KR101702217B1 - Low-temperature Solid Oxide Fuel Cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저온형 고체 산화물 연료 전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코어-쉘 섬유 구조의 고체산화물 연료전지용 양극, 이의 제조방법, 상기 양극을 적용한 저온(400 ℃~600 ℃)에서 우수한 출력 특성을 가지는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a low temperature type solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a cathode for a solid oxide fuel cell having a core-shell fiber structure, a method for producing the same, A solid oxide fuel cell having excellent output characteristics, and a method of manufacturing the same.

Description

저온형 고체 산화물 연료 전지{Low-temperature Solid Oxide Fuel Cell}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a low-temperature solid oxide fuel cell,

본 발명은 저온형 고체 산화물 연료 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a low temperature type solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same.

고유가 시대의 도래로 인해 신에너지에 대한 연구 및 수요가 증가하면서 연료전지 연구의 중요성이 부각되고 있다. 연료전지는 일반적 열기관과 달리 연료의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하여 에너지 변환 효율이 매우 높으며 연소 공정이 필요하지 않아 NOX, SOX, CO2 등의 배출이 거의 없는 저공해 친환경 발전 방식을 사용한다.With the advent of high oil prices, research and demand for new energy has increased, and the importance of fuel cell research has been emphasized. Unlike general heat engines, fuel cells convert the chemical energy of the fuel directly into electric energy, so the energy conversion efficiency is very high. No combustion process is required and NO x , SO x , CO 2 And low-emission environmentally friendly power generation method with little emissions.

연료전지는 전해질 종류에 따라 1,2,3세대로 분류된다. 제 1세대는 인산염을 전해질로 사용하는 인산염형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell; PAFC), 제 2세대는 Na, K, Li 등의 용융탄산염을 전해질로 사용하는 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC), 제 3세대는 보다 높은 온도에서 작동하여 높은 효율을 내는 고체 전해질형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)로 분류된다.Fuel cells are classified into 1, 2, and 3 generations depending on the type of electrolyte. The first generation is a phosphate based fuel cell (PAFC) using phosphate as an electrolyte and the second generation is a Molten Carbonate Fuel (Fuel Cell) using a molten carbonate such as Na, K, Li as an electrolyte. (MCFC), and the third generation is classified as a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) that operates at a higher temperature and achieves high efficiency.

연료전지 중 고체 산화물 연료 전지는 다른 전지에 비해 발전 효율이 높고 고온에서 작동하여 귀금속 촉매가 필요하지 않아 저렴한 촉매(Pd, Ni, Co 등)를 사용하여 연료 전지 시스템을 구성할 수 있다. 또한, 연료인 천연가스, 메탄올 등을 개질하여 수소가 많은 연료로 변환시키는 장치인 개질기를 필요로 하지 않으며 배출된 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다.The solid oxide fuel cell of the fuel cell has a higher power generation efficiency than the other cells and operates at a high temperature, so that a noble metal catalyst is not required, and a fuel cell system can be constructed using an inexpensive catalyst (Pd, Ni, Co, etc.). In addition, it does not require a reformer, which is a device for converting natural gas, methanol, etc., which is a fuel, into a hydrogen-rich fuel, and thermal combined power generation using waste heat is possible.

이 고체산화물 연료전지는 구성하는 형태에 따라 원통형(Tubular type)과 평판형(Planar type)으로 나뉘어진다. 원통형 SOFC는 셀 간의 밀봉이 용이하고, 열 저항성이 높다는 점에서 상용화에 가장 근접한 디자인으로 평가받고 있으나 평판형에 비해 낮은 전력밀도를 지니고 있다.The solid oxide fuel cell is divided into a tubular type and a planar type according to the configuration. Cylindrical SOFC has been evaluated as the closest design to commercialization because it is easy to seal between cells and has high thermal resistance, but it has a lower power density than flat type.

상기 고체산화물 연료전지는 온도에 따라 고온형, 중저온형, 저온형으로 나뉜다. 고온형은 800℃~1000℃, 중저온형은 650℃~800℃, 저온형은 400℃~600℃의 온도에서 각각 작동하며 이 중 고온형 고체산화물 연료전지는 작동 온도의 상승에 따라 이론 효율은 감소하지만, 온도 상승에 따라 전기 저항, 전극 반응 저항은 작아지므로, 온도 상승에 따른 이론 효율의 감소를 보충할 수 있기에 다른 두 연료전지보다 발전 효율이 높다. 그러나 고온형 고체산화물 연료전지[비특허문헌 1]는 고온의 작동 온도로 인해 화학 반응 및 열화 현상을 유발하고 장기 안정성, 내구성 문제가 발생하며 고온에 견디는 값비싼 외장재의 사용으로 상용화에 어려움을 겪는다. 이에 따라 최근 장기 안정성을 지니며 다양한 응용성을 가진 중저온(650℃~800℃), 저온형(400℃~600℃) 고체 산화물 연료전지 연구 개발에 집중되고 있다.The solid oxide fuel cell is classified into a high-temperature type, a middle-low temperature type, and a low-temperature type according to temperature. The high-temperature type solid oxide fuel cell operates at 800 ° C to 1000 ° C, the low-temperature type at 650 ° C to 800 ° C, and the low temperature type at 400 ° C to 600 ° C. However, since the electrical resistance and the electrode reaction resistance decrease with temperature rise, the power generation efficiency is higher than that of the other two fuel cells because the decrease in the theoretical efficiency due to the temperature rise can be compensated for. However, the high temperature type solid oxide fuel cell [Non-Patent Document 1] suffers from chemical reaction and deterioration phenomenon due to high temperature operation temperature, has a problem of long-term stability and durability, and has difficulty in commercialization due to use of costly exterior material which can withstand high temperature . Accordingly, it has recently been focused on research and development of low-temperature (400 ° C ~ 600 ° C) solid oxide fuel cells with long-term stability and various applications.

상기 저온형 고체 산화물 연료 전지[비특허문헌 2]는 저온에서 구동되어 전해질에서의 산소 이온 전도 및 표면 반응 속도의 감소로 활성화 전압 손실이 생기고, 이로 인해 성능이 저하되는 문제점을 지닌다.The low-temperature type solid oxide fuel cell (Non-Patent Document 2) has a problem that an activation voltage loss occurs due to oxygen ion conduction and surface reaction rate in an electrolyte driven at a low temperature, thereby deteriorating performance.

S. C. Singhal & K. Kendall High-temperature solid oxide fuel cells: fundamentals, design and applications: fundamentals, design and applications (Elsvier, 2003)S. C. Singhal and K. Kendall High-temperature solid oxide fuel cells: fundamentals, design and applications: fundamentals, design and applications (Elsvier, 2003) Wachsman, E. D. et al. Lowering the temperature of solid oxide fuel cells. Science 334, 935-939 (2011)Wachsman, E. D. et al. Lowering the temperature of solid oxide fuel cells. Science 334, 935-939 (2011)

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과, 나노 복합 소재 기능층을 고체산화물 연료전지의 음극에 형성하고 음극 상에 전해질을 박막 제조법으로 얇게 제조하며 망 구조로 긴밀히 연결된 다공성 코어 쉘-섬유 구조의 양극을 이용해 저온에서 높은 성능을 지닌 저온형 고체산화물 연료전지를 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.As a result, the present inventors have found that a functional layer of a nanocomposite material is formed on a cathode of a solid oxide fuel cell, an electrolyte is thinly formed on a cathode by a thin film manufacturing method, and a porous core Temperature type solid oxide fuel cell having high performance at a low temperature by using a shell-fiber structure anode, thereby completing the present invention.

따라서, 본 발명은 높은 성능을 지닌 저온형 고체산화물 연료전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a low-temperature type solid oxide fuel cell having high performance and a method of manufacturing the same.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, The present invention provides, as means for solving the above problems,

페로브스카이트형 금속 산화물의 코어 섬유 및 Core fibers of perovskite type metal oxide and

전해질 물질의 쉘 나노입자를 포함하는Including shell nanoparticles of an electrolyte material

저온형 고체 산화물 연료 전지용 양극을 제공한다.
And a cathode for a low temperature type solid oxide fuel cell.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 음극, 전해질층 및 양극으로 이루어진 고체 산화물 연료 전지에 있어서,In another aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell comprising a cathode, an electrolyte layer and a cathode,

상기 양극; The anode;

무(無)기공의 전해질층; 및An electrolyte layer of no pores; And

니켈 및 전해질 물질을 포함하는 나노 복합소재의 음극 기능층Anode functional layer of a nanocomposite material comprising nickel and an electrolyte material

을 포함하는 저온형 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
Temperature type solid oxide fuel cell.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서,The present invention, as another means for solving the above problems,

페로브스카이트형 금속 산화물로 코어 섬유를 형성하는 단계;Forming a core fiber with a perovskite-type metal oxide;

상기 코어 섬유 상에 전해질 물질의 쉘을 형성하는 단계;Forming a shell of an electrolyte material on the core fiber;

포함하는 저온형 고체 산화물 연료 전지용 양극의 제조방법을 제공한다.
The present invention also provides a method of manufacturing a positive electrode for a low temperature type solid oxide fuel cell.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서,The present invention, as another means for solving the above problems,

음극 지지체 상에 니켈 및 전해질 물질을 포함하는 나노 복합소재의 음극 기능층을 형성하는 단계;Forming a negative electrode functional layer of a nanocomposite material comprising nickel and an electrolyte material on a negative electrode support;

상기 음극 기능층 상에 무기공의 전해질층을 형성하는 단계; 및Forming an electrolyte layer of inorganic fine particles on the negative electrode functional layer; And

상기 전해질층 상에 상기 양극을 제조하는 단계 Producing the anode on the electrolyte layer

을 포함하는 저온형 고체 산화물 연료 전지의 제조방법을 제공한다.
Type solid oxide fuel cell according to the present invention.

본 발명에 따른 저온형 고체 산화물 연료전지용 양극은 전기 방사와 페치니 법을 이용해 세라믹 산화물을 포함한 무기물을 전구체로 사용할 수 있음은 물론, 무기 섬유 구조를 갖추는데 드는 시간을 단축하고 망 구조로 긴밀히 연결된 다공성 코어 쉘 구조를 형성해 활성화 손실 전압, 전하 이동에 따른 저항, 기체 확산도를 줄이며 표면 산소 반응의 증가를 야기한다. 또한 저온의 긴밀한 섬유 구조를 형성하여 내구성 및 구조적 안정성을 확보하여 수명 연장 효과를 기대할 수 있다. The cathode for a low temperature type solid oxide fuel cell according to the present invention can be formed by using an inorganic material including a ceramic oxide as a precursor by using electrospinning and a Phechni process as well as by shortening the time required for forming the inorganic fiber structure, The porous core shell structure is formed to reduce the activation loss voltage, the resistance due to the charge transfer, and the gas diffusivity, resulting in an increase in the surface oxygenation. In addition, by forming a tight fiber structure at a low temperature, durability and structural stability can be secured, and the life extension effect can be expected.

또한, 본 발명에 따른 저온형 고체 산화물 연료전지는 상기 양극과 함께 나노 복합소재 기능층을 음극에 형성함으로써 삼상계면을 넓혀 반응성을 높이고, 전해질을 얇게 하여 산소 이온 전도 속도의 감소에 따른 활성화 전압 손실을 줄일 수 있다.
In addition, the low-temperature type solid oxide fuel cell according to the present invention increases the reactivity by widening the three-phase interface by forming the nanocomposite functional layer on the anode together with the anode, thinning the electrolyte and reducing the activation voltage loss .

도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에서 BSCF 코어 섬유 제조를 위해 사용되는 전기 방사 장치의 개략적인 모식도이다.
도 3은 전기 방사를 이용한 BSCF 코어 쉘-섬유 구조를 보여주는 전자주사현미경(SEM) 사진이다[scale bars: 1 mm 및 100 nm(안)].
도 4는 하소(Calcination) 반응(500℃) 후의 모습을 BSCF 코어 쉘-섬유 구조를 보여주는 컬러 사진이다.
도 5는 하소 반응(500℃) 후의 BSCF 코어 쉘-섬유 구조를 보여주는 전자주사현미경(SEM) 사진이다[scale bar: 10 mm].
도 6은 BSCF-GDC 코어-쉘 구조 합성 시에 사용되는 페치니 법의 개략적인 모식도이다.
도 7은 페치니 법을 이용해 합성한 BSCF-GDC(Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O3 Gd0.1Ce0.9O1.95)의 하소 반응(600 ℃) 후 BSCF-GDC 코어 쉘-섬유 구조를 보여주는 전자주사현미경(SEM) 사진이다[scale bar: 10 ㎛].
도 8의 a는 하소 반응(600℃) 전후, BSCF-GDC 코어-쉘 섬유 구조를 XRD(X-ray diffractometer)로 측정하여 나타낸 것이고, b는 하소 반응(600℃) 전, BSCF-GDC 코어-쉘 섬유 구조를 열중량분석기(TGA)/시차주사열량분석기(DSC)로 측정하여 나타낸 것이다.
도 9는 하소 반응(500℃)한 후 BSCF 코어 섬유(a), 중합 합성한 후 BSCF-GDC(b), 하소 반응(600℃)한 후 BSCF-GDC 코어-쉘 섬유 구조(c)를 각각 보여주는 전자주사현미경(SEM) 사진이다[scale bar: 1 ㎛].
도 10은 BSCF-GDC 코어-쉘 섬유의 형태 특성을 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다[scale bar: 1 ㎛].
도 11은 BSCF 코어 섬유에 형성된 GDC 쉘 입자를 나타낸 것으로, 도 10의 박스 1을 고해상도투과전자현미경(HRTEM)로 관찰한 사진이다[scale bar: 10 nm].
도 12는 GDC 격자 구조의 임의 배열을 나타낸 것으로, 도 11의 박스 2를 고해상도투과전자현미경(HRTEM)으로 관찰한 사진이다[scale bar: 5 nm].
도 13은 코어-쉘 섬유의 GDC 격자 구조의 전자 회절 패턴을 나타낸 것이다.
도 14의 a는 기존 BSCF-GDC와 코어-쉘 섬유 구조 BSCF-GDC의 온도에 따른 면적비저항(ASR) 값을 비교한 그래프이고,
도 14의 b는 기존 BSCF-GDC와 코어-쉘 섬유 구조 BSCF-GDC를 전극 두께 10 ㎛, 550 ℃에서 임피던스 스텍트럼(impedance spectrum)으로 비교한 것이다.
도 15는 기존 BSCF-GDC 전극을 100 nm와 1 ㎛의 해상도로 전자주사현미경(SEM)으로 관측한 사진이다.
도 16은 코어-쉘 섬유 구조의 BSCF-GDC 전극을 100 nm와 1 ㎛의 해상도로 전자주사현미경(SEM)으로 관측한 사진이다.
도 17은 기존 BSCF-GDC와 코어-쉘 섬유 구조의 BSCF-GDC에 대한 전자 이동도 모식도를 비교한 것이다.
도 18은 BSCF-GDC(~24 ㎛)|GDC(~9 ㎛)|Ni-GDC(800 ㎛)의 1세대 전지(a)와 BSCF-GDC(~30 ㎛)|GDC(~5 ㎛)|Ni-GDC 나노복합소재(~10 ㎛)(음극 기능층; AFL)|Ni-GDC(~800 ㎛)의 2세대 전지(b)를 비교한 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도 19는 도 18의 1세대 전지와 2세대 전지의 전압, 전력밀도를 비교한 사진(a)과 550℃에서의 임피던스 스펙트럼(impedance spectrum)을 비교한 사진(b)이다.
도 20은 본 발명에 따른 전지[BSCF-GDC(~30 ㎛)|GDC(~5 ㎛)|Ni-GDC 나노복합소재(~10 ㎛)(음극 기능층; AFL)|Ni-GDC(~800 ㎛)]의 온도 별로 성능을 측정한 것이다[a: OCVs 및 최대 전력 밀도(maximum power densities), b: 저항 및 전극 ASR].
도 21은 본 발명에 따른 전지[BSCF-GDC(~30 ㎛)|GDC(~5 ㎛)|Ni-GDC 나노복합소재(~10 ㎛)(음극 기능층; AFL)|Ni-GDC(~800 ㎛)]를 550℃에서 반복 가동 시 내구성 및 안정성을 보기 위해 5회 가동하고 그에 따른 전류밀도-전압을 나타낸 것이다.
도 22는 본 발명에 따른 전지[BSCF-GDC(~30 ㎛)|GDC(~5 ㎛)|Ni-GDC 나노복합소재(~10 ㎛)(음극 기능층; AFL)|Ni-GDC(~800 ㎛)]를 550℃에서 반복 가동 시 내구성 및 안정성을 보기 위해 5회 가동하고 그에 따른 임피던스 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 23 은 본 발명의 전지[BSCF-GDC(~30 ㎛)|GDC(~5 ㎛)|Ni-GDC 나노복합소재(~10 ㎛)(음극 기능층; AFL)|Ni-GDC(~800 ㎛)]를 550℃에서 반복 가동 시 내구성 및 안정성을 보기 위해 5회 가동하고 그에 따른 시간별 전압을 나타낸 것이다.
1 shows the structure of a solid oxide fuel cell according to the present invention.
2 is a schematic diagram of an electrospinning device used for producing BSCF core fibers in the present invention.
3 is a scanning electron micrograph (SEM) photograph of a BSCF core shell-fiber structure using electrospinning (scale bars: 1 mm and 100 nm).
4 is a color photograph showing the BSCF core shell-fiber structure after the calcination reaction (500 ° C).
5 is a scanning electron micrograph (SEM) image of the BSCF core shell-fiber structure after calcination (500 ° C) [scale bar: 10 mm].
6 is a schematic schematic diagram of the Pecheni method used in the synthesis of the BSCF-GDC core-shell structure.
Figure 7 on page struck by BSCF-GDC composite using the method (Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O 3 -δ Gd 0.1 Ce 0.9 O 1.95) BSCF after reaction calcining (600 ℃) of - Scanning electron microscope (SEM) photograph showing the fiber core structure of the GSC core shell [scale bar: 10 μm].
Figure 8a shows the BSCF-GDC core-shell fiber structure measured by X-ray diffractometer before and after the calcination (600 ° C), b shows the BSCF-GDC core- The shell fiber structure is measured by a thermogravimetric analyzer (TGA) / differential scanning calorimeter (DSC).
9 shows the results of the calcination (500 ° C), BSCF-GDC (b), BSCF-GDC core-shell fiber structure (c) after calcination Scanning electron microscope (SEM) photograph [scale bar: 1 ㎛].
10 is a transmission electron microscope (TEM) photograph showing the morphology of BSCF-GDC core-shell fibers [scale bar: 1 μm].
11 shows a GDC shell particle formed on a BSCF core fiber, which is a photograph of Box 1 of FIG. 10 observed with a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) [scale bar: 10 nm].
Fig. 12 shows an arbitrary arrangement of the GDC lattice structure, which is a photograph of the box 2 of Fig. 11 observed with a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) [scale bar: 5 nm].
13 shows an electron diffraction pattern of a GDC lattice structure of core-shell fibers.
14A is a graph comparing the area specific resistivity (ASR) values of the existing BSCF-GDC and the core-shell fiber structure BSCF-GDC with temperature,
FIG. 14B compares the existing BSCF-GDC and the core-shell fiber structure BSCF-GDC with an impedance spectrum at an electrode thickness of 10 μm and 550 ° C. FIG.
15 is a photograph of a conventional BSCF-GDC electrode observed with a scanning electron microscope (SEM) at a resolution of 100 nm and 1 탆.
16 is a photograph of a BSCF-GDC electrode having a core-shell fiber structure observed with a scanning electron microscope (SEM) at a resolution of 100 nm and 1 탆.
17 compares the electron mobility diagrams of the existing BSCF-GDC and the BSCF-GDC of the core-shell fiber structure.
FIG. 18 is a graph showing the relationship between a first-generation cell (a) and a BSCF-GDC (.about.30 占 퐉) | GDC (.about.5 占 퐉) of BSCF-GDC (.about.24 占 퐉) | GDC (B) of Ni-GDC nanocomposite material (~ 10 탆) (cathode function layer; AFL) and Ni-GDC (~ 800 탆).
19 is a photograph (a) comparing the voltage and power densities of the first-generation battery and the second-generation battery of FIG. 18, and FIG. 19 (b) comparing the impedance spectrum at 550 ° C.
FIG. 20 is a graph showing a relationship between a voltage of a battery (BSCF-GDC (~ 30 占 퐉), GDC (~ 5 占 퐉), Ni-GDC nanocomposite material (~ 10 占 퐉) [A: OCVs and maximum power densities, b: resistance and electrode ASR].
FIG. 21 is a graph showing the relationship between the voltage of the battery (BSCF-GDC (~ 30 占 퐉), GDC (~ 5 占 퐉), Ni-GDC nanocomposite material (~ 10 占 퐉) ㎛)] was run five times to observe durability and stability at repeated operation at 550 ° C and the resulting current density-voltage.
FIG. 22 is a graph showing a relationship between a voltage of a battery (BSCF-GDC (~ 30 占 퐉) | GDC (~ 5 占 퐉) | Ni-GDC nanocomposite material Mu] m) was operated five times in order to see durability and stability at repeated operation at 550 DEG C, and the resulting impedance spectrum was shown.
FIG. 23 is a graph showing the results of a comparison between the battery of the present invention (BSCF-GDC (~ 30 占 퐉) | GDC (~ 5 占 퐉) | Ni-GDC nanocomposite material (~ 10 占 퐉) )] Is operated five times in order to see durability and stability at repeated operation at 550 ° C, and the time-dependent voltage is shown.

본 발명은 페로브스카이트형 금속 산화물의 코어 섬유 및 전해질 물질의 쉘 나노입자를 포함하는 저온형 고체 산화물 연료 전지용 양극에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode for a low temperature type solid oxide fuel cell comprising core fibers of a perovskite-type metal oxide and shell nanoparticles of an electrolyte material.

상기 페로브스카이트형 금속 산화물은 고체산화물 연료전지의 양극의 코어 섬유를 형성하며, 상기 전해질 물질은 상기 코어 섬유 상에 입자 형태로 둘러싸여 쉘 구조를 형성한다.The perovskite-type metal oxide forms the core fibers of the anode of the solid oxide fuel cell, and the electrolyte material is surrounded by the core fibers in the form of particles to form a shell structure.

상기 페로브스카이트형 금속 산화물은 산화환원반응 안정성(redox stability)이 우수하고, 혼합전도체(MIEC: mixed inonic and electronicconductor)로서 이온전도성과 전자전도성을 동시에 갖고 있기 때문에 저온에서의 전극 활성이 뛰어나 양극의 분극저항과 이온 및 전자전달 저항을 감소시키는데 기여할 수 있다.Since the perovskite-type metal oxide is excellent in redox stability and has both ionic conductivity and electron conductivity as mixed inonic and electronic conductor (MIEC), it has excellent electrode activity at a low temperature, And may contribute to decrease polarization resistance and ion and electron transfer resistance.

일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트형 금속 산화물은 예를 들어 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.According to one embodiment, the perovskite-type metal oxide may be represented by, for example, the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

ABO3 ABO 3-

상기 화학식 1에서, A는 란탄족 원소, 희토류 원소 및 알칼리토금속 원소로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고,In Formula 1, A is at least one element selected from a lanthanide element, a rare earth element and an alkaline earth metal element,

B는 전이금속 원소로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고,B is at least one element selected from transition metal elements,

δ는 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 만들어 주는 값이다.is a value which makes the compound of formula (1) electrically neutral.

일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1의 페로브스카이트형 금속 산화물은 하기 화학식 2의 조성을 가질 수 있다.According to one embodiment, the perovskite-type metal oxide of Formula 1 may have a composition represented by Formula 2 below.

[화학식 2](2)

A'1- xA"xB'1 - yB"yO3 A '1- x A "x B ' 1 - y B" y O 3 -δ

상기 화학식 2에서, A'는 La 및 Ba 중 적어도 하나의 원소이고,In Formula 2, A 'is at least one element of La and Ba,

A"는 Sr, Ca, Sm 및 Gd로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고,A "is at least one element selected from Sr, Ca, Sm and Gd,

B' 및 B"는 서로 다른 원소로서, 각각 독립적으로 Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, V, Nb, Ru 및 Sc로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고,B 'and B' are different elements and each independently at least one element selected from Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, V, Nb,

0 ≤ a < 1 이고, 0 ≤ b < 1 이고,0? A <1, 0? B <1,

δ는 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 만들어 주는 값이다.[delta] is a value that makes the compound of Formula 2 electrically neutral.

이러한 페로브스카이트형 금속 산화물은 1종을 단독으로 사용하거나, 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트형 금속 산화물로서 란타늄 스트론튬 크롬 망간 산화물(LSCM), 란타늄 스트론튬 크롬 바나듐 산화물(LSCV), 란타늄 스트론튬 크롬 루테늄 산화물, 란타늄 스트론튬 크롬 니켈 산화물, 란타늄 스트론튬 크롬 티타늄 산화물, 란타늄 스트론튬 티타늄 세륨 산화물, 란타늄 스트론튬 철 코발트 산화물(LSCF), 란타늄 칼슘 크롬 티타늄 산화물, 란타늄 스트론튬 갈륨 망간 산화물, 바륨 스트론튬 코발트 철 산화물(BSCF), 바륨 스트론튬 코발트 티탄 산화물(BSCT) 및 바륨 스트론튬 아연 철 산화물(BSZF)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 예를 들어, La0 .75Sr0 .25Cr0 .5Mn0 .5O3 La0.8Sr0.2Cr0.97V0.03O3, La0 .7Sr0 .3Cr0 .95Ru0 .5O3, La1 - xSrxCr1 - yNiyO3, La0 .8Sr0 .2Cr0 .8Mn0 .2O3, La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3, La0 .6Sr0 .4Fe0 .8Co0 .2O3, La1 - xCaxCr0 .5Ti0 .5O3(x=0~1), La0.7Sr0.3Cr0.8Ti0.2O3, (La,Sr)(Ti,Ce)O3, La0 .9Sr0 .1Ga0 .8Mn0 .2O3, La4Sr8Ti11Mn0 .5Ga0 .5O37 .5, (Ba0.5Sr0.5)1-xSmxCo0.8Fe0.2O3-δ(BSSCF; x=0.05-0.15), Ba0 .6Sr0 .4Co1 - yTiyO3 (BSCT), Ba0.5Sr0.5Zn0.2Fe0.8O3-δ(BSZF) 등의 산화물이 사용될 수 있다.These perovskite-type metal oxides may be used singly or in combination of two or more. According to one embodiment, the perovskite-type metal oxide is selected from the group consisting of lanthanum strontium chromium manganese oxide (LSCM), lanthanum strontium chromium vanadium oxide (LSCV), lanthanum strontium chromium ruthenium oxide, lanthanum strontium chromium nickel oxide, lanthanum strontium chromium titanium oxide, Lanthanum strontium cobalt iron oxide (BSCF), barium strontium cobalt titanium oxide (BSCT), and barium strontium zinc cobalt oxide (LSCF), lanthanum strontium titanium cerium oxide, lanthanum strontium titanium cerium oxide, lanthanum calcium chromium titanium oxide, lanthanum strontium gallium manganese oxide, (BSZF). &Lt; / RTI &gt; For example, La 0 .75 Sr 0 .25 Cr 0 .5 Mn 0 .5 O 3 La 0.8 Sr 0.2 Cr 0.97 V 0.03 O 3 , La 0 .7 Sr 0 .3 Cr 0 .95 Ru 0 .5 O 3 , La 1 - x Sr x Cr 1 - y Ni y O 3 , La 0 .8 Sr 0 .2 Cr 0 .8 Mn 0 .2 O 3 , La 0.75 Sr 0.25 Cr 0.5 Mn 0.5 O 3 , La 0 . 6 Sr 0 .4 Fe 0 .8 Co 0 .2 O 3 , La 1 - x Ca x Cr 0 .5 Ti 0 .5 O 3 (x = 0 to 1), La 0.7 Sr 0.3 Cr 0.8 Ti 0.2 O 3 , (La, Sr) (Ti, Ce) O 3 , La 0 .9 Sr 0 .1 Ga 0 .8 Mn 0 .2 O 3 , La 4 Sr 8 Ti 11 Mn 0 .5 Ga 0 .5 O 37 . 5, (Ba 0.5 Sr 0.5) 1-x Sm x Co 0.8 Fe 0.2 O 3-δ (BSSCF; x = 0.05-0.15), Ba 0 .6 Sr 0 .4 Co 1 - y Ti y O 3 -δ ( BSCT), Ba0.5Sr0.5Zn0.2Fe0.8O3-delta (BSZF), or the like may be used.

상기 전해질 물질은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 가돌리아 도핑 세리아(GDC), 사마리아 도핑 세리아 도핑된 바륨 지르코네이트(BaZrO3) 및 바륨 세레이트(BaCeO3)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The electrolyte material is a yttria stabilized zirconia dolly (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), Oh-doped ceria (GDC), Samaritan doped ceria doped barium zirconate (BaZrO 3), and barium three rates (BaCeO 3) But is not limited thereto.

상기 고체산화물 연료전지용 양극에 있어서, 상기 전해질 물질 및 페로브스카이트형 금속 산화물의 함량은 저항 및 출력밀도 등의 효과를 고려하여 결정될 수 있으며, 예를 들어 상기 전해질 물질의 함량이 20 내지 40 중량%이고, 상기 페로브스카이트형 금속 산화물의 함량이 60 내지 80 중량%일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 전해질 물질의 함량이 25 내지 35 중량%이고, 상기 페로브스카이트형 금속 산화물의 함량이 62 내지 75 중량%일 수 있다.In the anode for the solid oxide fuel cell, the content of the electrolyte material and the perovskite-type metal oxide may be determined in consideration of effects such as resistance and power density. For example, the content of the electrolyte material may be 20 to 40 wt% And the content of the perovskite-type metal oxide may be 60 to 80% by weight. According to one embodiment, the content of the electrolyte material may be 25 to 35% by weight, and the content of the perovskite-type metal oxide may be 62 to 75% by weight.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 양극은 표면반응과 이온전달 속도의 증가를 위하여 페로브스카이트형 금속 산화물 코어 섬유 상에 전해질 물질이 쉘 나노입자 형태로 복합화된 것일 수 있다. 상기 고체 산화물 연료전지용 양극 소재를 고체 산화물 연료 전지에 적용할 경우 전자와 산소이온의 이동 모식도를 도 17에 도시하였다. 도 17에서 보는 바와 같이, 일반적으로 양극 구조 제조에 사용되는 고상반응법에 의해 제작된 양극구조에서는 전해질물질과 페로브스카이트형 금속산화물의 연결성이 낮아 전자의 전달이 원활하지 못할 뿐만 아니라, 산소이온의 전달속도 감소로 인한 표면반응 저하를 유발할 수 있다. 반면, AE&P 법으로 제조한 페로브스카이트형 금속 산화물 코어 섬유 상에 전해질 물질이 쉘 나노입자 형태로 분포된 양극에서는 섬유구조에 의한 전자전달 속도가 상당히 향상되며, 균일한 전해질 물질의 분포에 의해 산소이온 전달속도 및 표면반응 속도를 향상시킬 수 있다.The anode for a solid oxide fuel cell according to the present invention may be a complexed electrolyte material on the perovskite type metal oxide core fiber in the form of shell nanoparticles in order to increase the surface reaction and the ion transfer rate. FIG. 17 shows the transfer mode diagram of electrons and oxygen ions when the cathode material for the solid oxide fuel cell is applied to a solid oxide fuel cell. As shown in FIG. 17, in the cathode structure produced by the solid-phase reaction method generally used in the production of the anode structure, the conductivity of the electron is not smooth because of low connectivity between the electrolyte material and the perovskite-type metal oxide, It is possible to cause a decrease in the surface reaction due to the decrease in the transfer speed of the catalyst. On the other hand, in the anode where the electrolyte material is distributed in the form of shell nanoparticles on the perovskite-type metal oxide core fiber manufactured by the AE & P method, the electron transfer rate by the fiber structure is significantly improved, Ion transfer rate and surface reaction rate can be improved.

상기 코어 섬유는 평균 직경이 100 nm 내지 200 nm인 입자들이 불규칙적으로 뭉쳐 500 nm 내지 800 nm 크기의 입자들이 형성되며, 상기 쉘 나노입자는 평균 직경이 100 내지 200 nm의 입자들로 코어 섬유 상에 입자들이 둘러싸여 쉘 구조를 형성한다. 코어-쉘 섬유 구조는 평균 직경이 800 ~ 1500 nm의 크기를 가질 수 있다.The core fibers have an average diameter of 100 nm to 200 nm irregularly aggregated to form particles having a size of 500 nm to 800 nm. The shell nanoparticles are particles having an average diameter of 100 to 200 nm The particles are surrounded to form a shell structure. The core-shell fiber structure may have an average diameter of 800 to 1500 nm.

본 발명에 따른 저온형 고체 산화물 연료 전지용 양극 소재는 망 구조로 긴밀히 연결된 다공성 코어 쉘 구조를 형성해 활성화 손실 전압, 전하 이동에 따른 저항, 기체 확산도를 줄이며 표면 산소 반응의 증가를 야기한다. 또한, 저온의 긴밀한 섬유 구조를 형성하여 내구성 및 구조적 안정성을 확보하여 수명 연장 효과를 기대할 수 있다.
The cathode material for a low temperature type solid oxide fuel cell according to the present invention forms a porous core shell structure tightly connected to a net structure, thereby reducing an activation loss voltage, a resistance due to charge transfer, a gas diffusion degree, and an increase in surface oxygenation. In addition, by forming a tight fiber structure at a low temperature, durability and structural stability can be secured, and the life extension effect can be expected.

본 발명은, 또한The present invention also relates to

페로브스카이트형 금속 산화물로 코어 섬유를 형성하는 단계;Forming a core fiber with a perovskite-type metal oxide;

상기 코어 섬유 상에 전해질 물질의 쉘을 형성하는 단계;Forming a shell of an electrolyte material on the core fiber;

포함하는 저온형 고체 산화물 연료 전지용 양극의 제조방법에 관한 것이다.And more particularly, to a method of manufacturing a positive electrode for a low temperature type solid oxide fuel cell.

구체적으로, 페로브스카이트형 금속 산화물, 수지 및 유기용매를 포함하는 슬러리 조성물을 전기 방사 및 하소하여 섬유 구조의 코어를 형성시킨다. 이때, 상기 슬러리 조성물은 20 ℃에서 80 내지 150 cP의 점도를 가지도록 제조한다. Specifically, a slurry composition comprising a perovskite-type metal oxide, a resin, and an organic solvent is electrospun and calcined to form a core of the fiber structure. At this time, the slurry composition is prepared so as to have a viscosity of 80 to 150 cP at 20 캜.

상기 하소는 500 내지 600 ℃에서 4 내지 8 시간 동안 열 처리한다.The calcination is heat treated at 500 to 600 DEG C for 4 to 8 hours.

상기 코어 섬유 상에 전해질 물질을 구성하는 금속 전구체, 입자의 균일도를 위한 고분자 및 유기용매를 포함하는 금속염을 첨가 후, 교반 및 열처리를 수행하여 코어-쉘 구조를 형성하도록 한다. 이후, 하소 반응을 거쳐 양극 페이스트를 제조한다.
A metal precursor constituting an electrolyte material, a polymer for uniformity of particles and a metal salt including an organic solvent are added to the core fiber, followed by stirring and heat treatment to form a core-shell structure. Thereafter, a cathode paste is produced through a calcination reaction.

본 발명은 또한, 상기 양극을 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 포함한다.The present invention also includes a solid oxide fuel cell comprising the anode.

본 발명의 일 구현예로서, 상기 양극; 무기공 전해질층; 니켈 및 전해질 물질을 포함하는 나노 복합소재의 음극 기능층; 및 음극을 포함하는 저온형 고체 산화물 연료 전지를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the anode; An inorganic electrolyte layer; An anode functional layer of a nanocomposite material comprising nickel and an electrolyte material; And a low temperature type solid oxide fuel cell including a cathode.

도 1은 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a schematic view showing a structure of a solid oxide fuel cell according to one embodiment.

이하, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 각 구성요소에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, each component of the solid oxide fuel cell according to the present invention will be described in detail.

음극 지지체Cathode support

음극은 연료의 전기화학적 산화와 전하 전달 역할을 한다. 상기 음극은 니켈 및 전해질 물질을 포함할 수 있으며, 상기 전해질 물질에 대해서는 전술한 바와 같으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.The cathode acts as electrochemical oxidation and charge transfer of the fuel. The negative electrode may include nickel and an electrolyte material. Since the electrolyte material is as described above, a detailed description thereof will be omitted.

상기 음극의 두께는 1 내지 1000μm, 10 내지 950 μm 또는 100 내지 900 μm일 수 있다. 음극 지지체는 삼상계면(Three Phase Boundary)에서 연료와 반응하므로 메조 포러스 구조에 의해 삼상계면이 넓어야 하고 반응 시 산소이온 전도도와 전자전도도가 높아야 한다. 온도가 변화할 시에 물성이 온도에 영향을 받아 변질되지 않아야 하며 쉽게 크랙이 생성되지 않아야 한다. 또한, 지지체 양쪽에서 기체의 압력을 받으므로 지지체로서 압력을 견딜 수 있는 강도를 지녀야 한다.The thickness of the negative electrode may be 1 to 1000 mu m, 10 to 950 mu m, or 100 to 900 mu m. Since the anode support reacts with the fuel at the three phase boundary, the mesoporous structure must have a wide three-phase interface and oxygen ion conductivity and electron conductivity should be high during the reaction. When the temperature changes, the physical properties should not be affected by temperature and should not be easily cracked. In addition, since the pressure of the gas is received from both sides of the support, the support must have a strength capable of withstanding the pressure.

음극 cathode 기능층Functional layer

음극 기능층은 본 발명의 연료 전지 대부분의 반응면적을 차지하는 삼상계면을 확장시키는 중요한 역할을 한다. 삼상계면이란, 음극과 전해질 사이에 반응이 가장 활발하게 일어나는 영역을 말한다. 그렇기 때문에 이 삼상계면을 더욱 확장시키기 위해 음극과 전해질 사이에 기능층을 코팅하는 것으로, 음극과 전해질 사이의 반응 면적을 넓히기 위함이다. The anode functional layer plays an important role in expanding the three phase interface occupying the reaction area of most of the fuel cells of the present invention. The three-phase interface is the region where the reaction occurs most actively between the cathode and the electrolyte. Therefore, in order to further expand the three-phase interface, a function layer is coated between the cathode and the electrolyte to widen the reaction area between the cathode and the electrolyte.

본 발명에서 음극 기능층도 앞선 음극 지지체와 마찬가지로 니켈 및 전해질 물질을 포함하여 사용하나, 기능층의 특성에 맞도록 음극 지지체와는 다른 조성을 가지게 된다.In the present invention, the negative electrode functional layer includes nickel and an electrolyte material in the same manner as the preceding negative electrode support, but has a composition different from that of the negative electrode support in accordance with the characteristics of the functional layer.

음극 기능층은 상기 음극 지지체와 달리 음극에서의 기계적인 물성 향상에 주 목적이 있고, 이는 이온전도성 산화물의 입도 특성에 따라 음극 기능층의 기계적 물성을 변화시킬 수 있다. Unlike the negative electrode support, the negative electrode functional layer has the main purpose of improving the mechanical properties of the negative electrode, which can change the mechanical properties of the negative electrode functional layer depending on the particle size characteristics of the ion conductive oxide.

본 발명에서는 니켈 및 전해질 물질을 포함하는 나노 복합소재를 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable to use a nanocomposite material containing nickel and an electrolyte material.

상기 전해질 물질은 전술한 바와 같으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.Since the electrolyte material is as described above, a detailed description thereof will be omitted.

상기 나노복합 소재는 전해질 물질 입자에 Ni 나노입자를 감싼 형태를 의미한다.The nanocomposite refers to a form in which Ni nanoparticles are wrapped around an electrolyte material particle.

본 발명에서 음극 기능층의 원료 조성은 니켈 및 전해질 물질의 중량비가 55~75 : 25~45이다. 상기 Ni가 너무 적으면 연료를 산화시키는 전기화학적 역할이 줄어들어 음극과 전해질 사이 계면에 저항이 생기게 되고, Ni가 너무 많으면 산화된 수소 이온을 전해질로 전달하는데 어려움이 있기 때문에 성능이 낮아지는 문제가 있다. In the present invention, the raw material composition of the anode functional layer has a weight ratio of nickel and electrolyte material of 55 to 75: 25 to 45. If the amount of Ni is too small, the electrochemical role of oxidizing the fuel is reduced to cause a resistance at the interface between the cathode and the electrolyte. If too much Ni is present, it is difficult to transfer the oxidized hydrogen ions to the electrolyte, .

상기 음극기능층의 두께는 두꺼울수록 음극의 두께를 증가시켜 이온 전달 시 성능 저하의 요인으로 작용할 수도 있으므로 5 내지 15 μm인 것이 바람직하다.The thickness of the negative electrode functional layer increases as the thickness of the negative electrode increases, which may act as a factor of deterioration in performance during ion transport, and therefore, it is preferably 5 to 15 μm.

전해질층Electrolyte layer

전해질층은 공기와 연료가 혼합되지 않도록 치밀해야 하고 산소이온 전도도가 높고 전자전도도가 낮아야 한다. 또한, 전해질층은 양쪽에 산소 분압차가 아주 큰 양극과 음극이 위치하므로 넓은 산소분압 영역에서 위의 물성을 유지할 필요가 있다.The electrolyte layer should be dense so that air and fuel do not mix, high oxygen ion conductivity and low electronic conductivity. In addition, since the anode and the cathode having a great difference in oxygen partial pressure exist on both sides of the electrolyte layer, it is necessary to maintain the above properties in a wide range of oxygen partial pressure.

전해질층의 경우에는 일반적으로 전해질 재료로는 음극에 사용되는 전해질 물질과 동일한 소재를 사용한다.In the case of the electrolyte layer, the same electrolyte material as the electrolyte material used for the negative electrode is generally used as the electrolyte material.

전해질층을 구성하는 재료로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 지르코니아계, 세리아계, 비스무스 산화물계 및 란타늄 갈레이트계 고체 전해질로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질은 이트륨, 스칸듐, 칼슘 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 지르코니아계; 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 세리아계; 칼슘, 스트론튬, 바륨, 가돌리늄 및 이트륨 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 비스무스 산화물계; 및 스트론튬 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate)계로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 전해질의 구체적인 예로는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등을 들 수 있다.The material for the electrolyte layer is not particularly limited as long as it can be generally used in the related art and includes at least one selected from zirconia-based, ceria-based, bismuth oxide-based and lanthanum gallate-based solid electrolytes . For example, the electrolyte may be a zirconia-based, doped or undoped with at least one of yttrium, scandium, calcium, and magnesium; Ceria system doped or undoped with at least one of gadolinium, samarium, lanthanum, ytterbium, and neodymium; Bismuth oxide system doped or undoped with at least one of calcium, strontium, barium, gadolinium and yttrium; And a lanthanum gallate system doped with or not doped with at least one of strontium and magnesium. Specific examples of such electrolytes include yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), samaria doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC) and the like.

전해질의 조성은 복합체가 아니기에 조성 선택에 대한 어려움은 상대적으로 덜하다. 다만 얇은 전해질층을 형성하도록 하는 것이 산소이온전달 속도를 향상시켜 성능을 향상시키는 이유에서 중요하다. 따라서, 본 발명에서는 딥코팅(dip-coating)법에 의해 4 내지 10 ㎛의 두께를 가지는 박막의 전해질층 형성이 가능하였다.Since the composition of the electrolyte is not a complex, the difficulty in selecting the composition is relatively less. However, it is important to form a thin electrolyte layer because it improves the oxygen ion transfer rate and improves the performance. Therefore, in the present invention, it is possible to form an electrolyte layer of a thin film having a thickness of 4 to 10 mu m by a dip-coating method.

또한, 전해질층은 양극과 음극에 각각 공급되는 산소와 수소의 투과를 막기 위해 기공이 없이 형성되어야 한다.Further, the electrolyte layer must be formed without pores to prevent permeation of oxygen and hydrogen supplied to the positive electrode and the negative electrode, respectively.

양극anode

양극(공기극)은 산소가스를 산소이온으로 환원시키며, 양극에 공기를 계속 흘려주어 일정한 산소 분압을 유지하도록 유지시켜 준다. 양극의 재료로는, 예를 들면 페로브스카이트 형의 결정 구조를 가지는 금속산화물 입자를 사용할 수 있으며, 전술한 바와 같다.The anode (air electrode) reduces the oxygen gas to oxygen ions and keeps the air flowing to the anode to maintain a constant oxygen partial pressure. As the material of the anode, for example, metal oxide particles having a perovskite type crystal structure can be used, as described above.

양극의 두께는 통상 1 내지 100 μm일 수 있다.The thickness of the anode may be generally from 1 to 100 mu m.

상기와 같은 구성요소로 이루어진 본 발명의 고체산화물 연료 전지는 하기 일반식 1을 만족한다:The solid oxide fuel cell of the present invention comprising the above components satisfies the following general formula 1:

[일반식 1][Formula 1]

X ≥ 1.5X? 1.5

상기 X는 550 ℃의 온도에서의 출력(W/ cm2)을 나타낸다.And X represents the output (W / cm 2 ) at a temperature of 550 ° C.

따라서, 본 발명에 따른 고체산화물 연료 전지는 400 내지 600 ℃의 저온에서 작동 가능하다.
Therefore, the solid oxide fuel cell according to the present invention is operable at a low temperature of 400 to 600 ° C.

본 발명은 또한, 음극 지지체 상에 니켈 및 전해질 물질을 포함하는 나노 복합소재의 음극 기능층을 형성하는 단계;The present invention also provides a method of forming a negative electrode, comprising: forming a negative electrode functional layer of a nanocomposite material comprising nickel and an electrolyte material on a negative electrode support;

상기 음극 기능층 상에 무기공 전해질층을 형성하는 단계; 및Forming an inorganic porous electrolyte layer on the negative electrode functional layer; And

상기 전해질층 중앙 부위 상에 페로브스카이트형 금속 산화물의 코어 섬유 및 전해질 물질의 쉘 나노입자를 포함하는 양극을 제조하는 단계Preparing a cathode comprising a core fiber of perovskite-type metal oxide and shell nanoparticles of an electrolyte material on the central portion of the electrolyte layer

을 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.And a method for producing the solid oxide fuel cell.

본 발명에 따른 저온형 고체 산화물 연료 전지의 제조방법은 구체적으로,A method of manufacturing a low-temperature type solid oxide fuel cell according to the present invention includes:

니켈 및 전해질 물질을 포함하는 음극 지지체를 제작하는 단계;Fabricating a negative electrode support comprising nickel and an electrolyte material;

상기 음극 지지체 상에 니켈 및 전해질 물질을 포함하는 슬러리를 코팅 및 열처리하여 음극 기능층을 형성하는 단계;Coating and heat-treating a slurry containing nickel and an electrolyte material on the anode support to form a negative electrode functional layer;

상기 음극 기능층 상에 전해질 물질을 포함하는 슬러리를 딥 코팅하여 전해질층을 형성하는 단계; 및Forming an electrolyte layer by dip coating a slurry containing an electrolyte material on the negative electrode functional layer; And

상기 전해질층의 중앙 부위 상에 페로브스카이트형 금속 산화물의 코어 섬유 및 전해질 물질의 쉘 나노입자를 포함하는 양극을 제작하는 단계를 포함한다.And forming a cathode comprising a core fiber of a perovskite-type metal oxide and shell nanoparticles of an electrolyte material on a central portion of the electrolyte layer.

먼저, 니켈 산화물과 전해질 물질 분말에 기공형성제를 첨가하여 슬러리를 제조한 후 분말화하고 상기 분말에 바인더와 증류수를 첨가하여 음극 페이스트를 제조한다. 이때, 니켈 산화물, 전해질 물질 및 기공형성제는 60 내지 45: 45 내지 30: 5 내지 20의 중량비로 혼합한다. 상기 기공형성제로는 활성 탄소(activated carbon), 카본 블랙, 전분(starch), PMMA 등을 사용할 수 있다. First, a pore-forming agent is added to a nickel oxide and an electrolyte material powder to prepare a slurry, which is then powdered, and a binder and distilled water are added to the powder to prepare a cathode paste. At this time, the nickel oxide, the electrolyte material and the pore-forming agent are mixed in a weight ratio of 60 to 45: 45 to 30: 5 to 20. Activated carbon, carbon black, starch, PMMA and the like may be used as the pore former.

상기 음극 페이스트를 압출 공정을 통해 성형한 후, 1100 ~ 1300 ℃에서 가소결하여 음극 지지체를 제조한다. The negative electrode paste is formed through an extrusion process, and is then calcined at 1100 to 1300 ° C to produce a negative electrode support.

상기 제조된 음극 지지체 상에 니켈 산화물과 전해질 물질 분말을 페치니 법(Pechini sol-gel method)으로 음극 기능층을 형성하며, 예를 들면 니켈 산화물과 전해질 물질 분말을 400 ~ 800 ℃에서 하소 후, 분산제, 유기용매, 가소제, 결합제 및 계면활성제를 첨가한 기능층 슬러리를 볼밀하여 음극 기능층을 형성시킨다. Nickel oxide and an electrolyte material powder are formed on the anode support by a Pechini sol-gel method. For example, the nickel oxide and the electrolyte material powder are calcined at 400 to 800 ° C., The functional layer slurry to which a dispersant, an organic solvent, a plasticizer, a binder and a surfactant are added is ball-milled to form a negative electrode functional layer.

상기 음극 기능층 상에 전해질 물질 분말을 전해질 슬러리로 만들어 딥 코팅법으로 코팅한다. 상기 전해질 슬러리 제조 시 분산제, 유기용매, 가소제, 결합제 및 계면활성제 등의 첨가제를 함께 혼합하여 제조할 수 있다.The electrolyte material powder is formed into an electrolyte slurry on the negative electrode functional layer and coated by a dip coating method. The electrolyte slurry may be prepared by mixing together additives such as a dispersant, an organic solvent, a plasticizer, a binder, and a surfactant.

상기 슬러리는 점도가 25 ℃에서 2.0 내지 3.5 cP인 것이 얇고 균일한 코팅의 이유로 바람직하다. 점도에 따라 전해질층의 두께를 조절할 수 있다.The slurry having a viscosity of 2.0 to 3.5 cP at 25 캜 is preferred for reasons of thin and uniform coating. The thickness of the electrolyte layer can be adjusted according to the viscosity.

상기 전해질층의 중앙 부위 상에 페로브스카이트형 금속 산화물 분말, 수지 및 유기용매를 포함하는 코어 슬러리를 만들어 이를 전기방사법으로 코어 섬유를 제조한다. A core slurry containing a perovskite-type metal oxide powder, a resin, and an organic solvent is formed on a central portion of the electrolyte layer to prepare a core fiber by electrospinning.

상기 코어 섬유 상에 전해질 물질 입자를 페치니법으로 쉘을 형성한다. A shell is formed on the core fiber by an electrolyte material particle by a Peltier method.

상기 코어 섬유 상에 전해질 물질을 구성하는 금속 전구체, 고분자 및 유기용매를 포함하는 금속염을 첨가 후, 교반 및 열처리를 수행하여 코어-쉘 구조를 형성하도록 한다. 이후, 하소 반응을 거쳐 양극 페이스트를 제조한다.A metal precursor constituting an electrolyte material, a polymer and a metal salt including an organic solvent are added to the core fiber, followed by stirring and heat treatment to form a core-shell structure. Thereafter, a cathode paste is produced through a calcination reaction.

상기 전해질을 입힌 음극에 상기 양극 페이스트를 스크린 프린팅을 통해 도포하여 고체 산화물 연료 전지를 제조한다.
The positive electrode paste is applied to the negative electrode coated with the electrolyte through screen printing to produce a solid oxide fuel cell.

[[ 실시예Example ]]

이하 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples and comparative examples, but the scope of the present invention is not limited by the following examples.

제조예Manufacturing example 1: 코어-쉘 구조 양극 제조  1: Core-shell structure cathode manufacturing

1) 코어 섬유 제조 1) Core fiber manufacturing

BSCF 분말 0.7 g, PVP(poly-vinyl-pyrrolidine) 0.7 g 및 에탄올 7 g을 포함하는 코어 슬러리를 준비하였다. 코어 슬러리의 점도는 20℃에서 약 100 cP를 나타낸다. 내경 0.15 mm의 노즐을 가지는 실린지에 코어 슬러리를 준비하였다. 도 2 는 BSCF 코어 섬유 제조를 위해 사용되는 전기 방사 장치의 개략적인 모식도로 15 kV의 전압에서 분당 15 μL의 속도로 전기방사를 수행하였다. 온도는 20 ℃, 습도는 약 30-35%를 유지하였다. 도 3 은 전기 방사를 이용한 BSCF 코어 쉘-섬유 구조를 보여주는 전자주사현미경(SEM) 사진으로 이 전기 방사된 코어 섬유를 산소분위기에서 500 ℃로 약 5시간 동안 하소하였다. 이러한 페로브스카이트형 금속 산화물 코어 섬유를 준비하였다.0.7 g of BSCF powder, 0.7 g of poly-vinyl-pyrrolidine (PVP) and 7 g of ethanol was prepared. The viscosity of the core slurry is about 100 cP at 20 캜. A core slurry was prepared in a syringe having a nozzle having an inner diameter of 0.15 mm. Fig. 2 is a schematic diagram of an electrospinning device used for BSCF core fiber fabrication. Electrospinning was performed at a rate of 15 [mu] L / min at a voltage of 15 kV. The temperature was maintained at 20 ° C and the humidity was about 30-35%. 3 is a scanning electron micrograph (SEM) photograph of a BSCF core shell-fiber structure using electrospinning, wherein the electrospun core fiber was calcined at 500 ° C for about 5 hours in an oxygen atmosphere. These perovskite type metal oxide core fibers were prepared.

2) 쉘 제조 2) Shell manufacture

100 mL의 증류수에 세륨 질화물과 가돌리늄 질화물을 몰비 9:1이 되도록 녹여 70 ℃에서 약 1시간 교반하였다. Citric acid과 메탈을 몰비 1:1로 혼합하고, ethylene glycol과 citric acid을 몰비 4:1로 혼합한 후 하소된 BSCF 코어 섬유와 형성되는 산화물(GDC)을 질량비 7:3으로 혼합하였다. 약 70 ℃에서 약 1시간 교반 후 200 ℃에서 약 3시간 유지하였다. 코어-쉘 구조를 가지는 분말은 600 ℃에서 약 3시간 하소 후 얻어졌다[도 6, 7, 9].Cerium nitride and gadolinium nitride were dissolved in 100 mL of distilled water to a molar ratio of 9: 1, and the mixture was stirred at 70 DEG C for about 1 hour. Citric acid and metal were mixed at a molar ratio of 1: 1, and ethylene glycol and citric acid were mixed at a molar ratio of 4: 1. Then, calcined BSCF core fibers and oxide (GDC) were mixed at a mass ratio of 7: 3. The mixture was stirred at about 70 DEG C for about 1 hour and then kept at 200 DEG C for about 3 hours. The powder having the core-shell structure was obtained after calcination at 600 DEG C for about 3 hours (Figs. 6, 7, 9).

도 4의 노란 선 안은 졸겔 전기 방사로 만든 상기 환원 전극 코어 섬유로 500 ℃의 하소 과정에서 수축이 약하게 일어나 도 5의 SEM 이미지와 같이 섬유 구조를 유지하였다. 도 6의 활발한 교반과 연소 반응을 동반하는 페치니 합성법을 사용하여 GDC 나노 입자로 BSCF 코어 섬유를 싸더라도 도 7의 SEM 이미지와 같이 600 ℃에서 하소한 BSCF-GDC 코어/쉘 섬유는 섬유 구조를 유지하였다. AE&P 공정을 통한 BSCF-GDC 코어/쉘 섬유의 형성은 다음과 같은 과정으로 생성된다: (1) 입방 형석 구조의 GDC는 600 ℃에서 하소할 때 형성되지만 하소 과정을 거치지 않은 코어/쉘 섬유 구조의 BSCF는 도 8a과 같이 페르브스카이트 구조만 가진다. (2) BSCF 코어 섬유(10%)와 BSCF-GDC 코어/쉘 섬유(20%)의 질량 감소 차이는 주로 GDC 쉘 입자에 있는 폴리머 양에 의한 것임을 도 8b에서 확인할 수 있다.In the yellow line of FIG. 4, the reduced electrode core fibers made by sol-gel electrospinning showed weak shrinkage during the calcination at 500 ° C, and the fiber structure was maintained as shown in the SEM image of FIG. 5. 6, the BSCF-GDC core / shell fiber calcined at 600 ° C as in the SEM image of FIG. 7 shows the fiber structure even when the BSCF core fibers were packed with GDC nanoparticles using the Perkini synthesis method accompanied by the active agitation and combustion reaction Respectively. The formation of BSCF-GDC core / shell fibers through the AE & P process is accomplished by the following process: (1) GDC of cubic fluorite forms core / shell fiber structure formed at calcination at 600 ° C but not calcined The BSCF has only a perverse structure as shown in FIG. 8A. (2) The mass loss difference between BSCF core fibers (10%) and BSCF-GDC core / shell fibers (20%) is mainly due to the amount of polymer in the GDC shell particles.

도 9a는 BSCF 코어 섬유의 SEM 이미지로 대략 지름 500 ~ 800 nm이고 100~200 nm 크기의 BSCF 입자들이 섬유 구조를 이룬다. BSCF 코어 섬유에 GDC 입자를 붙이는 과정에서 1.2 ~ 1.5 μm 정도로 증가하였고 이는 도 9b의 SEM 이미지와 같이 고분자 물질과 혼합된 가돌리늄과 세륨 나노 입자들이 BSCF 코어 섬유를 둘러싼 것에 의한 것이다. 이는 코어 섬유의 BSCF 입자들 사이의 기공이 고분자 나노 입자들에 의해 채워지고 코어 섬유를 고분자 나노 입자들이 싸고 있는 구조를 나타낸다. 도 9c는 BSCF 코어 섬유에 GDC 산화 금속을 붙이고 600 ℃에서 하소 과정을 거친 섬유 구조를 나타낸다. 고분자들을 제거한 후의 섬유 구조는 작은 기공들이 다시 BSCF 코어 섬유 표면에 생성되며 섬유의 두께 또한 줄어든다. 에너지 디스퍼시브 x-레이 스펙트로스코피(EDX)를 사용하여 GDC 나노 입자들이 BSCF 코어 섬유를 긴밀히 싼 것을 기공과 형태들로 정확히 확인하였고 가돌리늄, 세륨의 조성들을 확인하였다. 물질 합성할 때의 Ba0 .5Co0 .8Fe0 .2O3 와 Gd0 .1Ce0 .9O1 .95의 화학양론적 비 또한 맞는 것을 확인할 수 있다. 도 10~13은 600 ℃에서 하소한 후의 BSCF-GDC 코어/쉘 섬유의 전자 투과 현미경(TEM)과 HRTEM 이미지를 나타낸다. 도 10의 BSCF-GDC 코어/쉘 섬유는 SEM 사진들에서 확인한 크기와 비슷한 1 μm의 지름을 나타낸다. 도 11은 도 10의 1에서 밝은 나노 입자들이 어두운 부분의 코어 섬유에 붙어 있는 것을 보여주는 HRTEM 사진이다. 도 12는 도 11의 2를 확대한 사진이고 도 13은 도 12의 영역에서 얻은 전자 회절 이미지를 나타낸다. 밝은 부분의 나노 입자들은 대략 2.6 Å의 d-spacing value를 나타낸다. 전자 회절 패턴과 밝은 나노 입자들의 Debye-Scherrer 고리는 지속적으로 입방 형석 구조의 GDC로 여겨지며, 이는 밝은 GDC 나노 입자들이 BSCF 코어 섬유와 코어/쉘 섬유 구조를 구조 붕괴 없이 간단한 AE&P 공정을 통해 제조할 수 있는 것을 나타낸다. 대칭 전지 실험은 일반적인 BSCF-GDC와 코어/쉘 섬유구조의 BSCF-GDC 전극에 의해 진행된다. 전극 두께는 둘 다 대략 10 μm를 나타낸다. 먼저, 도 14a는 450 ℃~600 ℃ 사이의 온도별로 나타난 환원 전극의 면적 비저항 값들이 선형을 이룬 것을 나타내고, 코어/쉘 섬유구조의 BSCF-GDC 환원 전극과 일반적인 BSCF-GDC 환원 전극의 활성화 에너지는 각각 ~105 kJ mol-1와 ~114 kJㆍmol-1로 산소 표면 교환 반응 값(113±11 kJㆍmol-1)과 비슷한 값을 나타내었다. 이는 전극의 산소 표면 교환 반응이 저온에서 속도 결정 단계로 작용한다는 것을 나타내었다. 환원 전극 ASR은 임피던스를 통해 측정되며 고진동수에서는 전해질 저항을 나타내고, 호의 길이는 환원 전극 저항을 나타내었다. 도 14b에서 550 ℃에서 코어/쉘 섬유 구조의 BSCF-GDC 환원 전극의 ASR의 값은 0.5520 Ωㆍcm2로 일반적인 BSCF-GDC 환원 전극 값의 1.1150 Ωㆍcm2 보다 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다. 두 환원 전극의 ASR은 500 ℃에서 급격히 증가하였다. 이는 BSCF 물질과 관련 있는 것이나 구조 개발로 이러한 특성을 본 발명에서는 개선하였다. 일반적인 BSCF-GDC 전극은 550 ℃에서 500 ℃로 감소할 때 ASR 값은 1.115 Ωㆍcm2에서 3.361 Ωㆍcm2으로 증가하고 500 ℃에서 450℃로 감소할 때 3.361 Ωㆍcm2에서 1200O Ωㆍcm2 이상으로 증가하였다. 반면 BSCF-GDC 코어/쉘 섬유 전극의 ASR 값은 550 ℃에서 500 ℃로 감소할 때 ASR 값은 0.552에서 1.284 Ωㆍcm2으로 증가하고 500 ℃에서 450 ℃로 감소할 때 1.284 Ωㆍcm2에서 4.717 Ωㆍcm2으로 증가하였다. 환원 전극 두께 증가와 같이 표면적이 증가하여 반응 영역이 증가한다면 활성화 에너지의 변화 없이 ASR 값이 감소할 수 있음에도 불구하고, 같은 두께를 가진 두 전극의 ASR이 큰 차이를 보이는 것은 코어/쉘 섬유 구조의 표면적이 매우 증가한 것 때문으로 보여진다. 게다가 저주파수에서 전극에 산소 표면 반응이 일어나는데 이는 낮은 ASR의 코어/쉘 섬유 전극이 더 활발히 산소 교환을 한다는 것을 나타낸다. 이는 높은 비면적과 BSCF-GDC 코어/쉘 섬유 구조의 형태학적 특성에 의한 것으로 볼 수 있다. 도 15, 16은 일반적인 BSCF-GDC 입자들로 이루어진 전극과 코어/쉘 섬유 전극의 구조를 SEM 사진으로 나타낸 것이다. 도 15, 16은 일반적인 BSCF-GDC 입자들의 비면적(SBET)인 0.667 m2ㆍg-1 보다 BSCF-GDC 코어/쉘 섬유에서 1.697 m2ㆍg-1의 높은 비면적을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 일반적인 BSCF-GDC 입자는 100~200 nm 크기로 불규칙적이고 드물게 큰 BSCF 입자에 붙어 500~800 nm 크기를 나타낸다. 게다가 GDC 입자들은 산소 이온 전달 물질로 BSCF 입자들과 붙어 있어야 하나 GDC끼리 뭉치는 경향도 생긴다. 이러한 뭉침 현상이 BSCF-GDC 전극의 환원 전극 전기적 특성에 부정적 영향을 끼친다. BSCF-GDC 코어/쉘 섬유 구조는 섬유 형상을 유지하며 GDC 쉘 입자들은 100 nm 크기를 지닌다. 이 쉘들은 일정하게 붙어 대략 1 μm의 두께의 BSCF-GDC 코어/쉘 섬유 구조를 형성한다. GDC 쉘 나노 입자는 BSCF와 긴밀히 붙어 있어 높은 산소 이온 전달 경향을 보인다. 또한, 이는 GDC 전해질과 환원 전극 사이의 산소 이온 전달 능력 향상에 도움을 준다. 이러한 구조의 모습은 SEM 이미지에 담겨 있으며 개략적인 산소 이온 전달 능력을 도 17에 나타내었다.
FIG. 9A is an SEM image of BSCF core fibers. BSCF particles having a diameter of about 500 to 800 nm and a size of 100 to 200 nm have a fiber structure. In the process of attaching the GDC grains to the BSCF core fibers, it increased to about 1.2 to 1.5 μm due to the surrounding of the BSCF core fibers with gadolinium and cerium nanoparticles mixed with the polymer material as shown in the SEM image of FIG. 9b. This indicates that the pores between the BSCF particles of the core fibers are filled by the polymer nanoparticles and the polymer fibers are surrounded by the polymer nanoparticles. 9C shows a fiber structure obtained by applying a GDC metal oxide to a BSCF core fiber and calcining at 600 ° C. After removal of the polymers, the fiber structure is again formed on the BSCF core fiber surface by small pores and the thickness of the fibers is also reduced. Using the energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), the GDC nanoparticles were precisely identified as pores and shapes that closely packed the BSCF core fibers, and the compositions of gadolinium and cerium were confirmed. When synthetic materials Ba 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O 3 -δ and Gd 0 .1 Ce 0 .9 O Chemicals amount of 1 .95 stoichiometric ratio can also be confirmed that the fit. Figs. 10-13 show electron transmission microscopy (TEM) and HRTEM images of BSCF-GDC core / shell fibers after calcination at 600 &lt; 0 &gt; C. The BSCF-GDC core / shell fiber of Figure 10 shows a diameter of 1 μm similar to the size found in the SEM photographs. Fig. 11 is a HRTEM photograph showing bright nanoparticles attached to core fibers of a dark part in Fig. 10; Fig. FIG. 12 is an enlarged photograph of FIG. 11, and FIG. 13 shows an electron diffraction image obtained in the region of FIG. The bright nanoparticles exhibit a d-spacing value of approximately 2.6 A. The Debye-Scherrer rings of electron diffraction patterns and bright nanoparticles are consistently considered cubic fluorite GDCs, which allows bright GDC nanoparticles to be fabricated through simple AE & P processes without structural collapse of BSCF core fibers and core / shell fiber structures . The symmetry cell experiments are conducted by the BSCF-GDC electrodes of the general BSCF-GDC and the core / shell fiber structure. Both electrode thicknesses are approximately 10 μm. FIG. 14A shows that the area specific resistances of the reducing electrode of the BSCF-GDC reduction electrode of the core / shell fiber structure and the activation energy of the general BSCF-GDC reduction electrode are shown in FIG. The values were ~ 105 kJ mol -1 and ~ 114 kJ ㆍ mol -1 , respectively, which were similar to the oxygen exchange values (113 ± 11 kJ · mol -1 ). This indicates that the oxygen surface exchange reaction of the electrode acts as a rate determining step at low temperature. The reduction electrode ASR was measured through the impedance, at high frequencies the electrolyte resistance was shown, and the arc length was the reduction electrode resistance. 14B, the ASR value of the BSCF-GDC reduction electrode of the core / shell fiber structure at 550 ° C is 0.5520? Cm 2, which is significantly lower than 1.1150? Cm 2 of the typical BSCF-GDC reduction electrode. The ASR of the two reducing electrodes increased rapidly at 500 ℃. This is related to the BSCF material, but the structure has improved these properties in the present invention. Typical BSCF-GDC electrode to decrease from 550 ℃ to 500 ℃ ASR value of 1.115 Ω and increase in cm 2 to 3.361 Ω and cm 2, and when reduced at 500 ℃ to 450 ℃ 1200O Ω at 3.361 Ω and cm 2 and cm &lt; 2 &gt; On the other hand, when the ASR value of the BSCF-GDC core / shell fiber electrode decreases from 550 ° C to 500 ° C, the ASR value increases from 0.552 to 1.284 Ω · cm 2 and decreases from 500 ° C to 450 ° C at 1.284 Ω · cm 2 And increased to 4.717? Cm 2 . The ASR of the two electrodes of the same thickness shows a large difference in the ASR value even though the ASR value decreases without the change of the activation energy if the surface area increases as the reduction electrode thickness increases. It is seen that the surface area is greatly increased. In addition, an oxygen surface reaction occurs at the electrode at low frequencies, indicating that the low ASR core / shell fiber electrode performs more active oxygen exchange. This can be attributed to the high specific area and morphological characteristics of the BSCF-GDC core / shell fiber structure. FIGS. 15 and 16 show SEM photographs of the structure of the electrode made of general BSCF-GDC particles and the core / shell fiber electrode. 15, 16 can be found to exhibit a high specific surface area of 1.697 m 2 g -1 and in BSCF GDC-core / shell fiber than the 0.667 m 2 g -1 and a non-area (SBET) of general BSCF-GDC particles . Typical BSCF-GDC particles are 100-200 nm in size and irregularly and rarely have a size of 500-800 nm attached to large BSCF particles. In addition, the GDC particles should be attached to the BSCF particles as an oxygen ion transfer material, but they also tend to aggregate GDCs. This agglomeration has a negative effect on the electrical properties of the reducing electrode of the BSCF-GDC electrode. The BSCF-GDC core / shell fiber structure maintains the fiber shape and the GDC shell particles have a size of 100 nm. These shells are constantly attached to form a BSCF-GDC core / shell fiber structure of approximately 1 μm thickness. GDC shell nanoparticles are closely attached to BSCF and show high oxygen ion transmission tendency. It also helps improve the oxygen ion transfer capability between the GDC electrolyte and the reducing electrode. The structure of this structure is shown in the SEM image and the schematic oxygen ion transfer ability is shown in FIG.

실시예Example 1: 저온형 고체 산화물 연료전지 제조 1: Low-temperature solid oxide fuel cell manufacturing

도 1은 상기 저온형 고체 산화물 연료전지의 개략적인 구성을 나타낸다.FIG. 1 shows a schematic configuration of the low temperature type solid oxide fuel cell.

1) 음극 분말 제조 1) Manufacture of cathode powder

NiO와 가돌리아 도핑 세리아(GDC)의 분말과 카본 블랙을 54.5 : 36.4 : 9.1의 중량비로 혼합하였다. 에탄올 150 ml에서 지르코니아 볼과 함께 볼밀링 과정을 하루 거쳤다. 상기 분말은 60 ℃ 오븐에서 하루 동안 건조하였다. The powder of NiO and Gadolodo doping ceria (GDC) and carbon black were mixed in a weight ratio of 54.5: 36.4: 9.1. The ball milling process with zirconia balls was carried out in 150 ml of ethanol a day. The powder was dried in a 60 ° C oven for one day.

2) 음극 지지체 제작 2) Cathode support production

건조된 음극 분말은 직경 36 mm의 몰드에 4 g을 취하여 88 MPa의 압력으로 성형하였다. 디스크 형태의 NiO-GDC 지지체는 1100 ℃에서 약 3시간 동안 가소결하여 음극 지지체를 제작하였다. 지지체의 두께는 약 800 μm로 이루어져 있다. The dried cathode powder was molded at a pressure of 88 MPa by taking 4 g into a mold having a diameter of 36 mm. The disk-shaped NiO-GDC support was calcined at 1100 ° C for about 3 hours to prepare a negative electrode support. The thickness of the support is about 800 μm.

3) 음극 기능층 분말 제조 3) Manufacture of cathode functional layer powder

니켈 산화물과 전해질 물질 분말을 페치니 법(Pechini sol-gel method)을 사용하여 음극 기능층 분말을 제조하였다(이때, NiO와 가돌리아 도핑 세리아(GDC)의 분말을 60 : 40의 중량비로 음극 기능층 분말을 제조하였다.).Nickel oxide and an electrolyte material powder were prepared by using a Pechini sol-gel method. Powders of NiO and Gadolodo-doping ceria (GDC) were mixed at a weight ratio of 60:40 Functional layer powder was prepared.

제조 후의 NiO와 가돌리아 도핑 세리아(GDC)의 중량비가 60 : 40이 되도록 Gd(NO3)3ㆍ6H2O, Ce(NO3)3ㆍ6H2O, Ni(NO3)2ㆍ6H2O를 증류수에 1.7 : 15.4 : 82.9의 몰 비로 섞어 넣고 3시간 동안 상온에서 교반하였다. 교반한 염을 구연산과 1 : 1, 에틸렌글리콜과 1 : 4의 몰 비로 섞고 코어 입자도 함께 용액에 넣어 70 ℃ 에서 고분자 젤이 형성될 때까지 교반하였다. 기능층 분말을 얻기 위해 200 ℃에서 입자를 태웠다. 그 후 600 ℃에서 3시간 가량 하소 과정을 거쳐 결정성을 지닌 기능층 분말을 제조하였다. (NO 3 ) 3 .6H 2 O, Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, Ni (NO 3 ) 2揃 6H (NO 3 ) 3 .6H 2 O, and the like were mixed so that the weight ratio of NiO and Gadolodo- 2 O in distilled water at a molar ratio of 1.7: 15.4: 82.9 and stirred at room temperature for 3 hours. The stirred salt was mixed with citric acid at a molar ratio of 1: 1 and ethylene glycol at a molar ratio of 1: 4, and the core particles were also put into the solution and stirred at 70 캜 until a polymer gel was formed. Particles were burned at 200 ° C to obtain a functional layer powder. Thereafter, a functional layer powder having crystallinity was prepared by calcination at 600 ° C for about 3 hours.

4) 음극 기능층 제작 4) Negative electrode functional layer production

음극 기능층 분말 10 g, 톨루엔/이소프로필 알코올 혼합액 100 mL, 가소제 1 ml, 바인더 1 g 및 계면활성제 0.2 ml를 첨가하여 하루 동안 볼밀하여 기능층 슬러리를 제작하였다. 가소제는 di-butyl phthalate, 바인더는 poly-vinyl-butyral, 계면활성제는 EFKA-4340을 각각 포함한다. 가소결 된 연료극 지지체에 연료극 기능층 슬러리를 dip-coating법에 의해 코팅하고, 1100 ℃에서 약 3시간 동안 가소결하였다. 기능층은 10 μm의 두께를 나타내었다.10 g of cathode functional layer powder, 100 ml of a toluene / isopropyl alcohol mixture, 1 ml of a plasticizer, 1 g of a binder and 0.2 ml of a surfactant were added and the mixture was ball-milled for one day to prepare a functional layer slurry. The plasticizer is di-butyl phthalate, the binder is poly-vinyl-butyral, and the surfactant is EFKA-4340. The fuel electrode functional layer slurry was coated on the plated anode support by dip coating method and plasticized at 1100 ° C for about 3 hours. The functional layer showed a thickness of 10 μm.

5) 전해질층 형성 5) Formation of electrolyte layer

GDC 분말 15 g, 톨루엔/이소프로필 알코올 혼합액 150 mL 및 가소제 1.5 ml, 바인더 1.5 g, 계면활성제 0.3 ml를 첨가하여 하루 동안 볼밀하여 기능층 슬러리를 제작하였다. 가소제는 di-butyl phthalate, 바인더는 poly-vinyl-butyral, 계면활성제는 EFKA-4340을 각각 포함한다. 상기 슬러리의 점도는 25 ℃에서 2.5 cP였다. 연료극 기능층이 코팅된 연료극 지지체는 dip-coating법에 의해 3회 코팅되어 1500 ℃에서 약 3시간 동안 소결하였다. 전해질층은 5 μm ~ 10 μm의 두께를 나타낸다.15 g of GDC powder, 150 ml of toluene / isopropyl alcohol mixture, 1.5 ml of plasticizer, 1.5 g of binder and 0.3 ml of surfactant were added and the mixture was ball-milled for one day to prepare a functional layer slurry. The plasticizer is di-butyl phthalate, the binder is poly-vinyl-butyral, and the surfactant is EFKA-4340. The viscosity of the slurry was 2.5 cP at 25 캜. The anode support coated with anode functional layer was coated three times by dip-coating method and sintered at 1500 ° C for about 3 hours. The electrolyte layer has a thickness of 5 μm to 10 μm.

6) 코어-쉘 구조 양극 제작 6) Fabrication of core-shell structure anode

제조예 1에서 코어-쉘 구조로 제작된 양극은 페이스트 형태로 제작하여 스크린 프린팅에 의해 전해질이 코팅된 지지체에 코팅하고, 950 ℃에서 약 2시간 동안 가소결하였다. 양극의 두께는 대략 30 μm를 나타낸다.
The positive electrode prepared in the core-shell structure in Preparation Example 1 was formed into a paste, coated on a support coated with an electrolyte by screen printing, and calcined at 950 ° C for about 2 hours. The thickness of the anode is approximately 30 μm.

실험예Experimental Example 1 One

BSCF-GDC 코어-쉘 섬유의 결정 구조는 X선 회절 장치(Rigaku, Miniflex model)로 상온에서 Cu Ka 방사선을 사용하여 측정하였다. BSCF-GDC 코어-쉘 섬유와 BSCF 코어 섬유의 질량 감소와 열 유동은 공기 분위기의 100 ℃와 1000 ℃ 사이의 온도에서 하소하기 전에 열 중량 분석과 시차 주사 열량 측정법(Mettler Toledo, 1100 SF)을 이용하여 측정하였다. The crystal structure of the BSCF-GDC core-shell fiber was measured using an X-ray diffractometer (Rigaku, Miniflex model) at room temperature using Cu Ka radiation. Mass reduction and heat flow of BSCF-GDC core-shell fibers and BSCF core fibers were measured by thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry (Mettler Toledo, 1100 SF) before calcination at temperatures between 100 and 1000 ° C in an air atmosphere Respectively.

도 8의 a는 GDC를 AE&P 방법을 통해 BSCF 섬유에 붙이고 하소 반응(600℃) 전후, BSCF-GDC 코어-쉘 섬유 구조를 XRD(X-ray diffractometer)로 측정하여 나타낸 것이다. 이를 통해 하소한 후에 페르브스카이트 구조의 BSCF에 형석 구조의 GDC가 형성되는 것을 확인할 수 있다. b는 GDC를 AE&P 방법을 통해 BSCF 섬유에 붙이고 하소 반응(600℃) 전, BSCF-GDC 코어-쉘 섬유 구조를 열중량분석기(TGA)/시차주사열량분석기(DSC)로 측정하여 나타낸 것이다. 여기서 나타나는 질량 감소는 GDC 쉘 입자에 포함되어 있는 고분자에 의한 것이다.
8a shows the BSCF-GDC core-shell fiber structure measured by an X-ray diffractometer (XRD) before and after the calcination reaction (600 ° C) by attaching GDC to the BSCF fiber via the AE & P method. As a result, it can be confirmed that a fluorocyte GDC is formed in the perovskite BSCF after calcination. b shows the BSCF-GDC core-shell fiber structure measured with a thermogravimetric analyzer (TGA) / differential scanning calorimeter (DSC) before the calcination reaction (600 ° C) by attaching GDC to the BSCF fiber via the AE & P method. The mass reduction shown here is due to the polymer contained in the GDC shell particles.

실험예Experimental Example 2 2

에너지 분산형 x선 분광법을 지닌 필드 방사 주사 전자 현미경(FE-SEM, JEOL, JSM-7001F model)을 이용하여 GDC 기반의 LT-SOFC의 구성 성분 및 BSCF-GDC 코어-쉘 섬유의 형태와 구성 요소를 확인하였다.Components and components of GDC-based LT-SOFC and BSCF-GDC core-shell fibers using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, JEOL, JSM-7001F model) with energy dispersive x-ray spectroscopy Respectively.

필드 방사 투과 전자 현미경(FE-TEM or HRTEM; JEOL, JEM 2100-F model)은 BSCF 코어 섬유에서 GDC 쉘의 나노 입자를 구분하기 위해 사용된다. 도 10은 BSCF-GDC 코어-쉘 섬유의 형태 특성을 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진으로 섬유 코어-쉘 구조의 BSCF의 지름은 1 μm를 나타낸다. 도 11은 BSCF 코어 섬유에 형성된 GDC 쉘 입자를 나타낸 것으로, 도 10의 박스 1을 고해상도투과전자현미경(HRTEM)로 관찰한 사진이다. 여기서 어두운 섬유 구조의 코어에 밝은 나노 입자들이 붙어 있는 것을 확연히 보여준다. 또한, 도 12는 GDC 격자 구조의 임의 배열을 나타낸 것으로, 도 11의 박스 2를 고해상도투과전자현미경(HRTEM)으로 관찰한 사진이다. 밝은 나노 입자들의 d-spacing 값들이 대략 2.6 Å을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 도 13은 코어-쉘 섬유의 GDC 격자 구조의 전자 회절 패턴을 나타낸 것이다. 밝은 나노 입자들의 Debye-Scherrer 원들은 형석 구조의 GDC를 나타내며 이는 AE&P 방법을 통해 BSCF 섬유에 GDC가 붙어 있는 것을 나타낸다.
Field emission transmission electron microscopy (FE-TEM or HRTEM; JEOL, JEM 2100-F model) is used to distinguish nanoparticles of GDC shells from BSCF core fibers. FIG. 10 is a transmission electron microscope (TEM) photograph showing the morphological characteristics of the BSCF-GDC core-shell fiber. The diameter of the BSCF of the fiber core-shell structure is 1 μm. 11 shows a GDC shell particle formed on a BSCF core fiber, which is a photograph of a box 1 of FIG. 10 observed by a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM). Here, bright nanoparticles are clearly attached to the cores of dark fiber structure. FIG. 12 shows an arbitrary arrangement of the GDC lattice structure. FIG. 12 is a photograph of the box 2 of FIG. 11 observed by a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM). It can be seen that the d-spacing values of bright nanoparticles are approximately 2.6 A. 13 shows an electron diffraction pattern of a GDC lattice structure of core-shell fibers. The Debye-Scherrer circles of bright nanoparticles represent the GDC of the fluorite structure, indicating that the GDC is attached to the BSCF fiber via the AE & P method.

실험예Experimental Example 3 3

Symmetrical cell의 제작은 GDC 전해질 분말을 상기 실시예 1에서 연료극 지지체의 성형법과 같이 디스크 형태의 지지체로 제작하였다. 1550 ℃에서 약 5시간 동안 소결된 전해질 지지체에 제작된 일반 양극 페이스트와 코어-쉘 섬유구조 양극 페이스트를 각각 스크린 프린팅에 의해 양면에 코팅하였다. 950 ℃에서 약 2시간 동안 소결된 symmetrical cell은 650 ℃에서 450 ℃까지 50 ℃ 간격으로 임피던스 분석장치에 의해 공기분위기에서 10 mV의 진폭으로 0.1 내지 1 MHz 범위에서 저항이 측정하였다. 도 14의 a는 기존 BSCF-GDC와 코어-쉘 섬유 구조 BSCF-GDC의 온도에 따른 면적비저항(ASR) 값을 비교한 그래프이다. 면적비저항을 450 ℃에서 600 ℃ 사이에서 측정하고 그 값으로 활성화 에너지를 계산하여 비교한 것이다. 기존 BSCF-GDC의 경우 114 kJㆍmol-1의 활성화 에너지를 나타내는데 이는 표면 산소 반응의 활성화 에너지와 비슷한 값을 나타낸다. 이와 달리 코어-쉘 섬유 구조 BSCF-GDC의 경우 105 kJㆍmol-1의 활성화 에너지를 나타낸다. 도 14의 b는 기존 BSCF-GDC와 코어-쉘 섬유 구조 BSCF-GDC를 전극 두께 10 ㎛, 550 ℃에서 임피던스 스텍트럼(impedance spectrum)으로 비교한 것이다. 550℃에서 코어-쉘 섬유 구조 BSCF-GDC의 경우 0.552 Ωㆍcm2, 기존 BSCF-GDC의 경우 1.115 Ωㆍcm2의 면적비저항을 나타낸다.
In the preparation of the symmetrical cell, the GDC electrolyte powder was prepared as a disc-shaped support as in the case of forming the anode support in Example 1 above. A general anode paste and a core-shell fiber structure anode paste made on an electrolyte support sintered at 1550 ° C for about 5 hours were coated on both sides by screen printing, respectively. The symmetrical cells sintered at 950 ° C for about 2 hours were measured by impedance analyzer at 650 ° C to 450 ° C at 50 ° C intervals in the range of 0.1 to 1 MHz with an amplitude of 10 mV in an air atmosphere. 14A is a graph comparing the area specific resistivity (ASR) values of the existing BSCF-GDC and the core-shell fiber structure BSCF-GDC with temperature. The area specific resistivity was measured between 450 ° C and 600 ° C, and the activation energy was calculated and compared. In the case of conventional BSCF-GDC, the activation energy of 114 kJ · mol -1 is shown, which is similar to the activation energy of surface oxygenation. In contrast, the core-shell fiber structure BSCF-GDC exhibits an activation energy of 105 kJ · mol -1 . FIG. 14B compares the existing BSCF-GDC and the core-shell fiber structure BSCF-GDC with an impedance spectrum at an electrode thickness of 10 μm and 550 ° C. FIG. 0.552 Ω · cm 2 for core-shell fiber structure BSCF-GDC at 550 ° C and 1.115 Ω · cm 2 for conventional BSCF-GDC.

실험예Experimental Example 4: 전지 성능 확인 4: Check battery performance

단위전지 성능은 상기 실시예 1에서 제작된 단위전지[도 1]를 연료극의 수소 80 sccm, 공기극의 공기 300 sccm을 공급하면서 550 ℃에서 450 ℃까지 50 ℃ 간격으로 성능평가장비로 측정하였다. 도 19 (a)는 도 18의 1세대 전지와 2세대 전지의 전압, 전력밀도를 비교한 사진이고 도 20 (a)는 본 발명에 따른 전지를 온도 별로 성능 측정한 것이다. 임피던스는 10 mV의 진폭으로 0.1 ~ 1 MHz 범위에서 측정하였다. 도 19는 도 18의 1세대 전지와 2세대 전지의 550℃에서의 임피던스 스펙트럼(impedance spectrum)을 비교한 사진이다.The unit cell performance was measured with the performance evaluation equipment at 50 ° C intervals from 550 ° C to 450 ° C while supplying the unit cell (FIG. 1) prepared in Example 1 with 80 sccm of hydrogen at the anode and 300 sccm of air at the cathode. FIG. 19 (a) is a graph comparing the voltage and power density of the first-generation battery and the second-generation battery of FIG. 18, and FIG. 20 (a) is a graph illustrating performance of the battery according to the present invention. Impedance was measured in the range of 0.1 to 1 MHz with an amplitude of 10 mV. FIG. 19 is a photograph showing the impedance spectrum of the first-generation battery and the second-generation battery of FIG. 18 at 550 ° C. FIG.

1세대 전지는 코어/쉘 섬유 BSCF-GDC (~24 μm)|GDC (~9 μm)|Ni-GDC (800 μm) 연료전지(도 18a)를 나타내고 2세대 전지는 코어/쉘 섬유 구조의 BSCF-GDC (~30 μm) | GDC (~5 μm) | 나노 성분의 Ni-GDC AFL (~10 μm) | Ni-GDC (~800 μm) 연료 전지 (도 18b)를 나타낸다. 도 19a에 나타낸 바와 같이 1세대 전지와 2세대 전지의 개로 전압은 각각 0.908, 0.923 V로 GDC 기반 전지가 대략적으로 나타내는 값과 비슷하다. 550 ℃에서 대략 0.65~0.7 Wㆍcm-2의 최대 전력을 나타내는 Ni-SDC | SDC (20 μm) | BSCF 전지와 0.86 Wㆍcm-2의 최대 전력을 나타내는 Ni-GDC | GDC (10 μm) | sol-gel-derived BSCF와 다르게 1세대와 2세대 전지에서 각각 1.14 Wㆍcm-2와 1.97 Wㆍcm-2의 높은 전력을 나타내는 것을 볼 수 있다. 1세대 전지는 대략 9 μm 두께의 전해질로 0.86 Wㆍcm-2의 전력을 나타내는 상기 전지와 비슷한 두께를 나타낸다. 그럼에도 불구하고 성능 향상을 보인 것은 환원 전극의 구조적 발명에 의한 것이다. 또한, 550 ℃에서 대략 2 Wㆍcm-2의 성능을 보이는 이차 전지는 저가 공정에 의한 LT-SOFCs 제조에 의해서 아직 나오지 못한 성능으로 큰 가치가 있다. 이러한 일차 전지와 이차 전지의 전력 밀도 차이는 도 19b에서 설명할 수 있다. 먼저, 전해질 두께를 9 μm에서 5 μm로 줄임으로써 이차 전지의 ASRohmic의 값이 0.11에서 0.05 Ωㆍcm2으로 현저히 감소한 것을 알 수 있다. 저가 공정에 의해 만든 전지의 불투과성 전해질 막의 최소 두께가 10~15 μm라 보고한 기존의 연구와 달리 본 발명에서는 저가의 딥 코팅 공정에 의해 5 μm 두께의 전해질을 지닌 전지의 대량 생산에 성공하였다. 상기 전지의 헬륨 기체 투과도는 0.25 Mpa에서 2.06ㆍ10-9 molㆍm-2ㆍs-1ㆍPa-1로 SOFC 전해질로 사용 가능할 정도의 충분한 값을 보였다. 또한, 도 18b에서 보여지는 바와 같이 2세대 전지의 나노 성분의 음극기능층과 상기 발명 환원 전극이 550 ℃에서의 전극 면적비저항(ASRelectrode) 값을 0.059에서 0.043 Ωㆍcm2로 감소시켰다. AFL로 산화 전극과 전해질을 긴밀히 연결시켜 전기적 성능을 향상시키며 산화 전극의 물질 이동 저항을 감소시켰다. 또한, 음극기능층의 두께를 조절함으로써 수축 효과로 인한 옴 저항 증가를 저지할 수 있다. 본 발명에서는 AFL의 두께가 10 μm일 때 가장 효과적으로 수축 효과를 줄일 수 있었다.
The first generation cell represents the core / shell fiber BSCF-GDC (~ 24 μm) | GDC (~9 μm) | Ni-GDC (800 μm) fuel cell -GDC (~ 30 μm) | GDC (~ 5 μm) | Nano-component Ni-GDC AFL (~ 10 μm) | Ni-GDC (~ 800 μm) fuel cell (FIG. 18b). As shown in FIG. 19A, the open-circuit voltages of the first-generation battery and the second-generation battery are 0.908 and 0.923 V, respectively, which are similar to those of the GDC-based battery. Ni-SDC &lt; / RTI & gt ; exhibiting a maximum power of approximately 0.65 to 0.7 W-cm & lt ; SDC (20 μm) | BSCF battery and Ni-GDC exhibiting maximum power of 0.86 W · cm -2 | GDC (10 μm) | Unlike the sol-gel-derived BSCF, it shows high power of 1.14 W · cm -2 and 1.97 W · cm -2 in the first- and second-generation cells, respectively. The first-generation cell is approximately 9 탆 thick electrolyte and exhibits a thickness similar to that of the cell, which exhibits a power of 0.86 W cm cm -2 . Nonetheless, the improvement in performance is due to the structural inventions of the reducing electrode. In addition, a secondary battery having a performance of about 2 W · cm -2 at 550 ° C. is of great value as it has not yet been achieved by the production of LT-SOFCs at low cost. The difference in power density between the primary battery and the secondary battery can be illustrated in FIG. 19B. First, by reducing the thickness of the electrolyte from 9 μm to 5 μm, it can be seen that the ASR ohmic value of the secondary battery is remarkably reduced from 0.11 to 0.05 Ω · cm 2 . Unlike previous studies which reported that the minimum thickness of the impermeable electrolyte membrane of the battery made by the low-cost process is 10-15 [mu] m, the present invention succeeded in mass production of the battery having the electrolyte of 5 [ . The helium gas permeability of the cell was found to be sufficient to be usable as an SOFC electrolyte at a concentration of 2.06 · 10 -9 mol · m -2 · s -1 · Pa -1 at 0.25 Mpa. In addition, reduced the nano-component cathode functional layer and the electrode of the invention reduced 2G cell electrode area specific resistance of from 550 ℃ (ASR electrode) value, as shown in Figure 18b at 0.059 to 0.043 and Ω cm 2. By AFL, the oxidized electrode and the electrolyte are closely connected to each other to improve the electrical performance and reduce the material transfer resistance of the oxidized electrode. Further, by controlling the thickness of the negative electrode functional layer, the increase in ohmic resistance due to the shrinking effect can be prevented. In the present invention, the shrinkage effect can be most effectively reduced when the thickness of the AFL is 10 μm.

실험예Experimental Example 5: 재현성 측정 5: Reproducibility measurement

재현성 측정에서는 상기 실시예 1에서 얻은 단위전지를 바탕으로 실험에 2의 방법으로 수회 측정되었다. 내구성 측정에서 가스유량은 각각 수소 60 sccm과 공기 300 sccm으로 하였다. 도 21은 본 발명에 따른 전지를 550℃에서 반복 가동 시 내구성 및 안정성을 보기 위해 5회 가동하고 그에 따른 전류밀도-전압을 나타낸 것이다. 도 22는 본 발명에 따른 전지를 550℃에서 반복 가동 시 내구성 및 안정성을 보기 위해 5회 가동하고 그에 따른 임피던스 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 23 은 본 발명의 전지를 550℃에서 반복 가동 시 내구성 및 안정성을 보기 위해 5회 가동하고 그에 따른 시간별 전압을 나타낸 것이다.In the reproducibility measurement, the number of times was measured by the method 2 in the experiment based on the unit cell obtained in Example 1 above. In the durability measurement, the gas flow rate was 60 sccm of hydrogen and 300 sccm of air, respectively. FIG. 21 shows the current density-voltage according to the present invention when the battery was operated five times to observe durability and stability at repeated operation at 550 ° C. 22 shows the impedance spectrum of the battery according to the present invention operated five times in order to observe durability and stability at repeated operation at 550 ° C. FIG. 23 shows the voltage of the battery of the present invention operated five times in order to see durability and stability when the battery is repeatedly operated at 550.degree.

도 20~22는 GDC 기반의 LT-SOFCs의 재현성을 확인하기 위한 실험 결과를 나타낸다. 도 20a에서 최대 전력 밀도는 600 ℃, 550 ℃, 500 ℃에서 각각 1.705 ± 0.405 Wㆍcm-2, 1.562 ± 0.405 Wㆍcm-2, 1.192 ± 0.391 Wㆍcm-2, 0.655 ± 0.185 Wㆍcm-2을 나타내었다. 도 20b에서 ASRsohmic은 600 ℃, 550 ℃, 500 ℃, 450 ℃에서 대략 0.046 ± 0.01 Ωㆍcm2, 0.060 ± 0.006 Ωㆍcm2, 0.079 ± 0.008 Ωㆍcm2, 0.118 ± 0.008 Ωㆍcm2를 보이고 ASRselectrode는 600 ℃, 550 ℃, 500 ℃, 450 ℃에서 대략 0.035 ± 0.019 Ωㆍcm2, 0.061 ± 0.018 Ωㆍcm2, 0.129 ± 0.060 Ωㆍcm2 , 0.314 ± 0.119 Ωㆍcm2을 나타내었다. 전지는 대략적으로 550 ℃에서 1.7~1.9 Wㆍcm-2의 전력 밀도를 나타내나 한, 두 가지 실험에서 500 ℃에서 0.84~0.85 V의 낮은 OCV를 보이는 큰 편차를 보인다. 작동 온도가 내려가면서 OCV가 올라가야 하는 반면, 이 전지들은 약간씩만 증가하는 것을 볼 수 있다. 대부분의 전지들은 5 ~ 6 μm의 일정하고 얇은 전해질로 코팅되어 있으나 낮은 OCV를 보이는 전지들은 전해질이 3 μm 두께를 지니는 형태의 코팅 과정에서 조금의 문제가 발견?榮?. I-V 그래프와 임피던스 그래프는 5번의 전지 실험으로 진행되었으며 도 20c와 20d에서 550 ℃에서 1.8 ± 0.1 Wㆍcm-2의 전력 밀도와 0.058 ± 0.004 Ωㆍcm2의 ASRsohmic , 0.051 ± 0.008 Ωㆍcm2의 ASRselectrode을 나타내어 재현성이 있음을 확인했다. 저온에서 높은 전력 밀도를 지니는 전지의 구조적 안정성과 내구성을 확인하기 위해 1 Aㆍcm-2을 지속적으로 공급하였다. 도 20 e는 상기 전지를 1 Aㆍcm-2에서 0.756 V로 250 시간 동안 유지한 후 0.5 Aㆍcm-2에서 0.776 V로 50 시간 유지한 것을 보여준다. 일반적인 GDC 기반 전지가 0.3~0.4 Aㆍcm-2에서 0.7 V를 유지하는 것과 비교하였을 때 상기 전지는 SOFC 스택의 개수를 줄일 수 있는 효과를 가져와 자동차의 보조 전력 공급에 사용될 수 있는 가능성을 보여준다. 전압 감소는 1 Aㆍcm-2에서 250 시간 유지했을 때 대략 5.6%, 0.00017 Vㆍh-1을 나타내고 0.5 Aㆍcm-2에서 50 시간 유지했을 때 약 0.6%, 0.00010 Vㆍh-1을 나타낸다. 이는 저온에서 고성능을 나타내는 안정성과 재현성 높은 GDC 기반의 LT-SOFC를 제조한 것을 보여준다.20 to 22 show experimental results for confirming the reproducibility of GDC-based LT-SOFCs. 20A, the maximum power densities were 1.705 0.405 W-cm -2 , 1.562 0.405 W-cm -2 , 1.192 0.391 W-cm -2 , 0.655 0.185 W-cm -2 . In FIG. 20B, the ASRs ohmic was approximately 0.046 ± 0.01 Ω · cm 2 , 0.060 ± 0.006 Ω · cm 2 , 0.079 ± 0.008 Ω · cm 2 , and 0.118 ± 0.008 Ω · cm 2 at 600 ° C, 550 ° C, 500 ° C, And the ASRs electrode was approximately 0.035 ± 0.019 Ω · cm 2 , 0.061 ± 0.018 Ω · cm 2 , 0.129 ± 0.060 Ω · cm 2 and 0.314 ± 0.119 Ω · cm 2 at 600 ℃, 550 ℃, 500 ℃ and 450 ℃ respectively Respectively. The cell exhibits a power density of approximately 1.7 to 1.9 W · cm -2 at approximately 550 ° C., but exhibits a large variation in OCV of less than 0.84 to 0.85 V at 500 ° C. in one or two experiments. While the operating temperature has to rise and the OCV has to rise, we can see that these cells increase only slightly. Most cells are coated with a constant, thin electrolyte of 5 to 6 μm, but low OCV cells have some problems found in coatings with a 3 μm thick electrolyte. The IV graph and the impedance graph were obtained by five cell experiments. In FIG. 20c and 20d, the power density of 1.8 ± 0.1 W · cm -2 at 550 ° C. and the ASRs ohmic of 0.058 ± 0.004 Ω · cm 2 , 0.051 ± 0.008 Ω · cm It represented the two ASRs electrode was confirmed that the reproducibility. To ensure the structural stability and durability of batteries with high power densities at low temperatures, 1 A · cm -2 was continuously supplied. Figure 20 e shows that maintaining 50 hours the cells with 0.776 V at 0.5 A cm -2 and the mixture was kept for 250 hours in 0.756 V and 1 A cm -2. Compared to a general GDC-based cell maintaining 0.7 V at 0.3 to 0.4 A · cm -2 , the battery has the effect of reducing the number of SOFC stacks and showing the possibility of being used for auxiliary power supply of automobiles. The voltage decrease was approximately 5.6% and 0.00017 V.H -1 when maintained at 1 A · cm -2 for 250 hours and approximately 0.6% and 0.00010 V · h -1 when maintained at 0.5 A · cm -2 for 50 hours. . This shows that LT-SOFCs based on GDC with high stability and high reproducibility at low temperature are manufactured.

Claims (17)

바륨 스트론튬 코발트 철 산화물(BSCF)의 코어 섬유 및
전해질 물질의 쉘 나노입자를 포함하는
저온형 고체 산화물 연료 전지용 양극.
Core fibers of barium strontium cobalt iron oxide (BSCF) and
Including shell nanoparticles of an electrolyte material
Anode for Low Temperature Type Solid Oxide Fuel Cells.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 전해질 물질은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 가돌리아 도핑 세리아(GDC), 사마리아 도핑 세리아 도핑된 바륨 지르코네이트(BaZrO3) 및 바륨 세레이트(BaCeO3)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 저온형 고체산화물 연료전지용 양극.
The method according to claim 1,
The electrolyte material may be selected from the group consisting of yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), gadollo doping ceria (GDC), samarium doped ceria doped barium zirconate (BaZrO3) and barium cerate (BaCeO3) Lt; RTI ID = 0.0 &gt; solid oxide fuel cell &lt; / RTI &gt;
제 1 항에 따른 양극;
가돌리아 도핑 세리아(GDC)를 포함하는 무기공의 전해질층;
니켈 및 가돌리아 도핑 세리아(GDC) 전해질 물질을 포함하는 나노 복합소재의 음극 기능층; 및
니켈 및 가돌리아 도핑 세리아(GDC) 전해질 물질을 포함하는 음극 지지체
를 포함하는 저온형 고체 산화물 연료 전지.
A positive electrode according to claim 1;
An electrolyte layer of an inorganic ore containing gadolya doped ceria (GDC);
An anode functional layer of a nanocomposite material comprising nickel and a gadolinium-doped ceria (GDC) electrolyte material; And
An anode support comprising nickel and a gadolinium-doped ceria (GDC) electrolyte material
Type solid oxide fuel cell.
제 4 항에 있어서,
전해질 층은 4 내지 10 ㎛의 두께를 가지는 저온형 고체 산화물 연료 전지.
5. The method of claim 4,
Wherein the electrolyte layer has a thickness of 4 to 10 占 퐉.
제 4 항에 있어서,
음극 기능층은 5 내지 15 ㎛의 두께를 가지는 저온형 고체 산화물 연료 전지.
5. The method of claim 4,
Wherein the cathode functional layer has a thickness of 5 to 15 占 퐉.
삭제delete 제 4 항에 있어서,
상기 음극은 니켈 및 가돌리아 도핑 세리아(GDC) 전해질 물질을 포함하는 저온형 고체 산화물 연료 전지.
5. The method of claim 4,
Wherein the cathode comprises nickel and a gadolinium-doped ceria (GDC) electrolyte material.
제 4 항에 있어서,
하기 일반식 1을 만족하는 고체산화물 연료 전지:
[일반식 1]
X ≥ 1.5
상기 X는 550 ℃의 온도에서의 출력(W/cm2)을 나타낸다.
5. The method of claim 4,
A solid oxide fuel cell satisfying general formula (1)
[Formula 1]
X? 1.5
And X represents the output (W / cm 2 ) at a temperature of 550 ° C.
바륨 스트론튬 코발트 철 산화물(BSCF)로 코어 섬유를 형성하는 단계;
상기 코어 섬유 상에 전해질 물질의 쉘을 형성하는 단계;
포함하는 저온형 고체 산화물 연료 전지용 양극의 제조방법.
Forming core fibers with barium strontium cobalt iron oxide (BSCF);
Forming a shell of an electrolyte material on the core fiber;
Wherein the low-temperature-type solid oxide fuel cell comprises a cathode.
제 10 항에 있어서,
상기 코어 섬유는 전기방사 방법을 이용하여 형성하는 저온형 고체 산화물 연료 전지용 양극의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the core fibers are formed by an electrospinning method.
제 10 항에 있어서,
상기 쉘은 페치니법을 이용하여 형성하는 저온형 고체 산화물 연료 전지용 양극의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the shell is formed using a Perkinier process.
삭제delete 니켈 및 가돌리아 도핑 세리아(GDC) 전해질 물질을 포함하는 음극 지지체를 제작하는 단계;
상기 음극 지지체 상에 니켈 및 가돌리아 도핑 세리아(GDC) 전해질 물질을 포함하는 슬러리를 코팅 및 열처리하여 음극 기능층을 형성하는 단계;
상기 음극 기능층 상에 전해질 물질을 포함하는 슬러리를 딥 코팅하여 전해질층을 형성하는 단계; 및
상기 전해질층의 중앙 부위 상에 바륨 스트론튬 코발트 철 산화물(BSCF)의 코어 섬유 및 전해질 물질의 쉘 나노입자를 포함하는 양극을 제작하는 단계
을 포함하는 저온형 고체 산화물 연료 전지의 제조방법.
Preparing a negative electrode support comprising nickel and a gadolinium-doped ceria (GDC) electrolyte material;
Forming a negative electrode functional layer by coating and heat treating a slurry containing nickel and a Gadolinium Doped Ceria (GDC) electrolyte material on the negative electrode support;
Forming an electrolyte layer by dip coating a slurry containing an electrolyte material on the negative electrode functional layer; And
Preparing a positive electrode comprising core fibers of barium strontium cobalt iron oxide (BSCF) and shell nanoparticles of an electrolyte material on the central region of the electrolyte layer
Lt; RTI ID = 0.0 &gt; a &lt; / RTI &gt; low-temperature solid oxide fuel cell.
삭제delete 제 14 항에 있어서,
상기 전해질 층의 슬러리는 점도가 25 ℃에서 2.4 내지 2.6 cP인 저온형 고체 산화물 연료 전지의 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the slurry of the electrolyte layer has a viscosity of 2.4 to 2.6 cP at 25 占 폚.
제 14 항에 있어서,
하기 일반식 1을 만족하는 저온형 고체산화물 연료 전지의 제조방법:
[일반식 1]
X ≥ 1.5
상기 X는 550 ℃의 온도에서의 출력(W/cm2)을 나타낸다.
15. The method of claim 14,
A method for producing a low temperature type solid oxide fuel cell satisfying the following general formula (1)
[Formula 1]
X? 1.5
And X represents the output (W / cm 2 ) at a temperature of 550 ° C.
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