험)
평가예 2
상기 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브에 대하여 X-선 회절 실험을 수행하여 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 보여지는 바와 같이 NiO상 및 GDC상이 구별되어 명확하게 나타났다. 따라서, 상기 복합체 나노튜브가 NiO와 GDC의 복합체임을 할 수 있다.
(고체산화물 연료전지 셀의 제조)
실시예 4
하기 구성을 가지는 복합체 셀을 제조하였다: NiO+YSZ층/복합체 나노튜브층/YSZ 고체전해질층/복합체 나노튜브층/NiO+YSZ층.
NiO+YSZ 상용 산화물 복합체 (Fuel Cell Materials, USA)층 및 복합체 나노튜브층을 포함하는 제1 전극 및 제 2 전극을 각각 형성하였다. 상기 복합체 나노튜브층은 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브를 포함하는 층이다. YSZ 고체전해질은 상용 디스크(Fuel Cell Materials, USA)을 사용하였다.
상기 셀을 제조하기 위해 상용 고체전해질 디스크 양단에 NiO+YSZ 산화물복합체층 및 복합체 나노튜브층을 스크린 인쇄법(screen printing)을 이용하여 순차적으로 코팅하였다.
구체적으로, 상기 코팅을 위해 실시예 1에서 제조된 복합체 나노튜브와 상용 용매 (Vehicle, VEH, Fuel Cell Materials)를 1:1 부피비로 혼합하여 복합체 나노튜브 슬러리를 준비하였다. 또한, NiO+YSZ 산화물 복합체와 상용 용매 (Vehicle, VEH, Fuel Cell Materials)를 1:1 부피비로 혼합하여 산화물 복합체 슬러리를 준비하였다.
상기 복합체 나노튜브 슬러리를 고체전해질 디스크에 1차 코팅 후 150oC 오븐에서 건조한 후 상기 산화물 복합체 슬러리를 상기 복합체 나노튜브층 상에 2차 코팅 하고 동일한 조건에서 건조시켜 연료전지셀을 제조하였다.
이를 셀_b (cell_b)라고 한다.
비교예 1
복합체 나노튜브층이 없는 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 연료전지 셀을 제조하였다.
셀의 구성은 다음과 같다.
NiO+YSZ층/ YSZ 고체전해질층/NiO+YSZ층
이를 셀_a(cell_a)라고 한다.
(전극저항 측정)
평가예 3
실시예 4 및 비교예 1에서 제조된 연료전지 셀에 대하여 700℃의 환원 분위기(수소 5v% + 아르곤95v%)하에서 음극저항(anode polarization, Rp)을 측정하였다.
임피던스 분석기(Material Mates 7260 impedance analyzer)를 사용하여 2-프로브(probe)법으로 상기 셀들의 음극저항을 측정하였다. 주파수 범위는 10Mhz 내지 1MHz 였다. 음극 저항 측정 결과의 나이퀴스트 플롯(Nyguist plot)을 도 6에 나타내었다. 도 6의 cell_a는 비교예 1에 대한 것이고, cell_b는 실시예 4에 대한 것이다.
예를 들어, 도 6에서 가장 반구의 왼쪽이 외삽되어 X축과 접하는 지점과 반구의 오른쪽이 외삽되어 X축과 접하는 지점과의 차이가 음극의 저항에 해당한다.
실시예 4에서 제조된 셀의 음극저항은 30ohm으로서 비교예 4에서 제조된 셀의 음극저항 85ohm에 비하여 음극저항이 현저히 감소되었다.

Claims (20)

  1. 고체산화물 전해질; 제 1 전극; 및 제 2 전극을 포함하며,
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전극이 복합체 나노튜브를 포함하는 고체산화물 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 나노튜브가 2차원 또는 3차원적인 구조체를 형성하는 고체산화물 연료전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 구조체가 부직포 형태인 고체산화물 연료전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 나노튜브가 고체산화물 전해질과 전극 사이의 계면에 배치되는 고체산화물 연료전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 나노튜브의 외부직경이 40 내지 100nm인 고체산화물 연료전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 나노튜브의 내부직경이 10 내지 50nm인 고체산화물 연료전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 나노튜브의 벽두께가 15 내지 25nm인 고체산화물 연료전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 나노튜브가 고체산화물 전해질 성분 및 전극 성분을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 고체산화물 전해질 성분과 전극 성분이 0.8:1.2 내지 1.2:0.8의 원자%비로 포함된 고체산화물 연료전지.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 고체산화물 전해질 성분이 양이온(Y,Sc) 도핑된 지르코니아(ZrO2), 양이온(Gd,Sm) 도핑된 세리아(CeO2), 란타늄-스트론튬-가돌리늄(갈륨)-마그네슘(La1-xSrxGa1-yMgyO3) 산화물(LSGM), 양이온 (Y, La) 도핑된 비스무스 산화물 (Bi2O3)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 고체산화물 연료전지.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 전극 성분이 페로브스카이트(perovskite) 복합산화물; 스트론튬, 코발트, 철 중 하나 이상이 도핑된 란타늄 망간 산화물; 산화니켈(NiO), 금속니켈, 산화구리 (CuO), 금속구리로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 고체산화물 연료전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 나노튜브가 다공성인 고체산화물 연료전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 다공성 복합체 나노튜브가 포함하는 기공의 직경이 10nm 이하인 고체산화물 연료전지.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극이 양극 또는 음극이고 제 2 전극이 나머지 전극인 고체산화물 연료전지.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 복합체 나노튜브가 NiO 또는 Ni; 및 가돌리늄 도핑된 세리아;를 포함하며, 상기 NiO 또는 Ni 및 가돌리튬 도핑된 세리아가 0.8:1.2 내지 1.2:0.8의 원자%비로 포함되며, 튜브의 벽(wall)에 직경 2 내지 8nm의 기공을 복수개 포함하는 다공성인 고체산화물 연료전지.
  16. 전극 성분의 전구체, 및 고체산화물 전해질 성분의 전구체를 제1 용매에 첨가하여 제 1 용액을 준비하는 단계;
    제 2 용매에 용해도 개선제를 첨가하여 제 2 용액을 준비하는 단계;
    상기 제 1 용액과 제 2 용액을 혼합하여 혼합용액을 준비하는 단계;
    상기 혼합용액을 전기방사시켜 나노섬유를 준비하는 단계; 및
    상기 나노섬유를 열처리하는 단계;를 포함하는 고체산화물 연료전지용 복합체 나노튜브 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 고체산화물 전해질 성분의 전구체가 세륨 질화물, 가돌리튬 질화물, 지르코늄 질화물, 이트륨 질화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 복합체 나노튜브 제조방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 전극 성분의 전구체가 니켈 질화물, 구리 질화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 복합체 나노튜브 제조방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 용매가 에탄올, 메탄올로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 복합체 나노튜브 제조방법.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 제 2 용매가 디메틸포름아미드, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜 (PVA)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 복합체 나노튜브 제조방법.
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