KR102247686B1 - Self-transforming solid oxide cell and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전기화학 성능이 우수하고, 열적 안정성이 높으며 제조 공정과 비용을 감소시킬 수 있는 자가 변환 고체 산화물 전지 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지는, 애노드; 상기 애노드를 마주보고 배치되는 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질;을 포함하고, 상기 애노드와 상기 캐소드는 동일한 고체 산화물을 포함하여 구성되고, 제조 직후에는 제1 결정 구조를 동일하게 가지고, 상기 애노드는 대기에 적응하여 이루어지는 자가 변환에 의하여 상 변이됨으로써 상기 제1 결정 구조와는 다른 제2 결정 구조를 가진다.The present invention provides a self-conversion solid oxide battery having excellent electrochemical performance, high thermal stability, and capable of reducing manufacturing processes and costs, and a method of manufacturing the same. Self-conversion solid oxide battery according to an embodiment of the present invention, the anode; A cathode disposed facing the anode; And an electrolyte disposed between the anode and the cathode; wherein the anode and the cathode are composed of the same solid oxide, have the same first crystal structure immediately after manufacture, and the anode is adapted to the atmosphere It has a second crystal structure different from the first crystal structure by being phase-shifted by self-transformation.

Description

자가 변환 고체 산화물 전지 및 그 제조 방법{Self-transforming solid oxide cell and method of manufacturing the same}Self-transforming solid oxide cell and method of manufacturing the same}

본 발명의 기술적 사상은 자가 변환 고체 산화물 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a self-conversion solid oxide battery and a method of manufacturing the same.

수소는 다양한 용도를 가지고, 청정하고, 효율적인 연료이며, 지구상에 매우 많이 존재하므로, 재생 가능한 에너지 전환 시스템에 대한 응용으로서 수소 에너지 시스템들에 대한 관심이 증가되고 있다. 이러한 수소 에너지 시스템의 하나로서 고체 산화물 연료 전지는 전환 효율이 높고, 오염물 배출이 적고, 연료 유연성이 우수한 장점을 가진다. 또한, 고체 산화물 연료 전지들은 가역 작동에서 H2O를 첨가하여 고체 산화물 수전해셀로도 사용이 가능하다. 따라서, 연료 전지와 수전해셀 모두에 사용 가능한 고체 산화물 전지는 차세대 에너지 장치로 주목을 받고 있다.Since hydrogen has a variety of uses, is a clean, efficient fuel, and exists very much on the planet, interest in hydrogen energy systems is increasing as an application for a renewable energy conversion system. As one of these hydrogen energy systems, the solid oxide fuel cell has advantages of high conversion efficiency, low pollutant emission, and excellent fuel flexibility. In addition, solid oxide fuel cells can be used as solid oxide electrolytic cells by adding H 2 O in reversible operation. Therefore, solid oxide cells that can be used in both fuel cells and water-receiving cells are attracting attention as next-generation energy devices.

고체 산화물 전지는 전극 구성에 따라 두 가지로 분류될 수 있다. 연료 전극과 공기 전극에 서로 다른 전극 물질을 사용하는 비대칭형(asymmetrical) 구성과 동일한 전극 물질을 사용하는 대칭형(symmetrical) 구성으로 분류될 수 있다. 종래의 고체 산화물 전지들은 비대칭형 구성을 가지는 것이 일반적이고, 구체적으로 조밀한 전해질을 사이에 두고 각각 다른 물질을 포함하는 애노드와 캐소드로 구성된다. 이러한 비대칭형 구성은 각각의 작동 환경에 대하여 최적화된 물질을 포함하도록 애노드와 캐소드를 별도로 구성하므로, 우수한 성능을 가지는 장점이 있다. 그러나, 애노드와 캐소드를 다른 물질로 구성하면, 제조 공정이 복잡하고, 제조 비용이 증가될 뿐만 아니라, 다른 열팽창 계수에 의하여 열적 기계적 호환성이 감소되는 문제점이 있다. 특히, 열적 문제를 감소시키기 위하여 버퍼층을 추가로 형성할 필요가 있다. 따라서, 비대칭형 구성을 가지는 고체 산화물 전지는 우수한 전기화학 성능에도 불구하고 상용화에 한계가 있다.Solid oxide batteries can be classified into two types according to electrode configuration. The fuel electrode and the air electrode may be classified into an asymmetrical configuration using different electrode materials and a symmetrical configuration using the same electrode material. Conventional solid oxide batteries generally have an asymmetrical configuration, and are specifically composed of an anode and a cathode each including a different material with a dense electrolyte interposed therebetween. This asymmetrical configuration has an advantage of having excellent performance because the anode and the cathode are separately configured to contain materials optimized for each operating environment. However, when the anode and the cathode are made of different materials, there is a problem in that the manufacturing process is complicated, the manufacturing cost is increased, and the thermal and mechanical compatibility is reduced due to different coefficients of thermal expansion. In particular, it is necessary to additionally form a buffer layer in order to reduce thermal problems. Therefore, the solid oxide battery having an asymmetrical configuration is limited in commercialization despite its excellent electrochemical performance.

대칭형 구성은 애노드와 캐소드에 동일한 물질을 사용하는 것이 특징이다. 상기 대칭형 구성에서는 전극들에 동일한 물질을 사용하므로, 전극과 전해질 사이에 형성되는 계면이 동일하게 되어, 구성 물질 간의 반응성 문제 또는 열팽창 계수 차이의 문제 등과 같은 상술한 비대칭 구성의 한계들을 극복할 수 있다. 또한, 상기 대칭형 구성은 전극 제조에서 단지 하나의 열 처리 단계를 사용하여 구현할 수 있으므로, 제조 공정이 상대적으로 간단하게 되고, 제조 비용이 감소되는 장점이 있다. 그러나, 대칭형 구성은 비대칭형 구성에 비하여 상안정성과 전기화학 성능이 낮은 한계가 있다. 그 이유는 산화와 환원에서 동시에 요구되는 구조적 안정성, 화학적 안정성, 및 높은 촉매 활성도를 가지는 물질을 찾기 어렵기 때문이다. 따라서, 전기화학 성능이 우수하고, 열적 안정성이 높으며 제조 공정과 비용을 감소시킬 수 있는 고체산화물 전지용 전극이 요구된다.The symmetrical configuration is characterized by the use of the same material for the anode and cathode. In the symmetrical configuration, since the same material is used for the electrodes, the interface formed between the electrode and the electrolyte is the same, so that it is possible to overcome the limitations of the asymmetric configuration described above, such as a problem of reactivity between constituent materials or a problem of a difference in thermal expansion coefficient. . In addition, since the symmetrical configuration can be implemented using only one heat treatment step in electrode manufacturing, the manufacturing process is relatively simple and manufacturing cost is reduced. However, the symmetrical configuration has a lower limit in phase stability and electrochemical performance than the asymmetrical configuration. The reason is that it is difficult to find a material having structural stability, chemical stability, and high catalytic activity required at the same time in oxidation and reduction. Accordingly, there is a need for an electrode for a solid oxide battery that has excellent electrochemical performance, high thermal stability, and can reduce manufacturing processes and costs.

한국등록특허 제10-1549443호Korean Patent Registration No. 10-1549443

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 전기화학 성능이 우수하고, 열적 안정성이 높으며 제조 공정과 비용을 감소시킬 수 있는 자가 변환 고체 산화물 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a self-converting solid oxide battery that has excellent electrochemical performance, high thermal stability, and can reduce manufacturing processes and costs, and a method of manufacturing the same.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지는, 애노드; 상기 애노드를 마주보고 배치되는 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질;을 포함하고, 상기 애노드와 상기 캐소드는 동일한 고체 산화물을 포함하여 구성되고, 제조 직후에는 제1 결정 구조를 동일하게 가지고, 상기 애노드는 대기에 적응하여 이루어지는 자가 변환에 의하여 상 변이됨으로써 상기 제1 결정 구조와는 다른 제2 결정 구조를 가진다.A self-conversion solid oxide battery according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem, the anode; A cathode disposed facing the anode; And an electrolyte disposed between the anode and the cathode; wherein the anode and the cathode are composed of the same solid oxide, have the same first crystal structure immediately after manufacture, and the anode is adapted to the atmosphere It has a second crystal structure different from the first crystal structure by being phase-shifted by self-transformation.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 결정 구조는 양이온 무규칙 배열 페로브스카이트 구조를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the first crystal structure may include a cationic irregular arrangement perovskite structure.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 결정 구조는 양이온 규칙 배열 페로브스카이트 구조를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the second crystal structure may include a cationic ordered perovskite structure.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 대기는 수소함유가스 분위기로 구성될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the atmosphere may be composed of a hydrogen-containing gas atmosphere.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 대기는 3 vol% 내지 10 vol% 범위의 H2O를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the atmosphere may include H 2 O in the range of 3 vol% to 10 vol%.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 자가 변환은 600℃내지 800℃범위의 온도에서 이루어질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the self-conversion may be performed at a temperature in the range of 600°C to 800°C.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 캐소드는 Pr0 . 5Ba0 . 5Mn0 . 85Co0 . 15O3 - δ 를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the cathode is Pr 0 . 5 Ba 0 . 5 Mn 0 . 85 Co 0 . 15 O 3 - δ .

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 애노드는 PrBaMn1 . 7Co0 .3- xO5 + δ 를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the anode is PrBaMn 1 . 7 Co 0 .3- x O 5 + δ .

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 애노드는 금속이 용출되어 형성된 금속 용출물을 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the anode may further include a metal eluate formed by eluting metal.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 금속 용출물은 코발트를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the metal eluate may contain cobalt.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 제조 방법은, 전해질을 사이에 두고 배치되고, 동일한 고체 산화물을 포함하여 구성되고, 제1 결정 구조를 동일하게 가지는 애노드와 캐소드로 구성된 대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계; 상기 대칭형 전극 구조체를 수소함유가스 분위기로 구성된 대기에서 가열하는 단계; 및 상기 애노드가 대기에 적응하여 이루어지는 자가 변환에 의하여 상 변이됨으로써 상기 제1 결정 구조와는 다른 제2 결정 구조를 가지게 되어, 비대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a self-converting solid oxide battery according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem is an anode disposed with an electrolyte interposed therebetween, comprising the same solid oxide, and having the same first crystal structure Forming a symmetrical electrode structure composed of a cathode and a cathode; Heating the symmetrical electrode structure in an atmosphere composed of a hydrogen-containing gas atmosphere; And forming a second crystal structure different from the first crystal structure by the anode being phase-shifted by self-transformation made by adapting to the atmosphere, thereby forming an asymmetric electrode structure.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계는, 상기 지지체에 전구체 용액을 침투시켜 상기 애노드와 상기 캐소드를 동시에 형성하여 수행될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the step of forming the symmetrical electrode structure may be performed by simultaneously forming the anode and the cathode by infiltrating a precursor solution into the support.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 지지체는 다공층/밀집층/다공층의 3층 구성을 가질 수 있고, 상기 다공층들의 하나가 상기 애노드를 구성하고, 상기 다공층들의 다른 하나가 상기 캐소드를 구성하고, 상기 밀집층이 상기 전해질을 구성할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the support may have a three-layer configuration of a porous layer/dense layer/porous layer, one of the porous layers constituting the anode, and the other of the porous layers is the A cathode may be formed, and the dense layer may constitute the electrolyte.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 전해질은 La0 . 9Sr0 . 1Ga0 . 8Mg0 . 2O3 - δ 을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the electrolyte is La 0 . 9 Sr 0 . 1 Ga 0 . 8 Mg 0 . 2 O 3 - δ may be included.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 전해질은 La0 . 9Sr0 . 1Ga0 . 8Mg0 . 2O3 분말을 갈색 청어 생선 오일, 자일렌, 폴리알킬렌 글리콜, 부틸 벤질 프탈레이트, 및 폴리비닐 부틸랄을 포함하는 에탄올 용매에 투입하여 형성한 슬러리를 이용하여 형성할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the electrolyte is La 0 . 9 Sr 0 . 1 Ga 0 . 8 Mg 0 . 2 O 3 powder can be formed using a slurry formed by injecting brown herring fish oil, xylene, polyalkylene glycol, butyl benzyl phthalate, and an ethanol solvent containing polyvinyl butylal.

본 발명의 기술적 사상에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지는 대기 적응형 물질로서 페로브스카이트 Pr0.5Ba0.5Mn0.85Co0.15O3-δ (PBMCO) 를 애노드와 캐소드에 적용하였다. 상기 PBMCO는 연료 분위기에서는 층상화된 페로브스카이트 및 금속으로 변화되고, 공기 분위기에서는 원래의 구조를 유지한다. 연료 전지 모드에서는, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 800℃에서 1.10 W cm-2 의 높은 최대 전력 밀도를 가지는 우수한 전기화학 성능을 나타내었고, 촉매를 사용하지 않고도 200 시간 동안 매우 우수한 안정성을 나타낸다. 수전해 모드에서는, 3 vol.% H2O 에 대하여 -0.42 A cm-2 의 전류밀도를 나타내고, 10 vol.% H2O에 대하여 -0.62 A cm-2 의 전류밀도를 나타내었다. 또한, 800℃에서 1.3 V의 전지 전압을 나타내었다. 가역 싸이클 테스트에서는, 상기 변환 전지는 10 vol % H2O 에 대하여 +/- 0.2 A cm-2 에서 30 시간 동안 균일한 전압을 유지할 수 있다.In the self-converting solid oxide battery according to the technical idea of the present invention, perovskite Pr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.85 Co 0.15 O 3-δ (PBMCO) was applied to the anode and the cathode as an atmosphere adaptive material. The PBMCO changes to layered perovskite and metal in a fuel atmosphere, and maintains its original structure in an air atmosphere. In the fuel cell mode, the self-conversion solid oxide cell exhibited excellent electrochemical performance with a high maximum power density of 1.10 W cm -2 at 800° C., and very good stability for 200 hours without using a catalyst. In the water electrolysis mode, a current density of -0.42 A cm -2 was shown for 3 vol.% H 2 O, and a current density of -0.62 A cm -2 was shown for 10 vol.% H 2 O. In addition, it exhibited a battery voltage of 1.3 V at 800°C. In the reversible cycle test, the conversion cell can maintain a uniform voltage for 30 hours at +/- 0.2 A cm -2 for 10 vol% H 2 O.

따라서, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 우수한 전기화학 성능 및 높은 열적 안정성을 제공할 수 있고, 애노드와 캐소드를 동일한 물질로 구성함으로서 제조 공정을 단순화할 수 있고, 제조 비용을 감소시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.Therefore, the self-conversion solid oxide battery can provide excellent electrochemical performance and high thermal stability, and by configuring the anode and the cathode of the same material, the manufacturing process can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced. can do.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 구성하는 페로브스카이트 구조 물질로서 이중층 페로브스카이트 구조를 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 구성하는 전극에 대하여 작동 조건에서 상 변이 및 금속 용출을 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 구성하는 전극에 대하여 작동 조건에서의 X-선 회절 분석을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 구성하는 전극에 대하여 X-선 회절 분석을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 구성하는 전극에 대하여 X-선 광전자 스펙트럼 분석을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 단면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 각각의 구성에 대한 주사전자현미경 사진들이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 임피던스 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 전기화학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 전류 밀도에 대한 전압 및 전력 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 전기화학적 성능을 종래의 전지와 비교한 표이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지에 대하여 수전해 모드에서 대기 분위기에 따른 전류 밀도에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 장기 안정성을 나타내는 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing a self-conversion solid oxide battery according to the technical idea of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a self-conversion solid oxide battery according to the technical idea of the present invention.
3 is a schematic diagram showing a double-layer perovskite structure as a perovskite structure material constituting a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram showing a phase shift and metal elution under operating conditions for an electrode constituting a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing X-ray diffraction analysis under operating conditions for an electrode constituting a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing X-ray diffraction analysis of an electrode constituting a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing an X-ray photoelectron spectrum analysis of an electrode constituting a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
8 is a scanning electron microscope photograph showing a cross section of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
9 are scanning electron micrographs of each configuration of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing an impedance spectrum of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing electrochemical characteristics of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing voltage and power density versus current density of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
13 is a table comparing the electrochemical performance of a self-converting solid oxide battery with a conventional battery according to an embodiment of the present invention.
14 is a graph showing a voltage change according to a current density according to an atmospheric atmosphere in a water electrolysis mode for a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
15 is a graph showing the stability of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.
16 is a graph showing long-term stability of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, and The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete, and to completely convey the technical idea of the present invention to those skilled in the art. In the present specification, the same reference numerals refer to the same elements. Furthermore, various elements and areas in the drawings are schematically drawn. Therefore, the technical idea of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.

비대칭형 구성의 고체 산화물 전지와 비교하여, 대칭형 구성의 고체 산화물 전지는 우수한 밀집성, 간단한 제조 공정, 및 비용 감소 등의 현실적인 장점을 가지므로 관심이 높아지고 있다. 그러나, 대칭형 구성은 상안정성과 전기화학 성능이 낮은 한계가 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 상술한 한계를 극복하여 고성능 전지를 구현하기 위하여, 대기 적응형(atmospheric adaptive) 물질에 기반한 자가 변환(self-transforming) 고체 산화물 전지를 제안하는 것이다. 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 비대칭형 구성의 장점과 대칭형 구성의 장점을 모두 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 상기 대기 적응형 물질들은 대기에 따라 예를 들어 상 및 조성 등의 구조적 특성들을 스스로 변화시켜 높은 촉매 활성도를 가지는 물질을 지칭한다.Compared to a solid oxide battery having an asymmetrical configuration, a solid oxide battery having a symmetrical configuration has practical advantages such as excellent compactness, a simple manufacturing process, and a cost reduction, and thus interest is increasing. However, the symmetrical configuration has limitations in terms of phase stability and electrochemical performance. Accordingly, the technical idea of the present invention is to propose a self-transforming solid oxide battery based on an atmospheric adaptive material in order to implement a high-performance battery by overcoming the above-described limitations. The self-conversion solid oxide battery may include both the advantages of an asymmetrical configuration and a symmetrical configuration. In the present specification, the atmosphere-adaptive materials refer to materials having high catalytic activity by changing structural properties such as phase and composition by themselves depending on the atmosphere.

도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지(100)를 도시하는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a self-conversion solid oxide battery 100 according to the technical idea of the present invention.

도 1을 참조하면, 자가 변환 고체 산화물 전지(100)는, 애노드(110), 애노드(110)를 마주보고 배치되는 캐소드(120), 및 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질(electrolyte)(130)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the self-conversion solid oxide battery 100 includes an anode 110, a cathode 120 disposed facing the anode 110, and oxygen disposed between the anode 110 and the cathode 120. It includes an electrolyte 130 which is an ion conductive solid oxide.

또한, 애노드(110)는 작동 중에 금속이 용출되어 형성된 금속 용출물(140)을 포함할 수 있다. 금속 용출물(140)은 코발트를 포함할 수 있다, 그러나, 이는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the anode 110 may include a metal eluate 140 formed by eluting metal during operation. The metal eluate 140 may contain cobalt, however, this is exemplary, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.

자가 변환 고체 산화물 전지(100)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드(120)에서의 산소가스 O2가 산소이온 O2-으로 변하는 양극반응과 애노드(110)에서의 연료와 전해질을 통해 이동해 온 산소이온이 반응하여 물을 형성하는 음극반응으로 이루어진다. 상기 연료는 수소 가스(H2) 또는 탄화수소, 예를 들어, CH4, C3H8 등을 포함할 수 있다.The electrochemical reaction of the self-converting solid oxide cell 100 is anodic reaction in which oxygen gas O 2 at the cathode 120 is changed to oxygen ions O 2- and fuel and electrolyte at the anode 110, as shown in the following reaction equation. It consists of a cathodic reaction in which oxygen ions that have been moved through react to form water. The fuel may include hydrogen gas (H 2 ) or a hydrocarbon, for example, CH 4 , C 3 H 8 , and the like.

<반응식><Reaction Scheme>

양극반응: 1/2 O2 + 2e- -> O2- Anode reaction: 1/2 O 2 + 2e - - > O 2-

음극반응: H2 + O2- -> H2O + 2e- Cathode reaction: H 2 + O 2- -> H 2 O + 2e -

자가 변환 고체 산화물 전지(100)의 캐소드(120)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리 및 표면 확산을 거쳐 전해질(130), 캐소드(120), 및 기공(미도시)이 만나는 삼상계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고 생성된 산소이온은 전해질(130)을 통해 연료극인 애노드(110)로 이동하게 된다.In the cathode 120 of the self-converting solid oxide battery 100, oxygen adsorbed on the electrode surface undergoes dissociation and surface diffusion to meet the electrolyte 130, the cathode 120, and the three-phase interface (triple phase) where the pores (not shown) meet. boundary) to obtain electrons to become oxygen ions, and the generated oxygen ions move to the anode 110, which is the anode, through the electrolyte 130.

자가 변환 고체 산화물 전지(100)의 애노드(110)에서는 이동한 산소이온이 연료 내에 포함된 수소와 결합하여 물을 생성한다. 이때 수소는 전자를 배출하여 수소 이온(H+)으로 변화하여 상기 산소이온과 결합한다. 배출된 전자는 배선(미도시)를 통하여 캐소드(120)로 이동하여 산소를 산소 이온으로 변화시킨다. 이러한 전자 이동을 통하여, 자가 변환 고체 산화물 전지(100)는 전지 기능을 수행할 수 있다. In the anode 110 of the self-converting solid oxide cell 100, the moved oxygen ions combine with hydrogen contained in the fuel to generate water. At this time, hydrogen discharges electrons to change into hydrogen ions (H + ), and combines with the oxygen ions. The discharged electrons move to the cathode 120 through a wiring (not shown) to convert oxygen into oxygen ions. Through such electron transfer, the self-converting solid oxide battery 100 may perform a battery function.

애노드(110)와 캐소드(120)는 제조 직후에는 동일한 물질 및 구조를 가질 수 있다. 애노드(110)와 캐소드(120)는 동일한 고체 산화물을 포함하여 구성되고, 제조 직후에는 제1 결정 구조를 동일하게 가질 수 있다. 애노드(110)와 캐소드(120)는, 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다. 상기 페로브스카이트 구조는 단일 페로브스카이트 또는 이중층 페로브스카이트 구조일 수 있다. 또한, 애노드(110)와 캐소드(120)는, 양이온 무규칙 배열 페로브스카이트 구조를 포함할 수 있다.The anode 110 and the cathode 120 may have the same material and structure immediately after manufacture. The anode 110 and the cathode 120 may include the same solid oxide, and may have the same first crystal structure immediately after manufacture. The anode 110 and the cathode 120 may have a perovskite structure. The perovskite structure may be a single perovskite or a double layer perovskite structure. In addition, the anode 110 and the cathode 120 may include a cationic irregular arrangement perovskite structure.

이와 같이, 애노드(110)와 캐소드(120)가 동일한 물질로 구성되는 경우에는, 애노드(110)와 캐소드(120) 사이의 열팽창률이 차이가 없으므로, 상기 열팽창률의 차이에 의하여 제조 시에 발생할 수 있는 결함을 방지할 수 있다. 또한, 애노드(110)와 캐소드(120)를 동일한 공정에서 동시에 제조할 수 있으므로, 제조 공정을 단순화할 수 있고, 경제성을 증가시킬 수 있다. 애노드(110)와 캐소드(120)는 전해질(130)에 대하여 대칭으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 애노드(110)와 캐소드(120)는 전해질(130)에 대하여 대칭적인 구조를 가지거나, 대칭적인 물질을 포함할 수 있다.In this way, when the anode 110 and the cathode 120 are made of the same material, since there is no difference in the coefficient of thermal expansion between the anode 110 and the cathode 120, the difference in the coefficient of thermal expansion occurs during manufacture. Can prevent possible defects. In addition, since the anode 110 and the cathode 120 can be simultaneously manufactured in the same process, the manufacturing process can be simplified and economical efficiency can be increased. The anode 110 and the cathode 120 may be symmetrical with respect to the electrolyte 130. For example, the anode 110 and the cathode 120 may have a symmetrical structure with respect to the electrolyte 130 or may include a symmetrical material.

애노드(110)는 대기에 적응하여 이루어지는 자가 변환에 의하여 상 변이됨으로써 상기 제1 결정 구조와는 다른 제2 결정 구조를 가질 수 있다. 상기 제2 결정 구조는 양이온 규칙 배열 페로브스카이트 구조를 포함할 수 있다. 상기 대기는 수소함유가스 분위기로 구성될 수 있고, 상기 대기는 3 vol% 내지 10 vol% 범위의 H2O를 포함할 수 있다. 상기 자가 변환은 600℃내지 800℃ 범위의 온도에서 이루어질 수 있다. 이러한 자가 변환은 별도의 열처리 공정에 의하여 구현되거나, 또는 자가 변환 고체 산화물 전지(100)의 작동 중에 구현될 수 있다.The anode 110 may have a second crystal structure different from the first crystal structure by being phase-shifted by self-transformation made by adapting to the atmosphere. The second crystal structure may include a cationic ordered perovskite structure. The atmosphere may be composed of a hydrogen-containing gas atmosphere, and the atmosphere may include H 2 O in the range of 3 vol% to 10 vol%. The self-conversion may be performed at a temperature in the range of 600°C to 800°C. This self-conversion may be implemented by a separate heat treatment process, or may be implemented during the operation of the self-conversion solid oxide battery 100.

애노드(110)와 캐소드(120)는 제조 직후에는 Pr0 . 5Ba0 . 5Mn0 . 85Co0 . 15O3 - δ 를 포함할 수 있다. 반면, 상기 자가 변환이 수행된 후에는, 애노드(110)는 PrBaMn1 . 7Co0 .3-xO5+δ 를 포함할 수 있다. 이 경우 캐소드(120)를 구성하는 물질은 변화되지 않을 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The anode 110 and the cathode 120 are Pr 0 immediately after manufacture. 5 Ba 0 . 5 Mn 0 . 85 Co 0 . 15 O 3 - δ . On the other hand, after the self-conversion is performed, the anode 110 is PrBaMn 1 . 7 Co 0 .3-x O 5+δ may be included. In this case, the material constituting the cathode 120 may not be changed. However, this is exemplary and the technical idea of the present invention is not limited thereto.

애노드(110) 및 캐소드(120)를 구성하는 물질로서, Pr0 . 5Ba0 . 5MnO3 (PBMO)를 제안할 수 있고, 그 이유는 우수한 화학적 안정성과 구조적 안정성을 가지고, 반응을 촉진하기 위하여 전자들을 수용할 수 있는 혼합 원자가 Mn4 +/Mn3 +/Mn2 + 를 가지기 때문이다. 또한, 페로브스카이트 산화물이 원소를 유연하게 선택할 수 있으므로, A-위치의 도핑과 B-위치의 도핑에 의하여 촉매 활성도가 제어될 수 있다. 최근에는, 권(Kwon) 등은 망간에 대하여 전이금속을 치환하여 PBMO 시스템에서의 용출 현상을 보고한 바 있다. 종래의 연구에 따르면, 전이 금속들 중에 코발트는 공기 전극들 및 연료 전극들에 대한 도판트로서 도핑과 용출에 대하여 가장 용이한 물질로 알려졌다. 일반적으로, 공기 전극 물질에 코발트를 도핑하면, 산소 결핍 농도가 증가되어 전기 전도도가 개선된다. 연료 전극에서는, 용출된 코발트가 촉매의 기능을 수행하여 전기화학 성능을 개선할 수 있다. 정리하면, Pr0 . 5Ba0 . 5Mn0 . 85Co0 . 15O3 (PBMCO)는 입방정 층과 육방정 층이 혼합된 단일 페로브스카이트 구조를 가진다. 수소에 노출되는 경우에는 구조가 변화하여 코발트가 용출되고 양이온이 규칙 배열된 페로브스카이트 구조를 형성한다. 따라서, 공기 전극에 해당되는 캐소드(120)에 대하여는 코발트 도핑 효과를 얻을 수 있고, 연료 전극들에 해당되는 애노드(110)에 대하여는 코발트 용출 효과를 얻기 위하여, 대기 적응형 물질로서 상기 PBMCO를 선택할 수 있다. 전극들의 표면적과 전기화학 성능을 증가시키기 위하여, 제조 공정에 침투 기술을 적용할 수 있다. 상기 전극 물질들을 가지고 형성된 변환 전지는 종래의 대칭 전지들에 비하여 우수한 전기화학 성능과 안정성을 기대할 수 있다.As a material constituting the anode 110 and the cathode 120, Pr 0 . 5 Ba 0 . 5 MnO 3 (PBMO) can be proposed, because it has excellent chemical stability and structural stability, and the mixed valence Mn 4 + /Mn 3 + /Mn 2 + can accept electrons to accelerate the reaction. Because it has. In addition, since perovskite oxide can flexibly select an element, catalytic activity can be controlled by doping at the A-position and doping at the B-position. Recently, Kwon et al. reported an elution phenomenon in a PBMO system by substituting a transition metal for manganese. According to a conventional study, among transition metals, cobalt is known to be the easiest material for doping and elution as a dopant for air electrodes and fuel electrodes. In general, doping the air electrode material with cobalt increases the oxygen depletion concentration and improves the electrical conductivity. In the fuel electrode, the eluted cobalt performs the function of a catalyst to improve electrochemical performance. In summary, Pr 0 . 5 Ba 0 . 5 Mn 0 . 85 Co 0 . 15 O 3 (PBMCO) has a single perovskite structure in which a cubic crystal layer and a hexagonal crystal layer are mixed. When exposed to hydrogen, the structure changes and cobalt is eluted to form a perovskite structure in which cations are regularly arranged. Accordingly, in order to obtain a cobalt doping effect for the cathode 120 corresponding to the air electrode, and obtain a cobalt elution effect for the anode 110 corresponding to the fuel electrodes, the PBMCO can be selected as the atmosphere adaptive material. have. In order to increase the surface area and electrochemical performance of the electrodes, penetration technology can be applied to the manufacturing process. The conversion battery formed with the electrode materials can be expected to have excellent electrochemical performance and stability compared to conventional symmetric batteries.

전해질(130)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전해질(130)은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ) 등의 안정화 지르코니아계; 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등과 같은 희토류 원소가 첨가된 세리리아계; 기타 LSGM ((La, Sr)(Ga, Mg)O3)계; 등을 포함할 수 있다. 또한, 전해질(130)은, 스트론튬 또는 마그네슘이 도핑된 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질(130)은 La0 . 9Sr0 . 1Ga0 . 8Mg0 . 2O3 (LSGM 9182) 을 포함할 수 있다.The electrolyte 130 is not particularly limited as long as it can be generally used in the present technical field. For example, the electrolyte 130 may be a stabilized zirconia system such as yttria stabilized zirconia (YSZ) and scandia stabilized zirconia (ScSZ); A ceria system to which rare earth elements such as Samaria-doped ceria (SDC) and gadolinia-doped ceria (GDC) are added; Other LSGM ((La, Sr)(Ga, Mg)O 3 ) system; And the like. In addition, the electrolyte 130 may include lanthanum gallate doped with strontium or magnesium. For example, the electrolyte 130 is La 0 . 9 Sr 0 . 1 Ga 0 . 8 Mg 0 . 2 O 3 (LSGM 9182).

도시되지는 않았으나, 애노드(110)와 전해질(130) 사이에 위치하여 원활한 접촉을 제공하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은, 예를 들어 애노드(110)와 전해질(130) 사이의 결정격자의 뒤틀림을 완화하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 버퍼층은, 예를 들어 LDC(La0 . 4Ce0 . 6O2 ) 를 포함할 수 있다.Although not shown, it may further include a buffer layer positioned between the anode 110 and the electrolyte 130 to provide smooth contact. The buffer layer may perform a function of alleviating distortion of the crystal lattice between the anode 110 and the electrolyte 130, for example. The buffer layer may include, for example, the LDC (La 0. 4 Ce 0 . 6 O 2 -δ).

자가 변환 고체 산화물 전지(100)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 자가 변환 고체 산화물 전지(100)는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. 자가 변환 고체 산화물 전지(100)는 단위 전지의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 애노드(110), 캐소드(120), 및 전해질(130)로 구성되는 단위 전지(MEA, Membrane and Electrode Assembly)가 직렬로 적층되고 상기 단위 전지들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위 전지의 스택(stack)이 얻어질 수 있다. Since the self-conversion solid oxide battery 100 can be manufactured using a conventional method known in various documents in the relevant technical field, a detailed description thereof will be omitted herein. In addition, the self-converting solid oxide battery 100 may be applied to various structures such as a tubular stack, a flat tubular stack, and a planar type stack. The self-conversion solid oxide battery 100 may be in the form of a stack of unit cells. For example, a unit cell (MEA, Membrane and Electrode Assembly) composed of an anode 110, a cathode 120, and an electrolyte 130 is stacked in series, and a separator electrically connecting them between the unit cells A (separator) is interposed so that a stack of unit cells can be obtained.

자가 변환 고체 산화물 전지(100)는 제조 직후에는 대칭형 전극 구성을 가질 수 있고, 작동 중에는 비대칭형 전극 구성을 가질 수 있다. 구체적으로, 자가 변환 고체 산화물 전지(100)는 애노드(110)와 캐소드(120)를 동일한 물질로 구성하는 대칭형 구성을 가질 수 있다. 반면, 작동 중에는 애노드(110)가 대기에 적응하여 상변이 및 금속 용출에 의하여 자가 변환함으로써 캐소드(120)와는 다른 물질 또는 다른 구조를 가지는 비대칭형 구성으로 변화할 수 있다. The self-converting solid oxide battery 100 may have a symmetrical electrode configuration immediately after manufacture, and may have an asymmetrical electrode configuration during operation. Specifically, the self-conversion solid oxide battery 100 may have a symmetrical configuration in which the anode 110 and the cathode 120 are made of the same material. On the other hand, during operation, the anode 110 adapts to the atmosphere and self-converts by phase shifting and metal elution, so that the anode 110 may change into an asymmetrical configuration having a different material or a different structure from the cathode 120.

자가 변환 고체 산화물 전지(100)는 대칭형 구성으로 제조함으로써 제조 공정을 단순화할 수 있고 열적 문제점을 최소화할 수 있으며, 작동 중에 비대칭형 구성으로 변화함에 따라 우수한 상안정성 및 전기화학 성능을 제공할 수 있다. 즉, 연료 전극인 애노드(110)와 공기 전극인 캐소드(120)의 대기 환경이 매우 다르므로 대칭형 전극 구성에서는 상이 불안정하게 되고 전기화학 성능이 저하되는 문제점을 자가 변환에 의하여 형성된 비대칭형 전극 구성에 의하여 제거하거나 또는 최소화할 수 있다.The self-conversion solid oxide battery 100 can be manufactured in a symmetrical configuration, thereby simplifying the manufacturing process, minimizing thermal problems, and providing excellent phase stability and electrochemical performance as it changes to an asymmetrical configuration during operation. . That is, since the atmospheric environment of the anode 110 as the fuel electrode and the cathode 120 as the air electrode are very different, the problem that the phase becomes unstable and the electrochemical performance is deteriorated in the symmetrical electrode configuration is compared to the asymmetrical electrode configuration formed by self-conversion. Can be eliminated or minimized.

도 2는 본 발명의 기술적 사상에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 제조 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.2 is a flow chart showing a method (S100) of manufacturing a self-conversion solid oxide battery according to the technical idea of the present invention.

도 2를 참조하면, 자가 변환 고체 산화물 전지의 제조 방법(S100)은, 전해질을 사이에 두고 배치되고, 동일한 고체 산화물을 포함하여 구성되고, 제1 결정 구조를 동일하게 가지는 애노드와 캐소드로 구성된 대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계(S110); 상기 대칭형 전극 구조체를 수소함유가스 분위기로 구성된 대기에서 가열하는 단계(S120); 및 상기 애노드가 대기에 적응하여 이루어지는 자가 변환에 의하여 상 변이됨으로써 상기 제1 결정 구조와는 다른 제2 결정 구조를 가지게 되어, 비대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계(S130);를 포함한다.Referring to FIG. 2, a method of manufacturing a self-converting solid oxide battery (S100) is a symmetric type composed of an anode and a cathode disposed with an electrolyte interposed therebetween, including the same solid oxide, and having the same first crystal structure. Forming an electrode structure (S110); Heating the symmetrical electrode structure in an atmosphere composed of a hydrogen-containing gas atmosphere (S120); And a step (S130) of forming an asymmetrical electrode structure by allowing the anode to have a second crystal structure different from the first crystal structure by being phase-shifted by self-transformation made by adapting to the atmosphere.

상기 대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계는, 상기 지지체에 전구체 용액을 침투시켜 상기 애노드와 상기 캐소드를 동시에 형성하여 수행될 수 있다.The forming of the symmetrical electrode structure may be performed by simultaneously forming the anode and the cathode by infiltrating a precursor solution into the support.

상기 지지체는 다공층/밀집층/다공층의 3층 구성을 가지고, 상기 다공층들의 하나가 상기 애노드를 구성하고, 상기 다공층들의 다른 하나가 상기 캐소드를 구성하고, 상기 밀집층이 상기 전해질을 구성할 수 있다.The support has a three-layer configuration of a porous layer/dense layer/porous layer, one of the porous layers constitutes the anode, the other of the porous layers constitutes the cathode, and the dense layer contains the electrolyte. Configurable.

상기 전해질은 La0 . 9Sr0 . 1Ga0 . 8Mg0 . 2O3 - δ 을 포함할 수 있다. 상기 전해질은 La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ 분말을 갈색 청어 생선 오일, 자일렌, 폴리알킬렌 글리콜, 부틸 벤질 프탈레이트, 및 폴리비닐 부틸랄을 포함하는 에탄올 용매에 투입하여 형성한 슬러리를 이용하여 형성할 수 있다.The electrolyte is La 0 . 9 Sr 0 . 1 Ga 0 . 8 Mg 0 . 2 O 3 - δ may be included. The electrolyte is a slurry formed by injecting La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3-δ powder into an ethanol solvent containing brown herring fish oil, xylene, polyalkylene glycol, butyl benzyl phthalate, and polyvinyl butyral. It can be formed using.

이하에서는, 상기 페로브스카이트 결정구조물질에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the perovskite crystal structure material will be described in detail.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 구성하는 페로브스카이트 구조 물질로서 이중층 페로브스카이트 구조를 도시하는 개략도이다.3 is a schematic diagram showing a double-layer perovskite structure as a perovskite structure material constituting a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 이중층 페로브스카이트 구조가 도시되어 있다. 페로브스카이트 구조는 크게 단일 페로브스카이트 구조와 이중층 페로브스카이트 구조로 구분될 수 있다. 단일 페로브스카이트(simple perovskite) 구조는 ABO3의 화학식을 가질 수 있다. 상기 단일 페로브스카이트 구조는, 큐빅 격자(cubic lattice)의 코너 위치인 A-자리(A-site)에 이온반경이 상대적으로 큰 원소들이 위치할 수 있고, 산소 이온에 의해 12 배위수(CN, Coordination number)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 A-자리에는 희토류 원소, 알카라인 희토류 원소, 알카라인 원소들이 위치할 수 있다. 상기 큐빅 격자의 체심(body center) 위치인 B-자리(B-site)에는 이온반경이 상대적으로 작은 원소들이 위치할 수 있고, 산소 이온에 의해 6 배위수를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 B-자리에는 코발트(Co), 철(Fe) 등과 전이금속이 위치할 수 있다. 상기 큐빅 격자의 각 면심(face center)에는 산소이온이 위치할 수 있다. 이러한 단일 페로브스카이트 구조는 일반적으로 A-자리(site)에 다른 물질이 치환될 경우 구조적인 변위가 발생할 수 있고, 주로 B-자리(site)에 위치한 원소를 중심으로 이의 최인접 산소이온(6개)으로 이루어지는 BO6의 8면체에서 구조적인 변이가 발생할 수 있다. Referring to Figure 3, a double layer perovskite structure is shown. The perovskite structure can be largely divided into a single perovskite structure and a double-layer perovskite structure. A single perovskite structure may have the formula of ABO 3. In the single perovskite structure, elements having a relatively large ion radius may be located at the A-site, which is a corner position of a cubic lattice, and 12 coordination numbers (CN , Coordination number). For example, a rare earth element, an alkaline rare earth element, and an alkaline element may be located in the A-position. Elements having a relatively small ion radius may be located in the B-site, which is a body center position of the cubic lattice, and may have a coordination number of 6 by oxygen ions. For example, a transition metal such as cobalt (Co) or iron (Fe) may be located at the B-site. Oxygen ions may be located in each face center of the cubic lattice. Such a single perovskite structure can cause structural displacement when other substances are substituted in the A-site (site), and its nearest oxygen ions ( There may be structural mutations in the octahedron of BO 6 consisting of 6).

도 3에 도시된, 이중층 페로브스카이트(double perovskite) 구조는, A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조를 가지며, 예를 들어 AA'B2O5 의 화학식을 가질 수 있다. 구체적으로, 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 란탄족 화합물은 기본적으로 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O] 의 적층 순열이 c축을 따라 반복될 수 있다. 예를 들어, 상기 B는 망간(Mn)이고, 상기 A는 이트륨(Y) 또는 프라세오디뮴(Pr) 등을 포함하는 란탄족일 수 있고, 상기 A'는 바륨(Ba)일 수 있다. 수소 분위기에서 환원을 시키면 단일 페로브스카이트 구조에서 이중층 페로브스카이트 구조로 변할 수 있다. 이러한 이중충 페로브스카이트 구조가 되면 산소 이온의 움직임이 빨라지고 열적 및 화학적 안정성이 향상될 수 있다. 또한 수소 분위기에서의 전기 전도성이 높고 열적 화학적 안정성을 가지고 우수한 성능을 나타낼 수 있다. The double perovskite structure shown in FIG. 3 has a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged at the A-site, for example, AA'B 2 O 5 +δ. It may have the formula of. Specifically, in the lanthanide compound having a double-layer perovskite structure, the stacking permutation of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] may be repeated along the c-axis. For example, B may be manganese (Mn), A may be a lanthanide group including yttrium (Y) or praseodymium (Pr), and A′ may be barium (Ba). Reduction in a hydrogen atmosphere can change from a single perovskite structure to a double layer perovskite structure. This double-packed perovskite structure can accelerate the movement of oxygen ions and improve thermal and chemical stability. In addition, it has high electrical conductivity in a hydrogen atmosphere and can exhibit excellent performance with thermal and chemical stability.

이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 일 실시예를 구체적인 실험예로서 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of a self-conversion solid oxide battery according to the technical idea of the present invention will be described as a specific experimental example.

자가 변환 고체 산화물 전지를 형성하기 위하여, 침투(infiltration) 기술을 적용하였다. 먼저, 지지체(scaffold)와 전구체 용액을 준비하였다. 상기 지지체는 이온 전도체로 구성되었고, 양면 테이프 주조법을 이용하여 다공층/밀집층/다공층의 3층 구성을 가졌다. 이어서, 고체상 반응을 이용하여 형성한 La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ (LSGM) 분말을 준비하였다. 상기 LSGM 분말을 갈색 청어 생선 오일(brown menhaden fish oil, Tape casting warehouse), 자일렌(xylene, Aldrich, 98.5+%), 폴리알킬렌 글리콜(polyalkylene glycol, Tape casting warehouse), 부틸 벤질 프탈레이트(butyl benzyl phthalate, Tape casting warehouse), 및 폴리비닐 부틸랄(polyvinyl butyral, Tape casting warehouse)을 포함하는 에탄올에 투입하여 양면 테이프 주조를 위한 슬러리를 형성하였다. 100 wt% LSGM를 포함하는 테이프의 상측에 다공층을 형성하기 위한 50 wt% LSGM와 50 wt%의 그라파이트를 포함하는 녹색 테이프를 부착하였다. 이어서, 다공층을 위하여 구멍난 테이프를 부착하였다. 이어서, 상기 3층 구성의 테이프를 1475℃에서 5시간 동안 가열하였다.In order to form a self-converting solid oxide cell, an infiltration technique was applied. First, a scaffold and a precursor solution were prepared. The support was composed of an ion conductor, and had a three-layer configuration of a porous layer/dense layer/porous layer by using a double-sided tape casting method. Subsequently, La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3-δ (LSGM) powder formed using a solid phase reaction was prepared. The LSGM powder was mixed with brown menhaden fish oil (Tape casting warehouse), xylene (Aldrich, 98.5+%), polyalkylene glycol (Tape casting warehouse), and butyl benzyl phthalate. phthalate, Tape casting warehouse), and polyvinyl butyral (Tape casting warehouse) was added to ethanol to form a slurry for double-sided tape casting. A green tape containing 50 wt% LSGM and 50 wt% graphite for forming a porous layer was attached to the upper side of the tape containing 100 wt% LSGM. Subsequently, a perforated tape was attached for the porous layer. Subsequently, the three-layer tape was heated at 1475°C for 5 hours.

전구체 용액은 Pr(NO3)3 6H2O (Aldrich, 99.9%), Ba(NO3)2 (Aldrich, 99+%), Mn(NO3)2 (Aldrich, 98%), Co(NO3)2 6 H2O (Aldrich, 98+%) 및 구연산을 탈이온수에 투입 및 용해하여 형성하였다. 용매의 양을 감소시켜 고농도 용액을 형성하도록 상기 전구체 용액을 열처리한 후에, 암모니아를 상기 전구체 용액에 추가로 투입하였다. 형성된 고농도의 전구체 용액을 상기 3층 구성의 지지체의 다공층에 침투시키고, 이어서 450℃에서 20분간 소결하였다. 최초 양에 대하여 45 wt%가 될 때까지 반복하여 자가 변환 고체 산화물 전지를 형성하였다.The precursor solution is Pr(NO 3 ) 3 6H 2 O (Aldrich, 99.9%), Ba(NO 3 ) 2 (Aldrich, 99+%), Mn(NO 3 ) 2 (Aldrich, 98%), Co(NO 3 ) 2 6 H 2 O (Aldrich, 98+%) and citric acid were added and dissolved in deionized water to form. After heat treatment of the precursor solution to form a high concentration solution by reducing the amount of the solvent, ammonia was additionally added to the precursor solution. The formed high-concentration precursor solution was permeated into the porous layer of the three-layered support, followed by sintering at 450° C. for 20 minutes. The self-conversion solid oxide battery was formed by repeating until it became 45 wt% with respect to the initial amount.

상기 자가 변환 고체 산화물 전지를 X-선 회절 장치(Bruker D8 Advance)를 이용하여 20도 내지 60 도 범위의 각도에서 구조를 분석하였다. 상기 자가 변환 고체 산화물 전지의 미세구조를 주사전자현미경(Nova SEM)과 투과전자현미경(JEOL, JEM-2100F)을 이용하여 분석하였다. 단색 Al-Kα (ultraviolet He1, He2) X-선 소스를 가지는 ESCALAB 2 50XI(Thermo Fisher Scientific) 장치를 이용하여, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지의 X-선 광전자 스펙트럼 분석을 수행하였다. 상기 자가 변환 고체 산화물 전지의 전기화학 성능을 측정하기 위하여, 표준 4점 프로브 기술을 BioLogic Potentiostat 장치를 이용하여 수행하였다. 전기화학 성능 측정을 위하여 은 페이스트를 가지는 전류 집전체로서 전해질 지지 전지의 양쪽 전극들에 은 와이어를 접촉시켜 준비하였다. 이어서, 상기 전지는 세라믹 접착제(Aremco, Ceramabond 552)를 이용하여 10 mm 직경의 알루미나 튜브 상에서 밀봉하였다.The structure of the self-converting solid oxide battery was analyzed at an angle ranging from 20 degrees to 60 degrees using an X-ray diffraction apparatus (Bruker D8 Advance). The microstructure of the self-converting solid oxide battery was analyzed using a scanning electron microscope (Nova SEM) and a transmission electron microscope (JEOL, JEM-2100F). Using an ESCALAB 2 50XI (Thermo Fisher Scientific) apparatus having a monochromatic Al-Kα (ultraviolet He1, He2) X-ray source, X-ray photoelectron spectrum analysis of the self-converting solid oxide battery was performed. In order to measure the electrochemical performance of the self-converting solid oxide battery, a standard 4-point probe technique was performed using a BioLogic Potentiostat device. In order to measure the electrochemical performance, a current collector having a silver paste was prepared by contacting a silver wire with both electrodes of an electrolyte supporting battery. Then, the cell was sealed on a 10 mm diameter alumina tube using a ceramic adhesive (Aremco, Ceramabond 552).

상기 자가 변환 고체 산화물 전지의 연료 전지 모드에 대한 전기화학 성능을 분석하기 위하여, 3 vol% H2O을 포함하는 수소를 연료 전극 영역에 주입하고, 공기를 공기 전극 영역에 주입하였다. 상기 자가 변환 고체 산화물 전지의 수전해셀 모드에 대한 전기화학 성능을 분석하기 위하여, 10 vol % H2O를 포함하는 수소를 연료 전극에 주입하였다. 동시에, 교류 임피던스 측정기를 이용하여 10-1 Hz 내지 104 Hz 의 주파수 범위에 대하여 개방 회로 전압 (OCV)에서 측정하였고, 0.36 cm2 의 활성 전극 면적에 대하여 면적비저항(ASR)을 계산하였다.In order to analyze the electrochemical performance for the fuel cell mode of the self-converting solid oxide cell, hydrogen containing 3 vol% H 2 O was injected into the fuel electrode region, and air was injected into the air electrode region. In order to analyze the electrochemical performance of the self-conversion solid oxide cell for the electrochemical cell mode, hydrogen containing 10 vol% H 2 O was injected into the fuel electrode. At the same time, an AC impedance meter was used to measure the open circuit voltage (OCV) for a frequency range of 10 -1 Hz to 10 4 Hz, and an area specific resistance (ASR) was calculated for an active electrode area of 0.36 cm 2.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 구성하는 전극에 대하여 작동 조건에서 상 변이 및 금속 용출을 도시하는 개략도이다.4 is a schematic diagram showing a phase shift and metal elution under operating conditions for an electrode constituting a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 애노드를 구성하는 대기 적응형 물질인 PBMCO의 상 변이와 코발트 금속 용출이 도시되어 있다. 좌측에 도시된 바와 같이, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지를 제조한 직후에는 공기 분위기에서 소결된 애노드와 캐소드 모두 단일 페로브스카이트 구조를 나타내게 되며, 또한, 코발트가 도핑된 PBMO (Pr0.5Ba0.5Mn0.85Co0.15O3-δ), 즉 PBMCO로 구성된다. 상기 PBMCO의 구조를 양이온 무규칙 배열 페로브스카이트 구조(cation disordered perovskite)로 지칭할 수 있다.Referring to FIG. 4, the phase shift and elution of cobalt metal of PBMCO, an atmospheric adaptive material constituting the anode, are shown. As shown on the left, immediately after the self-conversion solid oxide battery is manufactured, both the anode and the cathode sintered in an air atmosphere exhibit a single perovskite structure, and cobalt-doped PBMO (Pr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.85 Co 0.15 O 3-δ ), i.e. PBMCO. The structure of the PBMCO may be referred to as a cation disordered perovskite structure.

반면, 작동 중에는, 연료 전극인 애노드는 수소 가스 분위기에 노출되고, 따라서 상 변이와 코발트 금속의 용출이 발생하게 된다. 즉, PrBaMn1 . 7Co0 .3- xO5 + xCo 으로 나타나며, 이하에서는 S-PBMCO 로 표시하기로 한다. 상기 S-PBMCO의 구조를 양이온 규칙 배열 페로브스카이트 구조(cation ordered perovskite)로 지칭할 수 있다.On the other hand, during operation, the anode, which is the fuel electrode, is exposed to an atmosphere of hydrogen gas, so that a phase shift and elution of cobalt metal occur. That is, PrBaMn 1 . 7 0 .3- Co x O appears as a 5 + δ + xCo, the following description will be represented by S-PBMCO. The structure of the S-PBMCO may be referred to as a cation ordered perovskite structure.

이와 같은 애노드의 상 변이 및 코발트 용출을 확인하기 위하여, X-선 회절 및 X-선 광전자 스펙트럼 분석을 수행하였다.In order to confirm the phase shift and cobalt elution of the anode, X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectrum analysis were performed.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 구성하는 전극에 대하여 작동 조건에서의 X-선 회절 분석을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing X-ray diffraction analysis under operating conditions for an electrode constituting a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지의 작동 조건에서의 변화를 분석하기 위하여, 미리 소결하여 형성된 PBMCO-LSGM 전극을 수소 가스 분위기에서 각각의 온도에서 2 시간 동안 유지하면서 동시에 X-선 회절 분석을 수행한 결과이다. 상기 PBMCO 는 600℃ 이하의 온도에서는 입방정층과 육방정층이 혼합된 단일 페로브스카이트 구조를 가진다. 좌측 그래프에서 "H"로 표시된 피크는 육방정층에 상응한다. 이러한 단일 페로브스카이트 구는 700℃내지 800℃ 범위의 온도에서 변화되어 육방정층이 사라지고 따라서 "H"로 표시된 피크들이 사라진다. 또한, 우측 그래프에 표시된 바와 같이 800℃에서 약 45도에서 코발트 금속에 해당되는 피크가 나타나고, 이는 상기 PBMCO로부터 용출된 코발트에 해당된다. 이러한 결과로부터, 800℃에서 연료 전극에서 환원 반응이 발생함을 알 수 있다.5, in order to analyze the change in the operating conditions of the self-converting solid oxide battery, the PBMCO-LSGM electrode formed by sintering in advance was maintained at each temperature in a hydrogen gas atmosphere for 2 hours while at the same time X-ray diffraction. This is the result of performing the analysis. The PBMCO has a single perovskite structure in which a cubic crystal layer and a hexagonal crystal layer are mixed at a temperature of 600° C. or less. The peak indicated by "H" in the left graph corresponds to the hexagonal crystal layer. This single perovskite sphere is changed at a temperature in the range of 700°C to 800°C so that the hexagonal crystal layer disappears and thus the peaks marked with "H" disappear. In addition, as shown in the graph on the right, a peak corresponding to the cobalt metal appears at about 45° C. at 800° C., which corresponds to the cobalt eluted from the PBMCO. From these results, it can be seen that a reduction reaction occurs in the fuel electrode at 800°C.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 구성하는 전극에 대하여 X-선 회절 분석을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing X-ray diffraction analysis of an electrode constituting a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 6의 (a)를 참조하면, 공기 분위기에서 소결된 PBMCO의 경우이다. 환원 전의 상기 PBMCO는 단일 페로브스카이트의 결정면과 LSGM의 결정면에 대한 피크들이 명확하게 나타나있다.Referring to FIG. 6A, it is a case of PBMCO sintered in an air atmosphere. The PBMCO before reduction clearly shows peaks for the crystal plane of a single perovskite and the crystal plane of LSGM.

도 6의 (b)를 참조하면, 800℃의 온도 및 수소 가스 분위기에서 환원된 S-PBMCO의 경우이다. 환원된 후에는 상기 S-PBMCO는 양이온이 규칙 배열된 페로브스카이트 결정면과 LSGM의 결정면에 대한 피크들을 나타낸다. 또한 용출된 코발트 금속에 해당하는 피크들이 나타났다. 이러한 결과로부터, 작동에 의하여 코발트가 공기 전극에 해당되는 캐소드에서는 PBMO에 도핑된 상태로 유지되지만, 연료 전극에 해당되는 애노드에서는 코발트가 용출됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 6B, it is the case of S-PBMCO reduced in a hydrogen gas atmosphere and a temperature of 800°C. After reduction, the S-PBMCO shows peaks for the perovskite crystal plane in which cations are regularly arranged and the crystal plane of LSGM. In addition, peaks corresponding to the eluted cobalt metal appeared. From these results, it can be seen that cobalt remains doped in PBMO at the cathode corresponding to the air electrode by the operation, but cobalt is eluted at the anode corresponding to the fuel electrode.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지를 구성하는 전극에 대하여 X-선 광전자 스펙트럼 분석을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing an X-ray photoelectron spectrum analysis of an electrode constituting a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 7에서, (a)는 상기 PBMCO에 대한 Co 2p 전자 영역 스펙트럼이고, (b)는 800

Figure 112019098204388-pat00015
의 온도 및 수소 가스 분위기에서 환원된 S-PBMCO에 대한 Co 2p 전자 영역 스펙트럼이고, (c)는 환원 전의 Pr0 . 5Ba0 . 5MnO3 에 대한 Ba 3d 전자 영역 스펙트럼이고, (d)는 환원 후의 PrBaMn2O5 에 대한 Ba 3d 전자 영역 스펙트럼이고, (e)는 환원 전의 Pr0 . 5Ba0 . 5Mn0 . 85Co0 . 15O3 에 대한 Mn 2p3 /2 전자 영역 스펙트럼이고, (f)는 환원 후의 PrBaMn1.7Co0.3O5 에 대한 Mn 2p3 /2 전자 영역 스펙트럼이다.In Figure 7, (a) is a Co 2p electron domain spectrum for the PBMCO, (b) is 800
Figure 112019098204388-pat00015
Co 2p electron domain spectrum for the reduced S-PBMCO in a temperature and hydrogen gas atmosphere, (c) is Pr 0 before reduction. 5 Ba 0 . 5 is the Ba 3d electron domain spectrum for MnO 3 , (d) is the Ba 3d electron domain spectrum for PrBaMn 2 O 5 after reduction, and (e) is the Pr 0 before reduction. 5 Ba 0 . 5 Mn 0 . 85 Co 0 . 15 O 3 is the Mn 2p 3 /2 electron domain spectrum, and (f) is the Mn 2p 3 /2 electron domain spectrum of PrBaMn 1.7 Co 0.3 O 5 after reduction.

도 7을 참조하면, C 1s 피크에서의 결합 에너지(BE)는 284.5 eV 로 나타났다. Co 2p의 피크와 Ba 3d의 피크의 중첩이 발생하므로, Ba 3d의 피크의 변화 여부를 관찰할 필요가 있다. 따라서, 도 7의 (c) 및 (d)의 결과를 참조하면, Ba 3d 피크들은 환원 과정에 의한 상 변이에 무관하게 동일하게 나타남을 알 수 있다. 따라서, 770 eV 내지 810 eV 범위의 결합 에너지에서 X-선 광전자 스펙트럼 피크의 변화는 상기 PBMCO에서 S-PBMCO 로의 상 변이에 의하여 발생하는 Co 2p 피크의 변화에 기인함을 알 수 있다. 코발트 이온의 비율인 Co3 +/Co2 + 는 상기 PBMCO는 0.56이고, S-PBMCO는 1.43으로 증가되는 경향을 나타내었다. 이러한 비율의 증가는 격자 결함과 상응하는 코발트 산화 (Co2 + => Co3 +)에 기인하는 것으로 분석된다. 또한, 도 7의 (e) 및 (f)에 나타난 바와 같이, 상기 코발트의 산화는 망간의 환원(Mn3 + 또는 Mn4+=> Mn2 +)에 의하여도 확인될 수 있다. 즉, 환원에 의하여 Mn3 + 및 Mn4 + 의 함량은 감소하였고, Mn2 + 의 함량은 증가하였다. 상기 S-PBMCO에서의 코발트 금속 피크들의 발생은 800

Figure 112019098204388-pat00016
온도 및 수소 가스 분위기의 작동 조건에서 코발트가 용출됨을 의미한다.Referring to FIG. 7, the binding energy (BE) at the C 1s peak was found to be 284.5 eV. Since the peak of Co 2p and the peak of Ba 3d are overlapped, it is necessary to observe whether the peak of Ba 3d is changed. Therefore, referring to the results of (c) and (d) of FIG. 7, it can be seen that the Ba 3d peaks appear the same regardless of the phase shift caused by the reduction process. Therefore, it can be seen that the change in the X-ray photoelectron spectrum peak at the binding energy in the range of 770 eV to 810 eV is due to the change in the Co 2p peak caused by the phase transition from the PBMCO to S-PBMCO. As for the ratio of cobalt ions, Co 3 + /Co 2 + , the PBMCO was 0.56 and the S-PBMCO was increased to 1.43. The increase in this ratio is analyzed to be due to lattice defects and the corresponding cobalt oxidation (Co 2 + => Co 3 + ). In addition, as shown in (e) and (f) of FIG. 7, the oxidation of cobalt can also be confirmed by reduction of manganese (Mn 3 + or Mn 4+ => Mn 2 + ). That is, the content of Mn 3 + and Mn 4 + decreased by reduction, and the content of Mn 2 + increased. The occurrence of cobalt metal peaks in the S-PBMCO is 800
Figure 112019098204388-pat00016
It means that cobalt is eluted under operating conditions of temperature and hydrogen gas atmosphere.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 단면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.8 is a scanning electron microscope photograph showing a cross section of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, PBMCO-LSGM/LSGM/S-PBMCO-LSGM 로 구성된 3 층 전지의 단면이 나타나있다. 밀집층인 LSGM 전해질은 약 60 μm 의 두께를 가지고, 양쪽 전극층에 우수한 접촉을 나타낸다. 공기 전극인 캐소드는 상기 LSGM 전해질의 상측에 위치하며, 다공층이며, 약 83 μm 의 두께를 가진다. 연료 전극인 애노드는 상기 LSGM 전해질의 하측에 위치하며, 다공층이며, 약 83 μm 의 두께를 가진다.Referring to FIG. 8, a cross section of a three-layer battery composed of PBMCO-LSGM/LSGM/S-PBMCO-LSGM is shown. The dense layer, the LSGM electrolyte, has a thickness of about 60 μm and shows excellent contact with both electrode layers. The cathode, which is an air electrode, is located on the upper side of the LSGM electrolyte, is a porous layer, and has a thickness of about 83 μm. The anode, which is a fuel electrode, is located under the LSGM electrolyte, has a porous layer, and has a thickness of about 83 μm.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 각각의 구성에 대한 주사전자현미경 사진들이다.9 are scanning electron micrographs of each configuration of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, (a)는 LSGM 이고, (b)는 공기 전극인 PBMCO-LSGM 캐소드이고, (c)는 연료 전극인 S-PBMCO-LSGM 애노드이다. 상기 LSGM 은 나노 크기의 입자들이 균일하게 분포되어 있고, 환원된 후에도 표면 형상을 유지함을 알 수 있다. 이와 같이 나노 구조로 구성된 전극들을 가지고 얇은 전해질 층을 가지는 미세구조 특징으로부터, 자가 변환 고체 산화물 전지들이 우수한 전기화학 성능을 가질 것을 예상할 수 있다.9, (a) is an LSGM, (b) is a PBMCO-LSGM cathode that is an air electrode, and (c) is an S-PBMCO-LSGM anode that is a fuel electrode. It can be seen that the nano-sized particles of the LSGM are uniformly distributed and maintain the surface shape even after reduction. From the characteristics of microstructures having electrodes composed of nanostructures and thin electrolyte layers, it can be expected that self-converting solid oxide batteries have excellent electrochemical performance.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 임피던스 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.10 is a graph showing an impedance spectrum of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, PBMCO-LSGM/LSGM/S-PBMCP-LSGM 구성을 가지는 상기 자가 변환 고체 산화물 전지를 700℃, 750℃ 및 800℃의 온도에서 수소 분위기에서 동작시킨 결과가 나타나 있다. 고주파수에서 실수 축(Re Z)에 대한 교점에서 측정된 상기 자가 변환 고체 산화물 전지의 오믹 손실은 800℃에서 0.147 Ω cm2, 750℃에서 0.187 Ω cm2, 700℃에서 0.244 Ω cm2 으로 나타났다. 실수 축(Re Z)에 대한 두 개의 교점들 사이의 차이에 의하여 결정되는 상기 전극들의 분극 저항은 800℃에서 0.139 Ω cm2, 750℃에서 0.273 Ω cm2, 및 700℃에서 0.530 Ω cm2 으로 나타났다.Referring to FIG. 10, the results of operating the self-converting solid oxide battery having the configuration of PBMCO-LSGM/LSGM/S-PBMCP-LSGM in a hydrogen atmosphere at temperatures of 700°C, 750°C, and 800°C are shown. The ohmic losses of the self-converting solid oxide battery measured at the intersection of the real axis (Re Z) at high frequencies were 0.147 Ω cm 2 at 800°C, 0.187 Ω cm 2 at 750°C, and 0.244 Ω cm 2 at 700°C. The polarization resistance of the electrodes determined by the difference between the two intersections of the real axis (Re Z) was 0.139 Ω cm 2 at 800°C, 0.273 Ω cm 2 at 750°C, and 0.530 Ω cm 2 at 700°C. appear.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 전기화학 특성을 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing electrochemical characteristics of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, (a)는 700℃, 750℃, 및 800℃의 작동 온도에서의 LSGM 대칭형 전지 상의 PBMCO-LSGM 복합물의 실험 및 시뮬레이션 니퀘스트 그래프이고, (b)는 등가회로에 의한 적합선을 기반한 LSGM 대칭형 전지 상의 PBMCO-LSGM 복합물의 저항들을 나타낸다. 캐소드 손실을 측정하기 위하여, 상기 PBMCO-LSGM/LSGM/PBMCO-LSGM 전지를 이용하여 반쪽 전지 실험을 수행하였다. 이로부터 EC-Lab 소프트웨어를 이용하여 적합선(fitted line)을 도출하였다. 다양한 작동 온도에서 캐소드 분극 저항의 직접적인 비교를 위하여 오믹 저항을 제거하였다. PBMCO-LSGM에 대한 캐소드 분극 저항은 800℃에서 0.033 Ω cm2, 750℃에서 0.073 Ω cm2, 및 700℃에서 0.189 Ω cm2 으로 나타났다. 도 11의 (b)에 도시된 등가 회로에 기반하여 얻은 상기 적합선들은 니퀘스트 그래프와 잘 일치한다. 상기 등가 회로에서, "L1"은 케이블에 의한 인덕턴스이고, "R1" 은 오믹 저항이고, "R2"는 반응 위치로부터 전해질 격자로의 산소 이온의 이동 및 확산 동안의 전하 이동과 관계되고, "R3"는 산소 표면 교환, 고체상 확산, 및 기체상 확산과 관계된 비전하 이동에 의하여 유도될 수 있다. 이러한 R2, R3 및 RP (즉, R2 + R3)의 특정한 수치는 하기의 표 1에 나타나있다. Referring to FIG. 11, (a) is an experiment and simulation request graph of a PBMCO-LSGM composite on an LSGM symmetric battery at an operating temperature of 700°C, 750°C, and 800°C, and (b) is a fit by an equivalent circuit. The resistances of the PBMCO-LSGM composite on a line-based LSGM symmetric cell are shown. In order to measure the cathode loss, a half-cell experiment was performed using the PBMCO-LSGM/LSGM/PBMCO-LSGM cells. From this, a fitted line was derived using EC-Lab software. Ohmic resistance was removed for direct comparison of the cathode polarization resistance at various operating temperatures. The cathode polarization resistance for PBMCO-LSGM was found to be 0.033 Ω cm 2 at 800°C, 0.073 Ω cm 2 at 750°C, and 0.189 Ω cm 2 at 700°C. The fitted lines obtained based on the equivalent circuit shown in (b) of FIG. 11 agree well with the Nequest graph. In the above equivalent circuit, “L 1 ”is the inductance by the cable, “R 1 ” is the ohmic resistance, “R 2 ”is related to the transfer of oxygen ions from the reaction site to the electrolyte lattice and charge transfer during diffusion, , “R 3 ”can be induced by oxygen surface exchange, solid phase diffusion, and uncharged movement associated with gas phase diffusion. Specific values of these R 2 , R 3 and R P (ie, R 2 + R 3 ) are shown in Table 1 below.

표 1은 반쪽 전지 실험에서 얻은 저항값의 측정값들과 적합선 값들을 나타낸다. 또한, 표 2는 전기화학 임피던스 스펙트럼 결과를 나타낸다.Table 1 shows the measured values of the resistance values obtained in the half-cell experiment and the fitted line values. In addition, Table 2 shows the results of the electrochemical impedance spectrum.

온도
(℃)
Temperature
(℃)
반쪽 전지 실험 (Ω cm2)Half-cell experiment (Ω cm 2 )
측정값Measures 적합선 값Fitted line value 캐소드 손실(Rp)Cathode loss (R p ) R2 R 2 R3 R 3 Rp R p 800800 0.0330.033 0.0310.031 0.0020.002 0.0330.033 750750 0.0730.073 0.0360.036 0.0360.036 0.0720.072 700700 0.1890.189 0.0710.071 0.1180.118 0.1890.189

온도
(℃)
Temperature
(℃)
변환 전지 실험Conversion battery experiment 반쪽 전지 실험Half cell experiment
오믹 저항
(Ω cm2)
Ohmic resistance
(Ω cm 2 )
분극 저항
(Ω cm2)
Polarization resistance
(Ω cm 2 )
캐소드 손실
(Ω cm2)
Cathode loss
(Ω cm 2 )
800800 0.1470.147 0.1390.139 0.0330.033 750750 0.1870.187 0.2730.273 0.0730.073 700700 0.2440.244 0.5300.530 0.1890.189

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 전류 밀도에 대한 전압 및 전력 밀도를 나타내는 그래프이다.12 is a graph showing voltage and power density versus current density of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 12를 참조하면, 3% H2O를 포함하는 수소 가스를 연료로 사용하고, 산화제로서 공기를 사용하는 경우의 800℃, 750℃, 및 700℃의 온도에 대하여 자가 변환 고체 산화물 전지에 대한 결과가 나타나 있다. 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 낮은 분극 저항을 가지므로, 하기의 표 3에서 나타난 바와 같은 통상적인 대칭 전지와 비교하여, 촉매가 추가되지 않고도 800℃에서 1.10 W cm-2 의 최대 전력 밀도를 나타내었다. 결과적으로, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 대기 분위기에 대하여 자신의 구조를 변화시켜 높은 촉매 활성도를 제공할 수 있다. 이러한 우수한 촉매 활성도 성능은 침투 특성과 얇은 전해질을 가지는 새로운 구조에 기인한 것으로 분석된다.Referring to FIG. 12, for a self-converting solid oxide battery at temperatures of 800°C, 750°C, and 700°C when hydrogen gas containing 3% H 2 O is used as a fuel and air is used as an oxidizing agent. The results are shown. Since the self-conversion solid oxide battery has a low polarization resistance, compared with a conventional symmetric battery as shown in Table 3 below, it exhibited a maximum power density of 1.10 W cm -2 at 800°C without adding a catalyst. . As a result, the self-converting solid oxide battery can provide high catalytic activity by changing its structure with respect to the atmospheric atmosphere. This excellent catalytic activity performance is analyzed to be due to the penetration characteristics and a new structure with a thin electrolyte.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 전기화학적 성능을 종래의 전지들과 비교한 표이다.13 is a table comparing electrochemical performance of a self-converting solid oxide battery with conventional batteries according to an embodiment of the present invention.

도 13을 참조하면, 종래의 전지들에 비하여 자가 변환 고체 산화물 전지의 전기화학적 성능이 우수함을 알 수 있다.Referring to FIG. 13, it can be seen that the electrochemical performance of the self-converting solid oxide battery is superior to that of conventional batteries.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지에 대하여 수전해 모드에서 대기 분위기에 따른 전류 밀도에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다.14 is a graph showing a voltage change according to a current density according to an atmospheric atmosphere in a water electrolysis mode for a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참조하면, 3% H2O 와 10% H2O를 각각 포함하는 수소 가스에 대하여 수전해 모드에서 800℃의 온도에서의 전류 밀도에 따른 전압 곡선이 나타나 있다. 전기화학 성능은 0 V 내지 1.5 V의 전압 범위에서 전류 밀도를 스캔하여 기록하였다. 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 800

Figure 112019098204388-pat00027
및 1.3 V의 전지 전압에서, 3 vol% H2O의 경우에는 -0.42 A cm- 2 , 10 vol% H2O의 경우에는 -0.62 A cm- 2 의 전류 밀도를 나타내었다. 따라서, 3 vol% H2O와 같이 매우 적은 양의 H2O 를 공급하여도, 우수한 전기화학 성능을 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 수전해셀로서 적용 가능성이 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 14, a voltage curve according to a current density at a temperature of 800° C. in a water electrolysis mode for hydrogen gas containing 3% H 2 O and 10% H 2 O, respectively, is shown. The electrochemical performance was recorded by scanning the current density in the voltage range from 0 V to 1.5 V. The self-conversion solid oxide battery 800
Figure 112019098204388-pat00027
In the case of 1.3 and at a cell voltage V, 3 vol% H 2 O is -0.42 A cm - 2, 10% H 2 O In case of vol -0.62 A cm - shows a current density of 2. Thus, it can be seen that very small amounts of H 2 O supplied to the Figure, shows excellent electrochemical performance, such as 3 vol% H 2 O. Accordingly, it can be seen that the self-conversion solid oxide battery has the potential to be applied as a water-receiving cell.

도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 안정성을 나타내는 그래프이다.15 is a graph showing the stability of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 15를 참조하면, 700℃의 온도 및 +/-0.2 A cm-2 의 전류 밀도에서 자가 변환 고체 산화물 전지의 안정성을 나타낸다. 상기 자가 변환 고체 산화물 전지의 작동 가역성을 분석하기 위하여, 3 vol % H2O 와 10 vol % H2O 를 각각 포함하는 수소 가스를 이용하여 700℃의 온도에서 -0.2 A cm-2 의 전류 밀도로 수전해 모드로서 작동하고, 또한 +0.2 A cm-2 의 전류 밀도로 연료 전지 모드로서 작동하였으며, 이러한 두 가지 모드를 교번하는 싸이클 방식으로 작동하였다. 3 vol % H2O 와 10 vol % H2O 모두에서, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 특별한 열화가 발생되지 않고 수전해 모드 및 연료 전지 모드에서 안정적인 성능을 나타낸 것으로 분석된다.Referring to Figure 15, it shows the stability of the self-conversion solid oxide battery at a temperature of 700 ℃ and a current density of +/-0.2 A cm -2. In order to analyze the operating reversibility of the self-converting solid oxide battery, a current density of -0.2 A cm -2 at a temperature of 700°C using hydrogen gas containing 3 vol% H 2 O and 10 vol% H 2 O, respectively. The furnace operated as a water electrolysis mode, and also operated as a fuel cell mode with a current density of +0.2 A cm -2, and operated in an alternating cycle manner between these two modes. In both 3 vol% H 2 O and 10 vol% H 2 O, the self-conversion solid oxide cell was analyzed to exhibit stable performance in the water electrolysis mode and the fuel cell mode without causing any special deterioration.

도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지의 장기 안정성을 나타내는 그래프이다.16 is a graph showing long-term stability of a self-converting solid oxide battery according to an embodiment of the present invention.

도 16의 (a)를 참조하면, 10 vol % H2O 를 포함하는 수소 가스를 사용한 경우에, -0.2 A cm- 2 의 전류 밀도의 수전해 모드와 +0.2 A cm- 2 의 전류 밀도의 연료 전지 모드에서의 가역 싸이클 결과를 나타낸다. 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 수전해 모드와 연료 전지 모드에서 30 시간까지 균일한 전압을 나타내었고, 따라서 장기 안정성이 우수함을 알 수 있다. Referring to FIG. 16A, when hydrogen gas containing 10 vol% H 2 O is used, a water electrolysis mode with a current density of -0.2 A cm- 2 and a current density of +0.2 A cm - 2 Shows the reversible cycle results in the fuel cell mode. The self-conversion solid oxide cell exhibited a uniform voltage for up to 30 hours in the water electrolysis mode and the fuel cell mode, and thus it can be seen that long-term stability is excellent.

도 16의 (b)를 참조하면, 6 시간의 가역 싸이클을 수행한 후, 3 vol % H2O를 포함한 수소 가스를 사용하여 연료 전지 모드로서 100 시간 작동한 결과를 나타낸다. 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 특별한 열화가 발생하지 않았으며, 이에 따라 장기 안정성이 우수함을 알 수 있다.Referring to (b) of FIG. 16, after performing a reversible cycle of 6 hours, the result of operating for 100 hours in a fuel cell mode using hydrogen gas containing 3 vol% H 2 O is shown. It can be seen that the self-conversion solid oxide battery did not cause any special deterioration, and thus has excellent long-term stability.

상술한 결과로서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 자가 변환 고체 산화물 전지에 대하여 하기와 같은 결론을 도출할 수 있다.As a result of the above, the following conclusion can be drawn for the self-converting solid oxide battery according to the technical idea of the present invention.

먼저, 대기 적응형 물질로서 페로브스카이트 구조의 PBMCO를 애노드와 캐소드에 적용하여, 비대칭 구성과 대칭 구성의 장점들을 가지는 자가 변환 고체 산화물 전지를 형성하였다. 상기 PBMCO는, X-선 회절 결과 및 X-선 광전자 스펙트럼 분석에 의하여 확인된 바와 같이, 애노드에서 상 변이 및 금속 용출에 의하여 PrBaMn1.7Co0.3-xO5+δ + xCo (S-PBMCO)로 변화되었다. 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 연료 전지 모드와 수전해셀 모드로 작동될 수 있음을 확인하였다. 상기 연료 전지 모드에서는, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 촉매를 사용하지 않고도 800℃에서 1.10 W cm-2 의 높은 최대 전력 밀도를 나타내었고, 100 시간 동안 매우 안정적인 성능을 나타내었다. 상기 수전해셀 모드에서는, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 800℃ 및 1.3 V의 전지 전압에서 10 vol% H2O 에 대하여 -0.62 A cm-2 의 전기화학 성능을 나타내었다. 가역 싸이클 실험에서는, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 10 vol% H2O 및 +/- 0.2 A cm-2 에서 30 시간 동안 균일한 전압을 유지하였다. 이러한 결과로부터, 상기 자가 변환 고체 산화물 전지는 연료 전지 및 수전해셀로서 유망한 시스템을 제공할 수 있음을 알 수 있다.First, by applying PBMCO of perovskite structure as an atmosphere adaptive material to the anode and cathode, a self-converting solid oxide battery having the advantages of an asymmetrical configuration and a symmetrical configuration was formed. The PBMCO is PrBaMn 1.7 Co 0.3-x O 5+δ + xCo (S-PBMCO) by phase shift and metal elution at the anode, as confirmed by X-ray diffraction results and X-ray photoelectron spectrum analysis. Changed. It was confirmed that the self-conversion solid oxide cell can be operated in a fuel cell mode and a water electrolysis cell mode. In the fuel cell mode, the self-conversion solid oxide cell exhibited a high maximum power density of 1.10 W cm -2 at 800° C. without using a catalyst, and exhibited very stable performance for 100 hours. In the electrolytic cell mode, the self-converting solid oxide battery exhibited an electrochemical performance of -0.62 A cm -2 for 10 vol% H 2 O at 800° C. and a battery voltage of 1.3 V. In the reversible cycle experiment, the self-conversion solid oxide battery maintained a uniform voltage at 10 vol% H 2 O and +/- 0.2 A cm -2 for 30 hours. From these results, it can be seen that the self-conversion solid oxide cell can provide a promising system as a fuel cell and a water electrolysis cell.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical idea of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and that various substitutions, modifications and changes are possible within the scope not departing from the technical idea of the present invention, the technical idea of the present invention It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which this belongs.

100: 자가 변환 고체 산화물 전지, 110: 애노드,
120: 캐소드, 130: 전해질, 140: 금속 용출물,
100: self-conversion solid oxide cell, 110: anode,
120: cathode, 130: electrolyte, 140: metal eluate,

Claims (15)

전해질을 사이에 두고 배치되고, 동일한 고체 산화물을 포함하여 구성되고, 코발트가 도핑된 상태인 단일 페로브스카이트 결정 구조를 동일하게 가지는 애노드와 캐소드로 구성된 대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계;
상기 애노드에는 수소함유가스를 연료로서 공급하고 상기 캐소드에는 공기를 공급하여, 상기 대칭형 전극 구조체를 작동시키는 단계;
상기 대칭형 전극 구조체의 작동 중에, 상기 애노드가 자가 변환에 의하여 상 변이됨으로써 코발트가 표면으로 용출되는 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 가지게 되고, 상기 캐소드는 상기 코발트가 도핑된 상태인 단일 페로브스카이트 결정 구조를 유지하게 되어, 비대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는, 자가 변환 고체 산화물 전지의 제조 방법.
Forming a symmetrical electrode structure comprising an anode and a cathode disposed with an electrolyte interposed therebetween, including the same solid oxide, and having the same single perovskite crystal structure in a state doped with cobalt;
Supplying hydrogen-containing gas as fuel to the anode and air to the cathode to operate the symmetrical electrode structure;
During operation of the symmetrical electrode structure, the anode is phase-shifted by self-transformation, thereby having a double-layer perovskite crystal structure in which cobalt is eluted to the surface, and the cathode is a single perovskite in a state doped with the cobalt A method of manufacturing a self-converting solid oxide battery comprising; forming an asymmetric electrode structure by maintaining a crystal structure.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계에서,
상기 단일 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 상기 애노드 및 상기 캐소드는 Pr0.5Ba0.5Mn0.85Co0.15O3-δ를 포함하며,
상기 비대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계에서,
상기 자가 변환은 600℃내지 800℃ 범위의 온도에서 이루어지고,
상기 애노드는 PrBaMn1.7Co0.3-xO5+δ로 상 변이되는, 자가 변환 고체 산화물 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
In the step of forming the symmetrical electrode structure,
The anode and the cathode having the single perovskite crystal structure include Pr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.85 Co 0.15 O 3-δ ,
In the step of forming the asymmetric electrode structure,
The self-conversion is made at a temperature in the range of 600 ℃ to 800 ℃,
The anode is a PrBaMn 1.7 Co 0.3-x O 5 + δ phase-transformed, the method of manufacturing a self-conversion solid oxide battery.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 대칭형 전극 구조체를 형성하는 단계는, 지지체에 전구체 용액을 침투시켜 상기 애노드와 상기 캐소드를 동시에 형성하여 수행되는, 자가 변환 고체 산화물 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The step of forming the symmetrical electrode structure is performed by simultaneously forming the anode and the cathode by infiltrating a precursor solution into a support, a method of manufacturing a self-converting solid oxide battery.
청구항 12에 있어서,
상기 지지체는 다공층/밀집층/다공층의 3층 구성을 가지고,
상기 다공층들의 하나가 상기 애노드를 구성하고, 상기 다공층들의 다른 하나가 상기 캐소드를 구성하고, 상기 밀집층이 상기 전해질을 구성하는, 자가 변환 고체 산화물 전지의 제조 방법.
The method of claim 12,
The support has a three-layer configuration of a porous layer/dense layer/porous layer,
One of the porous layers constitutes the anode, the other of the porous layers constitutes the cathode, and the dense layer constitutes the electrolyte.
청구항 1에 있어서,
상기 전해질은 La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ 을 포함하는, 자가 변환 고체 산화물 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The electrolyte comprises La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3-δ , a method of manufacturing a self-conversion solid oxide battery.
청구항 1에 있어서,
상기 전해질은 La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ 분말을 갈색 청어 생선 오일, 자일렌, 폴리알킬렌 글리콜, 부틸 벤질 프탈레이트, 및 폴리비닐 부틸랄을 포함하는 에탄올 용매에 투입하여 형성한 슬러리를 이용하여 형성한, 자가 변환 고체 산화물 전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The electrolyte is a slurry formed by injecting La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3-δ powder into an ethanol solvent containing brown herring fish oil, xylene, polyalkylene glycol, butyl benzyl phthalate, and polyvinyl butyral. A method for producing a self-converting solid oxide battery formed by using.
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