KR102226103B1 - Method for Enhancing SOFC cathode performance by solution infiltration using ultrasonic machine - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 공기극의 표면에 초음파 장비를 이용하여 SSC를 침투시킴으로써 공기극의 활성 및 안정성을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공성 공기극의 표면에 초음파 스프레이 기법을 이용하여 SSC(Sm1-xSrxCoO3-δ, 여기서 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1)를 침투(infiltration)하여 SSC 박막을 코팅시킴으로써, 공기극의 성능 및 안정성을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 대면적 셀에 적용하여 적은 비용으로 연료전지의 전극을 현저히 개선시키는데 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a method of improving the activity and stability of a cathode by infiltrating SSC into the surface of a porous cathode using an ultrasonic device, and more particularly, using an ultrasonic spray technique on the surface of a porous cathode, SSC (Sm 1- x Sr x CoO 3-δ , where 0.1≦x≦0.8, 0≦δ≦0.1) is infiltrated to coat the SSC thin film, thereby improving the performance and stability of the cathode. The present invention can be usefully applied to a large-area cell to significantly improve an electrode of a fuel cell at a low cost.

Description

초음파 장비를 통한 용액 침투에 의한 고체산화물 연료전지 공기극 성능 향상 방법{Method for Enhancing SOFC cathode performance by solution infiltration using ultrasonic machine}Method for enhancing SOFC cathode performance by solution infiltration using ultrasonic machine}

본 발명은 고체산화물 연료전지의 성능 향상 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파 장비를 이용하여 다공성 공기극의 표면에 우수한 전기 촉매 활성을 가진 SSC를 침투시킴으로써 공기극의 활성 및 안정성을 향상시키는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for improving the performance of a solid oxide fuel cell, and more particularly, to a method for improving the activity and stability of a cathode by infiltrating SSC having excellent electrocatalytic activity into the surface of a porous cathode using an ultrasonic device. will be.

고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell; SOFC)는 고체상의 산소 이온 전도성 세라믹을 전해질로 사용하고, 700℃ ~ 900℃의 고온에서 연료와 공기(산소)의 전기화학 반응에 의해 전기를 생산하며 부산물로 물을 생성하는 청정 발전 장치이다. 고체산화물 연료전지(SOFCs) 및 고체산화물 전해전지(SOECs)와 같은 세라믹 멤브레인을 기반으로 하는 고온 고체 전기 화학 장치는 청정 전력 생산 및 대규모 에너지 저장을 위한 차세대 에너지 기술을 대표한다(L.J. Miara, et al., J. Electrochem. Soc. 159 (2012) F419-F425).Solid oxide fuel cell (SOFC) uses solid oxygen ion conductive ceramic as an electrolyte, and produces electricity by electrochemical reaction between fuel and air (oxygen) at a high temperature of 700℃ to 900℃. It is a clean power generation device that generates furnace water. High-temperature solid state electrochemical devices based on ceramic membranes such as solid oxide fuel cells (SOFCs) and solid oxide electrolytic cells (SOECs) represent next-generation energy technologies for clean power production and large-scale energy storage (LJ Miara, et al. ., J. Electrochem. Soc. 159 (2012) F419-F425).

SOFC는 수소(H2)와 산소(O2)가 만나 물(H2O)을 생성하는 화학 반응에서 전해질을 이용하여 전기에너지를 얻으며, 연료가 공급되는 한 계속적으로 전기를 생산할 수 있는 특징을 가지고 있다. SOFC는 산소이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면의 연료극과 공기극으로 구성되어 있다(S.P.S. Badwal and K. Foger, Ceramics International, 22, (1996), 257-265). SOFC의 원리는 연료극에 연료를 공급해주면 연료가 산화되어 전자가 외부회로를 통해 방출되고, 공기극에 산소를 공급해주면 외부회로로부터 전자를 받아서 산소이온으로 환원되며, 환원된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 산화된 수소이온과 반응하여 물을 생성하게 되고, 이때 연료극에서 공기극으로 전자의 흐름으로 전기를 생산하게 된다. SOFC의 핵심 구성요소인 연료극, 공기극 및 전해질은 역할에 따라 다양한 조건이 요구된다.SOFC uses an electrolyte in a chemical reaction in which hydrogen (H2) and oxygen (O2) meet to generate water (H2O), and has the characteristic of generating electricity continuously as long as fuel is supplied. SOFC is composed of an electrolyte having oxygen ion conductivity, an anode and a cathode on both sides (S.P.S. Badwal and K. Foger, Ceramics International, 22, (1996), 257-265). The principle of SOFC is that when fuel is supplied to the anode, the fuel is oxidized and electrons are released through the external circuit. When oxygen is supplied to the cathode, electrons are received from the external circuit and are reduced to oxygen ions, and the reduced oxygen ions are transferred to the anode through the electrolyte. It moves to and reacts with the oxidized hydrogen ions to generate water, and at this time, electricity is produced by the flow of electrons from the anode to the cathode. The fuel electrode, the air electrode, and the electrolyte, which are the core components of SOFC, require various conditions depending on their role.

연료극(Anode)은 연료의 확산과 산화반응을 원활하게 하기 위해서 다공성의 미세구조와 높은 전자전도도와 이온전도도를 가져야 한다. 그리고 다층구조의 연료전지의 기계적 안정성을 위해 주위 구성요소와 유사한 열팽창계수를 가지고, 산화 및 환원분위기에서 화학적, 상 등의 안정성이 확보되어야 한다(S. Zha, et al., Solid State Ionics, 166, (2004), 241-250). 열팽창률 차이가 크면 제조 공정 중이나 작동 중에 미세균열과 층간 박리 등의 심각한 문제를 야기할 수 있다. 연료극에는 전기화학적 활성도를 높이기 위해 우수한 촉매 특성을 갖는 물질을 사용해야 하며, 연료의 원활한 사용을 위해 개질 반응에 대한 활성도가 뛰어나야 한다. 그리고 개질 반응으로 인한 불순물 오염으로부터 저항성이 우수해야 한다(W.Z. Zhu and S.C. Deevi, A362, (2003), 228-239). 또한, 연료의 전기화학 반응이 원활하게 일어나기 위해서 충분한 양의 삼상계면(Triple phase boundary, TPB)이 존재해야 하며, 반응생성물의 원활한 배출과 연료극의 기계적 물성을 유지할 수 있도록 적절한 기공률로 제어되어야 한다.The anode must have a porous microstructure, high electron conductivity and ionic conductivity in order to facilitate diffusion and oxidation reactions of fuel. In addition, for the mechanical stability of a multi-layered fuel cell, it must have a thermal expansion coefficient similar to that of the surrounding components and secure chemical and phase stability in oxidation and reduction atmospheres (S. Zha, et al., Solid State Ionics, 166 , (2004), 241-250). If the difference in the coefficient of thermal expansion is large, it may cause serious problems such as microcracks and delamination during the manufacturing process or during operation. For the anode, a material having excellent catalytic properties must be used to increase electrochemical activity, and must have excellent activity for reforming reactions for smooth use of fuel. And it must have excellent resistance to impurity contamination due to the reforming reaction (W.Z. Zhu and S.C. Deevi, A362, (2003), 228-239). In addition, a sufficient amount of triple phase boundary (TPB) must be present in order to facilitate the electrochemical reaction of the fuel, and the porosity must be controlled to maintain the mechanical properties of the anode and the smooth discharge of reaction products.

전해질(Electrolyte)의 주된 기능은 공기극과 연료극 사이의 이온을 전달과 산소로부터 연료를 분리한다. 따라서 전해질은 산화제가 직접 연료와 반응하는 것을 막기 위해 치밀한 막으로 구성되어야 하며, 산화 및 환원분위기에서 화학적, 상 등의 안정성이 확보되어야 하고, 반응가스가 투과되지 않아야 하며, 작동조건에서 높은 이온전도도를 가져야 한다. SOFC는 고온에서 작동하기 때문에 전해질은 상온부터 작동온도, 연료전지가 제조되는 더 높은 온도에서도 주위 구성요소와 화학적, 열적으로 안정성이 있어야 한다(H. J. Hwang, et al., Journal of the Korean Ceramic Society, 42, 0(2005), 787-792 및 B.C.H. Steele, et al., Journal of Materials Science, 36, (2001), 1053-1068). 전해질의 열팽창은 제조와 열 사이클 작동동안 균열과 박리를 막기 위해서 주위 구성요소와 유사해야 한다. 그리고 전해질의 열팽창계수는 작동동안 연료극과 공기극의 산소분압의 변화에도 불구하고 불변을 유지해야하며, 전해질은 기본 재료로 선택하고, 열팽창특성을 고려하여 다른 전지의 재료를 선택해야 한다.The main function of the electrolyte is to transfer ions between the cathode and the anode and separate the fuel from oxygen. Therefore, the electrolyte must be composed of a dense membrane to prevent the oxidizing agent from directly reacting with the fuel, stability of chemical and phase, etc. must be ensured in the oxidation and reduction atmosphere, the reaction gas must not be permeated, and high ionic conductivity under operating conditions. Should have. Because SOFC operates at high temperatures, the electrolyte must be chemically and thermally stable with surrounding components from room temperature to operating temperature and even at higher temperatures at which fuel cells are manufactured (HJ Hwang, et al., Journal of the Korean Ceramic Society, 42, 0(2005), 787-792 and BCH Steele, et al., Journal of Materials Science, 36, (2001), 1053-1068). The thermal expansion of the electrolyte should be similar to the surrounding components to prevent cracking and delamination during manufacturing and thermal cycle operation. In addition, the thermal expansion coefficient of the electrolyte must remain unchanged despite changes in the oxygen partial pressures of the anode and the cathode during operation, and the electrolyte must be selected as the basic material, and other battery materials must be selected in consideration of the thermal expansion characteristics.

공기극(Cathode)은 산소의 확산이 용이하게 하기 위해 다공성의 미세구조를 가져야 하고, 전극물질 자체에 존재하는 저항에 의한 전력의 감소를 최소화하기 위해서 높은 전자전도도와 이온전도도를 가져야 한다. 그리고 산소의 환원반응에 대한 분극 저항이 작아야 하고, 산화 및 환원분위기에서 화학적, 상 등의 안정성이 우수해야 한다. 그리고 공기극 재료는 상온과 작동온도의 범위에서 지속적인 단일상을 유지할 수 있어야 한다. SOFC 작동온도에서 공기극은 전해질과의 계면반응이 없어야 한다. 전해질과 계면반응이 발생하면 낮은 산소이온 전도도를 갖는 화합물을 형성하기 때문에 계면반응은 고체산화물 연료전지 작동성능의 장시간 안정성에 치명적인 영향을 준다(E.I. Tif, et al., Journal of the European Ceramic Society, 21, (2001), 1805-1811). SOFC를 구성하는 단위전지는 전해질, 전극 및 접속자의 결합체로 구성으로 서로의 접합과정 또는 운전조건에 도달하는 과정의 열처리 동안 주위 구성요소와 유사한 열팽창계수를 가지고 있어야 한다.The cathode should have a porous microstructure in order to facilitate diffusion of oxygen, and should have high electronic conductivity and ion conductivity in order to minimize a decrease in power due to resistance existing in the electrode material itself. In addition, the polarization resistance against the reduction reaction of oxygen should be small, and the stability of chemical and phase should be excellent in oxidation and reduction atmospheres. And the cathode material must be able to maintain a continuous single phase in the range of room temperature and operating temperature. At SOFC operating temperature, the cathode should have no interfacial reaction with the electrolyte. When an interfacial reaction with an electrolyte occurs, a compound having a low oxygen ion conductivity is formed, so the interfacial reaction has a fatal effect on the long-term stability of the operating performance of a solid oxide fuel cell (EI Tif, et al., Journal of the European Ceramic Society, 21, (2001), 1805-1811). The unit cell constituting the SOFC is composed of a combination of an electrolyte, an electrode, and a connector, and must have a thermal expansion coefficient similar to that of the surrounding components during heat treatment in the process of bonding with each other or in the process of reaching operating conditions.

SOFC의 광범위한 시장 침투를 위해서는 연료전지의 효율성을 향상시키고 수명을 연장하며 비용을 줄이기 위한 혁신이 필요하다. 이전의 연구에 의해 확인된 기술적인 문제를 토대로, 공기극이 전지의 성능과 신뢰성을 결정하는 주요 구성 우레아라는 것을 알 수 있다(S. Zhen, et al., J. Power Sources 315 (2016) 140-144). 최근 공기극 재료는 느린 산소 교환 속도와 높은 활성화 에너지(Y. Zhang, et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 3003-3011)로 인해 새로운 재료와 구조를 연구하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 비록 대체 물질(K.T. Lee, et al., MRS Bull. 39 (2014) 783-791 및 J. Li, et al., Electrochim. Acta 187 (2016) 179-185)이나 나노 구조(J. Hwang, et al., J. Electrochem. Soc. 159 (2012) F639-F643 및 J.M. Vohs, et al., Adv. Mater. 21 (2009) 943-956)를 사용하여 전극 기능을 향상시키는데 상당한 성과가 있었지만, 실용적인 전지에서 새로운 전극을 구현하는 것은 대개 화학적 및 구조적 안정성을 희생시켜 높은 기능성을 필연적으로 가져왔기 때문에 대부분 실패했다. SOFC's broad market penetration requires innovation to improve fuel cell efficiency, extend life and reduce cost. Based on the technical problems identified by previous studies, it can be seen that the cathode is a major constituent urea that determines the performance and reliability of the battery (S. Zhen, et al., J. Power Sources 315 (2016) 140- 144). Recently, the cathode materials are making great efforts to study new materials and structures due to the slow oxygen exchange rate and high activation energy (Y. Zhang, et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 3003-3011). . Although alternatives (KT Lee, et al., MRS Bull. 39 (2014) 783-791 and J. Li, et al., Electrochim. Acta 187 (2016) 179-185) or nanostructures (J. Hwang, et al. al., J. Electrochem. Soc. 159 (2012) F639-F643 and JM Vohs, et al., Adv. Mater. 21 (2009) 943-956) have been used to improve electrode function, but there have been significant achievements in improving electrode function, but practical Implementing new electrodes in cells has mostly failed because they inevitably brought high functionality at the expense of chemical and structural stability.

이러한 장벽을 극복하기 위한 가장 유망한 방법들 중 하나는 용액 침투(solution infiltration) 공정에 기반한 나노 크기 기법이다. 침투 공정에서 활성 성분의 전구체(precursor) 용액은 사전 제작된 다공성 지지체에 주입되고, 원하는 상은 후속 열처리에 의해 형성된다. 이 독특한 절차는 기존의 전극 제조 공정에 비해 몇 가지 장점을 제공한다. 구체적으로, 상 형성을 위한 하소(calcination)는 일반적으로 계면에서 강한 결합이 발생 되어야 하고, 전극 소결 공정보다 낮은 온도에서 열처리를 하여 유해한 화학 반응 및 상호 확산과 같은 화학적 상용성 문제를 완화시켜 준다.One of the most promising methods to overcome this barrier is a nanoscale technique based on a solution infiltration process. In the infiltration process, a precursor solution of the active ingredient is injected into a pre-fabricated porous support, and a desired phase is formed by subsequent heat treatment. This unique procedure offers several advantages over conventional electrode manufacturing processes. Specifically, calcination for phase formation generally requires strong bonding to occur at the interface, and heat treatment at a lower temperature than the electrode sintering process alleviates chemical compatibility problems such as harmful chemical reactions and interdiffusion.

이에, 본 발명자들은 침투 공정에 기반한 나노 크기 기법을 이용한 새로운 공기극 성능 향상 방법을 개발하기 위해 노력한 결과, 다공성 LSCF 공기극의 표면에 초음파 장비를 이용하여 고활성 SSC를 침투시킴으로써, SSC 나노 촉매의 크기나 형태학을 기반으로 뛰어난 성능과 장기 안정성을 갖는 이상적인 전극 구조를 구현할 수 있음을 확인하였고, 게다가 SSC의 침투 횟수에 따라 최소 30% 내지 최대 100%의 성능 향상을 가져올 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have endeavored to develop a new method for improving the performance of the cathode using a nano-size technique based on the permeation process. As a result, by infiltrating the highly active SSC into the surface of the porous LSCF cathode using ultrasonic equipment, the size of the SSC nanocatalyst It was confirmed that an ideal electrode structure with excellent performance and long-term stability can be implemented based on morphology, and furthermore, by confirming that performance improvement of at least 30% to maximum 100% can be achieved depending on the number of penetrations of SSC, the present invention Completed.

본 발명의 목적은 고체산화물 연료전지 단위전지의 공기극 표면에 SSC(Sm1-xSrxCoO3-δ, 여기서 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1)를 초음파 장비를 이용한 침투(infiltration) 기법으로 SSC 박막을 코팅시킴으로써, 공기극의 성능 및 장기내구성을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to infiltrate SSC (Sm 1-x Sr x CoO 3-δ , where 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1) into the cathode surface of a unit cell of a solid oxide fuel cell using ultrasonic equipment. It is to provide a method of improving the performance and long-term durability of the cathode by coating the SSC thin film as a technique.

본 발명의 또다른 목적은 상기 본 발명에 따른 방법을 통해 제조된, 성능 및 안정성이 향상된 공기극, 상기 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀, 및 상기 고체산화물 연료전지 셀을 포함하는 고체산화물 연료전지 스택을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is a cathode manufactured by the method according to the present invention, with improved performance and stability, a solid oxide fuel cell comprising the cathode, and a solid oxide fuel cell comprising the solid oxide fuel cell cell It provides a stack.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다공성 공기극의 표면에 초음파 스프레이 기법을 이용하여 SSC(Sm1-xSrxCoO3-δ, 여기서 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1)를 침투(infiltration)하여 SSC 박막을 코팅하는 단계를 포함하는, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)용 공기극의 성능 향상 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention penetrates SSC (Sm 1-x Sr x CoO 3-δ , where 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1) using an ultrasonic spray technique on the surface of the porous cathode ( Infiltration) to provide a method for improving the performance of a cathode for a solid oxide fuel cell (SOFC) comprising the step of coating an SSC thin film.

또한, 본 발명은 다공성 공기극의 표면에 초음파 스프레이 기법을 이용하여 SSC(Sm1-xSrxCoO3-δ, 여기서 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.3)가 침투(infiltration)되어 제조된, 성능이 향상된 고체산화물 연료전지용 공기극을 제공한다. In addition, the present invention is manufactured by infiltration of SSC (Sm 1-x Sr x CoO 3-δ , where 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.3) using an ultrasonic spray technique on the surface of the porous cathode. , Provides a cathode for a solid oxide fuel cell with improved performance.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a solid oxide fuel cell including the cathode for a solid oxide fuel cell according to the present invention.

아울러, 본 발명은 In addition, the present invention

i) 사마륨, 세륨 및 코발트의 질산염 수용액을 에탄올, 증류수 및 우레아(Urea)와 혼합한 후 교반하여 제조된 SSC 용액을 제조하는 단계;i) preparing an SSC solution prepared by mixing an aqueous nitrate solution of samarium, cerium, and cobalt with ethanol, distilled water, and urea, followed by stirring;

ii) 상기 단계 i)에서 제조된 SSC 용액을 다공성 공기극의 표면에 초음파 스프레이 기법을 이용하여 침투(infiltration)시킨 후 열처리하는 단계; 및ii) performing heat treatment after infiltration of the SSC solution prepared in step i) on the surface of the porous cathode using an ultrasonic spray technique; And

iii) 상기 단계 ii)에서 침투된 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제조하는 단계;를 포함하는 성능이 향상된 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 제공한다.iii) manufacturing a solid oxide fuel cell including the cathode penetrated in step ii). It provides a method of manufacturing a solid oxide fuel cell with improved performance.

본 발명은 고체산화물 연료전지의 단위전지 공기극의 표면에 초음파 장비를 이용한 습식침투법(infiltration)을 이용하여 SSC 촉매의 박막 코팅을 적용함으로써, 전기 촉매 활성을 향상시키고 저렴한 비용으로 전극의 안정성을 기여할 수 있다.The present invention improves electrocatalytic activity and contributes to electrode stability at low cost by applying a thin film coating of SSC catalyst to the surface of the cathode of a unit cell of a solid oxide fuel cell using a wet infiltration method using ultrasonic equipment. I can.

본 발명에 있어서, SSC 용액 제조에서 계면활성제(우레아, 에탄올, 증류수)의 사용은 SSC 상 형성에 도움을 주고, 습윤성 향상이 다공성 전극에 균일한 촉매 범위를 넓혀줄 수 있다. In the present invention, the use of surfactants (urea, ethanol, distilled water) in the preparation of the SSC solution helps to form the SSC phase, and the improvement of wettability can broaden the range of a uniform catalyst in the porous electrode.

본 발명에 있어서, 초음파 스프레이 기법을 이용한 SSC 침투는 후 열처리 공정을 거쳐 공기극의 성능 및 안정성을 향상시킬 수 있으며, 이런 효과는 기존의 습식침투법 중 하나인 주사기를 이용한 경우 비해 현저히 향상시킬 수 있다.In the present invention, SSC penetration using the ultrasonic spray technique can improve the performance and stability of the air electrode through a post heat treatment process, and this effect can be significantly improved compared to the case of using a syringe, one of the existing wet penetration methods. .

특히, 본 발명은 초음파 스프레이 기법을 이용한 SSC 침투의 횟수에 따라 성능을 비교하여 최적 침투 조건을 확립함으로써 최소 30% 내지 최대 100%의 성능 향상을 가져올 수 있다.In particular, the present invention compares the performance according to the number of SSC penetrations using the ultrasonic spray technique and establishes an optimal penetration condition, thereby improving performance of at least 30% to maximum 100%.

본 발명은 대면적 셀에 적용시켜 적은 비용으로 습식침투법을 최적화하여 연료전지의 전극을 현저히 개선시킬 수 있다. The present invention can be applied to a large-area cell and optimize the wet permeation method at a low cost, thereby remarkably improving the electrode of the fuel cell.

도 1은 세그먼트 평관형 SOFC 셀의 제조공정의 모식도를 보여주는 그림이다.
도 2는 세그먼트 평관형 SOFC 셀의 제조과정을 보여주는 그림이다.
도 3은 세그먼트형 공기극이 적용된 평관형 SOFC 단위셀의 모식도를 보여주는 그림이다.
도 4는 초음파 장비 구성을 나타낸 그림이다: (a) 초음파 기계; (b) 제어기; (c) 초음파 노즐; (d) 주파수 제어기; 및 (e) 주사기 펌프.
도 5는 SSC(Sm0.2Sr0.8CoO3-δ) 용액의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 6은 SSC 나노상 형성 과정의 반응식을 보여주는 그림이다.
도 7은 초음파 장비를 이용한 SSC 침투 공정의 조건 및 과정을 보여주는 그림이다.
도 8은 LSCF 캐소드 표면 위에 SSC 침투의 EDS 분석 결과를 보여주는 그림이다.
도 9는 다공성 LSCF 캐소드 백본에 주사기(syringe)를 이용하여 침투된 SSC 나노입자의 미세구조를 관찰한 주사전자현미경(SEM) 이미지를 보여주는 그림이다.
도 10은 다공성 LSCF 캐소드 백본에 초음파 장비(ultrasonic machine)를 이용하여 침투된 SSC 나노입자의 미세구조를 관찰한 주사전자현미경(SEM) 이미지를 보여주는 그림이다.
도 11은 SSC 횟수에 따른 LSCF 캐소드의 횡단면의 미세구조를 관찰한 주사전자현미경(SEM) 이미지를 보여주는 그림이다.
도 12는 700℃에서 공기 2 L/min, 수소 400/min를 공급하여 운전되는 blank 및 SSC-침투된 SOFC 단위전지의 I-V 측정 결과를 나타내는 그림이다.
도 13은 750℃에서 공기 2 L/min, 수소 400/min를 공급하여 운전되는 blank 및 SSC-침투된 SOFC 단위전지의 I-V 측정 결과를 나타내는 그림이다.
도 14는 700℃의 개방 회로 조건에서 blank 및 SSC-침투된 SOFC 단위전지의 임피던스 스펙트럼 측정 결과를 나타내는 그림이다.
도 15는 750℃의 개방 회로 조건에서 blank 및 SSC-침투된 SOFC 단위전지의 임피던스 스펙트럼 측정 결과를 나타내는 그림이다.
1 is a diagram showing a schematic diagram of a manufacturing process of a segmented flat tubular SOFC cell.
2 is a diagram showing a manufacturing process of a segmented flat tubular SOFC cell.
3 is a diagram showing a schematic diagram of a flat tubular SOFC unit cell to which a segmented cathode is applied.
4 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic equipment: (a) an ultrasonic machine; (b) a controller; (c) ultrasonic nozzles; (d) a frequency controller; And (e) a syringe pump.
5 is a diagram showing the manufacturing process of the SSC (Sm 0.2 Sr 0.8 CoO 3-δ) solution.
6 is a diagram showing the reaction formula of the SSC nanophase formation process.
7 is a diagram showing conditions and processes of an SSC penetration process using an ultrasonic device.
8 is a diagram showing the result of EDS analysis of SSC penetration on the surface of an LSCF cathode.
9 is a diagram showing a scanning electron microscope (SEM) image of observing the microstructure of SSC nanoparticles penetrated into the porous LSCF cathode backbone using a syringe.
10 is a diagram showing a scanning electron microscope (SEM) image of observing the microstructure of SSC nanoparticles penetrated into the porous LSCF cathode backbone using an ultrasonic machine.
11 is a diagram showing a scanning electron microscope (SEM) image observing the microstructure of the cross section of the LSCF cathode according to the number of SSCs.
12 is a diagram showing the IV measurement results of a blank and SSC-permeated SOFC unit cell operated by supplying 2 L/min of air and 400/min of hydrogen at 700°C.
13 is a diagram showing the IV measurement results of blank and SSC-permeated SOFC unit cells operated by supplying 2 L/min of air and 400/min of hydrogen at 750°C.
14 is a diagram showing the impedance spectrum measurement results of blank and SSC-permeated SOFC unit cells in an open circuit condition of 700°C.
15 is a diagram showing the measurement result of impedance spectrum of a blank and SSC-permeated SOFC unit cell under an open circuit condition of 750°C.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described later in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance the possibility of the presence or addition.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present specification. Does not.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 다공성 공기극의 표면에 초음파 스프레이 기법을 이용하여 SSC(Sm1-xSrxCoO3-δ, 여기서 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1)를 침투(infiltration)하여 SSC 박막을 코팅하는 단계를 포함하는, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)용 공기극의 성능 향상 방법을 제공한다.The present invention coats the SSC thin film by infiltration of SSC (Sm 1-x Sr x CoO 3-δ , where 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1) using an ultrasonic spray technique on the surface of the porous cathode. It provides a method for improving the performance of a cathode for a solid oxide fuel cell (SOFC) comprising the step of.

상기 다공성 곡기극은 LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite)-GDC(Gadolinium Doped Ceria)층 및 LSCF층을 포함하는 다층 구조인 것이 바람직하다.The porous curved pole is preferably a multi-layered structure including a Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF)-Gadolinium Doped Ceria (GDC) layer and an LSCF layer.

상기 다공성 곡기극은 Co-함유된 페로브스카이트 혼합전도체로 LSCF를 적용하고, GDC 버퍼층(Buffer layer)을 형성시킨 다층구조 형태이며, 기능층으로는 LSCF-GDC를 사용하고, 전류 집전층으로 LSCF 표면 위에 LSCo를 사용한 구조인 것이 바람직하다.The porous curved electrode has a multilayer structure in which LSCF is applied as a Co-containing perovskite mixed conductor and a GDC buffer layer is formed, and LSCF-GDC is used as a functional layer, and as a current collecting layer. It is preferable to use LSCo on the LSCF surface.

상기 초음파 스프레이 기법은 컨트롤러, 초음파 분무 노즐, 주파수 제어기, 공기유량계 및 시린지 펌프를 포함하는 초음파 장비를 이용하는 것이 바람직하다.It is preferable to use ultrasonic equipment including a controller, an ultrasonic spray nozzle, a frequency controller, an air flow meter, and a syringe pump as the ultrasonic spray technique.

상기 초음파 스프레이 기법은 초음파 구동 주파수 75 ~ 85 kHz, 시린지 펌프 유량 2 ~ 4 ㎕/min 및 공기 유속 2 ~ 4 ℓ/min의 조건으로 초음파 분무하는 것이 바람직하나 상기 조건에 한정되는 것은 아니다.The ultrasonic spray technique is preferably ultrasonically sprayed under conditions of an ultrasonic driving frequency of 75 to 85 kHz, a syringe pump flow rate of 2 to 4 µl/min, and an air flow rate of 2 to 4 µl/min, but is not limited thereto.

상기 침투는 사마륨, 세륨 및 코발트의 질산염 수용액을 에탄올, 증류수 및 우레아(Urea)와 혼합한 후 교반하여 제조된 SSC 용액을 초음파 장비를 이용하여 분무한 후 건조시키는 공정을 통해 수행하는 것이 바람직하다.The penetration is preferably carried out through a process of spraying an SSC solution prepared by mixing an aqueous nitrate solution of samarium, cerium, and cobalt with ethanol, distilled water, and urea and then stirring it using an ultrasonic device, and then drying it.

상기 SSC 용액은 증류수와 에탄올에 우레아(Urea) 및 질산염 수용액 Sm(NO3)3·6H2O, Sr(NO3)2, Co(NO3)2·6H2O을 혼합하여 제조하는 것이 바람직하고, 여기서 우레아는 페로브스카이트 상을 형성하고 침전물 조성 균질화를 위해 복합제로 작용하고, 에탄올은 수용액에 첨가하여 다공성 공기극의 습윤성을 향상시키는 작용을 한다. The SSC solution is preferably prepared by mixing distilled water and ethanol with urea and nitrate aqueous solution Sm(NO 3 ) 3 ·6H 2 O, Sr(NO 3 ) 2 , Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O Here, urea forms a perovskite phase and acts as a composite agent to homogenize the composition of the precipitate, and ethanol is added to the aqueous solution to improve the wettability of the porous cathode.

상기 침투의 작용 원리를 살펴보면, 셀의 공기극 표면에 SSC 용액을 침투시킨 후 건조하는데 우레아가 이 과정에서 암모니아와 이산화탄소로 분해되고, 암모니아와 이산화탄소는 하이드록시기(OH-)와 하이드록카본네이트(CO3 2-)로 분해되며, 하이드록시기와 하이드록카본네이트로 인해 균질하게 침전되어 하소 과정에서 SSC 나노상 형성 역할을 하게 된다.Looking at the operational principle of the penetration, After completion of permeation of the SSC solution in the cathode surface of the cell of urea to drying and decomposition in the process of ammonia and carbon dioxide, ammonia and carbon dioxide is a hydroxyl group (OH -) and hydroxyl carbonyl carbonate ( It is decomposed into CO 3 2- ), and is homogeneously precipitated due to the hydroxy group and the hydroxycarbonate, and plays the role of forming the SSC nanophase in the calcination process.

상기 침투에서 SSC 용액은 0.1 내지 2 mol/L의 농도로 분무하는 것이 바람직하다.In the permeation, the SSC solution is preferably sprayed at a concentration of 0.1 to 2 mol/L.

상기 침투는 1 내지 7회 침투시키는 것이 바람직하고, 3 내지 5회 침투시키는 것이 더욱 바람직하다.The penetration is preferably 1 to 7 times, more preferably 3 to 5 times.

상기 침투 공정을 거친 후 800 ~ 900℃에서 2 내지 3시간 동안 하소시키는 것이 바람직하다.It is preferable to calcinate for 2 to 3 hours at 800 to 900° C. after passing through the permeation process.

또한, 본 발명은 다공성 공기극의 표면에 초음파 스프레이 기법을 이용하여 SSC(Sm1-xSrxCoO3-δ, 여기서 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1)가 침투(infiltration)되어 제조된, 성능이 향상된 고체산화물 연료전지용 공기극을 제공한다. In addition, the present invention is manufactured by infiltration of SSC (Sm 1-x Sr x CoO 3-δ , where 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1) using an ultrasonic spray technique on the surface of the porous cathode. , Provides a cathode for a solid oxide fuel cell with improved performance.

상기 침투는 1 내지 7회 침투시키는 것이 바람직하고, 3 내지 5회 침투시키는 것이 더욱 바람직하다.The penetration is preferably 1 to 7 times, more preferably 3 to 5 times.

상기 침투는 초음파 장비를 통한 분무 후 건조 및 열처리하는 공정을 통해 수행되는 것이 바람직하다.The penetration is preferably carried out through a process of drying and heat treatment after spraying through ultrasonic equipment.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다. In addition, the present invention provides a solid oxide fuel cell including the cathode for a solid oxide fuel cell according to the present invention.

상기 연료전지는 SSC 침투된 공기극 이외의 구성은 종래 공지된 일반적인 고체산화물 연료전지의 구성을 적용할 수 있다.The fuel cell may be configured with a conventional solid oxide fuel cell other than the SSC-infiltrated cathode.

아울러, 본 발명은 In addition, the present invention

i) 사마륨, 세륨 및 코발트의 질산염 수용액을 에탄올, 증류수 및 우레아(Urea)와 혼합한 후 교반하여 제조된 SSC 용액을 제조하는 단계;i) preparing an SSC solution prepared by mixing an aqueous nitrate solution of samarium, cerium, and cobalt with ethanol, distilled water, and urea, followed by stirring;

ii) 상기 단계 i)에서 제조된 SSC 용액을 다공성 공기극의 표면에 초음파 스프레이 기법을 이용하여 침투(infiltration)시킨 후 열처리하는 단계; 및ii) performing heat treatment after infiltration of the SSC solution prepared in step i) on the surface of the porous cathode using an ultrasonic spray technique; And

iii) 상기 단계 ii)에서 침투된 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제조하는 단계;를 포함하는 성능이 향상된 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 제공한다.iii) manufacturing a solid oxide fuel cell including the cathode penetrated in step ii). It provides a method of manufacturing a solid oxide fuel cell with improved performance.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 단계 i)에서 SSC 용액은 증류수와 에탄올에 우레아(Urea) 및 질산염 수용액 Sm(NO3)3·6H2O, Sr(NO3)2, Co(NO3)2·6H2O을 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, the SSC solution in step i) is an aqueous solution of urea and nitrate in distilled water and ethanol Sm(NO 3 ) 3 ·6H 2 O, Sr(NO 3 ) 2 , Co(NO 3 ) 2 · It is preferable to prepare by mixing 6H 2 O.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 단계 ii)에서 침투는 1 내지 7회 침투시키는 것이 바람직하고, 3 내지 5회 침투시키는 것이 더욱 바람직하다.In the above manufacturing method, the penetration in step ii) is preferably 1 to 7 times, and more preferably 3 to 5 times.

상기 제조 방법에 있어서, 상기 단계 ii)에서 건조는 상온에서 건조하는 것이 바람직하고, 열처리는 800 내지 900℃로 열처리하는 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, the drying in step ii) is preferably dried at room temperature, and the heat treatment is preferably heat treated at 800 to 900°C.

이하, 본 발명을 하기 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by the following examples and experimental examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following Examples and Experimental Examples.

<< 실시예Example 1> 고체산화물 연료전지 셀의 제작 1> Fabrication of solid oxide fuel cell cell

<1-1> <1-1> 연료극Anode 지지체형 Support type 단위셀Unit cell 제작 making

고체산화물 연료전지의 제조 방법을 바탕으로, 연료극 지지체형 세그먼트 평관형 셀을 제작하였다. 연료극 지지체형 단위셀을 제작하기 위해서 NiO(Kojundo Chemical Co. KOREA)와 8 mol.% YSZ(TZ-8YSZ, Tosho Co.) 분말에 기공형성제인 카본블랙(Korea Carbon Black Co. KOREA)을 혼합하였다. 혼합된 분말에 지르코니아 볼과 에탄올을 첨가하여 3일 동안 볼 밀링(Ball milling)을 하여 균일하게 분산시킨 후, 80℃에서 24 시간 동안 건조하였다. 건조 후에, 100 ㎛ 크기의 체질판으로 체질(Sieving)을 통해 혼합된 연료극 분말을 제조하였다.Based on the method of manufacturing a solid oxide fuel cell, an anode support type segmented flat tubular cell was manufactured. To fabricate the anode support type unit cell, a pore-forming agent, Korea Carbon Black Co. KOREA, was mixed with NiO (Kojundo Chemical Co. KOREA) and 8 mol.% YSZ (TZ-8YSZ, Tosho Co.) powder. . Zirconia balls and ethanol were added to the mixed powder, ball milled for 3 days, uniformly dispersed, and dried at 80° C. for 24 hours. After drying, a mixed anode powder was prepared through sieving with a sieve plate having a size of 100 μm.

혼합된 연료극 분말과 바인더(Binder)인 YB-130D, 용매(Solvent)인 증류수, 가소제(Plasticizer)인 DG, 윤활제(Lubricant)인 Cellosol를 첨가하여 혼련(Kneading)하였다. 혼련이 끝난 혼합물은 압출기(Extruding machine)를 사용하여 가압출을 하고 난 후에 평관형 몰드를 장착하여 평관형 연료극 지지체를 압출하였다.The mixed anode powder and YB-130D as a binder, distilled water as a solvent, DG as a plasticizer, and Cellosol as a lubricant were added and kneaded. After kneading the mixture was pressed and extruded using an extruder (Extruding machine), a flat tubular mold was mounted to extrude the flat tubular anode support.

압출된 평관형 연료극 지지체는 온도와 습도가 일정하게 유지되는 항온항습기에서 건조하였다. 압출된 지지체를 항온항습기(온도 80℃, 습도 90%)에서 72시간 동안 건조하였으며, 건조 시 지지체가 휘는 현상을 방지하기 위하여 초기 24시간 동안 지지체를 1시간 마다 뒤집어주었다.The extruded flat tubular anode support was dried in a thermo-hygrostat maintaining constant temperature and humidity. The extruded support was dried in a thermo-hygrostat (temperature 80° C., humidity 90%) for 72 hours, and the support was turned over every 1 hour for the initial 24 hours to prevent the support from bending during drying.

항온항습기 건조 이후에, 코팅 공정에 필요한 강도를 부여하기 위해서 가소결(Pre-sintering) 공정을 수행하였다. 가소결 시에 지지체의 휨을 방지하고 편평도를 향상시키기 위해 지지체 사이마다 알루미나 플레이트를 위치시키고 다공성 세라믹을 이용하여 하중을 가하였다. 가소결 열처리는 소결로에서 350℃(0.58℃/min)로 승온 후 5시간 동안 유지하고, 750℃(1.33℃/min)로 승온 후 3 시간 동안 유지하고, 1100℃(0.58℃/min)로 승온 후 3시간 동안 열처리하였다. 가소결 열처리를 통하여 기공형성제, 바인더, 증류수, 가소제 및 윤활제를 완전히 휘발될 수 있게 하였다.After drying the thermo-hygrostat, a pre-sintering process was performed in order to impart the necessary strength to the coating process. In order to prevent bending of the support during pre-sintering and improve flatness, an alumina plate was placed between each support and a load was applied using a porous ceramic. Pre-sintering heat treatment is maintained for 5 hours after raising the temperature to 350℃ (0.58℃/min) in a sintering furnace, and maintained for 3 hours after raising the temperature to 750℃ (1.33℃/min), and maintained at 1100℃ (0.58℃/min). After heating, heat treatment was performed for 3 hours. Through the presintering heat treatment, the pore former, the binder, the distilled water, the plasticizer and the lubricant could be completely volatilized.

<1-2> <1-2> 세그먼트Segment 평관형Flat tube 코팅 공정 Coating process

가소결이 완료된 지지체에 연료극 기능층(AFL)을 담금법으로 코팅하였다. AFL 슬러리인 Ni-ScSZ로 10초 동안 담금법을 한 이후에 30분 동안 상온에서 건조하였다. AFL 코팅 후 지지체는 소결로에서 1000℃(1.67℃/min)로 승온 후 3시간 동안 소결하였다.The anode functional layer (AFL) was coated on the support having completed pre-sintering by immersion method. The AFL slurry was immersed in Ni-ScSZ for 10 seconds, and then dried at room temperature for 30 minutes. After the AFL coating, the support was heated to 1000°C (1.67°C/min) in a sintering furnace and then sintered for 3 hours.

치밀한 박막의 전해질을 코팅하기 위해서 진공펌프를 이용해 진공 슬러리 코팅을 하였다. 전해질 슬러리는 3 wt.% ScSZ 농도로 제조하였다. ScSZ 전해질 슬러리 코팅을 시작하기 전에 진포(Amplitude) 75% 조건에서 30분 동안 초음파 처리를 실시하였다. 전해질 코팅시에 연결재(Interconnect, I.C) 부분에 테이프 마스킹을 실시하여 연료극의 연결재가 코팅되는 위치에 전해질이 코팅되는 것을 방지하였다. 연료극 지지형 단위셀 크기에 맞춰 지그를 제작하여 진공펌프로 진공상태를 만들어 주었다. 코팅은 지지체 내부에 600 mmHg의 진공을 인가한 상태로 슬러리에 담가 30초 동안 코팅하였다. 코팅 후에는 상온에서 30분 동안 건조하고 마스킹 테이프를 제거하였다. ScSZ 전해질 코팅 후 지지체는 소결로에서 1100℃(0.58℃/min)로 승온 후 5시간 동안 소결하였다.In order to coat the dense thin film electrolyte, vacuum slurry coating was performed using a vacuum pump. The electrolyte slurry was prepared at a concentration of 3 wt.% ScSZ. Before starting the ScSZ electrolyte slurry coating, ultrasonic treatment was performed for 30 minutes under 75% condition of Amplitude. When coating the electrolyte, tape masking was performed on the interconnect (I.C) part to prevent the electrolyte from being coated at the position where the connector of the anode is coated. A jig was manufactured according to the size of the anode-supported unit cell, and a vacuum state was created with a vacuum pump. Coating was applied for 30 seconds by immersing in the slurry while applying a vacuum of 600 mmHg to the inside of the support. After coating, it was dried at room temperature for 30 minutes and the masking tape was removed. After the ScSZ electrolyte coating, the support was heated to 1100°C (0.58°C/min) in a sintering furnace and sintered for 5 hours.

버퍼층으로 GDC를 ScSZ 전해질 코팅과 같은 공정으로 코팅하였다. 버퍼층 슬러리는 3 wt.% 농도로 제조하였다. 전해질 슬러리 코팅과 마찬가지로 연료극의 연결재 부분에 테이프 마스킹을 한 후에 GDC 슬러리에 담가 30초 동안 코팅하였다. GDC 버퍼층 코팅 후 지지체는 소결로에서 1400℃(1.67℃/min)로 승온 후 5시간 동안 연료극 지지체, 연료극 기능층, 전해질 및 버퍼층을 공소결(Co-sintering)하였다.GDC as a buffer layer was coated in the same process as ScSZ electrolyte coating. The buffer layer slurry was prepared at a concentration of 3 wt.%. As with the electrolyte slurry coating, the connector portion of the anode was masked with tape, and then immersed in the GDC slurry and coated for 30 seconds. After coating the GDC buffer layer, the support was heated to 1400° C. (1.67° C./min) in a sintering furnace and co-sintered the anode support, the anode functional layer, the electrolyte, and the buffer layer for 5 hours.

소결이 끝난 지지체에 공기극은 스크린 프린팅 방법을 사용하여 코팅하였다. 스크린 프린팅은 일정한 두께와 형상으로 전극을 프린팅하여 5개의 세그먼트를 형성하였다. 공기극 페이스트는 LSCF-GDC(FCM Co.)와 LSCF(FCM Co.)를 사용하였다. 페이스트를 사용하여 각각 2회 스크린 프린팅하여 총 4회를 실시하였다. 공기극 스크린 프린팅 후 지지체는 소결로에서 1150℃(2.4℃/min)로 승온 후 3시간 동안 소결하였다.The air electrode was coated on the sintered support using a screen printing method. In screen printing, five segments were formed by printing electrodes with a certain thickness and shape. As the cathode paste, LSCF-GDC (FCM Co.) and LSCF (FCM Co.) were used. A total of 4 times were performed by screen printing twice each using the paste. After screen printing of the cathode, the support was heated to 1150°C (2.4°C/min) in a sintering furnace and then sintered for 3 hours.

연결재는 공기극과 같은 공정으로 스크린 프린팅을 실시하였다. 연결재 페이스트는 Ag-glass를 제조한 후에 원심혼합기를 이용하여 500 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm에서 각 5분 동안 혼합하였다. 소결된 지지체에 연결재를 연료극의 테이프 마스킹 하였던 부분에 페이스트를 2회 스크린 프린팅을 실시하고, 소결로에서 800℃(3.33℃/min)로 승온 후 30분 동안 소결하였다.The connecting material was screen-printed in the same process as the air electrode. After preparing the Ag-glass, the binder paste was mixed for 5 minutes at 500 rpm, 1000 rpm, and 2000 rpm using a centrifugal mixer. The paste was screen-printed twice on the portion of the sintered support where the connector was masked with the tape of the anode, and the temperature was raised to 800°C (3.33°C/min) in a sintering furnace and then sintered for 30 minutes.

셀 제작이 완료된 후에 전해질의 치밀도를 판단하기 위하여 가스 누설 시험을 실시하였다. After cell fabrication was completed, a gas leak test was performed to determine the density of the electrolyte.

도 1은 세그먼트 평관형 SOFC 셀의 제조공정의 모식도를 나타낸 것이고, 도 2는 제조공정의 모습을 나타낸 것이다. 1 shows a schematic diagram of a manufacturing process of a segmented flat tubular SOFC cell, and FIG. 2 shows a state of the manufacturing process.

<1-3> 각 구성요소 간 소재 선택 <1-3> Material selection between each component

SOFC의 제조 방법을 바탕으로 세그먼트 평관형(segmented flat-tubular) 단위 셀을 제작하였다. 단위셀은 연료극 지지체(Anode support)를 바탕으로 연료극 기능층(Anode functional layer, AFL), 전해질(Electrolyte), 버퍼층(Buffer layer), 공기극 기능층(Cathode functional layer, CFL), 공기극 전류 집전층(Cathode current collection layer, CCCL) 및 연결재(Interconnect)로 구성된 다층 구조로 구성하였다. 세그먼트 공기극이 적용된 평관형 SOFC 단위셀의 설계 구성요소와 그에 따른 실험 재료를 하기 표 1에 나타내었다.Based on the SOFC manufacturing method, a segmented flat-tubular unit cell was fabricated. The unit cell is based on an anode support, an anode functional layer (AFL), an electrolyte, a buffer layer, a cathode functional layer (CFL), and a cathode current collecting layer ( It was composed of a multi-layered structure consisting of a cathode current collection layer (CCCL) and interconnect. The design components of the flat tubular SOFC unit cell to which the segmented cathode is applied and the experimental materials according to the design components are shown in Table 1 below.

구성Configuration 재료material 연료극 지지체Anode support Ni-YSZ
(Yttria-stabilized zirconia)
Ni-YSZ
(Yttria-stabilized zirconia)
연료극 기능층Anode functional layer Ni-ScSZ
(Ni/Sc2O3-stabilized ZrO2)
Ni-ScSZ
(Ni/Sc 2 O 3 -stabilized ZrO 2 )
전해질Electrolyte ScSZ
(Sc2O3-stabilized ZrO2)
ScSZ
(Sc 2 O 3 -stabilized ZrO 2 )
버퍼층Buffer layer GDC (Gd-doped CeO2)GDC (Gd-doped CeO2) 공기극 기능층Air cathode functional layer LSCF (La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 2Fe0 . 8O3) -
GDC (Gd0 . 1Ce0 . 9O3 )
LSCF (La 0 6 Sr 0 4 Co 0 2 Fe 0 8 O 3....) -
GDC (Gd 0. 1 Ce 0 . 9 O 3)
공기극 전류 집전층Cathode current collector layer LSCF
(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)
LSCF
(La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 )
연결재Connector Ag-glassAg-glass

연료극 지지체를 제작하기 위해서 Ni과 YSZ를 사용하였다. NiO와 전해질 혼합물은 환원분위기(H2, CO 등)에서 NiO가 Ni 금속으로 환원되면서 연료의 산화반응에 필요한 촉매 열할을 하게 되고, 연료극 내부에 기공도를 증가시켜 연료가스와 전자전도체, 이온전도체의 삼상계면을 확대시키는 역할을 한다.연료극 기능층은 지지체 생산과정 중 발생한 홀이나 미세 균열을 막는 역할을 하며, 단위셀에서 연료극 기능층으로 Ni과 ScSZ를 사용하여 평관형 연료극 지지체에 연료 산화 반응이 용이하게 일어날 수 있도록 하였다.단위셀의 전해질로 스칸디아의 양이 10 mol.%인 ScSZ를 사용하였다. ScSZ의 경우 치환되는 스칸디아의 양이 10 mol.% 일 때 이온 전도도가 최댓값을 나타낸다. Ni and YSZ were used to fabricate the anode support. The mixture of NiO and electrolyte is reduced to Ni metal in a reducing atmosphere (H 2 , CO, etc.), thereby performing a catalyst heat reduction necessary for the oxidation reaction of the fuel, and increasing the porosity inside the anode to increase the fuel gas, electron conductor, and ion conductor. The fuel electrode functional layer serves to prevent holes or microcracks generated during the production process of the support, and the fuel oxidation reaction on the flat tubular anode support using Ni and ScSZ as the anode functional layer in the unit cell This was made to occur easily. ScSZ with an amount of scandia of 10 mol.% was used as the electrolyte of the unit cell. In the case of ScSZ, when the amount of scandia to be substituted is 10 mol.%, the ionic conductivity represents the maximum value.

공기극으로 적용할 높은 전기 전도도를 갖는 Co-함유된 페로브스카이트 혼합전도체로 LSCF를 적용하고, 공기극의 열처리 과정 중 발생하는 ZrO2 고체전해질과 LSCF 사이의 반응을 방지하기 위해 CeO2계 고체전해질을 버퍼층(Buffer layer)으로서 형성시킨 다층구조 형태로 사용하였으며, 버퍼층으로는 가돌리움의 양이 10 mol.%인 GDC를 사용하였다. A CeO 2 based solid electrolyte to prevent the reaction between the ZrO 2 solid electrolyte and LSCF that occurs during the heat treatment process of the cathode, and the LSCF is applied as a Co-containing perovskite mixed conductor with high electrical conductivity to be applied as the cathode. Was used in the form of a multi-layered structure formed as a buffer layer, and GDC in which the amount of gadolium was 10 mol.% was used as the buffer layer.

공기극 기능층으로는 LSCF-GDC를 사용하였고, 실험적 변수를 위하여 공기극이 5개의 세그먼트로 설계하였다. 각 전극면적은 2 cm2이고, 각 세그먼트 사이의 간격은 0.5 cm로 하여, 총 길이는 7 cm로 설계하였다. 공기극 전류 집전층으로 접촉저항을 감소시키기 위하여 LSCF 표면 위에 LSCo 페이스트를 사용하였다.LSCF-GDC was used as the cathode functional layer, and the cathode was designed into 5 segments for experimental variables. Each electrode area was 2 cm 2 , the spacing between each segment was 0.5 cm, and the total length was designed to be 7 cm. LSCo paste was used on the LSCF surface to reduce the contact resistance with the cathode current collecting layer.

연결재는 평관형 단위셀의 연료극과 스택을 쌓게 될 다음 셀의 공기극을 전기적으로 연결시켜야 하고 밀도가 높아 수소와 공기가 혼합되지 않게 하는 역할을 해야 한다. 연결재는 Ag와 glass로 제조한 페이스트를 사용하여 22.5 cm2의 면적을 스크린프린팅 하도록 설계하였다.The connecting material must electrically connect the anode of the flat tubular unit cell with the cathode of the next cell that will be stacked, and must play a role of preventing hydrogen and air from being mixed due to its high density. The connector was designed to screen-print an area of 22.5 cm 2 using a paste made of Ag and glass.

셀 제작이 완료된 후에는 가스 누설 시험을 실시하였고, 유리 밀봉재(glass sealant, Mico)를 사용하여 연료공급을 위한 금속 지그와 밀봉을 하고, Ag mesh, Ag wire, Pt wire를 사용하여 공기극과 연결재를 전류 집전하였다.After cell fabrication was completed, a gas leak test was conducted, and a metal jig for fuel supply was sealed using a glass sealant (Mico), and the cathode and connector were used with Ag mesh, Ag wire, and Pt wire. Electric current was collected.

도 3은 세그먼트형 공기극이 적용된 평관형 SOFC 단위셀의 모식도를 나타낸 것이다.3 is a schematic diagram of a flat tubular SOFC unit cell to which a segmented cathode is applied.

<< 실시예Example 2> 초음파 장비를 이용한 2> Using ultrasonic equipment SSCSSC 박막 증착 Thin film deposition

<2-1> 초음파 장비(Ultrasonic machine)의 준비<2-1> Preparation of ultrasonic machine

초음파 장비는 Lou, Xiaoyuan, et al., Solid State Ionics 180.23-25 (2009): 1285-1289에 제시된 바와 같이 구성하였다. 장비의 초음파는 80 kHz의 주파수로 제어기가 구동 주파수 범위(79 ∼ 81 kHz)를 유지시켜 주었고, 공기유량계로 유속을 조절해줌으로써 분사되는 패턴 폭의 넓고 좁음을 제어하였으며, 실린지 펌프의 유량 변화로 원하는 양을 공급해 침투량을 최적화하였다. The ultrasonic equipment was constructed as shown in Lou, Xiaoyuan, et al., Solid State Ionics 180.23-25 (2009): 1285-1289. The ultrasonic wave of the equipment maintained the driving frequency range (79 ∼ 81 kHz) with a frequency of 80 kHz, and the width and narrowness of the sprayed pattern was controlled by controlling the flow rate with an air flow meter, and the flow rate change of the syringe pump. The amount of penetration was optimized by supplying the desired amount.

도 4는 초음파 장비 구성을 나타낸 것이다.4 shows the configuration of an ultrasonic device.

<2-2> <2-2> SSCSSC (( SmSm 00 .. 22 SrSr 00 .. 88 CoOCoO 33 ) 용액의 제조) Preparation of solution

55 vol%의 증류수와 45 vol%의 에탄올에 우레아(Urea) 및 질산염 수용액 Sm(NO3)3·6H2O, Sr(NO3)2, Co(NO3)2·6H2O을 도 5와 같이 혼합하였다. Figure 5 shows urea and nitrate aqueous solution Sm(NO 3 ) 3 ·6H 2 O, Sr(NO 3 ) 2 , Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O in 55 vol% of distilled water and 45 vol% of ethanol. And mixed together.

우레아는 페로브스카이트 상을 형성하기 위해 복합제로 사용되었고, 에탄올은 수용액에 첨가하여 다공성 LSCF 공기극의 습윤성을 향상시키는 작용을 한다. 양이온 침전은 건조 공정에 의존하는데, 각각 석출되는 속도에 따라 국부적으로 조성 불균질이 발생한다. 침전물 조성 균질화를 위해 우레아를 첨가하였다. 셀에 SSC 용액을 침투시킨 후 80℃에서 건조하는데 우레아가 이 과정에서 암모니아와 이산화탄소로 분해된다. 암모니아와 이산화탄소는 하이드록시기(OH-)와 하이드록카본네이트(CO3 2-)로 분해된다. 하이드록시기와 하이드록카본네이트로 인해 균질하게 침전되어 하소과정에서 SSC 나노상 형성 역할을 하게 된다.Urea was used as a composite agent to form the perovskite phase, and ethanol was added to the aqueous solution to improve the wettability of the porous LSCF cathode. The cation precipitation depends on the drying process, and composition heterogeneity occurs locally depending on the rate at which each is precipitated. Urea was added to homogenize the composition of the precipitate. After infiltrating the SSC solution into the cell, it is dried at 80°C, and urea is decomposed into ammonia and carbon dioxide during this process. Ammonia and carbon dioxide is a hydroxyl group (OH -) are decomposed into carbon and a hydroxyl carbonate (CO 3 2-). Due to the hydroxy group and the hydroxycarbonate, it is homogeneously precipitated and plays a role in the formation of SSC nanophases in the calcination process.

도 6은 SSC 나노상 형성 반응식을 나타낸 것이다.6 shows the SSC nanophase formation reaction scheme.

<2-3> <2-3> SSCSSC (( SmSm 00 .. 22 SrSr 00 .. 88 CoOCoO 33 ) 박막 증착) Thin film deposition

다공성 LSCF 공기극의 표면에 초음파 장비를 통해 촉매 작용으로 하는 Sm0.2Sr0.8CoO3-δ(SSC) 박막을 증착시켰다. A catalytic Sm 0.2 Sr 0.8 CoO 3-δ (SSC) thin film was deposited on the surface of the porous LSCF cathode through ultrasonic equipment.

수용액의 농도는 1 mol/L 고정하고, 정확한 제어를 위해 5개의 세그먼트 (Ref, SSC 1회, SSC 2회, SSC 3회, SSC syringe) 공기극에 횟수별에 따라 도 7과 같이 실린지 펌프를 사용하여 3 ㎕/min의 유량으로 초음파 장비를 통해 침투시켰다. 침투 공정을 거치지 않는 기준 전극(Ref)도 비교를 위해 실험을 준비하였다. 침투 공정을 거친 후에, 850 ℃에서 2시간 하소시켰다. The concentration of the aqueous solution is fixed at 1 mol/L, and for accurate control, a syringe pump is used in 5 segments (Ref, SSC 1 time, SSC 2 times, SSC 3 times, SSC syringe) according to the number of times in the air electrode. And infiltrated through the ultrasonic equipment at a flow rate of 3 μl/min. An experiment was also prepared for comparison with the reference electrode (Ref) that did not go through the penetration process. After passing through the permeation process, it was calcined at 850° C. for 2 hours.

<< 실험예Experimental example 1> EDS 분석 1> EDS analysis

SSC 용액을 세그먼트 평관형 셀에 침투(Infiltration)시켜 벌크상태로 850 ℃에서 2시간 하소 후에 에너지 분산 분광분석(EDS: Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy)을 하였다. The SSC solution was infiltrated into a segmented flat tubular cell and calcined at 850° C. for 2 hours in a bulk state, followed by energy dispersive spectroscopy (EDS).

입사전자가 3 ㎛의 깊이로 들어가 표면의 정성, 정량 분석을 하였다. 포인트 A는 LSCF 표면 위에 SSC가 코팅되어 있는 부분을 분석하였고, B는 SSC가 침투되지 않은 깨끗한 LSCF 표면 위를 분석하였다. The incident electrons entered a depth of 3 µm and subjected to qualitative and quantitative analysis of the surface. Point A analyzed the part coated with SSC on the LSCF surface, and B analyzed the clean LSCF surface without SSC penetration.

그 결과로서, 도 8 및 하기 표 2에 표면 성분 결과를 나타내었다. 이를 통해, 포인트마다 각각의 LSCF와 SSC의 조성 성분비로 SSC가 LSCF 표면 위에 온전한 상으로 침투된 것을 확인하였다. As a result, the surface component results are shown in FIG. 8 and Table 2 below. Through this, it was confirmed that the SSC penetrated into the intact phase on the LSCF surface with the compositional ratio of each LSCF and SSC for each point.

포인트 APoint A LALA SmSm SrSr CoCo FeFe Total amountTotal amount 5.545.54 3.353.35 8.138.13 8.898.89 7.277.27 La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 2Fe0 . 8O3 La 0 . 6 Sr 0 . 4 Co 0 . 2 Fe 0 . 8 O 3 5.545.54 0.000.00 3.693.69 1.811.81 7.277.27 Sm0 . 5Sr0 . 5CoO3 Sm 0 . 5 Sr 0 . 5 CoO 3 0.000.00 3.353.35 4.444.44 7.087.08 0.000.00

<< 실험예Experimental example 2> 미세조직 관찰 2> Microstructure observation

<2-1> 습식침투법 방법에 따른 미세조직 관찰<2-1> Microstructure observation according to the wet penetration method

습식침투법은 공기극 재료에 따라 표면장력이 달라지기 때문에 계면활성제(surfactant)의 선택이 중요한 역할을 한다. 계면활성제로 에탄올과 증류수를 사용하였다. 일반적으로, 에탄올(22 dynes/cm)은 증류수(72 dynes/cm)보다 낮은 표면장력을 가지고 있다. 증류수와 에탄올을 함께 사용하였는데, 이는 표면장력을 줄여 습윤성을 향상시켜주었다.In the wet penetration method, the surface tension varies depending on the material of the cathode, so the selection of a surfactant plays an important role. Ethanol and distilled water were used as surfactants. In general, ethanol (22 dynes/cm) has a lower surface tension than distilled water (72 dynes/cm). Distilled water and ethanol were used together, which improved wettability by reducing the surface tension.

기존 습식침투법 중의 하나인 주사기를 이용하여 초음파장비와 비교하기 위해서 냉각형 전계 방사형 주사전자현미경(SEM-4800: Cold type Field-Emission Scanning Electron Microscopy)을 공기극층의 깊이에 따라서 분석하였다. In order to compare with ultrasonic equipment using a syringe, which is one of the existing wet penetration methods, a cold type field-emission scanning electron microscope (SEM-4800) was analyzed according to the depth of the cathode layer.

그 결과로서, 도 9 및 도 10에 관찰된 미세구조를 나타내었다. 주사기를 이용한 습식침투법은 공기극을 전체로 보았을 때, 상단에서 하단으로 내려갈수록 상단 부분에서 과량의 용액 침투로 상대적으로 많이 분포해 있음을 관찰하였다. 초음파장비를 이용한 습식침투법은 액적 크기 미세화를 통하여 균질한 용액이 고르게 분포하는 것을 확인하였다. As a result, the microstructures observed in FIGS. 9 and 10 are shown. In the wet penetration method using a syringe, it was observed that when the air electrode was viewed as a whole, it was observed that the air electrode was relatively largely distributed from the upper part to the lower part due to excessive penetration of the solution from the upper part. The wet permeation method using an ultrasonic device confirmed that a homogeneous solution was evenly distributed through droplet size refinement.

<2-2> <2-2> SSCSSC 횟수에 따른 미세조직 관찰 Microstructure observation according to the number of times

3개의 세그먼트 공기극에 1 mol/L SSC 용액을 1회, 2회, 3회로 각각 침투시켰다. 실린지 펌프로 액적의 양을 조절하여 분사되는 패턴이 공기극 면적에만 고르게 침투될 수 있도록 OHP 필름으로 공기극 면적만큼 음각 마스킹하였다. 1 mol/L SSC solution was infiltrated into the three segmented cathodes once, twice, and three times, respectively. By controlling the amount of droplets with a syringe pump, intaglio masked as much as the air electrode area with an OHP film so that the sprayed pattern could evenly penetrate only the air electrode area.

그 결과, 도 11에 나타난 바와 같이, 침투시키기 전에는 LSCF 공기극 표면은 깨끗하고 입자 경계면이 선명하게 보였다. 각 침투 횟수가 증가할수록, 대다수의 입자 표면은 SSC 나노입자로 코팅되었다. LSCF 입자 경계면은 불연속적인 SSC의 얇은 막의 형성으로 보이지 않았다. 평균 입자 크기는 약 80 nm로 관찰되었다. As a result, as shown in FIG. 11, before infiltration, the surface of the LSCF cathode was clean and the particle interface was clearly visible. As the number of penetrations increased, the majority of particle surfaces were coated with SSC nanoparticles. The LSCF particle interface did not appear to be the formation of a discontinuous thin film of SSC. The average particle size was observed to be about 80 nm.

SSC는 LSCF 보다 높은 표면 산소 교환 속도와 산소 환원이 우수하여 미량으로 공기극 표면에 증착된 것을 확인할 수 있었고, 횟수 증가에 따라 조성 정밀을 제어함으로 나노 촉매 입자 구현이 가능하였다.SSC had higher surface oxygen exchange rate and oxygen reduction than LSCF, so it could be confirmed that it was deposited on the surface of the cathode in a small amount, and nano-catalyst particles could be implemented by controlling the composition precision as the number of times increased.

<< 실험예Experimental example 3> 3> 세그먼트Segment 평관형Flat tube 연료전지 성능 측정 Fuel cell performance measurement

정전류 측정법으로 단위셀의 전류를 조절하여 그에 따른 세그먼트 마다 전류를 측정하였다. 성능 측정 평가는 700℃와 750℃에서 공기 2 L/min, 수소 500/min를 공급하여 정전류법을 이용해 SOFC 단위전지의 I-V 측정결과를 나타내었다. 각 세그먼트의 구성은 Ref(Blank), SSC 1회, SSC 2회, SSC 3회, SSC 주사기로 지정하여 성능측정을 분석하였다. The current of the unit cell was adjusted by the constant current measurement method, and the current was measured for each segment accordingly. Performance measurement evaluation shows the I-V measurement results of SOFC unit cells by supplying 2 L/min of air and 500/min of hydrogen at 700° C. and 750° C. using a constant current method. The composition of each segment was designated as Ref (Blank), SSC 1 time, SSC 2 times, SSC 3 times, and SSC syringe, and the performance measurement was analyzed.

그 결과, 도 12에 나타난 바와 같이, 700℃의 전극 유효면적 2 cm2에서 각각의 개회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)은 1.12V, 1.12V, 1.10V, 1.10V, 1.09V 였으며, 각각의 최대 출력밀도(Max. Power density)는 211 mW/cm2, 356 mW/cm2, 400 mW/cm2, 416 mW/cm2, 223 mW/cm2의 전지성능이 나타났다. As a result, as shown in Fig. 12, each open circuit voltage (OCV: Open Circuit Voltage) was 1.12V, 1.12V, 1.10V, 1.10V, 1.09V in an electrode effective area of 2 cm 2 at 700°C, respectively. The maximum power density of 211 mW/cm 2 , 356 mW/cm 2 , 400 mW/cm 2 , 416 mW/cm 2 , and 223 mW/cm 2 showed battery performance.

또한, 도 13에 나타난 바와 같이, 750℃의 전극 유효면적 2 cm2에서 각각의 개회로 전압은 1.10V, 1.10V, 1.09V, 1.09V, 1.07V였으며, 각각의 최대 출력밀도는 300 mW/cm2, 546 mW/cm2, 572 mW/cm2, 600 mW/cm2, 310 mW/cm2의 전지성능이 나타내는 것을 확인할 수 있었다. In addition, as shown in Fig. 13, each open circuit voltage was 1.10V, 1.10V, 1.09V, 1.09V, 1.07V in the electrode effective area of 2 cm 2 at 750°C, and the maximum power density of each was 300 mW/ It was confirmed that the battery performance of cm 2 , 546 mW/cm 2 , 572 mW/cm 2 , 600 mW/cm 2 , and 310 mW/cm 2 was shown.

SSC 침투(Infiltration)의 촉매 효과로 700℃와 750℃에서 각각 기준 전극(Reference cell) 대비 SSC 1회 침투시켰을 때, 약 30% 성능이 증가한 것을 확인하였다. 촉매 코팅이 LSCF 공기극 표면을 변형시켜 높은 전기 촉매 활성도와 안정성으로 세그먼트 평관형 SOFC의 전지성능을 향상시켜 주었다. As a result of the catalytic effect of SSC infiltration, it was confirmed that the performance increased by about 30% when the SSC was infiltrated once compared to the reference cell at 700°C and 750°C, respectively. The catalyst coating modified the surface of the LSCF cathode and improved the battery performance of the segmented flat tubular SOFC with high electrocatalytic activity and stability.

<< 실험예Experimental example 4> 4> 세그먼트Segment 평관형Flat tube 연료전지 임피던스 분석 Fuel cell impedance analysis

교류 임피던스는 SP-240(Bio-logic Co. KOREA)를 이용하여 측정하였다. 주파수는 300 kHz에서 0.1 Hz 범위였으며, 작동 전극과 기준 전극 사이에 인가하는 교류전압의 크기는 14 mV였다. 개회로 전압 상태로 전압이 일정하게 유지되는 시점에서 측정하였다.AC impedance was measured using SP-240 (Bio-logic Co. KOREA). The frequency ranged from 300 kHz to 0.1 Hz, and the magnitude of the AC voltage applied between the working electrode and the reference electrode was 14 mV. It was measured when the voltage was kept constant in the open circuit voltage state.

그 결과, 도 14 내지 도 15에 나타난 바와 같이, 두 호(Arc)의 폭으로 표시되는 분극저항(Rp)은 침투에 따라 현저히 감소되는 것을 확인하였다. 우레아(Urea)로 인해 전극성능이 개선되어 입자크기가 작아지고 균일한 분포도를 갖게 된다. 임피던스 스펙트럼이 두 개의 주 아크로 구성되어 있고, 고주파 및 저주파 아크가 각각 표면 및 계면에 산소 이온의 운반 역할을 하게 된다. 저주파 임피던스가 감소한 것을 볼 수 있는데, 이는 전기화학적으로 SSC의 고활성 영역이 넓어져 전극 표면 특성에 구조적 및 화학적 변형에 기인했음을 알 수 있었다. As a result, as shown in FIGS. 14 to 15, it was confirmed that the polarization resistance (Rp) represented by the width of the two arcs (Arc) significantly decreased with penetration. The electrode performance is improved due to urea, resulting in a smaller particle size and a uniform distribution. The impedance spectrum consists of two main arcs, and the high-frequency and low-frequency arcs carry oxygen ions to the surface and the interface, respectively. It can be seen that the low-frequency impedance is reduced, which is due to structural and chemical modifications to the electrode surface characteristics due to the widening of the high active area of the SSC electrochemically.

각 세그먼트 마다 옴 저항(ΩOhmic)과 분극저항(Rp)을 하기 표 3에 나타내었다.Ohmic resistance (ΩOhmic) and polarization resistance (Rp) for each segment are shown in Table 3 below.

SegmentSegment Rohmic (Ω)R ohmic (Ω) Rp (Ω)R p (Ω) BlankBlank 0.4290.429 0.8600.860 SSC 1timeSSC 1time 0.3300.330 0.7060.706 SSC 2timesSSC 2times 0.3670.367 0.6500.650 SSC 3timesSSC 3times 0.2920.292 0.4070.407 SSC syringeSSC syringe 0.3520.352 0.6160.616

Claims (12)

다공성 LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) 공기극의 표면에 초음파 스프레이 기법을 이용하여 SSC(Sm1-xSrxCoO3-δ, 여기서 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1)를 침투(infiltration)하여 SSC 박막을 코팅하는 단계를 포함하고,
여기서,
상기 침투는 사마륨, 세륨 및 코발트의 질산염 수용액을 에탄올, 증류수 및 우레아(Urea)와 혼합한 후 교반하여 제조된 SSC 용액을 분무한 후 건조시키는 것으로 수행되고,
상기 SSC 용액은 0.1 내지 2 mol/L의 농도로 분무하며,
상기 침투는 1 내지 7회 침투시키는 것을 특징으로 하는,
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)용 공기극의 성능 향상 방법.
SSC (Sm 1-x Sr x CoO 3-δ , where 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1) is infiltrated on the surface of the porous LSCF (Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) cathode using ultrasonic spray technique. Including the step of coating the SSC thin film,
here,
The infiltration is carried out by mixing an aqueous nitrate solution of samarium, cerium, and cobalt with ethanol, distilled water and urea, and then spraying the SSC solution prepared by stirring and drying it,
The SSC solution is sprayed at a concentration of 0.1 to 2 mol/L,
The penetration is characterized in that to penetrate 1 to 7 times,
A method of improving the performance of cathodes for solid oxide fuel cells (SOFCs).
◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈ Claim 2 was abandoned upon payment of the set registration fee. 제 1항에 있어서,
상기 다공성 LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) 공기극은 LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite)-GDC(Gadolinium Doped Ceria)층 및 LSCF층을 포함하는 다층 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극의 성능 향상 방법.
The method of claim 1,
The porous Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF) cathode has a multi-layered structure including a Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF)-GDC (Gadolinium Doped Ceria) layer and an LSCF layer.
◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈ Claim 3 was abandoned upon payment of the set registration fee.◈ 제 1항에 있어서,
상기 초음파 스프레이 기법은 컨트롤러, 초음파 분무 노즐, 주파수 제어기, 공기유량계 및 시린지 펌프를 포함하는 초음파 장비를 이용하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극의 성능 향상 방법.
The method of claim 1,
The ultrasonic spray technique is a method of improving the performance of a cathode for a solid oxide fuel cell, characterized in that using ultrasonic equipment including a controller, an ultrasonic spray nozzle, a frequency controller, an air flow meter, and a syringe pump.
◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈ Claim 4 was abandoned upon payment of the set registration fee. 제 1항에 있어서,
상기 초음파 스프레이 기법은 초음파 구동 주파수 75 ~ 85 kHz, 시린지 펌프 유량 2 ~ 4 ㎕/min 및 공기 유속 2 ~ 4 ℓ/min의 조건으로 초음파 분무하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극의 성능 향상 방법.
The method of claim 1,
The ultrasonic spray technique is a method for improving the performance of a cathode for a solid oxide fuel cell, characterized in that ultrasonic spraying is performed under conditions of an ultrasonic driving frequency of 75 to 85 kHz, a syringe pump flow rate of 2 to 4 µl/min, and an air flow rate of 2 to 4 ℓ/min. .
삭제delete 삭제delete 삭제delete ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈ Claim 8 was abandoned upon payment of the set registration fee. 제 1항에 있어서,
상기 침투 공정을 거친 후 800 ~ 900℃에서 2 내지 3시간 동안 하소시키는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 공기극의 성능 향상 방법.
The method of claim 1,
A method for improving the performance of a cathode for a solid oxide fuel cell, characterized in that calcining at 800 to 900° C. for 2 to 3 hours after passing through the permeation process.
다공성 LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) 공기극의 표면에 초음파 스프레이 기법을 이용하여 SSC(Sm1-xSrxCoO3-δ, 여기서 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1)가 침투(infiltration)된 고체산화물 연료전지용 공기극으로서,
여기서,
상기 침투는 사마륨, 세륨 및 코발트의 질산염 수용액을 에탄올, 증류수 및 우레아(Urea)와 혼합한 후 교반하여 제조된 SSC 용액을 분무한 후 건조시키는 것이고,
상기 SSC 용액은 0.1 내지 2 mol/L의 농도로 분무된 것이며,
상기 침투는 1 내지 7회 침투된 것을 특징으로 하는,
고체산화물 연료전지용 공기극.
SSC (Sm 1-x Sr x CoO 3-δ , where 0.1≤x≤0.8, 0≤δ≤0.1) is infiltrated on the surface of the porous LSCF (Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) cathode by using ultrasonic spray technique. As a cathode for a solid oxide fuel cell,
here,
The infiltration is to spray an SSC solution prepared by mixing an aqueous nitrate solution of samarium, cerium, and cobalt with ethanol, distilled water and urea and then stirring and drying the solution,
The SSC solution is sprayed at a concentration of 0.1 to 2 mol/L,
The penetration is characterized in that the penetration is 1 to 7 times,
Cathode for solid oxide fuel cells.
제9항의 고체산화물 연료전지용 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지.
A solid oxide fuel cell comprising the cathode for a solid oxide fuel cell of claim 9.
i) 사마륨, 세륨 및 코발트의 질산염 수용액을 에탄올, 증류수 및 우레아(Urea)와 혼합한 후 교반하여 제조된 SSC 용액을 제조하는 단계;
ii) 상기 단계 i)에서 제조된 SSC 용액을 다공성 LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) 공기극의 표면에 초음파 스프레이 기법을 이용하여 침투(infiltration)시킨 후 열처리하는 단계; 및
iii) 상기 단계 ii)에서 침투된 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제조하는 단계;를 포함하고,
여기서,
상기 침투는 사마륨, 세륨 및 코발트의 질산염 수용액을 에탄올, 증류수 및 우레아(Urea)와 혼합한 후 교반하여 제조된 SSC 용액을 분무한 후 건조시키는 것으로 수행되고,
상기 SSC 용액은 0.1 내지 2 mol/L의 농도로 분무하며,
상기 침투는 1 내지 7회 침투시키는 것을 특징으로 하는,
성능이 향상된 고체산화물 연료전지의 제조 방법.
i) preparing an SSC solution prepared by mixing an aqueous nitrate solution of samarium, cerium, and cobalt with ethanol, distilled water, and urea, followed by stirring;
ii) performing heat treatment after infiltration of the SSC solution prepared in step i) on the surface of a porous LSCF (Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) cathode using an ultrasonic spray technique; And
iii) manufacturing a solid oxide fuel cell including the cathode penetrated in step ii); including,
here,
The infiltration is carried out by mixing an aqueous nitrate solution of samarium, cerium, and cobalt with ethanol, distilled water and urea, and then spraying the SSC solution prepared by stirring and drying it,
The SSC solution is sprayed at a concentration of 0.1 to 2 mol/L,
The penetration is characterized in that to penetrate 1 to 7 times,
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell with improved performance.
삭제delete
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