KR102237821B1 - Metal oxide-based material, fuel cell comprising metal oxide-based material, and method of preparing fuel cell - Google Patents

Metal oxide-based material, fuel cell comprising metal oxide-based material, and method of preparing fuel cell Download PDF

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Abstract

하기 화학식 1로 표시되는 제1금속 산화물; 및 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 금속산화물계 재료; 이를 포함하는 연료전지 및 이의 제조 방법을 개시한다.
<화학식 1>
Ce(1.0-x)M1 (x)O(2-δ)
상기 화학식 1 중, M1, x 및 δ는 상세한 설명에 기재된 바와 같다.
A first metal oxide represented by the following formula (1); And a metal oxide-based material including an alkaline earth metal oxide. Disclosed are a fuel cell including the same and a method of manufacturing the same.
<Formula 1>
Ce (1.0-x) M 1 (x) O (2-δ)
In Formula 1, M 1 , x and δ are as described in the detailed description.

Description

금속산화물계 재료, 이를 포함하는 연료전지 및 이의 제조 방법{Metal oxide-based material, fuel cell comprising metal oxide-based material, and method of preparing fuel cell}Metal oxide-based material, fuel cell comprising metal oxide-based material, and method of preparing fuel cell}

금속산화물계 재료, 이를 포함하는 연료전지 및 이의 제조 방법이 개시된다.Disclosed are a metal oxide-based material, a fuel cell including the same, and a method of manufacturing the same.

연료전지는 수소나 천연가스 등의 연료를 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 장치로서 높은 효율과 무공해, 무소음 등의 특성으로 인하여 미래의 주요한 에너지 기술의 하나로 인식되고 있다.A fuel cell is a device that generates electricity by reacting fuel such as hydrogen or natural gas with oxygen and is recognized as one of the major energy technologies in the future due to its high efficiency, pollution-free, and noise-free characteristics.

연료전지는 양극, 전해질층 및 음극을 포함한다. The fuel cell includes an anode, an electrolyte layer, and a cathode.

전해질층 재료로서 플로라이트 결정 구조를 갖는 YSZ (yttria-stabilized zirconia), CSZ (Ca-doped ZrO2), GDC (Gd-doped CeO2)와 페로브스카이트 구조를 갖는 LSGM(Lanthanum strontium manganite, LSGM은 La-Sr-Ga-Mg-O 구성으로 Sr, Mg가 도핑된 lanthanum gallate임)와 같은 산화물 재료가 사용되고 있다.As an electrolyte layer material, YSZ (yttria-stabilized zirconia), CSZ (Ca-doped ZrO 2 ), GDC (Gd-doped CeO 2 ) and perovskite structures with fluorite crystal structure LSGM Oxide materials such as lanthanum gallate doped with Sr and Mg in the composition of La-Sr-Ga-Mg-O are used.

양극 재료로서는 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM) 또는 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF) 등이 사용되고 있다.As the anode material, lanthanum-strontium-manganese oxide (LSM) or lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF) or the like is used.

그러나, 상기 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF)계의 양극 재료는 지르코니아계의 전해질과 반응하여, 부도체 물질을 형성할 수 있다. 상기 부도체 물질로 인하여 연료 전지의 효율을 감소시킬 수 있기 때문에, 양극과 전해질층 사이의 반응을 방지하는 것이 요구된다.However, the lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF)-based cathode material may react with a zirconia-based electrolyte to form a nonconducting material. Since the efficiency of the fuel cell can be reduced due to the non-conductive material, it is required to prevent a reaction between the anode and the electrolyte layer.

본 발명의 일 실시예는 금속산화물계 재료를 개시한다.An embodiment of the present invention discloses a metal oxide-based material.

본 발명의 다른 실시예는 상기 금속산화물계 재료를 포함한 연료전지를 개시한다.Another embodiment of the present invention discloses a fuel cell including the metal oxide-based material.

본 발명의 또 다른 실시예는 상기 연료전지의 제조 방법을 개시한다.Another embodiment of the present invention discloses a method of manufacturing the fuel cell.

본 발명의 일 실시예는, 하기 화학식 1로 표시되는 제1금속 산화물; 및An embodiment of the present invention, a first metal oxide represented by the following formula (1); And

알칼리 토금속 산화물을 포함하는 금속산화물계 재료를 개시한다:Disclosed is a metal oxide-based material comprising an alkaline earth metal oxide:

<화학식 1><Formula 1>

Ce(1.0-x)M1 (x)O(2-δ) Ce (1.0-x) M 1 (x) O (2-δ)

상기 화학식 1 중,In Formula 1,

M1은 Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr 및 Nd 중에서 선택되고;M 1 is selected from Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr and Nd;

x는 0.01 내지 0.30이고;x is 0.01 to 0.30;

δ는 상기 제1금속 산화물을 전기적 중성으로 만들어 주는 값이다.δ is a value that makes the first metal oxide electrically neutral.

상기 알칼리 토금속 산화물은 MgO, CaO, SrO 및 BaO 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The alkaline earth metal oxide may be at least one selected from MgO, CaO, SrO, and BaO.

상기 알칼리 토금속 산화물은 MgO일 수 있다.The alkaline earth metal oxide may be MgO.

상기 알칼리 토금속 산화물은 상기 제1금속 산화물에 도핑될 수 있다.The alkaline earth metal oxide may be doped on the first metal oxide.

상기 알칼리 토금속 산화물의 함량은 0mol% 초과 내지 5mol% 이하일 수 있다.The content of the alkaline earth metal oxide may be greater than 0 mol% to 5 mol% or less.

상기 화학식 1 중, M1은 Gd일 수 있다.In Formula 1, M 1 may be Gd.

상기 금속산화물계 재료는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다:The metal oxide-based material may be represented by the following Formula 2:

<화학식 2><Formula 2>

Ce(1.0-x-y)M1 (x)M2 (y)O(2-δ) Ce (1.0-xy) M 1 (x) M 2 (y) O (2-δ)

상기 화학식 2 중,In Formula 2,

M1은 Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr 및 Nd 중에서 선택되고;M 1 is selected from Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr and Nd;

M2는 Mg, Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되고;M 2 is selected from Mg, Ca, Sr and Ba;

x는 0.01 내지 0.30이고;x is 0.01 to 0.30;

y는 0.01 내지 0.05이고;y is 0.01 to 0.05;

δ는 상기 금속산화물계 재료를 전기적 중성으로 만들어 주는 값이다.δ is a value that makes the metal oxide-based material electrically neutral.

본 발명의 다른 실시예는, 양극;Another embodiment of the present invention, the anode;

상기 양극에 대향된 음극; A negative electrode facing the positive electrode;

상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 전해질층; 및An electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode; And

상기 양극과 상기 전해질층 사이에 개재되고, 상술한 금속산화물계 재료를 포함하는 기능층을 포함하는, 연료전지를 개시한다.Disclosed is a fuel cell, which is interposed between the anode and the electrolyte layer, and includes a functional layer including the above-described metal oxide-based material.

상기 기능층의 상대 밀도는 70% 내지 100%일 수 있다.The relative density of the functional layer may be 70% to 100%.

상기 기능층의 상대 밀도는 90% 내지 100%일 수 있다.The relative density of the functional layer may be 90% to 100%.

상기 기능층에 포함된 입자의 평균입도는 2.0㎛ 내지 6.0㎛일 수 있다.The average particle size of the particles included in the functional layer may be 2.0㎛ to 6.0㎛.

상기 기능층의 두께는 1㎛ 내지 25㎛일 수 있다.The thickness of the functional layer may be 1 μm to 25 μm.

상기 양극은 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF), 란타늄-스트론튬-철 산화물(LSF) 및 란타늄-스트론튬-크롬 산화물(LSC)로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The anode may include at least one selected from lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF), lanthanum-strontium-iron oxide (LSF), and lanthanum-strontium-chromium oxide (LSC).

상기 전해질층은 지르코니아계로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The electrolyte layer may include at least one selected from zirconia-based.

상기 전해질층은 Y, Sc, Sm 및 Gd로부터 선택되는 1종 이상으로 도핑될 수 있다.The electrolyte layer may be doped with one or more selected from Y, Sc, Sm and Gd.

본 발명의 또 다른 실시예는, 음극을 형성하는 단계;Another embodiment of the present invention, forming a cathode;

상기 음극 상에 전해질층을 형성하는 단계;Forming an electrolyte layer on the negative electrode;

상기 전해질층 상에 에어로졸 증착법(aerosol deposition)으로 기능층을 형성하는 단계; 및Forming a functional layer on the electrolyte layer by aerosol deposition; And

상기 기능층 상에 양극을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지의 제조방법을 개시한다.Disclosed is a method of manufacturing a fuel cell including forming an anode on the functional layer.

상기 연료전지의 제조 방법은 상기 기능층을 700 내지 1000℃에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the fuel cell may further include heat-treating the functional layer at 700 to 1000°C.

본 발명의 실시예들에 관한 금속산화물계 재료는 상대적으로 낮은 온도로 열처리하더라도, 치밀한 조직을 형성할 수 있다. 이러한 금속산화물계 재료를 포함하는 연료전지는 고품위를 갖는다. Even if the metal oxide-based material according to the embodiments of the present invention is heat-treated at a relatively low temperature, a dense structure can be formed. A fuel cell including such a metal oxide-based material has a high quality.

도 1은 일 실시예에 따른 연료전지의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 2에 따른 전기전도도 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에 따른 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 2에 따른 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 3에 따른 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 4에 따른 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 비교예 1에 따른 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 평가예 4에 따른 연료전지의 작동온도에 따른 성능 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 평가예 5에 따른 연료전지의 기능층 유무에 따른 성능 결과를 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram of a fuel cell according to an embodiment.
2 shows the results of X-ray diffraction analysis according to an embodiment.
3 shows the results of electrical conductivity analysis according to Example 1 and Comparative Example 2.
4 shows the results of SEM analysis according to Example 1.
5 shows the results of SEM analysis according to Example 2.
6 shows the results of SEM analysis according to Example 3.
7 shows the results of SEM analysis according to Example 4.
8 shows the results of SEM analysis according to Comparative Example 1.
9 shows the performance results according to the operating temperature of the fuel cell according to Evaluation Example 4.
10 shows performance results according to the presence or absence of a functional layer of a fuel cell according to Evaluation Example 5. FIG.

이하에서 예시적인 실시예들에 따른, 금속산화물계 재료, 이를 포함하는 연료전지 및 이의 제조 방법에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a metal oxide-based material, a fuel cell including the same, and a method of manufacturing the same according to exemplary embodiments will be described in more detail.

일 실시예에 따른 금속산화물계 재료는 하기 화학식 1로 표시되는 제1금속 산화물; 및 알칼리 토금속 산화물을 포함한다:A metal oxide-based material according to an embodiment may include a first metal oxide represented by the following Chemical Formula 1; And alkaline earth metal oxides:

<화학식 1><Formula 1>

Ce(1.0-x)M1 (x)O(2-δ) Ce (1.0-x) M 1 (x) O (2-δ)

상기 화학식 1 중,In Formula 1,

M1은 Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr 및 Nd 중에서 선택되고;M 1 is selected from Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr and Nd;

x는 0.01 내지 0.30이고;x is 0.01 to 0.30;

δ는 제1금속 산화물을 전기적 중성으로 만들어 주는 값이다.δ is a value that makes the first metal oxide electrically neutral.

상기 알칼리 토금속 산화물은 소결조제로 작용하여, 상기 금속산화물계 재료로 상대적으로 낮은 온도로 열처리하더라도 치밀한 조직을 형성할 수 있게 한다. The alkaline earth metal oxide acts as a sintering aid, and allows the metal oxide-based material to form a dense structure even when heat-treated at a relatively low temperature.

예를 들어, 상기 알칼리 토금속 산화물은 MgO, CaO, SrO 및 BaO 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로서, 상기 알칼리 토금속 산화물은 MgO일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the alkaline earth metal oxide may be at least one selected from MgO, CaO, SrO, and BaO, but is not limited thereto. As another example, the alkaline earth metal oxide may be MgO, but is not limited thereto.

상기 알칼리 토금속 산화물은 상기 제1금속 산화물에 도핑될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 알칼리 토금속 산화물 중에 포함된 알칼리 토금속이 상기 금속산화물계 재료를 구성하는 격자에 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The alkaline earth metal oxide may be doped on the first metal oxide, but is not limited thereto. That is, the alkaline earth metal included in the alkaline earth metal oxide may be included in the lattice constituting the metal oxide-based material, but is not limited thereto.

상기 알칼리 토금속 산화물의 함량은 0mol% 초과 내지 5mol% 이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 알칼리 토금속 산화물의 함량은 0.5mol% 이상, 1mol% 이상, 5mol% 이하, 3mol% 이하, 2mol% 이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 알칼리 토금속 산화물의 함량이 상기 범위 내이면, 금속산화물계 재료를 상대적으로 낮은 온도로 열처리 하더라도 치밀한 조직을 형성할 수 있게 한다. The content of the alkaline earth metal oxide may be greater than 0 mol% to 5 mol% or less, but is not limited thereto. For example, the content of the alkaline earth metal oxide may be 0.5 mol% or more, 1 mol% or more, 5 mol% or less, 3 mol% or less, or 2 mol% or less, but is not limited thereto. When the content of the alkaline earth metal oxide is within the above range, it is possible to form a dense structure even if the metal oxide-based material is heat-treated at a relatively low temperature.

상기 화학식 1로 표시되는 제1금속 산화물은 이종 원소(M1)가 도핑된 세리아(CeO2)일 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1 중, M1은 Gd일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The first metal oxide represented by Formula 1 may be ceria (CeO 2 ) doped with a heterogeneous element (M 1 ). For example, in Formula 1, M 1 may be Gd, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 화학식 1 중, x는 0.01 내지 0.15일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, in Formula 1, x may be 0.01 to 0.15, but is not limited thereto.

상기 δ의 값은 각각 상기 화학식 1의 구성성분들의 산화 상태에 따라 달라지게 된다. 일례로, 상기 화학식 1에서, Ce의 산화 상태가 +3이고, M1의 산화 상태가 +2일 경우, 상기 δ의 값은 "1/2 + x/2"이다.The value of δ varies depending on the oxidation state of the constituents of Formula 1, respectively. For example, in Formula 1, when the oxidation state of Ce is +3 and the oxidation state of M 1 is +2, the value of δ is “1/2 + x/2”.

상기 금속산화물계 재료는 하기 화학식 2로 표시될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다:The metal oxide-based material may be represented by Formula 2 below, but is not limited thereto:

<화학식 2><Formula 2>

Ce(1.0-x)M1 (x-y)M2 (y)O(2-δ) Ce (1.0-x) M 1 (xy) M 2 (y) O (2-δ)

상기 화학식 2 중,In Formula 2,

M1은 Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr 및 Nd 중에서 선택되고;M 1 is selected from Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr and Nd;

M2는 Mg, Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되고;M 2 is selected from Mg, Ca, Sr and Ba;

x는 0.01 내지 0.30이고;x is 0.01 to 0.30;

y는 0.01 내지 0.05이고;y is 0.01 to 0.05;

δ는 상기 금속산화물계 재료를 전기적 중성으로 만들어 주는 값이다.δ is a value that makes the metal oxide-based material electrically neutral.

예를 들어, 상기 화학식 2 중, M1은 Gd일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, in Formula 2, M 1 may be Gd, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 화학식 2 중, M2는 Mg일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, in Formula 2, M 2 may be Mg, but is not limited thereto.

상기 δ의 값은 각각 상기 화학식 2의 구성성분들의 산화 상태에 따라 달라지게 된다. 일례로, 상기 화학식 2에서, Ce의 산화 상태가 +3이고, M1 및 M2의 산화 상태가 각각 +2일 경우, 상기 δ의 값은 "1/2 + x/2 + y/2"이다. The value of δ varies depending on the oxidation state of the constituents of Formula 2, respectively. For example, in Formula 2, when the oxidation state of Ce is +3, and the oxidation states of M 1 and M 2 are each +2, the value of δ is “1/2 + x/2 + y/2” to be.

이하 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 및 이의 제조 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a fuel cell and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

상기 연료전지는 예를 들어 고체산화물 연료전지일 수 있다. The fuel cell may be, for example, a solid oxide fuel cell.

상기 연료전지는 양극; 상기 양극에 대향된 음극; 상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 전해질층; 및 상기 양극과 상기 전해질층 사이에 개재되고, 상술한 금속산화물계 재료를 포함하는 기능층을 포함할 수 있다.The fuel cell includes a positive electrode; A negative electrode facing the positive electrode; An electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode; And a functional layer interposed between the anode and the electrolyte layer and including the above-described metal oxide-based material.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능층(12)을 포함하는 반쪽 전지(10)의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a half-cell 10 including a functional layer 12 according to an embodiment of the present invention.

반쪽 전지(10)는 전해질층(11), 기능층(12) 및 양극(13)을 포함한다.The half-cell 10 includes an electrolyte layer 11, a functional layer 12 and a positive electrode 13.

전해질층(11) 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 사마륨 도핑된 세리아(SDC) 및 가돌리늄 도핑된 세리아(GDC)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 전해질층(11)은 일반적으로 고밀도 특성이 요구되기 때문에, 전해질(즉, ScSZ, YSZ, SDC, GDC 또는 이들의 조합)을 고온에서 장시간 소결처리함에 의해 형성될 수 있다. 이때, 상기 소결처리는 약 1,450℃ 내지 1,650℃에서 6시간 내지 10시간 동안 열처리함에 의해 수행될 수 있다.The electrolyte layer 11 may include at least one selected from the group consisting of scandia stabilized zirconia (ScSZ), yttria stabilized zirconia (YSZ), samarium-doped ceria (SDC), and gadolinium-doped ceria (GDC). Since the electrolyte layer 11 is generally required for high density characteristics, it can be formed by sintering an electrolyte (ie, ScSZ, YSZ, SDC, GDC, or a combination thereof) at a high temperature for a long time. In this case, the sintering treatment may be performed by heat treatment at about 1,450°C to 1,650°C for 6 hours to 10 hours.

전해질층(11)의 두께는 통상 10nm 내지 100㎛이고, 예를 들어 100nm 내지 50㎛이다.The thickness of the electrolyte layer 11 is usually 10 nm to 100 μm, for example 100 nm to 50 μm.

기능층(12)는 전해질층(11)과 양극(13) 사이의 반응을 방지 또는 억제하여 이들 사이에 부도체층(미도시)가 발생하는 것을 방지 또는 억제한다. 기능층(12)은 이러한 역할을 하기 위하여 치밀한 구조일 수 있다. 예를 들어, 기능층(12)의 상대 밀도는 70% 내지 100%일 수 있고, 다른 예로서, 90% 내지 100%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 양극과 전해질층 사이의 기능층은 양극 원소가 확산되어 전해질과 반응상을 형성함으로써 저항값이 상승하는 것을 방지할 수 있어야 하는데, 기능층의 기공이 많으면 반응방지 기능을 수행하지 못할 수도 있고 이온전도도 감소로 성능이 감소할 수 있다. 또한 기능층이 지나치게 치밀한 구조를 갖게 될 경우 양극층의 원소 확산을 돕게 되어 반응방지 기능을 수행하지 못할 수 있어 한정된 기공을 가질 필요가 있다. 일 실시예에 따른 금속산화물계 재료를 포함하는 기능층은 기능층의 상대 밀도가 70% 내지 100%로 조절되게 함으로써, 양극 원소의 확산을 효과적으로 방지할 수 있는 치밀한 기능층을 제조할 수 있다. The functional layer 12 prevents or suppresses a reaction between the electrolyte layer 11 and the anode 13 and prevents or suppresses the occurrence of a non-conductor layer (not shown) therebetween. The functional layer 12 may have a compact structure to perform this role. For example, the relative density of the functional layer 12 may be 70% to 100%, and as another example, it may be 90% to 100%, but is not limited thereto. The functional layer between the positive electrode and the electrolyte layer should be able to prevent the resistance value from increasing by forming a reaction phase with the electrolyte due to diffusion of the positive electrode element.If there are many pores in the functional layer, the reaction preventing function may not be performed and the ion conductivity Decrease can reduce performance. In addition, when the functional layer has an excessively dense structure, it is necessary to have limited pores since it may not be able to perform a reaction preventing function because it helps the diffusion of elements in the anode layer. In the functional layer including the metal oxide-based material according to an exemplary embodiment, by adjusting the relative density of the functional layer to 70% to 100%, a dense functional layer capable of effectively preventing diffusion of an anode element can be manufactured.

기능층(12)을 형성하는 재료로서 상술한 금속산화물계 재료를 포함할 수 있다. As a material for forming the functional layer 12, the above-described metal oxide-based material may be included.

상기 금속산화물계 재료는 입자 형태로 포함될 수 있다. 상기 입자의 평균입도는 2.0㎛ 내지 6.0㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 입자의 평균입도가 상기 범위를 내이면, 기능층의 조직이 치밀할 수 있다. The metal oxide-based material may be included in the form of particles. The average particle size of the particles may be 2.0 μm to 6.0 μm, but is not limited thereto. When the average particle size of the particles is within the above range, the structure of the functional layer may be dense.

기능층(12)의 두께는 1㎛ 내지 25㎛일 수 있다. 기능층(12)의 두께가 상기 범위 내이면, 전해질층(11)과 양극(13) 사이의 반응을 방지 또는 억제하는데 충분할 수 있다.The thickness of the functional layer 12 may be 1 μm to 25 μm. When the thickness of the functional layer 12 is within the above range, it may be sufficient to prevent or suppress a reaction between the electrolyte layer 11 and the anode 13.

기능층(12)은 전해질층(11) 상에 물리적기상증착법(PVD)을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 기능층(12)은 스퍼터링, 펄스레이져 증착(PLD), 에어로졸 증착법(aerosol deposition) 등을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로서, 기능층(12)은 에어로졸 증착법을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The functional layer 12 may be formed on the electrolyte layer 11 by using a physical vapor deposition method (PVD). For example, the functional layer 12 may be formed using sputtering, pulse laser deposition (PLD), aerosol deposition, or the like, but is not limited thereto. As another example, the functional layer 12 may be formed using an aerosol deposition method, but is not limited thereto.

상기 에어로졸 증착법을 이용하여 기능층(12)를 형성하는 경우, 상기 제1금속 산화물 및 상기 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 상기 금속산화물계 재료의 분말을 수송 가스(예를 들면, 산소 가스)를 이용하여 전해질층(11)에 100m/sec 내지 500m/sec으로 충돌시켜 형성할 수 있다. When forming the functional layer 12 using the aerosol deposition method, the powder of the metal oxide-based material including the first metal oxide and the alkaline earth metal oxide is transferred using a transport gas (for example, oxygen gas). It can be formed by colliding with the electrolyte layer 11 at a rate of 100 m/sec to 500 m/sec.

상기 금속산화물계 재료 분말의 평균입도는 0.3㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 평균입도가 0.3㎛ 미만인 경우에는 전해질층에 충돌하는 에너지가 작아서 치밀한 막질의 형성이 어려우며 5㎛ 초과인 경우에는 분말의 입도가 커서 에어로졸 형성이 곤란하여 막질의 형성속도가 느려지고 막질의 균일도가 저하될 수 있다.The metal oxide-based material powder may have an average particle size of 0.3 μm to 5 μm. If the average particle size is less than 0.3㎛, the energy impinging on the electrolyte layer is small, making it difficult to form a dense film. If the average particle size is more than 5㎛, it is difficult to form aerosol due to the large particle size of the powder. I can.

기능층(12)은 700℃ 내지 1000℃에서 추가로 열처리될 수 있다. 기능층(12)에 상기 금속산화물계 재료를 사용함으로써, 상대적으로 저온에서 열처리 하더라도 기능층이 치밀할 수 있다.The functional layer 12 may be further heat-treated at 700°C to 1000°C. By using the metal oxide-based material for the functional layer 12, the functional layer can be dense even when heat-treated at a relatively low temperature.

기능층(12)은 1시간 내지 5시간, 예를 들어, 2시간 내지 3시간 동안 추가로 열처리될 수 있다. 기능층(12)에 상기 금속산화물계 재료를 사용함으로써, 상대적으로 짧은 시간 동안 열처리 하더라도 기능층이 치밀할 수 있다.The functional layer 12 may be further heat-treated for 1 hour to 5 hours, for example, 2 hours to 3 hours. By using the metal oxide-based material for the functional layer 12, even if heat treatment is performed for a relatively short period of time, the functional layer can be dense.

상기 양극을 형성하는 재료로서 고체 산화물을 사용할 수 있다.A solid oxide may be used as a material for forming the anode.

상기 고체 산화물로서, 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(La0 .6Sr0 .4Co0 .8Fe0 .2 O3, LSCF), 란타늄-스트론튬-철 산화물(LSF) 및 란타늄-스트론튬-크롬 산화물(LSC)로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 고체 산화물로서, 페로브스카이트(perovskite) 형의 결정 구조를 가지는 금속 산화물 입자를 사용할 수 있으며, (Sm,Sr)CoO3, (La,Sr)MnO3, (La,Sr)CoO3, (La,Sr)(Fe,Co)O3, (La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3 등의 금속 산화물 입자를 예로 들 수 있다. 상술한 금속 산화물 입자는 1종을 단독으로 사용해도 좋고, 2종 이상을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. As the solid oxide, lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (La 0 .6 Sr 0 .4 Co 0 .8 Fe 0 .2 O3, LSCF), lanthanum-strontium-iron oxide (LSF) and lanthanum-strontium-chromium One or more selected from oxides (LSC) can be used. For example, as the solid oxide, metal oxide particles having a perovskite-type crystal structure may be used, and (Sm,Sr)CoO 3 , (La,Sr)MnO 3 , (La,Sr Metal oxide particles such as )CoO 3 , (La,Sr)(Fe,Co)O 3 , (La,Sr)(Fe,Co,Ni)O 3 may be exemplified. The metal oxide particles described above may be used alone or in combination of two or more.

상기 양극을 형성하는 재료로서 백금, 루테늄, 팔라듐 등의 귀금속을 사용할 수 있다. As a material for forming the anode, noble metals such as platinum, ruthenium, and palladium may be used.

상기 양극을 형성하는 재료로서 스트론튬, 코발트, 철 등이 도핑된 란탄 망가나이트을 사용할 수 있다. 예를 들어, La0 .8Sr0 .2MnO3(LSM), La0 .6Sr0 .4Co0 .8Fe0 .2O3(LSCF) 등이다.As a material for forming the anode, lanthanum manganite doped with strontium, cobalt, iron, or the like may be used. For example, La is 0 .8 Sr 0 .2 MnO 3 ( LSM), La 0 .6 Sr 0 .4 Co 0 .8 such as Fe 0 .2 O 3 (LSCF) .

상기 음극을 형성하는 재료로서 전해질층(11)을 형성하는 재료의 분말과 니켈 옥사이드가 혼합된 서머트(cermet)가 사용될 수 있다. 예를 들어, YSZ를 전해질로 사용하는 경우, 음극으로는 Ni/YSZ 복합체(ceramic-metallic composite)을 사용할 수 있다. 이외에도 Ru/YSZ 서머트나 Ni, Co, Ru, Pt 등의 순수 금속 등을 음극 재료로 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 음극은 필요에 따라 활성탄소를 추가로 포함할 수 있다. 상기 음극은 연료가스가 잘 확산되어 들어갈 수 있도록 다공성을 가지는 것이 좋다. As a material for forming the negative electrode, a cermet in which a powder of a material forming the electrolyte layer 11 and nickel oxide are mixed may be used. For example, when YSZ is used as an electrolyte, a Ni/YSZ composite (ceramic-metallic composite) may be used as the negative electrode. In addition, Ru/YSZ thermal or pure metals such as Ni, Co, Ru, and Pt may be used as the negative electrode material, but the present invention is not limited thereto. The negative electrode may further include activated carbon as needed. It is preferable that the cathode has porosity so that fuel gas can be easily diffused into it.

상기 음극의 두께는 통상 1 내지 1000 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 음극의 두께는 5 내지 100 μm일 수 있다. The thickness of the negative electrode may be usually 1 to 1000 μm. For example, the thickness of the negative electrode may be 5 to 100 μm.

상기 고체산화물 연료전지(10)는 상기 양극(13)의 적어도 한 측면, 예를 들어 양극(13)의 바깥 측면에 전자전도체를 포함하는 전기집전층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 전기집전층은 양극 구성에 있어서 전기를 모으는 집전체(current collector) 역할을 할 수 있다.The solid oxide fuel cell 10 may further include an electric current collecting layer (not shown) including an electron conductor on at least one side of the anode 13, for example, an outer side of the anode 13. The electric current collector layer may serve as a current collector for collecting electricity in a positive electrode configuration.

상기 전기집전층은, 예를 들어 란타늄 코발트 산화물(LaCoO3), 란타늄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 란타늄 스트론튬 코발트 망간 산화물(LSCM), 란타늄 스트론튬 망간 산화물(LSM), 및 란타늄 스트론튬 철 산화물(LSF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전기집전층은 위에서 열거한 재료들을 단독으로 사용하거나, 2 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 이들 재료를 이용하여 단일층으로 구성하거나 2 이상 복수개의 적층구조로 구성하는 것도 가능하다. The electric current collector layer is, for example, lanthanum cobalt oxide (LaCoO 3 ), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), lanthanum strontium cobalt manganese oxide (LSCM), and lanthanum strontium manganese oxide (LSM). , And at least one selected from the group consisting of lanthanum strontium iron oxide (LSF). The electric current collecting layer may be used alone or in combination of two or more of the materials listed above. It is also possible to use these materials to form a single layer or to form a stacked structure of two or more.

상기 고체산화물 연료전지는 당해 기술분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 고체산화물 연료전지는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. Since the solid oxide fuel cell can be manufactured using a conventional method known in various documents in the art, a detailed description thereof will be omitted here. In addition, the solid oxide fuel cell may be applied to various structures such as a tubular stack, a flat tubular stack, and a planar type stack.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.It will be described in more detail through the following examples and comparative examples. However, the examples are for illustrative purposes only, and the scope of the invention is not limited thereto.

제조예Manufacturing example 1: 금속산화물계 재료의 제조 1: Preparation of metal oxide-based material

Ce:Gd:Mg의 몰비가 0.9:0.09:0.01이 되도록, 산화세륨, 산화가돌리늄 및 산화마그네슘의 함량을 제어하여 12시간 동안 볼밀링하였다. 그 다음, 상기 볼밀링된 혼합물을 건조하고, 전기로에서 열처리하여 Ce0 .9Gd0 .09Mg0 .01O1 . 45을 분말 상태로 얻었다.The contents of cerium oxide, gadolinium oxide, and magnesium oxide were controlled so that the molar ratio of Ce:Gd:Mg was 0.9:0.09:0.01, and ball milled for 12 hours. Then, by drying the milled mixture and the ball, the heat treatment in an electric furnace Ce 0 .9 Gd 0 .09 Mg 0 .01 O 1. 45 was obtained in the form of a powder.

제조예Manufacturing example 2: 금속산화물계 재료의 제조 2: Preparation of metal oxide-based material

Ce:Gd:Mg의 몰비가 0.9:0.08:0.02가 되도록, 산화세륨, 산화가돌리늄 및 산화마그네슘의 함량을 제어하였다는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Ce0 .9Gd0 .08Mg0 .02O1 . 45을 분말 상태로 얻었다.Ce: Gd: the molar ratio of Mg 0.9: 0.08: to conduct, so that 0.02, except that the content of cerium oxide, gadolinium oxide, and magnesium oxide, and the mixture was controlled according to the same method as in Production Example 1 Ce 0 .9 Gd 0 .08 Mg 0 .02 O 1. 45 was obtained in the form of a powder.

제조예Manufacturing example 3: 금속산화물계 재료의 제조 3: Preparation of metal oxide-based material

Ce:Gd:Mg의 몰비가 0.9:0.07:0.03가 되도록, 산화세륨, 산화가돌리늄 및 산화마그네슘의 함량을 제어하였다는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Ce0 .9Gd0 .07Mg0 .03O1 . 45을 분말 상태로 얻었다.Ce: Gd: the molar ratio of Mg 0.9: 0.07: conducted according to the same manner as in Preparation Example 1 except that the 0.03, and control the content of cerium oxide, gadolinium oxide, and magnesium oxide such that Ce Gd 0 .9 0 .07 Mg 0 .03 O 1. 45 was obtained in the form of a powder.

제조예Manufacturing example 4: 금속산화물계 재료의 제조 4: Preparation of metal oxide-based material

Ce:Gd:Mg의 몰비가 0.9:0.06:0.04가 되도록, 산화세륨, 산화가돌리늄 및 산화마그네슘의 함량을 제어하였다는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Ce0 .9Gd0 .06Mg0 .04O1 . 45을 분말 상태로 얻었다.Ce: Gd: the molar ratio of Mg 0.9: 0.06: conducted, except that the content of cerium oxide, gadolinium oxide, and magnesium oxide, and the mixture was controlled to be 0.04 in the same manner as in Production Example 1 Ce 0 .9 Gd 0 .06 Mg 0 .04 O 1. 45 was obtained in the form of a powder.

제조예Manufacturing example 5: 금속산화물계 재료의 제조 5: Preparation of metal oxide-based material

Ce:Gd:Mg의 몰비가 0.9:0.04:0.06가 되도록, 산화세륨, 산화가돌리늄 및 산화마그네슘의 함량을 제어하였다는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Ce0 .9Gd0 .04Mg0 .06O1 . 45을 분말 상태로 얻었다.Ce: Gd: the molar ratio of Mg 0.9: 0.04: 0.06 is subjected to, cerium oxide, with the exception that the amount of gadolinium oxide and magnesium oxide, and the mixture was controlled according to the same method as in Production Example 1 Ce 0 .9 Gd 0 .04 Mg 0 .06 O 1. 45 was obtained in the form of a powder.

제조예Manufacturing example 6: 금속산화물계 재료의 제조 6: Preparation of metal oxide-based material

Ce:Gd:Mg의 몰비가 0.9:0.02:0.08가 되도록, 산화세륨, 산화가돌리늄 및 산화마그네슘의 함량을 제어하였다는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Ce0 .9Gd0 .02Mg0 .08O1 . 45을 분말 상태로 얻었다.Ce: Gd: the molar ratio of Mg 0.9: 0.02: to conduct, so that 0.08, except that the content of cerium oxide, gadolinium oxide, and magnesium oxide, and the mixture was controlled according to the same method as in Production Example 1 Ce 0 .9 Gd 0 .02 Mg 0 .08 O 1. 45 was obtained in the form of a powder.

제조예Manufacturing example 7: 금속산화물계 재료의 제조 7: Preparation of metal oxide-based material

Ce:Gd:Ca의 몰비가 0.9:0.08:0.02가 되도록, 산화세륨, 산화가돌리늄 및 산화칼슘의 함량을 제어하였다는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Ce0 .9Gd0 .08Ca0 .02O1 . 45을 분말 상태로 얻었다.Ce: Gd: the molar ratio of Ca 0.9: 0.08: to conduct, so that 0.02, except that the content of cerium oxide, gadolinium oxide, and calcium oxide, and the mixture was controlled according to the same method as in Production Example 1 Ce 0 .9 Gd 0 .08 Ca 0 .02 O 1 . 45 was obtained in the form of a powder.

제조예Manufacturing example 8: 금속산화물계 재료의 제조 8: Preparation of metal oxide-based material

Ce:Gd:Sr의 몰비가 0.9:0.08:0.02가 되도록, 산화세륨, 산화가돌리늄 및 산화스트론튬의 함량을 제어하였다는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Ce0 .9Gd0 .08Sr0 .02O1 . 45을 분말 상태로 얻었다.Ce: Gd: the molar ratio of Sr 0.9: 0.08: 0.02 and conducted such that, with the exception that the content of cerium oxide, gadolinium oxide, and strontium oxide, and the mixture was controlled according to the same method as in Production Example 1 Ce 0 .9 Gd 0 .08 Sr 0 .02 O 1 . 45 was obtained in the form of a powder.

제조예Manufacturing example 9: 금속산화물계 재료의 제조 9: Preparation of metal oxide-based material

Ce:Gd:Ba의 몰비가 0.9:0.08:0.02가 되도록, 산화세륨, 산화가돌리늄 및 산화바륨 함량을 제어하였다는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Ce0 .9Gd0 .08Ba0 .02O1 . 45을 분말 상태로 얻었다.Ce: Gd: Ba molar ratio of 0.9: 0.08: 0.02 so that, by and is prepared by the same procedure as in Preparation Example 1, except that the cerium oxide, gadolinium oxide, and barium oxide content was controlled Ce 0 .9 Gd 0. 08 Ba 0 .02 O 1 . 45 was obtained in the form of a powder.

비교제조예Comparative Production Example : 금속산화물계 재료의 제조 : Preparation of metal oxide-based materials

Ce:Gd의 몰비가 0.9:0.1이 되도록, 산화세륨, 산화가돌리늄 및 산화바륨 함량을 제어하였다는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Ce0.9Gd0.1O1.45을 분말 상태로 얻었다.Ce: the molar ratio of Gd 0.9: set at 0.1, and is conducted according to the same manner as in Preparation Example 1 to give a Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.45 in a powder state, except that the cerium oxide, gadolinium oxide, and barium oxide content was controlled .

실시예Example 1: One: 벌크체Bulk 제조 Produce

제조예 2에 따라 얻은 금속산화물계 재료의 상대 밀도, 전기적 특성을 분석하기 위하여 수득한 분말을 금속 몰드에 넣고 프레싱한 다음, 1000℃에서 3시간 동안 전기로를 이용하여 공기 중 열처리하여 소결하여 벌크체를 제조하였다.In order to analyze the relative density and electrical properties of the metal oxide-based material obtained according to Preparation Example 2, the obtained powder was put into a metal mold and pressed, and then heat-treated in air using an electric furnace at 1000°C for 3 hours to sinter to obtain a bulk body. Was prepared.

실시예Example 2: 2: 벌크체Bulk 제조 Produce

900℃에서 소결하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 벌크체를 제조하였다.A bulk body was manufactured using the same method as in Example 1, except that it was sintered at 900°C.

실시예Example 3: 3: 벌크체Bulk 제조 Produce

800℃에서 소결하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 벌크체를 제조하였다.A bulk body was manufactured using the same method as in Example 1, except that it was sintered at 800°C.

실시예Example 4: 4: 벌크체Bulk 제조 Produce

700℃에서 소결하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 벌크체를 제조하였다.A bulk body was prepared in the same manner as in Example 1, except that it was sintered at 700°C.

실시예Example 5 내지 12: 5 to 12: 벌크체Bulk 제조 Produce

제조예 2에 따라 얻은 분말 대신 제조예 1 및 3 내지 9에 따라 각각 얻은 분말을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 각각의 금속산화물계 재료에 대응되는 벌크체를 얻었다. A bulk body corresponding to each metal oxide-based material was obtained by following the same method as Example 1, except that the powder obtained according to Preparation Examples 1 and 3 to 9 was used instead of the powder obtained according to Preparation Example 2.

비교예Comparative example 1: One: 벌크체Bulk 제조 Produce

제조예 2에 따라 얻은 분말 대신 비교제조예 1에 따라 얻은 분말을 사용하고, 1100℃에서 소결하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 벌크체를 얻었다.Instead of the powder obtained according to Preparation Example 2, the powder obtained according to Comparative Preparation Example 1 was used, and a bulk body was obtained in the same manner as in Example 1, except that the powder was sintered at 1100°C.

비교예Comparative example 2: 2: 벌크체Bulk 제조 Produce

제조예 2에 따라 얻은 분말 대신 비교제조예 1에 따라 얻은 분말을 사용하고, 1300℃에서 소결하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 벌크체를 얻었다.Instead of the powder obtained according to Preparation Example 2, the powder obtained according to Comparative Preparation Example 1 was used, and a bulk body was obtained in the same manner as in Example 1, except that the powder was sintered at 1300°C.

평가예 1: 상대 밀도 분석Evaluation Example 1: Relative Density Analysis

실시예 1 내지 12의 벌크체의 상대 밀도를 확인하기 위하여, Archimedean 방법으로 상대 밀도를 측정하였다. Archimedean 방법은 후술하는 바와 같다. In order to confirm the relative density of the bulk bodies of Examples 1 to 12, the relative density was measured by the Archimedean method. The Archimedean method is as described later.

지름 10mm 및 두께 3mm의 실시예 1 내지 6 및 비교예 1의 시편을 준비하였다. 상기 시편의 건조무게(Wdry)를 측정한 다음, 상온에서 상기 시편을 증류수에 24시간 동안 담가 두어 상기 시편을 증류수로 포화시켰다. 이때, 시편 상부와 수면 사이는 50 내지 60mm로 하였다. 그 다음, 상기 증류수로 포화된 시편을 철선을 이용하여 매달아 수중무게(Wsup)를 측정하였다. 그 다음, 상기 증류수로 포화된 시편을 꺼내어 표면의 증류수를 닦아내고 포화무게(Wsat)를 측정하였다. 하기 식 1을 통하여 상대 밀도(D)를 계산하였다.Specimens of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 having a diameter of 10 mm and a thickness of 3 mm were prepared. After measuring the dry weight (W dry ) of the specimen, the specimen was immersed in distilled water for 24 hours at room temperature to saturate the specimen with distilled water. At this time, between the top of the specimen and the water surface was 50 to 60 mm. Then, the specimen saturated with distilled water was suspended using a wire to measure the weight in water (W sup ). Then, the sample saturated with distilled water was taken out, the distilled water on the surface was wiped off, and the saturated weight (W sat ) was measured. Relative density (D) was calculated through Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

D = Wdry / (Wsat - Wsup) × 100D = W dry / (W sat -W sup ) × 100

상기 상대 밀도 결과를 하기 표 1에 기재하였다:The relative density results are shown in Table 1 below:

상대 밀도 (%)Relative density (%) 상대 밀도 (%)Relative density (%) 실시예 1Example 1 9191 실시예 7Example 7 8585 실시예 2Example 2 8888 실시예 8Example 8 7979 실시예 3Example 3 8585 실시예 9Example 9 7878 실시예 4Example 4 7676 실시예 10Example 10 7272 실시예 5Example 5 8888 실시예 11Example 11 8282 실시예 6Example 6 9090 실시예 12Example 12 8585 비교예 1Comparative Example 1 6363 비교예 2Comparative Example 2 9191

평가예Evaluation example 2: X선 2: X-ray 회절diffraction 분석 analysis

Cu 타겟이 장착된 X선 회절계(XRD, X'pert, Philips로부터 입수 가능)를 사용하여, 4°/분의 스캔 속도로 20°내지 80°범위에 대하여, 시료를 분석하였다.Using an X-ray diffractometer equipped with a Cu target (available from XRD, X'pert, Philips), samples were analyzed for a range of 20° to 80° at a scan rate of 4°/min.

상기 X-선 회절 분석 결과는 도 2에 나타난 바와 같다. The results of the X-ray diffraction analysis are as shown in FIG. 2.

도 2에서 평가예 2는 YSZ/NiO 기판 위에 제조예 2의 분말을 에어로졸 증착하고, 900℃에서 열처리 한 후에 X선 회절 분석을 한 그래프이다. 도 2에서 대조예 1은 YSZ/NiO 기판 위에 제조예 2의 분말을 에어로졸 증착한 후 X선 회절 분석 한 그래프이다. 도 2에서 대조예 2는 제조예 2의 분말을 X선 회절 분석한 그래프이다.In FIG. 2, Evaluation Example 2 is a graph in which the powder of Preparation Example 2 was aerosol-deposited on an YSZ/NiO substrate, and after heat treatment at 900° C., X-ray diffraction analysis was performed. In FIG. 2, Comparative Example 1 is a graph of X-ray diffraction analysis after aerosol deposition of the powder of Preparation Example 2 on an YSZ/NiO substrate. In FIG. 2, Comparative Example 2 is a graph obtained by analyzing the powder of Preparation Example 2 by X-ray diffraction analysis.

도 2를 참조하여, 단일상이 형성된 것을 확인할 수 있었다. Referring to Figure 2, it was confirmed that a single phase was formed.

평가예Evaluation example 3: 전기전도도 분석 3: electrical conductivity analysis

실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 벌크체의 전기전도도를 WEIS system (원아텍으로부터 입수 가능)을 이용하여, 100 kHz 내지 0.1 Hz의 주파수 범위에서, 600 내지 1000℃에서, 각각의 온도에서 100mV 진폭의 교류 전압 및 개방회로전압(Open circuit voltage)를 인가하여 분석하였다. The electrical conductivity of the bulk bodies prepared in Example 1 and Comparative Example 2 was measured using a WEIS system (available from OneAtech), in a frequency range of 100 kHz to 0.1 Hz, at 600 to 1000°C, and 100 mV at each temperature. The analysis was performed by applying an AC voltage and an open circuit voltage of amplitude.

상기 전기전도도 분석 결과는 도 3 및 표 2에 나타난 바와 같다:The electrical conductivity analysis results are as shown in Fig. 3 and Table 2:

측정온도 (℃)Measurement temperature (℃) 실시예 1의 전기전도도
(S/cm)
Electrical conductivity of Example 1
(S/cm)
비교예 2의 전기전도도
(S/cm)
Electrical conductivity of Comparative Example 2
(S/cm)
600600 -1.18-1.18 -1.23-1.23 700700 -1.02-1.02 -1.09-1.09 800800 -0.88-0.88 -0.98-0.98 900900 -0.81-0.81 -0.92-0.92 10001000 -0.64-0.64 -0.75-0.75

도 3 및 표 2를 참조하면, 실시예 1의 전기전도도 비교예 2의 전기전도도보다 향상됨을 알 수 있었다.3 and Table 2, it can be seen that the electrical conductivity of Example 1 is improved than that of Comparative Example 2.

실시예Example 13: 연료전지의 제조 13: Manufacture of fuel cells

1cm의 직경 및 2mm 두께를 갖는 원통형상으로 NiO를 압출성형하여 음극을 형성하였다. 상기 음극의 원통형상의 표면 위에 YSZ (10 mol% Sc2O3-도핑 ZrO2) 슬러리를 딥 코팅하고, 1400℃에서 소결하여 10㎛ 두께의 전해질층을 형성하였다. 상기 전해질층의 원통형상의 표면 위에 제조예 2의 Ce0 .9Gd0 .08Mg0 .02O1 .45 분말을 에어로졸 증착하고, 900℃에서 열처리하여 3㎛ 두께의 기능층을 형성하였다. 상기 기능층의 원통형상의 표면 위에 LSCF(La0 .6Sr0 .4Co0 .2Fe0 .8O3 조성) 슬러리를 딥 코팅하고, 900℃에서 열처리 하여 30㎛ 두께의 양극을 형성하여 버튼셀을 제조하였다. 상기 버튼셀의 직경은 2.6cm이었다.NiO was extruded into a cylindrical shape having a diameter of 1 cm and a thickness of 2 mm to form a negative electrode. On the cylindrical surface of the negative electrode, YSZ (10 mol% Sc 2 O 3 -doped ZrO 2 ) slurry was dip coated and sintered at 1400°C to form an electrolyte layer having a thickness of 10 μm. Depositing a Ce 0 .9 Gd 0 .08 Mg 0 .02 O 1 .45 Powder of Preparation Example 2, on the cylindrical surface of the electrolyte layer, aerosol, and by heating at 900 ℃ to form a functional layer of 3㎛ thickness. Dip coating the LSCF (La 0 .6 Sr 0 .4 Co 0 .2 Fe 0 .8 O 3 -δ composition) slurry over a cylindrical surface of the functional layer, forming the thickness of the positive electrode subjected to heat treatment at 900 ℃ 30㎛ Thus, a button cell was manufactured. The button cell had a diameter of 2.6 cm.

비교예Comparative example 3: 비교 연료전지의 제조 3: Fabrication of Comparative Fuel Cell

1cm의 직경 및 2mm 두께를 갖는 원통형상으로 NiO를 압출성형하여 음극을 형성하였다. 상기 음극의 원통형상의 표면 위에 YSZ (10 mol% Sc2O3-도핑 ZrO2) 슬러리를 딥 코팅하고, 1400℃에서 소결하여 10㎛ 두께의 전해질층을 형성하였다. 상기 전해질층의 원통형상의 표면 위에 LSCF(La0 .6Sr0 .4Co0 .2Fe0 .8O3 조성) 슬러리를 딥 코팅하고, 1200℃에서 열처리 하여 30㎛ 두께의 양극을 형성하여 버튼셀을 제조하였다. 상기 버튼셀의 직경은 2.6cm이었다.NiO was extruded into a cylindrical shape having a diameter of 1 cm and a thickness of 2 mm to form a negative electrode. On the cylindrical surface of the negative electrode, YSZ (10 mol% Sc 2 O 3 -doped ZrO 2 ) slurry was dip coated and sintered at 1400°C to form an electrolyte layer having a thickness of 10 μm. LSCF over the cylindrical surface of the electrolyte layer (La 0 .6 Sr 0 .4 Co 0 .2 Fe 0 .8 O 3 -δ composition) dip-coating the slurry, and heat treated at 1200 ℃ form a positive electrode thickness of 30㎛ Thus, a button cell was manufactured. The button cell had a diameter of 2.6 cm.

평가예Evaluation example 4: 작동온도에 따른 연료전지의 성능 평가 4: Evaluation of fuel cell performance according to operating temperature

실시예 13에서 제조된 연료전지에 대하여 성능 평가를 실시하였다. 상기 연료전지를 상온에서 800℃로 가열한 다음, 음극에 H2 가스를 3시간 동안 주입시켰다. 그 다음, 상기 연료전지를 평가하고자 하는 온도로 식힌 다음, 양극에 공기를 음극에 H2O(3%)/H2 가스를 주입시키면서, 전류 및 전압을 solartron 1287를 이용하여 측정하였다. 여기서, 전류집전체로는 Pt를 사용하였다. 평가 온도는 600℃, 700℃ 및 800℃였다. The fuel cell manufactured in Example 13 was evaluated for performance. The fuel cell was heated from room temperature to 800° C., and H 2 gas was injected into the cathode for 3 hours. Then, after cooling the fuel cell to a temperature to be evaluated, current and voltage were measured using a solartron 1287 while air was injected into the anode and H 2 O (3%)/H 2 gas was injected into the cathode. Here, Pt was used as the current collector. The evaluation temperatures were 600°C, 700°C and 800°C.

그 다음, 연료전지의 측정 면적을 고려하여 전류 밀도 및 전압 밀도를 계산하여 그 결과를 표 3 및 도 9에 나타내었다:Then, the current density and voltage density were calculated in consideration of the measurement area of the fuel cell, and the results are shown in Table 3 and FIG. 9:

평가 온도(℃)Evaluation temperature (℃) 전력 밀도(W/cm2)Power density (W/cm 2 ) 600600 0.970.97 700700 1.271.27 800800 1.631.63

평가예Evaluation example 5: 5: 기능층Functional layer 유무에 따른 연료전지의 성능 평가 Fuel cell performance evaluation according to the presence or absence

실시예 13에서 제조된 연료전지 및 비교예 3에서 제조된 비교 연료전지에 대하여 성능 평가를 실시하였다. 연료전지 및 비교 연료전지를 상온에서 800℃로 가열한 다음, 음극에 H2 가스를 3시간 동안 주입시켰다. 그 다음, 각각의 연료전지 및 비교 연료전지의 양극에 공기를 음극에 H2O(3%)/H2 가스를 주입시키면서, 전류 및 전압을 solartron 1287를 이용하여 측정하였다. 여기서, 전류집전체로는 Pt를 사용하였다. Performance evaluation was performed on the fuel cell manufactured in Example 13 and the comparative fuel cell manufactured in Comparative Example 3. After heating the fuel cell and the comparative fuel cell from room temperature to 800° C., H 2 gas was injected into the cathode for 3 hours. Then, while injecting air into the anode of each fuel cell and the comparative fuel cell, and H 2 O (3%)/H 2 gas into the cathode, current and voltage were measured using a solartron 1287. Here, Pt was used as the current collector.

그 다음, 연료전지의 측정 면적을 고려하여 전류 밀도 및 전압 밀도를 계산하여 그 결과를 표 4 및 도 10에 나타내었다.Then, the current density and voltage density were calculated in consideration of the measurement area of the fuel cell, and the results are shown in Table 4 and FIG. 10.

대상object 전력 밀도(W/cm2)Power density (W/cm 2 ) 실시예 13Example 13 1.631.63 비교예 3Comparative Example 3 1.481.48

Claims (17)

하기 화학식 1로 표시되는 제1금속 산화물; 및
CaO, SrO 및 BaO 중에서 선택되는 1종 이상의 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 금속산화물계 재료:
<화학식 1>
Ce(1.0-x)M1(x)O(2-δ)
상기 화학식 1 중,
M1은 Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr 및 Nd 중에서 선택되고;
x는 0.01 내지 0.30이고;
δ는 상기 제1금속 산화물을 전기적 중성으로 만들어 주는 값이다.
A first metal oxide represented by the following formula (1); And
Metal oxide-based material containing at least one alkaline earth metal oxide selected from CaO, SrO and BaO:
<Formula 1>
Ce (1.0-x) M 1(x) O (2-δ)
In Formula 1,
M 1 is selected from Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr and Nd;
x is 0.01 to 0.30;
δ is a value that makes the first metal oxide electrically neutral.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 알칼리 토금속 산화물은 상기 제1금속 산화물에 도핑되는, 금속산화물계 재료.
The method of claim 1,
The alkaline earth metal oxide is doped with the first metal oxide.
제1항에 있어서,
상기 알칼리 토금속 산화물의 함량은 0mol% 초과 내지 5mol% 이하인, 금속산화물계 재료.
The method of claim 1,
The content of the alkaline earth metal oxide is more than 0 mol% to 5 mol% or less, a metal oxide-based material.
제1항에 있어서,
M1은 Gd인, 금속산화물계 재료.
The method of claim 1,
M 1 is Gd, a metal oxide-based material.
제1항에 있어서,
하기 화학식 2로 표시되는, 금속산화물계 재료
<화학식 2>
Ce(1.0-x-y)M1(x)M2(y)O(2-δ)
상기 화학식 2 중,
M1은 Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr 및 Nd 중에서 선택되고;
M2는 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택되고;
x는 0.01 내지 0.30이고;
y는 0.01 내지 0.05이고;
δ는 상기 금속산화물계 재료를 전기적 중성으로 만들어 주는 값이다.
The method of claim 1,
Metal oxide-based material represented by the following formula (2)
<Formula 2>
Ce (1.0-xy) M 1(x) M 2(y) O (2-δ)
In Formula 2,
M 1 is selected from Gd, Sm, La, Yb, Zr, Pr and Nd;
M 2 is selected from Ca, Sr and Ba;
x is 0.01 to 0.30;
y is 0.01 to 0.05;
δ is a value that makes the metal oxide-based material electrically neutral.
양극;
상기 양극에 대향된 음극;
상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 전해질층; 및
상기 양극과 상기 전해질층 사이에 개재되고, 제1항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 금속산화물계 재료를 포함하는 기능층을 포함하는, 연료전지.
anode;
A negative electrode facing the positive electrode;
An electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode; And
A fuel cell comprising a functional layer interposed between the anode and the electrolyte layer and comprising a metal oxide-based material according to any one of claims 1 and 4 to 7.
제8항에 있어서,
상기 기능층의 상대 밀도는 70% 내지 100%인, 연료전지.
The method of claim 8,
The relative density of the functional layer is 70% to 100%, the fuel cell.
제8항에 있어서,
상기 기능층의 상대 밀도는 90% 내지 100%인, 연료전지.
The method of claim 8,
The fuel cell has a relative density of 90% to 100% of the functional layer.
제8항에 있어서,
상기 기능층에 포함된 입자의 평균입도는 2.0㎛ 내지 6.0㎛인, 연료전지.
The method of claim 8,
The fuel cell, the average particle size of the particles included in the functional layer is 2.0㎛ to 6.0㎛.
제8항에 있어서,
상기 기능층의 두께는 1㎛ 내지 25㎛인, 연료전지.
The method of claim 8,
The thickness of the functional layer is 1㎛ to 25㎛, fuel cell.
제8항에 있어서,
상기 양극이 란타늄-스트론튬-코발트-철 산화물(LSCF), 란타늄-스트론튬-철 산화물(LSF) 및 란타늄-스트론튬-크롬 산화물(LSC)로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 연료전지.
The method of claim 8,
The anode comprises at least one selected from lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide (LSCF), lanthanum-strontium-iron oxide (LSF), and lanthanum-strontium-chromium oxide (LSC).
제8항에 있어서,
상기 전해질층이 지르코니아계로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 연료전지.
The method of claim 8,
The fuel cell, wherein the electrolyte layer includes at least one selected from zirconia-based.
제8항에 있어서,
상기 전해질층은 Y, Sc, Sm 및 Gd로부터 선택되는 1종 이상으로 도핑된, 연료전지.
The method of claim 8,
The electrolyte layer is doped with at least one selected from Y, Sc, Sm and Gd, the fuel cell.
음극을 형성하는 단계;
상기 음극 상에 전해질층을 형성하는 단계;
상기 전해질층 상에 에어로졸 증착법(aerosol deposition)으로 제1항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 금속산화물계 재료를 포함하는 기능층을 형성하는 단계; 및
상기 기능층 상에 양극을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지의 제조방법.
Forming a cathode;
Forming an electrolyte layer on the negative electrode;
Forming a functional layer including the metal oxide-based material according to any one of claims 1 and 4 to 7 by an aerosol deposition method on the electrolyte layer; And
A method of manufacturing a fuel cell comprising forming an anode on the functional layer.
제16항에 있어서,
상기 기능층을 700 내지 1000℃에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 연료전지의 제조방법.

The method of claim 16,
The method of manufacturing a fuel cell further comprising the step of heat-treating the functional layer at 700 to 1000°C.

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