KR101934006B1 - Solid oxide fuel cell and solid oxide electrolysis cell including Ni-YSZ fuel(hydrogen) electrode, and fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 및 전해셀에 있어서, Ni(또는 NiO 이하 생략)-YSZ 연료(수소)전극이 전기를 생산하는 연료전지(SOFC) 모드와 수소를 생산하는 전해(SOEC) 모드에서 내구성을 유지하면서 셀 성능을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 즉, 연료전지와 전기분해의 두 모드에서 모두 셀 성능이 우수한 연료극 지지체형 단전지를 개발하기 위해서, 기계적 강도가 우수한 기존의 Ni-YSZ 연료(수소)전극과 YSZ 전해질로 구성되는 전해셀을 그대로 사용하면서도, 전극의 활성(activity)과 안정성을 향상시키기 위해서 특정 세라믹 분체의 현탁액 또는 용융염 또는 (수)용액을 함침(impregnation 혹은 infiltration)함으로써, 고체산화물 연료전지 및 전해셀의 성능을 향상시켜 기계적 강도와 성능 모두가 우수한 연료(수소)전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 전해셀을 제공한다.
본 발명은 Ni-YSZ 연료(수소)전극에 Gd2O3 또는 Sm2O3의 세라믹 분체 현탁액(또는 Gd-doped ceria(GDC) 또는 Sm-doped ceria(SDC) 분체의 현탁액)을 함침하고, 이와 동등한 효과로서 Gd 염(salt, 예 nitrate) 및 Sm 염(salt, 예 nitrate)을 (수)용액에 용해(또는 용융 용해)시켜 연료(수소)극에 함침(impregnation or infiltration)시킨 후, 이를 건조 후에 후속 열처리하거나 동시소결(in-situ sintering)하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 고체산화물 연료전지 및 전해셀의 제조시간 및 공정이 단축되고 셀 제조에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한, 세리아 기반 전해질과 연료(수소)극이 가지는 기계적 강도의 취약성을 극복하면서 YSZ 기반 전해질과 연료(수소)극이 세리아 기반의 전극보다 저하되는 성능을 동시에 보완할 수 있다. 따라서 Gd 성분 또는 Sm 성분이 함침된 Ni-YSZ 연료(수소)극층은 전기생산을 위한 고체산화물 연료전지 모드와, 수증기 전해 또는 이산화탄소 전해로 수소 및 탄화수소를 생산하기 위한 고체산화물 전해셀 모드에서 모두 안정적인 고성능을 나타내면서 고내구성을 갖는다.
The present invention relates to a solid oxide fuel cell and an electrolytic cell in which a Ni (or NiO or less NiO) -YZZ fuel (hydrogen) electrode is used in a fuel cell (SOFC) And to improve cell performance while maintaining the cell performance. That is, in order to develop a fuel electrode support type cell having excellent cell performance in both modes of fuel cell and electrolysis, an electrolytic cell composed of a conventional Ni-YSZ fuel (hydrogen) electrode having excellent mechanical strength and a YSZ electrolyte is directly used The performance of the solid oxide fuel cell and the electrolytic cell can be improved by impregnating or infiltrating a suspension or a molten salt or a solution of a specific ceramic powder in order to improve the activity and stability of the electrode, (Hydrogen) electrode excellent in both performance and performance, and an electrolytic cell.
The present invention is based on the premise that a Ni-YSZ fuel (hydrogen) electrode is impregnated with a ceramic powder suspension of Gd 2 O 3 or Sm 2 O 3 (or a suspension of Gd-doped ceria (GDC) or Sm-doped ceria (SDC) powder) As an equivalent effect, Gd salt (salt, eg nitrate) and Sm salt (salt, eg nitrate) are dissolved (or melted and dissolved) in the solution to impregnate or infiltrate the fuel Followed by subsequent heat treatment or simultaneous sintering.
According to the present invention, the manufacturing time and process of the solid oxide fuel cell and the electrolytic cell can be shortened, and the cost required for manufacturing the cell can be reduced. In addition, YSZ-based electrolytes and fuel (hydrogen) electrodes are able to compensate for the performance degradation of ceria-based electrolytes and fuel (hydrogen) electrodes compared to ceria-based electrodes while overcoming the weakness of mechanical strength. Therefore, the Ni-YSZ fuel (hydrogen) electrode layer impregnated with the Gd component or the Sm component is stable in both the solid oxide fuel cell mode for electric production and the solid oxide electrolytic cell mode for producing hydrogen and hydrocarbons by steam electrolysis or carbon dioxide electrolysis High performance and high durability.

Description

Ni-YSZ 연료(수소)전극을 포함하는 고체산화물 연료전지와 전해셀 및 이의 제조방법{Solid oxide fuel cell and solid oxide electrolysis cell including Ni-YSZ fuel(hydrogen) electrode, and fabrication method thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a solid oxide fuel cell including a Ni-YSZ fuel (hydrogen) electrode, an electrolytic cell and a manufacturing method thereof,

본 발명은 고체산화물 연료전지와 전해셀 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 NiO-YSZ(작동시 Ni로 환원시킴, 이하 Ni-YSZ로 표시) 연료(수소)전극에 Gd2O3 또는 Sm2O3 세라믹 분체의 현탁액(또는 Gd-doped ceria(GDC) 또는 Sm-doped ceria(SDC) 분체의 현탁액)을 함침하거나, 이와 동등한 효과로서 Gd 염(salt, 예 nitrate) 또는 Sm 염(salt, 예 nitrate)을 (수)용액에 용해(또는 용융 용해)하여 연료(수소)극에 함침(impregnation or infiltration)시킨 후, 이러한 단전지를 미리 열처리하거나 동시소결(in-situ sintering)함으로써, 전기생산 및 전기분해 성능이 우수하고 제조방법이 간단한 고체산화물 연료전지와 전해셀 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to solid oxide fuel cells and electrolytic cells and the production method thereof, and more particularly, NiO-YSZ (Operating Sikkim reduced to Ni, less than Ni-YSZ represented by) fuel Gd 2 O 3 in (hydrogen) electrode Or a Sm 2 O 3 ceramic powder suspension (or suspension of Gd-doped ceria (GDC) or Sm-doped ceria (SDC) powder) or equivalent effect of Gd salt (or hydrogen sulfide) impregnation or infiltration in a solution (or molten solution) in a solution (water), and then the unit cell is subjected to heat treatment or in-situ sintering in advance, The present invention relates to a solid oxide fuel cell, an electrolytic cell, and a method of manufacturing the same.

인류는 화석연료의 대용량 사용으로 온실가스에 의한 지구온난화라는 심각한 환경문제에 직면하고 있으며, 이것은 인류의 생존에 결정적인 영향을 미치고 있다. 수소는 온실가스를 배출하지 않는 청정한 에너지이며, 지구상에 무제한적으로 존재하는 물로부터 생산이 가능하기 때문에, 화석연료를 기반으로 하는 에너지자원의 고갈 및 온실가스 배출 등의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 대체에너지 자원으로 인식되어 왔다.Humans are facing serious environmental problems, such as global warming caused by greenhouse gases, due to the large use of fossil fuels, which has a decisive influence on human survival. Hydrogen is a clean energy that does not emit greenhouse gases. Since hydrogen can be produced from unlimited water on the planet, it can fundamentally solve problems such as depletion of energy resources based on fossil fuels and greenhouse gas emissions. It has been recognized as an alternative energy resource.

그러나, 현재 생산되는 수소는 대부분 탄화수소로부터 만들어지고 있기 때문에, 이산화탄소의 발생 및 화석연료를 소비한다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하고 대용량 수소를 생산하는데 유리한 방법 중의 하나인 고온전기분해(HTE, High Temperature Electrolysis) 수소 또는 탄화수소생산 공정은 전기분해를 이용하여 고온의 증기로부터 수소를 직접 생산하거나, 증기와 이산화탄소로부터 탄화수소를 직접 생산하는 방법이다.However, since most of the hydrogen currently produced is made from hydrocarbons, it has the disadvantage of generating carbon dioxide and consuming fossil fuels. High temperature electrolysis (HTE) Hydrogen or Hydrocarbon production process, which is one of the advantageous methods for solving these problems and producing large capacity hydrogen, can produce hydrogen directly from high temperature steam using electrolysis, It is a direct production method of hydrocarbons.

고온전기분해에 사용되는 고체산화물 전해셀(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)은 매우 높은 온도의 전기분해장치로서, 수증기(H2O) 전기분해를 통한 수소 생산뿐만 아니라, 이산화탄소(CO2) 전해를 통해 연료로 사용 가능한 합성가스(수소가스와 일산화탄소의 혼합가스) 및 탄화수소의 직접 생산이 가능하다. 따라서 화석연료로부터 방출되는 이산화탄소를 재이용할 수 있는 녹색기술로 최근 주목을 받고 있다.Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) used for high temperature electrolysis is a very high temperature electrolyzer that not only produces hydrogen through water vapor (H 2 O) electrolysis, but also CO2 (CO 2 ) electrolysis (Hydrogen gas and carbon monoxide mixed gas) and hydrocarbons that can be used as fuel can be directly produced. As a result, green technology that can recycle carbon dioxide emitted from fossil fuels has attracted attention recently.

만일 이러한 수소생산 과정에 필요한 전기를 신재생 에너지원으로부터 얻을 수 있다면, 이는 온실가스의 배출 없이 수소 생산이 가능하다는 것을 의미하게 된다. 또한, 화력 또는 원자력 발전소나 산업현장의 폐열을 이용한다면, 에너지 효율이 상승할 뿐만 아니라 수소생산 비용을 절감할 수 있다. 물의 전기분해는 추가적인 불순물 제거 등의 과정이 필요 없이 고농도의 수소생산이 가능하다는 중요한 장점을 갖는다. 또한, 고온전기분해는 저온전기분해에 비하여 전기가 적게 소모되기 때문에, 수소 및 탄화수소 생산에 소요되는 전기에너지 요구량을 줄여 수소생산비용을 저감시킬 수 있으므로, 효율이 높은 수소 및 탄화수소 생산기술이라 할 수 있다.If electricity needed for this hydrogen production process can be obtained from renewable energy sources, this means that hydrogen production is possible without emission of greenhouse gases. In addition, using thermal power or waste heat from nuclear power plants or industrial sites not only increases energy efficiency, but also reduces hydrogen production costs. Electrolysis of water has an important advantage in that it can produce hydrogen at a high concentration without the need for additional steps such as removal of impurities. Since high-temperature electrolysis consumes less electricity than low-temperature electrolysis, the hydrogen production cost can be reduced by reducing the amount of electric energy required for hydrogen and hydrocarbon production, have.

한편, 이러한 고온전기분해 장치는 그 역반응으로 이용할 경우, 수소 또는 연료로부터 전기를 생산할 수 있는 연료전지인 고효율 청정 신발전기술로 응용될 수 있으며, 이 기술을 사용할 경우 종래의 화력발전에 비해 온실가스인 이산화탄소의 배출을 약 30% 이상까지 저감할 수 있다. 특히 앞서의 청정연료인 수소만을 이용할 경우 이산화탄소의 배출을 완전히 억제할 수 있는 장점이 있다.On the other hand, such a high-temperature electrolytic apparatus can be applied as a high-efficiency clean shoe former technology which is a fuel cell capable of producing electricity from hydrogen or fuel when used as a reverse reaction thereof. When this technology is used, The emission of carbon dioxide can be reduced to about 30% or more. Particularly, the use of only hydrogen, which is the clean fuel, has an advantage of completely suppressing the emission of carbon dioxide.

고체산화물 전해셀에서 수소(또는 연료)전극은 수증기가 수소(또는 연료)로 환원되는 반응이 일어나는 전극이다. 산소전극은 산소이온이 산소로 산화되는 반응이 일어나는 전극이다. 고체산화물 전해셀의 높은 운전온도는 전극의 반응속도를 향상시켜 전해셀(SOEC)의 전해반응에 대한 저항을 줄일 수 있으며, 이로 인해 셀의 성능이 향상될 수 있다.In a solid oxide electrolytic cell, a hydrogen (or fuel) electrode is an electrode in which a reaction occurs in which water vapor is reduced to hydrogen (or fuel). The oxygen electrode is an electrode where oxygen ions are oxidized to oxygen. The high operating temperature of the solid oxide electrolytic cell improves the reaction rate of the electrode, thereby reducing the resistance to the electrolysis reaction of the electrolytic cell (SOEC), thereby improving the performance of the cell.

고온전기분해의 원리는 기본적으로 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)의 역방향 반응 공정으로, 고온전기분해기술은 장치 및 운영방법 등 많은 부분에서 연료전지와 기술공유가 가능하므로, 연료전지의 기술을 수소 및 탄화수소 생산에 그대로 이용할 수가 있어 수소(탄화)생산 및 연료전지 기술의 동반 발전을 기대할 수 있다.The principle of high-temperature electrolysis is basically a reverse reaction process of a solid oxide fuel cell (SOFC), and a high-temperature electrolysis technique can share a technology with a fuel cell in many parts such as a device and an operating method. Can be used for the production of hydrogen and hydrocarbons as well as hydrogen (carbonization) production and fuel cell technology.

특히, 고온전기분해를 이용한 수소생산을 통해서 잉여전력을 수소에너지 형태로 저장할 수 있으며, 전력이 부족한 피크 부하시에는 고체산화물 연료전지 기능으로 전환하여 생산된 수소 및 탄화수소 연료를 소비하여 전력생산이 가능하기 때문에, 전력저장 및 피크부하 조절 기능을 함으로써 전력설비의 활용을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 2012년에 시행될 신재생에너지 의무할당제(RPS)에 대비할 수 있다.In particular, surplus power can be stored in hydrogen energy form through hydrogen production using high temperature electrolysis. In the case of peak load with insufficient power, it can be converted into solid oxide fuel cell function and produce electricity by consuming produced hydrogen and hydrocarbon fuel. Therefore, power storage and peak load control functions can maximize utilization of power facilities and prepare for the renewable energy duty allocation system (RPS) to be implemented in 2012.

고체산화물 연료전지 및 전해셀은 사용되는 재료와 응용분야에 따라 800 내지 1,000℃ 부근에서 작동하는 고온형, 650 내지 800℃에서 작동하는 중온형, 650℃ 이하에서 작동하는 저온형으로 나뉘어 개발되고 있으며, 기계적 강도를 유지하는 지지체 역할을 담당하는 구성요소에 따라 연료(수소)극 지지체식, 전해질 지지체식, 금속 지지체식으로 구분한다.The solid oxide fuel cell and the electrolytic cell are divided into a high-temperature type operating at about 800 to 1,000 ° C, a mesophilic type operating at 650 to 800 ° C and a low-temperature type operating at 650 ° C or less depending on the materials and applications to be used , And a fuel (hydrogen) electrode support type, an electrolyte support type, and a metal support type, depending on components that serve as a support for maintaining mechanical strength.

이중 연료(수소)극 지지체식 구조를 가지는 평판형 고체산화물 연료전지 및 전해셀은 매우 얇은 두께(10 내지 30 ㎛)의 전해질 막을 연료(수소)극 지지체 위에 입힌 형태로서, 종전의 전해질 지지체식 구조보다 낮은 온도(700 내지 800℃)에서 작동이 가능할 뿐만 아니라, 값싼 금속 연결재(분리판)의 사용이 가능하다는 장점이 있다.A planar solid oxide fuel cell having a dual fuel (hydrogen) electrode support structure and an electrolytic cell are formed by coating an electrolyte membrane having a very thin thickness (10 to 30 탆) on a fuel (hydrogen) electrode support, Not only is it possible to operate at lower temperatures (700 to 800 ° C), it also has the advantage of using cheap metal connectors (separator plates).

일반적으로, 연료(수소)극 지지체식 단전지는 먼저 연료(수소)극 지지체를 형성하여 1,200 내지 1,450℃ 정도의 고온에서 예비 소결체를 얻은 다음, 연료(수소)극 지지체 위에 연료(수소)극 기능층을 코팅하고 1,250℃ 내외의 온도에서 열처리한다. 그 다음, 전해질층을 코팅하고 1,500℃ 이상의 고온에서 연료(수소)극과 함께 동시에 소결한다. 그 이후 전해질 층 위에 공기극을 코팅하고 열처리하여 단전지를 제조한다.In general, a fuel (hydrogen) pole support type unit cell first forms a fuel (hydrogen) pole support, obtaining a pre-sintered body at a high temperature of about 1,200 to 1,450 ° C, And heat-treated at a temperature of about 1,250 ° C. Then, the electrolyte layer is coated and sintered simultaneously with the fuel (hydrogen) electrode at a high temperature of 1,500 ° C or higher. After that, an air electrode is coated on the electrolyte layer and heat treatment is performed to produce a unit cell.

고체산화물 연료전지 및 전해셀의 연료(수소)극은 연료의 산화 및 수증기(이산화탄소)의 환원에 대한 전기화학반응이 일어나는 장소(site)를 제공한다. 백금(Pt)과 같은 귀금속 그리고 니켈(Ni)과 코발트(Co)와 같은 전이금속이 연료(수소)극의 재료로 사용된다. 그러나, 귀금속계 재료는 높은 가격 때문에 일반적으로 사용되지 않으며, 니켈(Ni)은 고온에서의 높은 전기화학 반응성으로 인해 연료전지와 고온전기분해에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 니켈(Ni)은 전자전도성만을 가지기 때문에 전기화학반응이 일어나는 전극과 전해질의 계면, 즉 삼상계면(TPB, triple phase boundary)에서의 전기화학반응을 확장시키기 위하여, 니켈(Ni) 입자들은 이온전도성을 갖는 전해질 물질과 혼합하여 전극으로 사용한다. 이러한 유형의 전극을 cermet(세라믹과 금속의 혼합물) electrode라 한다.The solid oxide fuel cell and the fuel (hydrogen) electrode of the electrolytic cell provide a site where the electrochemical reaction of the oxidation of the fuel and the reduction of water vapor (carbon dioxide) takes place. Noble metals such as platinum (Pt) and transition metals such as nickel (Ni) and cobalt (Co) are used as the material of the fuel (hydrogen) electrode. However, precious metal-based materials are not commonly used because of their high cost, and nickel (Ni) is widely used in fuel cells and hot electrolysis due to its high electrochemical reactivity at high temperatures. However, since nickel (Ni) has only electronic conductivity, in order to extend the electrochemical reaction at the interface between the electrode where the electrochemical reaction occurs and the electrolyte (TPB, triple phase boundary), nickel (Ni) It is used as an electrode by mixing with an electrolyte material having conductivity. This type of electrode is called a cermet (a mixture of ceramic and metal) electrode.

전해질 물질로는 지르코니아(ZrO2)를 기반으로 하는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ, yittria-stabilized zirconia)와, 세리아(CeO2)를 기반으로 하는 GDC(gadolinium-doped CeO2) 또는 SDC(samarium-doped ceria)를 주로 사용한다.The electrolyte material is stabilized yttria based on the zirconia (ZrO 2) zirconia (YSZ, yittria-stabilized zirconia), and a ceria-GDC that is based on a (CeO 2) (gadolinium-doped CeO 2) or SDC (samarium-doped ceria) is mainly used.

고체산화물 연료전지 및 전해셀의 공기극에서는 산소의 환원 및 산소이온의 산화반응이 일어나며, 전극 물질로는 전자전도의 성질을 갖는 ABO3 형태의 페로브스카이트(perovskite) 구조의 혼합산화물을 가장 흔하게 사용하는데, 대표적인 공기극 물질로는 란탄-스트론튬-망간 산화물(LSM, lanthanum strontium manganate), 란탄-스트론튬-코발트 산화물(LSC, lanthanum strontium cobaltite), 란탄-스트론튬-철 산화물(LSF, lanthanum strontium ferrite), 란탄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF, lanthanum strontium cobaltite ferrite) 등이 있다.In the solid oxide fuel cell and the cathode of the electrolytic cell, reduction of oxygen and oxidation of oxygen ions occur. As the electrode material, a mixed oxide of the perovskite structure of ABO 3 type, which has the property of electron conduction, Typical cathode materials are lanthanum strontium manganate (LSM), lanthanum strontium cobaltite (LSC), lanthanum-strontium iron oxide (LSF), lanthanum strontium ferrite, And lanthanum-strontium-cobaltite (LSCF) lanthanum strontium cobaltite ferrite.

일반적으로, 동일한 재료와 제조방법으로 제조한 고체산화물 연료전지 및 전해셀에 있어서, 수증기를 전기분해하여 수소(탄화)를 생산하는 전기분해 모드에서의 셀 성능은 수소를 연료로 하여 전기를 발생시키는 연료전지(갈바닉) 모드에서의 셀 성능과 동일하게 나타나지 않는다. 이와 같이, 이 두 모드에서의 셀 성능은 전극물질에 크게 의존하는데, 고체산화물 연료전지 및 전해셀에 많이 사용하는 Ni-YSZ 전극의 경우 수증기 전해에 대한 전기화학적 성능이 수소의 산화반응에 대한 성능보다 낮다고 알려져 있다. 그러므로, 고체산화물 연료전지와 동일한 구조를 가지는 단전지를 고체산화물 전해셀로 사용할 때에는 셀 성능이 감소하기 때문에 효율측면에서 불리할 수 있다.Generally, in a solid oxide fuel cell and an electrolytic cell manufactured by the same material and manufacturing method, cell performance in an electrolysis mode in which water vapor is electrolyzed to produce hydrogen (carbonized) It does not appear the same as the cell performance in the fuel cell (galvanic) mode. As described above, the cell performance in these two modes is highly dependent on the electrode material. In the case of the Ni-YSZ electrode used for the solid oxide fuel cell and the electrolytic cell, the electrochemical performance for the water vapor electrolysis is influenced by the performance Respectively. Therefore, when a unit cell having the same structure as that of the solid oxide fuel cell is used as the solid oxide electrolytic cell, the cell performance is deteriorated, which is disadvantageous from the viewpoint of efficiency.

최근 연구에서 세리아 기반물질인 Ni-GDC, Ni-SDC 전극이 연료전지와 전기분해 모드에서 모두 비교적 안정적이고 높은 성능이 측정된 것으로 보고되었다. 따라서 연료(수소)전극으로 Ni-GDC 복합전극과 GDC 전해질, 또는 Ni-SDC 복합전극과 SDC 전해질을 사용한다면, Ni-YSZ 전극과 YSZ 전해질로 구성되는 연료전지 및 전해셀에서 보다 높은 성능을 기대할 수 있을 것이다.In a recent study, it was reported that ceria-based materials such as Ni-GDC and Ni-SDC electrodes were relatively stable and high-performance measured in fuel cell and electrolysis mode. Therefore, if Ni-GDC composite electrode and GDC electrolyte or Ni-SDC composite electrode and SDC electrolyte are used as fuel (hydrogen) electrode, higher performance can be expected in fuel cell and electrolytic cell composed of Ni-YSZ electrode and YSZ electrolyte It will be possible.

그런데, 세리아 기반 물질은 혼합전도성을 가지기 때문에, 세리아 기반 전해질을 가지는 셀의 개회로전압(OCV, open circuit voltage)은 일반적으로 네른스트 전압(Nernst Voltage) 보다 낮다. 또, 전기분해 시스템에서 가해지는 높은 전압은 세리아 전해질 내에서 Ce4 +를 Ce3 +로 환원시켜 이온이동계수를 저하시킬 수 있기 때문에 전기분해에 대한 전해질로는 적합하지 않을 수 있다.However, since the ceria-based material has mixed conductivity, the open circuit voltage (OCV) of a cell having a ceria-based electrolyte is generally lower than the Nernst Voltage. In addition, the high voltage applied in the electrolysis system may not be suitable as an electrolyte for electrolysis since it can reduce the ion mobility coefficient by reducing Ce 4 + to Ce 3 + in the ceria electrolyte.

또한, 세리아 기반 전해질은 YSZ 전해질보다 비교적 낮은 기계적 강도를 가지고 있다. 그러므로 Ni-GDC 및 Ni-SDC 연료(수소)전극 지지체 셀은 기계적 강도 문제로 적합하지 않다. 세리아 기반 전해질을 사용하기 위해서는, 셀의 기계적 강도를 높일 수 있는 금속지지체식 연료전지 또는 전해셀이 적합하다고 볼 수 있다. 그러나 전기분해의 경우에는 수증기 함량이 높은 환경에서 운전되기 때문에, 금속지지체의 산화가 문제가 되어 사실상 금속지지체식 전해셀을 그대로 사용하기에는 곤란하다. 그러므로 전기분해셀의 경우 YSZ를 전해질로 사용하면서도 전극 성능을 높일 수 있는 새로운 재료의 개발이 필요하다.
In addition, ceria based electrolytes have relatively low mechanical strengths than YSZ electrolytes. Therefore, Ni-GDC and Ni-SDC fuel (hydrogen) electrode support cells are not suitable for mechanical strength problems. In order to use a ceria-based electrolyte, a metal-supported fuel cell or an electrolytic cell capable of increasing the mechanical strength of the cell is suitable. However, in the case of electrolysis, since oxidation is carried out in an environment where the water vapor content is high, oxidation of the metal support is a problem, and it is practically difficult to use the electrolytic cell of the metal support type. Therefore, it is necessary to develop new materials that can improve the electrode performance while using YSZ as the electrolyte in the electrolytic cell.

상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전기를 생산하는 연료전지(SOFC) 모드와 수소(또는 탄화수소)를 생산하는 전해(SOEC) 모드에서 Ni-YSZ 연료(수소)전극의 내구성을 유지하면서 셀 성능을 향상시킬 수 있는 고체산화물 연료전지와 전해셀 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems and to provide a method of manufacturing a fuel cell (SOFC) for producing electricity and a method for producing a hydrogen- And to provide a solid oxide fuel cell, an electrolytic cell and a method of manufacturing the solid oxide fuel cell.

구체적으로, 본 발명의 목적은 연료전지와 전기분해의 두 모드에서 모두 셀 성능이 우수한 세리아(CeO2) 기반 연료(수소)전극과 전해질이 기계적 강도가 취약하다는 단점을 극복하기 위한 것으로, 기계적 강도가 우수한 기존의 Ni-YSZ 연료(수소)전극과 YSZ 전해질로 구성되는 전해셀을 그대로 사용하여 별도의 열처리 없이 혹은 간단한 예비열처리로 고체산화물 연료전지 및 전해셀의 성능을 향상시키면서, 기계적 강도가 우수한 특성의 안정적인 연료(수소)전극을 갖는 고체산화물 연료전지와 전해셀 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
Specifically, the object of the present invention is to overcome the disadvantage that the cerium (CeO 2 ) -based fuel (hydrogen) electrode and the electrolyte which are excellent in the cell performance in both the fuel cell and the electrolysis mode are weak in the mechanical strength, (Hydrogen) electrode and YSZ electrolytic cell, which is superior to the existing Ni-YSZ fuel (hydrogen) electrode, can improve the performance of the solid oxide fuel cell and the electrolytic cell by a simple preliminary heat treatment without any heat treatment. A solid oxide fuel cell having a stable fuel (hydrogen) electrode, and an electrolytic cell and a method of manufacturing the same.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, Gd(가돌리늄) 산화물, Gd-도핑된 세리아, Gd 염, Sm(사마륨) 산화물, Sm-도핑된 세리아, Sm 염, 세리아, 세리아 염으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 함침성분을 포함하는 함침액으로 함침된 연료(수소)전극층; 연료(수소)전극층 상부에 형성되는 전해질층; 및 전해질층 상부에 형성되는 공기(산소)전극층을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 전해셀을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a process for the production of a semiconductor material comprising the steps of: (a) preparing a compound represented by the following general formula (1): wherein R 1 is selected from the group consisting of Gd (gadolinium) oxide, Gd-doped ceria, Gd salt, Sm (samarium) oxide, Sm-doped ceria, Sm salt, A fuel (hydrogen) electrode layer impregnated with an impregnation solution containing at least one impregnation component; An electrolyte layer formed on the fuel (hydrogen) electrode layer; And an air (oxygen) electrode layer formed on the electrolyte layer, and an electrolytic cell.

본 발명에서 연료(수소)전극층은 니켈 및 지르코니아를 포함하며, 바람직하게는 Ni-YSZ로 구성된다.In the present invention, the fuel (hydrogen) electrode layer includes nickel and zirconia, preferably Ni-YSZ.

본 발명에서 전해질층은 지르코니아, 세리아, 비스무스 산화물, 및 LaSrGaMg 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In the present invention, the electrolyte layer may include at least one selected from the group consisting of zirconia, ceria, bismuth oxide, and LaSrGaMg oxide.

본 발명에서 연료(수소)전극층 및 전해질층 각각에 사용되는 지르코니아는 이트리아, 스칸디아, 마그네시아 또는 산화 칼슘으로 안정화된 지르코니아이며, 바람직하게는 이트리아로 안정화된 지르코니아(YSZ)이다.The zirconia used in each of the fuel (hydrogen) electrode layer and the electrolyte layer in the present invention is zirconia stabilized with yttria, scandia, magnesia or calcium oxide, preferably yttria stabilized zirconia (YSZ).

본 발명에서 연료(수소)전극층의 표면에 함침되는 함침성분의 농도는 1 내지 50 mg/㎠인 것이 바람직하다.In the present invention, the concentration of the impregnation component impregnated on the surface of the fuel (hydrogen) electrode layer is preferably 1 to 50 mg / cm 2.

본 발명에서 함침액은 함침성분을 포함하는 현탁액, 용액 또는 용융액 형태일 수 있으며, 함침성분으로 사용되는 염은 질산염, 황산염, 염화물 또는 수화염일 수 있다.In the present invention, the impregnation solution may be in the form of a suspension, a solution or a melt containing the impregnation component, and the salt used as the impregnation component may be nitrate, sulfate, chloride or hydrated salt.

또한, 본 발명은 연료(수소)전극층을 형성하는 단계; 연료(수소)전극층 상부에 전해질층을 형성하는 단계; Gd 산화물, Gd-도핑된 세리아, Gd 염, Sm 산화물, Sm-도핑된 세리아, Sm 염, 세리아, 세리아 염으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 함침성분을 포함하는 함침액으로 연료(수소)전극층을 함침하는 단계; 및 전해질층 상부에 공기(산소)전극층을 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 전해셀의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a fuel cell, comprising: forming a fuel (hydrogen) electrode layer; Forming an electrolyte layer on the fuel (hydrogen) electrode layer; Wherein the impregnation liquid contains at least one impregnation component selected from the group consisting of Gd oxide, Gd-doped ceria, Gd salt, Sm oxide, Sm-doped ceria, Sm salt, ceria, ; And forming an air (oxygen) electrode layer on the electrolyte layer. The present invention also provides a method of manufacturing an electrolytic cell.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 함침성분을 사전 열처리로서 200 내지 1400℃의 범위에서 1회 이상 열처리한 후(하소단계), 운전초기단계에서 환원처리를 수행할 수 있다. 운전온도인 400℃ 내지 950℃의 범위에서 전기분해 또는 연료전지모드로 운전시, 수소 또는 탄화수소 연료가스에 의해서 환원 전처리가 수행된다. 환원 전처리시 초기 연료(수소)극에 사용한 NiO-YSZ는 Ni(니켈) 금속으로 환원되어 Ni-YSZ의 복합체로 전환되면서 전극의 역할을 하는 물질로 형성된다.According to an embodiment of the present invention, the impregnation component may be subjected to a heat treatment at a temperature of 200 to 1400 캜 at least once (calcining step), followed by a reduction treatment at an initial stage of operation. When operating in the electrolysis or fuel cell mode in the operating temperature range of 400 ° C to 950 ° C, reduction pretreatment is carried out with hydrogen or hydrocarbon fuel gas. The NiO-YSZ used for the initial fuel (hydrogen) electrode in the reduction pretreatment is formed of a material that acts as an electrode while being reduced to Ni (nickel) metal and converted into a composite of Ni-YSZ.

본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 함침성분을 사전 열처리 없이 정상운전에 의해 동시소결하여 운전초기단계에서 열처리와 환원처리를 동시에 수행할 수 있다. 이럴 경우 앞서의 200 내지 1400℃의 범위에서의 열처리 없이도 직접 환원 전처리(400℃~950℃)가 하소단계를 대신하며 함침된 전극으로서의 역할을 수행하게 된다.According to another embodiment of the present invention, the impregnation component can be simultaneously sintered in a normal operation without a pre-heat treatment, so that the heat treatment and the reduction treatment can be simultaneously performed at the initial stage of operation. In this case, the direct reduction pretreatment (400 ° C. to 950 ° C.) instead of the above-mentioned heat treatment in the range of 200 to 1400 ° C. replaces the calcination step and serves as the impregnated electrode.

본 발명의 제조방법에서 일정한 양의 함침성분이 함침될 때까지 반복적으로 함침할 수 있다.
In the production process of the present invention, a certain amount of impregnation component can be repeatedly impregnated until impregnation.

본 발명은 Ni-YSZ 연료(수소)전극에 Gd2O3 또는 Sm2O3 세라믹 분체의 현탁액(또는 GDC 또는 SDC 분체의 현탁액)을 함침하거나, 이와 동등한 효과로서 Gd 염 및 Sm 염을 (수)용액에 용해(또는 용융 용해)하여 연료(수소)극에 함침시킨 후, 이러한 단전지를 미리 열처리하거나 열처리 없이 정상운전 온도로 승온하는 과정에서 동시소결함으로써, 전기생산 및 전기분해 성능이 우수하고 제조방법이 간단한 고체산화물 연료전지와 전해셀 및 이의 제조방법을 제공한다. 이로써 고체산화물 연료전지 및 전해셀의 제조시간 및 공정이 단축되고 셀 제조에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한, 세리아 기반 전해질과 연료(수소)극이 가지는 기계적 강도의 취약성을 극복하면서, YSZ 기반 전해질과 연료(수소)극이 세리아 기반의 전극보다 저하되는 성능을 동시에 보완할 수 있다. 따라서 Gd2O3 또는 Sm2O3(또는 GDC, SDC, Gd 염 또는 Sm 염)이 함침된 Ni-YSZ 연료(수소)극층은 수증기 전해시의 SOEC와 SOFC 모드에서 안정적인 고성능을 나타내면서 고내구성을 갖는다.
The present invention is characterized by impregnating a suspension of Gd 2 O 3 or Sm 2 O 3 ceramic powder (or a suspension of GDC or SDC powder) to a Ni-YSZ fuel (hydrogen) electrode, (Or hydrogen) pole in a solution (or melting and dissolving) the solution to a fuel (hydrogen) solution and then simultaneously sintering the unit cell in a process of heating the unit cell beforehand or heating it to a normal operating temperature without heat treatment. A solid oxide fuel cell, an electrolytic cell and a method of manufacturing the same are provided. Thus, the manufacturing time and process of the solid oxide fuel cell and the electrolytic cell can be shortened, and the cost for manufacturing the cell can be reduced. In addition, YSZ-based electrolytes and fuel (hydrogen) electrodes are able to overcome the performance degradation of ceria-based electrolytes and fuel (hydrogen) electrodes at the same time while overcoming the weakness of mechanical strength. Therefore, the Ni-YSZ fuel (hydrogen) electrode layer impregnated with Gd 2 O 3 or Sm 2 O 3 (or GDC, SDC, Gd salt or Sm salt) exhibits stable high performance in SOEC and SOFC modes in water vapor electrolysis and has high durability .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 Gd 또는 Sm 성분이 함침된 연료(수소)극 지지체식 고체산화물 연료전지 및 전해셀의 단전지 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 Gd 함침량(0, 5.2, 10.4, 20.4 mg/㎠)에 따른 Ni-YSZ 연료(수소)극의 동시소결 전 미세구조를 전자현미경(SEM)으로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 800℃, H2O/H2= 70/30의 분위기에서 Gd 함침 Ni-YSZ 전극, Ni-YSZ 전극, Ni-GDC 전극에 대하여 SOFC/SOEC 모드에서 전류/과전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 H2O/H2=70/30의 분위기에서 Gd 함침 Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ셀의 작동온도변화(700℃, 750℃, 800℃)에 따른 전류/전압 성능의 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 800℃에서 Gd 함침 Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ셀의 수증기 양의 변화(H2O/H2=50/50, 70/30, 90/10)에 따른 전류/전압 성능의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 800℃, 0.1A/㎠, H2O/H2=70/30의 수증기 조건에서, 200시간 동안 Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ 셀(A) 및 Gd 함침 Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ 셀(B)의 내구성 테스트 결과를 도시한 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a configuration of a single cell of a fuel (hydrogen) electrode support type solid oxide fuel cell and an electrolytic cell impregnated with a Gd or Sm component according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 2 shows electron micrographs (SEM) of microstructure of Ni-YSZ fuel (hydrogen) electrode before co-sintering according to Gd impregnation amount (0, 5.2, 10.4, 20.4 mg /
3 is 800 ℃, H 2 O / H 2 = Gd -impregnated Ni-YSZ electrode, Ni-YSZ electrode, with respect to the Ni-GDC electrode SOFC / graph showing the current / voltage change in SOEC mode in an atmosphere of 70/30 to be.
4 shows the change of current / voltage performance according to the operating temperature change (700 ° C., 750 ° C., 800 ° C.) of Gd-impregnated Ni-YSZ / YSZ / LSM-YSZ cells in an atmosphere of H 2 O / H 2 = 70 / FIG.
FIG. 5 is a graph showing current / voltage performance according to changes in the amount of water vapor (H 2 O / H 2 = 50/50, 70/30, 90/10) of Gd-impregnated Ni-YSZ / YSZ / LSM-YSZ cells at 800 ° C. FIG.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the Ni-YSZ / YSZ / LSM-YSZ cell (A) and the Gd (YSZ) cell for 200 hours under a steam condition of 800 ° C., 0.1 A / cm 2 and H 2 O / H 2 = 70 / YSZ / LSM-YSZ cell (B) of the impregnated Ni-YSZ / YSZ / LSM-YSZ cell.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료(수소)극 지지체식 고체산화물 연료전지 및 전해셀은 아래로부터 순차적으로 연료(수소)전극층(100), 전해질층(110) 및 공기(산소)전극층(120)으로 구성된다.1, the fuel (hydrogen) electrode support type solid oxide fuel cell and the electrolytic cell according to the present invention sequentially form a fuel (hydrogen) electrode layer 100, an electrolyte layer 110, and air (oxygen) And an electrode layer (120).

연료(수소)전극층(100)은 금속 성분과 전해질 성분의 혼합물로 이루어지는데, 금속성분으로는 니켈, 코발트, 백금 등을 사용할 수 있고, 전해질 성분으로는 지르코니아, 세리아, 비스무스 산화물, LaSrGaMg 산화물 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 지르코니아 기반 전극으로 니켈 및 지르코니아를 포함하며, 더욱 바람직하게는 Ni-YSZ로 구성된다.The fuel (hydrogen) electrode layer 100 is made of a mixture of a metal component and an electrolyte component. Nickel, cobalt, and platinum can be used as the metal component. Examples of the electrolyte component include zirconia, ceria, bismuth oxide, LaSrGaMg oxide, Preferably a zirconia-based electrode containing nickel and zirconia, more preferably Ni-YSZ.

연료(수소)전극층(100)은 Gd 산화물(Gd2O3), Gd-도핑된 세리아(GDC), Gd 염, Sm 산화물(Sm2O3), Sm-도핑된 세리아(SDC), Sm 염, 세리아, 세리아 염 중에서 선택되는 1종 이상의 함침성분을 포함하는 함침액으로 함침된다.The fuel (hydrogen) electrode layer 100 is formed of a material selected from the group consisting of Gd oxide (Gd 2 O 3 ), Gd-doped ceria (GDC), Gd salt, Sm oxide (Sm 2 O 3 ), Sm- , Ceria, and ceria. The impregnation solution is impregnated with impregnation solution containing at least one impregnation component.

함침방법으로는 스포이드를 이용한 첨가법, 스핀코팅, 스프레이코팅, 딥핑 등을 사용할 수 있다. 상기 염으로는 질산염, 황산염, 염화물, 수화염 등을 사용할 수 있다. 함침성분은 상술한 성분 중 하나를 사용하거나 2종 이상 혼용할 수 있으며, 예를 들어 Gd 염 또는 Sm 염의 경우 세리아 또는 세리아 염과 동시에 사용할 수 있다.As the impregnation method, an addition method using a syringe, spin coating, spray coating, dipping, or the like can be used. As the salt, nitrates, sulfates, chlorides, hydrates and the like can be used. The impregnation component may be one of the above-mentioned components or may be used in combination of two or more. For example, in the case of Gd salt or Sm salt, it may be used simultaneously with ceria or ceria.

함침액은 함침성분을 포함하는 현탁액, 용액 또는 용융액 형태일 수 있는데, Gd2O3, GDC, Sm2O3, SDC의 경우 세라믹 분체와 용매 등을 포함하는 현탁액(슬러리) 형태로 사용하고, Gd 염 및 Sm 염의 경우 이들 염을 용해시킨 (수)용액 형태 또는 염을 용융시킨 용융액 형태로 사용할 수 있다. 용액 형태의 경우 함침액의 제조 등의 측면에서 유리한 효과를 갖는다. 또한, 함침액은 점도, 접착성 및 분산성을 조절하기 위해, 유기물 및 유기용매 등을 함유할 수 있다.The impregnation solution may be in the form of a suspension, solution or melt containing the impregnation component. In the case of Gd 2 O 3 , GDC, Sm 2 O 3 and SDC, the impregnation solution is used in the form of a slurry containing ceramic powder, Gd salt and Sm salt can be used in the form of a solution in which these salts are dissolved or in the form of a melt in which a salt is melted. And in the case of solution form, it has an advantageous effect in terms of production of impregnation solution and the like. In addition, the impregnating liquid may contain organic substances, organic solvents, etc. in order to control viscosity, adhesiveness and dispersibility.

예를 들어, Gd2O3, GDC, Sm2O3, SDC 현탁액은 0.1 내지 2 M의 농도를 가지며, 세라믹 분체(Gd2O3, GDC, Sm2O3, SDC) 5 내지 35 wt%, 용매(물, 알코올, 자일렌 등) 60 내지 90 wt%, 유기물(polyvinyl pyrrolidone, polyethylene glycol, butvar 등) 1 내지 10 wt%로 조성될 수 있다.For example, the suspension of Gd 2 O 3 , GDC, Sm 2 O 3 , and SDC has a concentration of 0.1 to 2 M and contains 5 to 35 wt% of ceramic powder (Gd 2 O 3 , GDC, Sm 2 O 3 , SDC) , 60 to 90 wt% of a solvent (water, alcohol, xylene, etc.), and 1 to 10 wt% of organic materials (polyvinyl pyrrolidone, polyethylene glycol, butvar and the like).

수소전극층(100)의 표면에 함침되는 함침성분의 농도는 동시소결에 의해 균질한 특성을 얻고 높은 성능을 얻기 위해, 1 내지 50 mg/㎠인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2 내지 20 mg/㎠이다.The concentration of the impregnation component impregnated on the surface of the hydrogen electrode layer 100 is preferably 1 to 50 mg / cm 2, more preferably 2 to 20 mg / cm 2 to obtain homogeneous characteristics by simultaneous sintering and to obtain high performance. Lt; 2 >

전해질층(110)은 전해질 물질로 이루어지며, 계면접합 특성을 위해 지르코니아계(CaO, MgO, Sc2O3, Y2O3 doped ZrO2), 세리아계(Sm2O3, Gd2O3, Y2O3 doped CeO2), 페로브스카이트(perovskite) 산화물((La,Sr)(Ga,Mg)O3 , Ba(Ce,Gd)O3-δ, 비스무스 산화물 등을 사용할 수 있다. 지르코니아(ZrO2)는 이트리아(Y2O3), 스칸디아(Sc2O3), 마그네시아(MgO) 또는 산화 칼슘(CaO)으로 안정화될 수 있다. 연료(수소)전극층(100)이 Ni-YSZ로 구성될 경우, 이에 대응되게 전해질층(110)도 이트리아로 안정화된 지르코니아(YSZ)로 구성하는 것이 바람직하다.The electrolyte layer 110 is made of an electrolyte material and is composed of zirconia (CaO, MgO, Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 doped ZrO 2 ), ceria (Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 doped CeO 2 ), perovskite oxides ((La, Sr) (Ga, Mg) O 3 , Ba (Ce, Gd) O 3 and bismuth oxide Zirconia (ZrO 2 ) may be stabilized with yttria (Y 2 O 3 ), scandia (Sc 2 O 3 ), magnesia (MgO) or calcium oxide (CaO) It is preferable that the electrolyte layer 110 is made of yttria stabilized zirconia (YSZ).

공기(산소)전극층(120)은 산소의 환원 및 산소이온의 산화반응이 일어나는 전극이며, 전극 물질로는 전자전도의 성질을 갖는 ABO3 형태의 페로브스카이트(perovskite) 구조의 혼합산화물을 가장 흔하게 사용하는데, 대표적인 공기극 물질로는 란탄-스트론튬-망간 산화물(LSM, lanthanum strontium manganate), 란탄-스트론튬-코발트 산화물(LSC, lanthanum strontium cobaltite), 란탄-스트론튬-철 산화물(LSF, lanthanum strontium ferrite), 란탄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF, lanthanum strontium cobaltite ferrite) 등이 있다. 본 발명에서 바람직한 산소전극 물질로는 란탄-스트론튬-망간 산화물(LSM) 또는 란탄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF)을 사용할 수 있다.The air (oxygen) electrode layer 120 is an electrode in which reduction of oxygen and oxidation of oxygen ions occur. As the electrode material, a mixed oxide of a perovskite structure of ABO 3 type having electron conduction property Typical cathode materials include lanthanum-strontium manganate (LSM), lanthanum-strontium cobaltite (LSC), lanthanum-strontium ferrite (LSF) , And lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF, lanthanum strontium cobaltite ferrite). As the oxygen electrode material preferred in the present invention, lanthanum-strontium-manganese oxide (LSM) or lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF) may be used.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 및 전해셀의 제조방법은 (1) NiO(또는 Ni)-YSZ 등으로 이루어진 연료(수소)전극을 형성하는 단계; (2) 연료(수소)전극의 상부에 YSZ 등으로 이루어진 전해질층을 형성하는 단계; (3) Gd2O3, Sm2O3, GDC, SDC, Gd 염 및/또는 Sm 염 등을 포함하는 함침액을 만드는 단계; (4) 함침액으로 연료(수소)전극을 함침하는 단계; (5) 전해질층 상부에 산소전극 물질을 함유하는 슬러리를 도포하여 열처리를 통해 산소전극을 형성하는 단계를 포함한다. 이후, 후속 열처리하거나 동시소결(in-situ sintering) 단계를 거친다.The method of manufacturing a solid oxide fuel cell and an electrolytic cell according to the present invention includes the steps of: (1) forming a fuel (hydrogen) electrode made of NiO (or Ni) -YSZ; (2) forming an electrolyte layer made of YSZ or the like on the fuel (hydrogen) electrode; (3) making an impregnation solution containing Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , GDC, SDC, Gd salt and / or Sm salt, and the like; (4) impregnating a fuel (hydrogen) electrode with an impregnation solution; (5) coating a slurry containing an oxygen electrode material on the electrolyte layer to form an oxygen electrode through heat treatment; Subsequently, a subsequent heat treatment or an in-situ sintering step is performed.

본 발명에서 동시소결이라 함은 고체산화물 연료전지 및 전해셀의 제조에 있어서, 함침성분인 Gd2O3, Sm2O3, GDC, SDC, Gd 염 및/또는 Sm 염의 소결을 위해 별도의 열처리를 수행하지 않고, 고체산화물 연료전지 및 전해셀의 운전을 위해 정상운전 온도로 승온(heating) 또는 정상 운전하는 과정에서 상기 함침성분이 함침된 연료(수소)전극이 소결(열처리)됨을 의미한다.In the present invention, simultaneous sintering refers to a process of sintering a solid oxide fuel cell and an electrolytic cell by sintering the impregnation components Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , GDC, SDC, Gd and / Means that the fuel (hydrogen) electrode impregnated with the impregnation component is sintered (heat-treated) during heating or normal operation to a normal operating temperature for the operation of the solid oxide fuel cell and the electrolytic cell without performing the heat treatment.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 및 전해셀의 경우 정상 운전시의 온도는 800℃ 전후이다. 연료전지 및 전해셀의 운전을 위한 최초 승온시 함침성분이 함침된 연료(수소)전극의 소결이 수행되며, on/off의 반복운전, 운전온도에서의 정상운전에 의해 연료(수소)전극층의 소결이 추가로 진행될 수 있다. 바람직하게는, 상기 운전온도까지의 승온속도는 2.5 내지 3.5℃/분이다.In the case of the solid oxide fuel cell and the electrolytic cell according to the present invention, the temperature during normal operation is around 800 ° C. (Hydrogen) electrode impregnated with an impregnation component at the first elevated temperature for operation of the fuel cell and the electrolytic cell is sintered, and the fuel (hydrogen) electrode layer is sintered by repeated operation of on / Can be added. Preferably, the rate of temperature rise to the operating temperature is 2.5 to 3.5 DEG C / min.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate a person skilled in the art to which the present invention belongs.

[실시예 1][Example 1]

본 실시예는 Gd2O3(또는 Sm2O3) 세라믹 분체의 현탁액(슬러리)을 함침액으로 이용한 경우이다.This embodiment is a case where a suspension (slurry) of Gd 2 O 3 (or Sm 2 O 3 ) ceramic powder is used as an impregnation solution.

(1) 연료(수소)전극 제조를 위해 NiO powder와 8mol% YSZ를 60:40 또는 50:50의 비율로 섞어 기계적으로 혼합시킨다. 또한, 충분한 기공도를 형성시키기 위하여 기공형성제로 12wt% starch를 함께 혼합한다. 에탄올을 사용하여 24시간 동안 습식 볼밀을 수행하고, 70℃의 오븐에서 24시간 건조시킨다. 습득된 파우더를 일축가압 성형(1 metric ton, 30s)을 통해 지지체를 형성하고, 1200℃에서 2시간 소결한다. 만들어진 펠렛은 지름 25.5-26.5 mm, 두께 1.15-1.25 mm이다.(1) NiO powder and 8 mol% YSZ are mixed mechanically at a ratio of 60:40 or 50:50 for fuel (hydrogen) electrode production. Also, 12 wt% starch is mixed together with the pore forming agent to form sufficient porosity. A wet ball mill is performed using ethanol for 24 hours and dried in an oven at 70 DEG C for 24 hours. The obtained powder is formed through uniaxial pressing (1 metric ton, 30s) and sintered at 1200 ° C for 2 hours. The pellets are 25.5-26.5 mm in diameter and 1.15-1.25 mm in thickness.

(2) YSZ 전해질층 딥코팅(dip coating)을 위해 슬러리를 제작하며, 15wt% binder, 2wt% dispersant, 10wt% plasticiser, YSZ powder를 섞어 제조한다. 36시간 동안 습식볼밀을 해주어 딥코팅법을 이용하여 YSZ 전해질층을 형성한다. 형성한 반전지셀(NiO-YSZ/YSZ)은 1500℃에서 4시간 소결하며, 형성된 전해질 층은 22-28 ㎛의 두께를 갖는다.(2) YSZ electrolyte layer A slurry is prepared for dip coating and mixed with 15wt% binder, 2wt% dispersant, 10wt% plasticizer and YSZ powder. A wet ball mill is applied for 36 hours to form a YSZ electrolyte layer by dip coating. The formed reversed zirconia (NiO-YSZ / YSZ) sintered at 1500 ℃ for 4 hours, and the formed electrolyte layer has a thickness of 22-28 ㎛.

(3) 1.2 M의 농도를 가지며, 20 wt% Gd2O3 또는 Sm2O3 파우더, 78 wt% 유기용매(butanol과 xylene의 혼합액), 1 wt% polyvinyl pyrrolidone, 0.5 wt% polyethylene glycol과 0.5 wt% butvar를 함유하는 함침용 Gd2O3 슬러리 용액을 제조한다.(3) A mixture of 20 wt% Gd 2 O 3 or Sm 2 O 3 powder, 78 wt% organic solvent (mixture of butanol and xylene), 1 wt% polyvinyl pyrrolidone, 0.5 wt% polyethylene glycol and 0.5 to prepare an impregnated Gd 2 O 3 slurry solution containing wt% butvar.

(4) 함침을 위해 공기극을 배제하고 전해질과 연료(수소)극 소결체를 함침용 현탁액(슬러리)에 담그고 그 용기 전체를 진공으로 뽑으면, 연료(수소)극 내 기공에서 공기가 배출되면서 함침이 균일하게 일어난다. 균질한 특성을 얻고 높은 성능을 얻기 위한 NiO(또는 Ni)-YSZ 연료(수소)전극에 함침된 Gd2O3의 양은 1~100 mg/㎠로 1회 또는 다수의 횟수로 함침을 반복한다. 함침시킨 후 70℃에서 건조한다.(4) When the air electrode is excluded for immersion and the sintered body of the electrolyte and the fuel (hydrogen) electrode is immersed in the impregnation suspension (slurry) and the entire vessel is evacuated by vacuum, air is discharged from the pores in the fuel It happens. The amount of Gd 2 O 3 impregnated in the NiO (or Ni) -YYSZ fuel (hydrogen) electrode to obtain homogeneous characteristics and obtain high performance is repeated once or more times with 1 to 100 mg / cm 2. Impregnated and dried at 70 ° C.

(5) 마지막으로 공기극 제작(부착)을 위하여 LSM(혹은 LSCF)-YSZ 잉크는 상용파우더를 사용하여 α-terpineol (Sigma Aldrich, USA)과 cellulose를 이용하여 제조한다. LSM(혹은 LSCF)와 YSZ 혼합전극은 50:50 wt%로 제조되었으며, 제작한 잉크를 사용하여 YSZ 전해질 위에 스크린프린팅법을 사용하여 형성하였다. 이후 1100℃에서 2시간동안 소결하여 전극을 제작하고 유효면적은 0.785㎠이며 두께는 25-30 ㎛이다.(5) Lastly, LSM (or LSCF) -YSZ ink is prepared by using α-terpineol (Sigma Aldrich, USA) and cellulose using commercial powder for air electrode production (attachment). LSM (or LSCF) and YSZ mixed electrode were prepared at 50:50 wt% and were formed by screen printing on YSZ electrolyte using the prepared ink. Thereafter, the electrode is sintered at 1100 ° C for 2 hours to form an electrode having an effective area of 0.785 cm 2 and a thickness of 25-30 탆.

[실시예 2][Example 2]

본 실시예는 Gd-doped ceria(GDC) (또는 Sm-doped ceria(SDC)) 세라믹 분체의 현탁액(슬러리)을 함침액으로 이용한 경우이다.This embodiment is a case where a suspension (slurry) of a Gd-doped ceria (GDC) (or Sm-doped ceria (SDC)) ceramic powder is used as an impregnation solution.

(1) 연료(수소)전극 제조를 위해 NiO powder와 8mol% YSZ를 60:40 또는 50:50의 비율로 섞어 기계적으로 혼합시킨다. 또한, 충분한 기공도를 형성시키기 위하여 기공형성제로 12wt% starch를 함께 혼합한다. 에탄올을 사용하여 24시간 동안 습식 볼밀을 수행하고, 70℃의 오븐에서 24시간 건조시킨다. 습득된 파우더를 일축가압 성형(1 metric ton, 30s)을 통해 지지체를 형성하고, 1200℃에서 2시간 소결한다. 만들어진 펠렛은 지름 25.5-26.5 mm, 두께 1.15-1.25 mm 이다.(1) NiO powder and 8 mol% YSZ are mixed mechanically at a ratio of 60:40 or 50:50 for fuel (hydrogen) electrode production. Also, 12 wt% starch is mixed together with the pore forming agent to form sufficient porosity. A wet ball mill is performed using ethanol for 24 hours and dried in an oven at 70 DEG C for 24 hours. The obtained powder is formed through uniaxial pressing (1 metric ton, 30s) and sintered at 1200 ° C for 2 hours. The pellets are 25.5-26.5 mm in diameter and 1.15-1.25 mm in thickness.

(2) YSZ 전해질층 딥코팅(dip coating)을 위해 슬러리를 제작하며, 15wt% binder, 2wt% dispersant, 10wt% plasticiser, YSZ powder를 섞어 제조한다. 36시간동안 습식볼밀을 해주어 딥코팅법을 이용하여 YSZ 전해질층을 형성한다. 형성한 반전지셀(NiO-YSZ/YSZ)은 1500℃에서 4시간 소결하며, 형성된 전해질 층은 22-28 ㎛의 두께를 갖는다.(2) YSZ electrolyte layer A slurry is prepared for dip coating and mixed with 15wt% binder, 2wt% dispersant, 10wt% plasticizer and YSZ powder. A wet ball mill is applied for 36 hours to form a YSZ electrolyte layer by dip coating. The formed reversed zirconia (NiO-YSZ / YSZ) sintered at 1500 ℃ for 4 hours, and the formed electrolyte layer has a thickness of 22-28 ㎛.

(3) 1.2 M의 농도를 가지며, 20 wt% Gd-doped ceria(GDC) (또는 Sm-doped ceria(SDC)) 세라믹 분체 파우더, 78 wt% 유기용매(butanol과 xylene의 혼합액), 1 wt% polyvinyl pyrrolidone, 0.5 wt% polyethylene glycol과 0.5 wt% butvar를 함유하는 Gd-doped ceria(GDC) (또는 Sm-doped ceria(SDC)) 세라믹 분체 현탁액(슬러리) 용액을 제조한다.(3) A powder mixture of 20 wt% Gd-doped ceria (GDC) (or Sm-doped ceria (SDC)) ceramic powder, 78 wt% organic solvent (mixture of butanol and xylene) (GDC) (or Sm-doped ceria (SDC)) ceramic powder suspension (slurry) solution containing 0.5 wt% polyethylene glycol and 0.5 wt% butvar.

(4) 함침을 위해 공기극을 배제하고 전해질과 연료(수소)극 소결체를 함침용 슬러리에 담그고 그 용기 전체를 진공으로 뽑으면 연료(수소)극내 기공에서 공기가 배출되면서 함침이 균일하게 일어난다. 균질한 특성을 얻고 높은 성능을 얻기 위한 Ni-YSZ 연료(수소)전극에 함침된 Gd-doped ceria(GDC) (또는 Sm-doped ceria(SDC)) 세라믹 분체의 양은 1~100 mg/㎠로 1회 또는 다수의 횟수로 함침을 반복한다. 함침시킨 후 70℃에서 건조한다.(4) If the air electrode is excluded for immersion and the sintered body of electrolyte and fuel (hydrogen) electrode is immersed in the slurry for impregnation, and the entire vessel is evacuated by vacuum, the air is discharged from the pores in the fuel (hydrogen) The amount of Gd-doped ceria (GDC) (or Sm-doped ceria (SDC)) ceramic powders impregnated in a Ni-YSZ fuel (hydrogen) electrode for obtaining homogeneous characteristics and high performance is 1 to 100 mg / Repeat the impregnation with as many times or as many times. Impregnated and dried at 70 ° C.

(5) 마지막으로 공기극 제작(부착)을 위하여 LSM(혹은 LSCF)-YSZ 잉크는 상용파우더를 사용하여 α-terpineol (Sigma Aldrich, USA)과 cellulose를 이용하여 제조한다. LSM(혹은 LSCF)와 YSZ 혼합전극은 50:50 wt%로 제조되었으며, 제작한 잉크를 사용하여 YSZ 전해질 위에 스크린프린팅법을 사용하여 형성하였다. 이후 1100℃에서 2시간동안 소결하여 전극을 제작하고 유효면적은 0.785㎠이며 두께는 25-30 ㎛이다.(5) Lastly, LSM (or LSCF) -YSZ ink is prepared by using α-terpineol (Sigma Aldrich, USA) and cellulose using commercial powder for air electrode production (attachment). LSM (or LSCF) and YSZ mixed electrode were prepared at 50:50 wt% and were formed by screen printing on YSZ electrolyte using the prepared ink. Thereafter, the electrode is sintered at 1100 ° C for 2 hours to form an electrode having an effective area of 0.785 cm 2 and a thickness of 25-30 탆.

[실시예 3][Example 3]

본 실시예는 Gd 염(질산) (혹은 Sm 염(질산))의 (수)용액을 함침액으로 이용한 경우이다.This embodiment is a case where a (water) solution of Gd salt (nitric acid) (or Sm salt (nitric acid)) is used as an impregnation solution.

(1) 연료(수소)전극 제조를 위해 NiO powder와 8mol% YSZ를 60:40 또는 50:50의 비율로 섞어 기계적으로 혼합시킨다. 또한, 충분한 기공도를 형성시키기 위하여 기공형성제로 12wt% starch를 함께 혼합한다. 에탄올을 사용하여 24시간동안 습식 볼밀을 수행하고, 70℃의 오븐에서 24시간 건조시킨다. 습득된 파우더를 일축가압 성형(1 metric ton, 30s)을 통해 지지체를 형성하고, 1200℃에서 2시간 소결한다. 만들어진 펠렛은 지름 25.5-26.5 mm, 두께 1.15-1.25 mm 이다.(1) NiO powder and 8 mol% YSZ are mixed mechanically at a ratio of 60:40 or 50:50 for fuel (hydrogen) electrode production. Also, 12 wt% starch is mixed together with the pore forming agent to form sufficient porosity. A wet ball mill is performed using ethanol for 24 hours and dried in an oven at 70 DEG C for 24 hours. The obtained powder is formed through uniaxial pressing (1 metric ton, 30s) and sintered at 1200 ° C for 2 hours. The pellets are 25.5-26.5 mm in diameter and 1.15-1.25 mm in thickness.

(2) YSZ 전해질층 딥코팅(dip coating)을 위해 슬러리를 제작하며, 15wt% binder, 2wt% dispersant, 10wt% plasticiser, YSZ powder를 섞어 제조한다. 36시간동안 습식볼밀을 해주어 딥코팅법을 이용하여 YSZ 전해질층을 형성한다. 형성한 반전지셀(NiO-YSZ/YSZ)은 1500℃에서 4시간 소결하며, 형성된 전해질 층은 22-28 ㎛의 두께를 갖는다.(2) YSZ electrolyte layer A slurry is prepared for dip coating and mixed with 15wt% binder, 2wt% dispersant, 10wt% plasticizer and YSZ powder. A wet ball mill is applied for 36 hours to form a YSZ electrolyte layer by dip coating. The formed reversed zirconia (NiO-YSZ / YSZ) sintered at 1500 ℃ for 4 hours, and the formed electrolyte layer has a thickness of 22-28 ㎛.

(3) Gd 염(질산)(또는 Sm 염) (수)용액은 점도, 접착성 및 분산성을 조절하기 위한 유기물 및 유기용매를 함유할 수 있다. 다른 방법으로는 Gd 염(질산)(또는 Sm 염)의 용융염을 제작하고 이를 그대로 함침시켜도 동일한 효과를 얻는다. 바람직하게는 상기 용액은 0.2 M의 농도를 가지며, 용매로서 물 또는 알콜류를 함유한다. 동시소결에 의해 균질한 특성을 얻으며, 높은 성능을 얻기 위한 NiO(또는 Ni)-YSZ 연료(수소)전극에 함침된 질산염의 양은 1~50 mg/㎠인 것이 바람직하다.(3) The Gd salt (nitric acid) (or Sm salt) (water) solution may contain organic substances and organic solvents for controlling viscosity, adhesiveness and dispersibility. Alternatively, a molten salt of a Gd salt (nitric acid) (or Sm salt) may be prepared and impregnated with the same to obtain the same effect. Preferably, the solution has a concentration of 0.2 M and contains water or alcohols as a solvent. It is preferable that the amount of nitrate impregnated in the NiO (or Ni) -YYSZ fuel (hydrogen) electrode is 1 to 50 mg / cm 2 for achieving homogeneous characteristics by simultaneous sintering.

(4) 함침을 위해 공기극을 배제하고 전해질과 연료(수소)극 소결체를 함침용 Gd(또는 Sm) (수)용액에 담그고 그 용기 전체를 진공으로 뽑으면 연료(수소)극내 기공에서 공기가 배출되면서 염이 용해된 용액의 함침이 균일하게 일어난다. 균질한 특성을 얻고 높은 성능을 얻기 위한 NiO(또는 Ni)-YSZ 연료(수소)전극에 함침된 Gd 염(질산)의 양은 1~100 mg/㎠인 것으로 1회 또는 다수의 횟수로 함침을 반복한다. 함침시킨 후 70℃에서 건조한다.(4) If the air electrode is excluded for immersion and the sintered body of electrolyte and fuel (hydrogen) electrode is immersed in a solution of Gd (or Sm) water for impregnation and the entire vessel is evacuated, air is discharged from pores in the fuel The impregnation of the solution in which the salt is dissolved occurs uniformly. The amount of Gd salt (nitric acid) impregnated in the NiO (or Ni) -YYSZ fuel (hydrogen) electrode for obtaining homogeneous characteristics and high performance is 1 to 100 mg / cm 2, and the impregnation is repeated once or more times do. Impregnated and dried at 70 ° C.

(5) 마지막으로 공기극 제작(부착)을 위하여 LSM(또는 LSCF)-YSZ 잉크는 상용파우더를 사용하여 α-terpineol (Sigma Aldrich, USA)과 cellulose를 이용하여 제조한다. LSM(또는 LSCF)와 YSZ 혼합전극은 50:50 wt%로 제조되었으며, 제작한 잉크를 사용하여 YSZ 전해질 위에 스크린프린팅법을 사용하여 형성하였다. 이후 1100℃에서 2시간동안 소결하여 전극을 제작하고 유효면적은 0.785㎠이며 두께는 25-30 ㎛이다.(5) Lastly, LSM (or LSCF) -YSZ ink is prepared by using α-terpineol (Sigma Aldrich, USA) and cellulose using commercial powders for air electrode fabrication (attachment). LSM (or LSCF) and YSZ mixed electrode were prepared at 50:50 wt%, and were formed by screen printing on YSZ electrolyte using the prepared ink. Thereafter, the electrode is sintered at 1100 ° C for 2 hours to form an electrode having an effective area of 0.785 cm 2 and a thickness of 25-30 탆.

[시험예][Test Example]

도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 Gd2O3 (또는 Sm2O3) 함침량 (a) 0, (b) 5.2, (c) 10.4, (d) 20.4 mg/㎠ 에 따른 Ni-YSZ 전극의 동시소결 전의 미세구조 SEM 분석결과이다. Gd2O3 (또는 Sm2O3) 함침량이 10.4 mg/㎠ 일 때 전극으로서 적당한 미세구조를 가진다.Fig. 2 is a graph showing the relationship between the Gd 2 O 3 (Or Sm 2 O 3) impregnated amount (a) 0, (b) 5.2, (c) 10.4, (d) prior to co-sintering of the Ni-YSZ electrode of the 20.4 mg / ㎠ a microstructure SEM analysis. When the impregnation amount of Gd 2 O 3 (or Sm 2 O 3 ) is 10.4 mg / cm 2, it has an appropriate microstructure as an electrode.

도 3은 H2O/H2 = 70/30(54% H2O + 23% H2 + 23% N2)의 분위기, 800℃의 작동조건하에서 연료전지(SOFC)와 전해(SOEC)모드에서 측정한 연료(수소)전극의 과전압 곡선이다. SOFC와 SOEC 모드에서의 연료(수소)전극의 성능차이를 보기 위해 3전극측정법을 사용하였으며, 측정결과는 Tafel plot을 이용하여 분석하였다. Gd2O3 (또는 Sm2O3) 함침 연료(수소)전극의 전류밀도에 따른 과전압은 Ni-YSZ(환원 전처리 전에는 NiO임, 이하 Ni으로만 표시) 전극과 Ni-GDC 전극에서 측정되어 비교하였다. Ni-YSZ 전극의 활성은 SOFC 모드와 SOEC 모드에서 다르게 나타났는데, 수소 산화에 대한 활성이 수증기 전해반응에 대한 활성보다 높다. 이와는 대조적으로, Ni-GDC 전극에서는 SOFC와 SOEC 모드에서 활성이 비슷하게 나타났으며, 모두 비교적 높은 성능과 활성이 관찰되었다. 이는 Ni-GDC 전극이 SOFC/SOEC의 가역시스템에 더욱 적합하다고 할 수 있다. 동일한 시스템 내에서 SOFC와 SOEC를 고효율로 함께 작동시킬 수 있다면 전체 비용절감에 매우 큰 영향을 줄 것이다.Figure 3 is H 2 O / H 2 = 70/30 (54% H 2 O + 23% H 2 + 23% N 2) atmosphere, a fuel cell (SOFC) under operating conditions of 800 ℃ of the electrolysis (SOEC) mode (Hydrogen) electrode of the fuel cell. The three electrode measurement method was used to compare the performance of the fuel (hydrogen) electrode in the SOFC and SOEC modes. The measurement results were analyzed using a Tafel plot. Gd 2 O 3 (Or Sm 2 O 3) The overvoltage according to the current density of the impregnated fuel (hydrogen) electrode was measured and compared with Ni-YSZ (NiO before reductive pretreatment, hereinafter referred to as Ni only) electrode and Ni-GDC electrode. The activity of the Ni-YSZ electrode was different in SOFC mode and SOEC mode, and the activity for hydrogen oxidation was higher than the activity for water vapor electrolysis reaction. In contrast, Ni-GDC electrodes exhibited similar activity in the SOFC and SOEC modes, all with relatively high performance and activity. This suggests that the Ni-GDC electrode is more suitable for the reversible system of SOFC / SOEC. The ability to operate SOFC and SOEC together with high efficiency in the same system will have a major impact on total cost savings.

도 3에서 전극(Ni-YSZ, Ni-GDC)에서의 Ni 함량은 모두 60wt%로 사용하였으며, 이는 GDC 성분의 전해조에서의 역할, 높은 수증기 분위기 하에서 Ni 표면의 산화를 억제시키는 것과 같은 영향을 나타낸다. 위와 같은 분위기하에서 Ni의 표면산화는 비활성층을 형성하게 되며, 이는 전해조건에서 전극의 성능저감에 대한 이유가 된다. 그런데, Ni-YSZ 전극에 Gd2O3 (또는 Sm2O3)를 함침시킨 경우는 SOFC에서의 활성이 SOEC 모드에서보다 높게 나타났으나, Gd2O3 (또는 Sm2O3) 성분을 함침시키지 않은 Ni-YSZ 전극에 비하여 SOEC에서의 활성이 높아졌고, SOEC와 SOFC 모드에서 비교적 대칭적인 경향을 나타내었다.In FIG. 3, the Ni content in the electrode (Ni-YSZ, Ni-GDC) was all 60 wt%, which indicates the role of the GDC component in the electrolytic bath and the inhibition of oxidation of the Ni surface in a high water vapor atmosphere . Under the above atmosphere, the surface oxidation of Ni forms an inactive layer, which is a reason for the performance reduction of the electrode under electrolysis conditions. However, when the Ni-YSZ electrode is doped with Gd 2 O 3 (Or Sm 2 O 3 ), SOFC activity was higher than that in SOEC mode, but Gd 2 O 3 (Or Sm 2 O 3) The activity at SOEC was higher than that of Ni-YSZ electrode without impregnation, and showed a relatively symmetrical tendency in SOEC and SOFC modes.

도 4는 Gd2O3 (또는 Sm2O3) 함침된 Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ 셀의 성능과 내구성 실험 결과이다. 작동온도에 따른 SOEC 성능의 변화를 살펴보았으며, H2O/H2 비율은 70/30으로 고정하였으며, 작동온도만 700℃, 750℃, 800℃로 각각 변화시켰다. 예상한 것과 같이 작동온도가 증가할수록 SOEC의 성능은 증가하며, 이는 SOFC의 성능이 증가하는 것과 비슷한 경향이다.FIG. 4 is a graph showing the relationship between Gd 2 O 3 (Or Sm 2 O 3 ) impregnated Ni-YSZ / YSZ / LSM-YSZ cell. The H 2 O / H 2 ratio was fixed at 70/30 and the operating temperature was changed to 700 ° C, 750 ° C and 800 ° C respectively. As expected, as the operating temperature increases, the performance of SOEC increases, which is similar to the increase in SOFC performance.

도 5에서 SOFC와 SOEC모드에서 수증기함량에 따른 셀 성능의 변화를 살펴보았다. 전류/전압 곡선은 H2O/H2 비율에 따라 변화하였으며, 그 비율은 H2O/H2 = 50/50, 70/30, 90/10으로 나누어 측정하고, 온도는 800℃로 고정하였다. 수증기함량이 높아질수록 OCV는 감소하였으며, 이는 네른스트 포텐셜과 일치한다. Gd2O3 (또는 Sm2O3) 함침된 Ni-YSZ 셀에서, 수증기 함량이 변화함에 따라 SOFC 모드에서는 성능이 달라졌으나, 이와 달리 SOEC 모드에서는 수증기함량 변화에 크게 관계없이 비슷한 성능이 측정되었다. Ni-GDC 전극은 H2O/H2비율을 50/50에서 70/30으로 증가하였을 때 과전압이 살짝 증가하였으며, 50/50에서 90/10으로 증가시켰을 때는 과전압이 확연하게 증가하였다. 이는 산소분압에 따른 GDC 전도도의 민감도에서 비롯한 것이라 판단되며, GDC를 전극물질로 사용하는데 있어 단점으로 작용할 수 있다. 그러나, 미량의 Gd2O3 (또는 Sm2O3) 함침법을 사용하였을 때에는 크게 부정적인 영향이 나타나지 않음을 확인하였다.FIG. 5 shows changes in cell performance depending on the water vapor content in the SOFC and SOEC modes. The current / voltage curve varied with the H 2 O / H 2 ratio, the ratio being H 2 O / H 2 = 50/50, 70/30 and 90/10, and the temperature was fixed at 800 ° C. The higher the water vapor content, the lower the OCV, which is consistent with the Nernst potential. Gd 2 O 3 (Or Sm 2 O 3 ) impregnated Ni-YSZ cell, the performance was changed in the SOFC mode as the water vapor content was changed. In contrast, in the SOEC mode, a similar performance was measured regardless of the change in the water vapor content. The overvoltage was slightly increased when the H 2 O / H 2 ratio was increased from 50/50 to 70/30, and the overvoltage was significantly increased when the ratio was increased from 50/50 to 90/10. This is considered to be due to the sensitivity of GDC conductivity depending on the oxygen partial pressure, which can be a disadvantage in using GDC as an electrode material. However, a trace amount of Gd 2 O 3 (Or Sm 2 O 3 ) impregnation method was used.

도 6은 800℃에서 전류밀도 0.1 A㎠, 70/30의 H2O/H2 비율에서 Gd2O3 (또는 Sm2O3)함침된 Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ 셀과 기존에 주로 사용하는 Ni-YSZ/YSZ/ LSM-YSZ 셀의 200시간동안의 내구성을 시험한 결과이다. 그 결과, Gd2O3 (또는 Sm2O3)를 함침시켰을 때 성능의 내구성은 확연하게 향상되었으며, 이를 통해 NiO(Ni)-YSZ 연료(수소)전극에 Gd2O3 (또는 Sm2O3)를 함침시키는 것은 간단하면서도 효율적인 성능 및 내구성 향상방법인 것을 확인하였다. 실시예 2(GDC 또는 SDC 분체 현탁액 함침), 실시예 3(Gd 염 또는 Sm 염 (수)용액 또는 용융액 함침)에 대한 각각의 시험결과도 상기와 동일하다.6 is a graph showing the relationship between the concentration of Gd 2 O 3 at 800 ° C and the current density of 0.1 A cm 2 , H 2 O / H 2 ratio of 70/30 (Or Sm 2 O 3) is the result of the durability test for 200 hours of the impregnated Ni-YSZ / YSZ / LSM- YSZ cells with Ni-YSZ / YSZ / LSM- YSZ cell mainly used in conventional. As a result, Gd 2 O 3 (Or Sm 2 O 3 ), the durability of the performance is significantly improved, and it is easy to impregnate Gd 2 O 3 (or Sm 2 O 3 ) into the NiO (Ni) -YYSZ fuel But it is an efficient method of improving performance and durability. The test results for Example 2 (impregnation with GDC or SDC powder suspension) and Example 3 (Gd salt or Sm salt solution or melt impregnation) are the same as described above.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

100: 연료(수소)전극층
110: 전해질층
120: 공기(산소)전극층
100: fuel (hydrogen) electrode layer
110: electrolyte layer
120: air (oxygen) electrode layer

Claims (11)

함침성분으로 Sm2O3 5 내지 35 wt%, 용매로서 부탄올과 크실렌의 혼합액 60 내지 90 wt%, 폴리비닐피롤리돈과 폴리에틸렌글리콜을 포함하는 유기물 1 내지 10 wt%로 조성되는 함침액으로 함침된 연료(수소)전극층;
연료(수소)전극층 상부에 형성되는 전해질층; 및
란탄-스트론튬-망간 산화물 또는 란탄-스트론튬-코발트-철 산화물, 이트리아로 안정화된 지르코니아, α-터피네올, 셀룰로오스를 이용하여 전해질층 상부에 형성되는 공기(산소)전극층을 포함하고,
연료(수소)전극층은 니켈 및 지르코니아를 포함하며,
전해질층은 지르코니아, 세리아, 비스무스 산화물, 및 LaSrGaMg 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고,
지르코니아는 이트리아, 스칸디아, 마그네시아 또는 산화 칼슘으로 안정화된 지르코니아이며,
연료(수소)전극층의 표면에 함침되는 함침성분의 농도는 8 내지 12 mg/㎠이고,
함침액은 함침성분을 포함하는 현탁액인 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해셀.
Impregnated with an impregnation solution comprising 5 to 35 wt% of Sm 2 O 3 as an impregnation component, 60 to 90 wt% of a mixed solution of butanol and xylene as a solvent, and 1 to 10 wt% of organic materials containing polyvinylpyrrolidone and polyethylene glycol A fuel (hydrogen) electrode layer;
An electrolyte layer formed on the fuel (hydrogen) electrode layer; And
(Oxygen) electrode layer formed on the electrolyte layer by using lanthanum-strontium-manganese oxide or lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide, yttria stabilized zirconia,? -Terpineol or cellulose,
The fuel (hydrogen) electrode layer includes nickel and zirconia,
Wherein the electrolyte layer comprises at least one selected from the group consisting of zirconia, ceria, bismuth oxide, and LaSrGaMg oxide,
Zirconia is zirconia stabilized with yttria, scandia, magnesia or calcium oxide,
The concentration of the impregnation component impregnated on the surface of the fuel (hydrogen) electrode layer is 8 to 12 mg / cm 2,
Wherein the impregnating liquid is a suspension containing an impregnating component.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 따른 고체산화물 전해셀의 제조방법으로서,
연료(수소)전극층을 형성하는 단계;
연료(수소)전극층 상부에 전해질층을 형성하는 단계;
함침성분으로 Sm2O3 5 내지 35 wt%, 용매로서 부탄올과 크실렌의 혼합액 60 내지 90 wt%, 폴리비닐피롤리돈과 폴리에틸렌글리콜을 포함하는 유기물 1 내지 10 wt%로 조성되는 함침액으로 연료(수소)전극층을 함침하는 단계; 및
란탄-스트론튬-망간 산화물 또는 란탄-스트론튬-코발트-철 산화물, 이트리아로 안정화된 지르코니아, α-터피네올, 셀룰로오스를 이용하여 전해질층 상부에 공기(산소)전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
함침성분을 사전 열처리로서 200 내지 1400℃의 범위에서 1회 이상 열처리한 후 운전초기단계에서 환원처리를 수행하거나, 또는 함침성분을 사전 열처리 없이 정상운전에 의해 동시소결하여 운전초기단계에서 열처리와 환원처리를 동시에 수행하며,
연료(수소)전극층의 표면에 함침되는 함침성분의 농도는 8 내지 12 mg/㎠이고,
일정한 양의 함침성분이 함침될 때까지 반복적으로 함침하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해셀의 제조방법.
A method for producing a solid oxide electrolytic cell according to claim 1,
Forming a fuel (hydrogen) electrode layer;
Forming an electrolyte layer on the fuel (hydrogen) electrode layer;
An impregnation solution comprising 5 to 35 wt% of Sm 2 O 3 as an impregnation component, 60 to 90 wt% of a mixed solution of butanol and xylene as a solvent, and 1 to 10 wt% of organic material containing polyvinylpyrrolidone and polyethylene glycol (Hydrogen) electrode layer; And
(Oxygen) electrode layer on the electrolyte layer using lanthanum-strontium-manganese oxide or lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide, yttria stabilized zirconia,? -Terpineol or cellulose,
The impregnation component is subjected to a heat treatment at a temperature in the range of 200 to 1400 ° C at least once and then subjected to a reduction treatment at the initial stage of the operation or to the simultaneous sintering of the impregnated component under normal operation without preheating, Processing simultaneously,
The concentration of the impregnation component impregnated on the surface of the fuel (hydrogen) electrode layer is 8 to 12 mg / cm 2,
And then impregnating the solid oxide electrolytic cell repeatedly until a predetermined amount of the impregnation component is impregnated.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
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