KR102291279B1 - MCFC cathode to reduce nickel melt - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기극 위에 ALD(Atomic layer deposition) 방법을 통해 표면 코팅된 용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 다공성 공기극 위에 ALD 방법을 통해 Al2O3, ZrO2, YSZ, YDC 등을 코팅하여 고온에서 용융탄산염 전해질에 Ni이 녹아나오는 것을 억제시킨 용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 공기극은 장기간 운전 시, 전해질 내에 공기극으로부터 Ni이 용출이 억제되므로, 단락 형성으로 인한 연료전지의 수명 저하를 개선할 수 있다.The present invention relates to a cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC) surface-coated on the cathode through an atomic layer deposition (ALD) method and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ, YDC, etc. to suppress the melting of Ni into the molten carbonate electrolyte at high temperature by coating the cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC) and a method for manufacturing the same. Since the cathode according to the present invention suppresses the elution of Ni from the cathode in the electrolyte during long-term operation, it is possible to improve the deterioration of the lifespan of the fuel cell due to the formation of a short circuit.

Description

니켈 용해를 감소하는 MCFC 공기극{MCFC cathode to reduce nickel melt}MCFC cathode to reduce nickel melt

본 발명은 니켈 용해를 감소하는 용융탄산염 연료전지용 공기극 및 의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 다공성 공기극 위에 ALD(Atomic layer deposition) 방법을 통해 Al2O3, ZrO2, YSZ, YDC 등을 코팅하여 고온에서 용융탄산염 전해질에 Ni이 녹아나오는 것을 억제시킨 용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an anode for a molten carbonate fuel cell that reduces nickel dissolution and a method for manufacturing the same, and more particularly, Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ, YDC through an ALD (atomic layer deposition) method on an existing porous cathode. The present invention relates to a cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC) in which Ni is suppressed from melting into a molten carbonate electrolyte at a high temperature by coating such as, and a method for manufacturing the same.

용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)는 다양한 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 효과적인 장치로서, 니켈 애노드, 산화니켈 캐소드, LiAlO2의 매트릭스와 탄산리튬(Li2CO3)과 탄산칼륨(K2CO3)의 혼합염으로 제조된 전해질로 구성되는 것이 일반적이다. 전해질의 원료로 사용되는 탄산리튬과 탄산칼륨은 그 녹는점이 매우 높지만, 혼합하여 녹이면 500℃ 부근에서 공융된다. 이러한 특성으로 인해, 전해질은 실온에서는 고체이나, 작동온도인 650℃에서는 탄산염이 용융되어 매트릭스 기공에 함침되어 고체상태인 전극과 기체상태인 반응가스와 함께 삼상 반응을 통해 전기화학 반응을 일으킨다.Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) is an effective device that converts chemical energy of various fuels into electrical energy. A nickel anode, a nickel oxide cathode, a matrix of LiAlO2, and lithium carbonate (Li2CO3) and potassium carbonate (K2CO3) It is generally composed of an electrolyte prepared from a mixed salt of Lithium carbonate and potassium carbonate, which are used as raw materials for electrolyte, have very high melting points, but when mixed and dissolved, they are eutectic at around 500°C. Due to these characteristics, the electrolyte is solid at room temperature, but at the operating temperature of 650° C., carbonate is melted and impregnated in the matrix pores to cause an electrochemical reaction through a three-phase reaction with an electrode in a solid state and a reaction gas in a gaseous state.

현재 통상적인 MCFC의 캐소드 재료로 사용되는 산화니켈(NiO)은 장시간 운전시 상압에서 전해질로 사용되는 탄산염에 의해 용해되어 전지의 수명을 단축시키는 심각한 문제를 발생시키는데, 그 반응식은 다음과 같다.Nickel oxide (NiO), which is currently used as a cathode material of a typical MCFC, is dissolved by carbonate used as an electrolyte at normal pressure during long-term operation, causing a serious problem of shortening the life of the battery, and the reaction formula is as follows.

NiO → Ni2 + + O2- NiO → Ni 2 + + O 2-

위 반응식에 의해 캐소드 쪽에서 생성된 니켈 이온(Ni2 +)은 애노드 쪽에서 다음 식에 의해 금속 니켈로 석출된다. Nickel ions (Ni 2 + ) generated on the cathode side by the above reaction formula are precipitated as metallic nickel by the following formula on the anode side.

Ni2 + + 2e- → 금속 NiNi 2 + + 2e - → metal Ni

애노드 쪽에서 발생하는 금속 니켈 형성 반응은 캐소드의 용해 현상이 지속되면서 캐소드 쪽으로 계속 진행되어 애노드와 캐소드 사이에 니켈 금속 통로를 만들고 이로 인해 공기극과 연료극이 단락되어 전지의 수명을 단축하거나 끝나게 된다. The metal nickel formation reaction that occurs on the anode side continues toward the cathode as the dissolution phenomenon of the cathode continues, creating a nickel metal passage between the anode and the cathode, which results in a short circuit between the cathode and the anode, shortening or ending the life of the battery.

이러한 문제를 해결하기 위해 공기극에서 융융탄산염 전해질내로 니켈이온이 용출되는 것을 막는 것이 필요한 실정이다.In order to solve this problem, it is necessary to prevent the nickel ions from being eluted from the cathode into the molten carbonate electrolyte.

지금까지 여러 가지 연구들이 진행되어 왔으며, 크게 두 개의 부류로 구별할 수 있다.A number of studies have been conducted so far, and they can be broadly classified into two categories.

그 하나는 기존에 사용하는 산화니켈의 용해 속도를 감속시키는 것으로서, MCFC의 전해질로 사용되는 탄산염의 성분을 조절하거나, NiO 전극에 염기성 물질과 같은 제3의 물질을 첨가하는 방법이 대표적이다. MCFC의 통상적인 운전조건에서 NiO는 산성 용해 반응기구에 따라 전해질에 용해되므로, NiO의 전해질에 대한 용해도를 낮추기 위한 방법으로 전해질의 염기성을 높이는 것인데, 현재 가장 널리 사용되는 전해질인 리튬/칼륨탄산염의 공융탄산염에서 리튬탄산염의 함량을 더 높이거나, 리튬/나트륨 탄산염의 공융염으로 대체하여 사용하는 방법 또는 알칼리 토금속(마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨)의 탄산염을 리튬/칼륨탄산염의 전해질에 첨가하는 방법 등이 제시되어 있다. 또한, NiO 전극 자체에 MgO와 같은 알칼리 토금속 산화물을 첨가하는 방법도 제시되어 있다.One of them is to slow the dissolution rate of nickel oxide used in the past. A typical method is to control the carbonate component used as an electrolyte of the MCFC or add a third material such as a basic material to the NiO electrode. Under the normal operating conditions of MCFC, NiO is dissolved in the electrolyte according to the acid dissolution reaction mechanism, so the method to lower the solubility of NiO in the electrolyte is to increase the basicity of the electrolyte. A method of increasing the content of lithium carbonate in eutectic carbonate or replacing it with a eutectic salt of lithium/sodium carbonate, or a method of adding carbonate of alkaline earth metal (magnesium, calcium, strontium, barium) to an electrolyte of lithium/potassium carbonate etc. are presented. In addition, a method of adding an alkaline earth metal oxide such as MgO to the NiO electrode itself is also proposed.

다른 방법은 NiO의 대체물질을 개발하여 탄산염 전해질에 대한 용해도를 낮추는 방법이다. LiFeO2, LiMnO2, LiCoO2 등의 리튬 화합물이 그 대체물질로 거론되었으나, LiFeO2 및 LiMnO2는 전지성능이 낮아 대체물질로서 적합하지 않아 이들에 대한 연구는 이루어지지 않고 있으며, LiCoO2가 유력한 대체물질로서 주목받고 있다. 그러나 LiCoO2의 경우, 탄산염 전해질에 대한 용해도는 산화니켈의 1/2 정도의 수준으로 낮으나, 그 전도도가 기존의 NiO 보다 낮아 전지성능이 기존의 전극보다 낮고, 전극 성형시 강도가 매우 낮아 전극을 전지에 장착하기가 매우 어려우며, 고가라는 단점이 있다.Another method is to develop a substitute for NiO and lower its solubility in carbonate electrolytes. LiFeO 2, but the lithium compounds such as LiMnO 2, LiCoO 2 mentioned as its substitute material, LiFeO 2, and LiMnO 2 are studies on these because they are not applicable as a substitute material the cell performance decrease is not performed, LiCoO 2 has potent It is attracting attention as an alternative material. However , in the case of LiCoO 2 , the solubility in carbonate electrolyte is as low as 1/2 that of nickel oxide, but its conductivity is lower than that of conventional NiO, so battery performance is lower than that of conventional electrodes, and the strength during electrode molding is very low. It is very difficult to install in a battery and has the disadvantage of being expensive.

한편, 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)은 기판 표면에 화학적으로 증착하는 기술의 일종으로 증착하려는 물질의 전구체를 운분기체(Carrier Gas)와 함께 챔버에 투입(Pulse)하여 열 또는 플라즈마로 반응을 일으키는데, 모든 표면에서 반응이 진행되고 나면 더 이상 증착되지 않는 자기포화 반응(Self-saturated reaction)에 의해 반응이 완료된다. 이후, 챔버 내의 잔여 전구체를 제거(Purge)하고, 반응물질(Reactant)을 투입(Pulse)하여 다시 반응이 가능한 표면으로 만들고, 이 반응물질(Reactant)도 제거(Purge)하는 것으로 (Pulse-Purge-Pulse-Purge) 1 Cycle이 구성된다. 이 사이클을 반복하여 원자 단위로 적층하므로, 어떠한 형상의 표면에도 균일한 품질의 박막을 얻을 수 있다.On the other hand, Atomic Layer Deposition (ALD) is a type of chemical vapor deposition on the surface of a substrate. A precursor of a material to be deposited is pulsed into a chamber together with a carrier gas to react with heat or plasma. After the reaction has progressed on all surfaces, the reaction is completed by a self-saturated reaction that is no longer deposited. After that, the residual precursor in the chamber is removed (purge), the reactant (Reactant) is input (Pulse) to make the surface capable of reacting again, and this reactant (Reactant) is also removed (Purge) (Pulse-Purge-) Pulse-Purge) 1 Cycle is configured. Since this cycle is repeated and stacked in units of atoms, a thin film of uniform quality can be obtained on any surface of any shape.

이에, 본 발명자들은 공기극에서 융융탄산염 전해질내로 니켈이온이 용출되는 것을 막기 위해 새로운 방법을 개발하고자 노력한 결과, 공기극 위에 ALD(Atomic layer deposition) 방법을 통해 Al2O3, ZrO2, YSZ, YDC 등을 코팅하여 제조된 용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극이 장기간 운전 시 전해질 내에 공기극으로부터 Ni이 용출이 억제되어 단락 형성으로 인한 연료전지의 수명 저하를 개선할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors tried to develop a new method to prevent the eluting of nickel ions from the cathode into the molten carbonate electrolyte, and as a result, Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ, YDC, etc. The present invention was completed by confirming that the cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC) manufactured by coating with Ni was suppressed from elution from the cathode in the electrolyte during long-term operation, thereby improving the deterioration of the lifespan of the fuel cell due to the formation of a short circuit. did.

대한민국 특허공개번호 제10-2007-0135793호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2007-0135793 대한민국 특허등록번호 제10-1274592호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1274592 대한민국 특허등록번호 제10-0884646호Republic of Korea Patent Registration No. 10-0884646

본 발명의 목적은 종래 용융탄산염 연료전지에서 장기 셀 운전시 전해질에 공기극의 성분이 Ni이 녹아나와 용출되어 전해질 내에 Ni선이 형성되어 공기극과 연료극이 단락되어 셀 수명이 끝나는 문제점을 해결하기 위해, 기존의 다공성 공기극 위에 ALD 방법을 통해 Al2O3, ZrO2, YSZ, YDC 등을 코팅하여 고온에서 용융탄산염 전해질 내로 니켈이온이 용출되는 것을 억제시킨 공기극을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to solve the problem that the cathode and the anode are short-circuited to end the cell life when Ni is melted and eluted from the electrolyte during long-term cell operation in the conventional molten carbonate fuel cell, and Ni wire is formed in the electrolyte. It is to provide an anode in which nickel ions are suppressed from eluting into a molten carbonate electrolyte at a high temperature by coating Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ, YDC, etc. on the existing porous cathode through ALD method.

본 발명의 또다른 목적은 기존의 다공성 공기극 위에 ALD 방법을 통해 Al2O3, ZrO2, YSZ, YDC 등을 코팅하여 고온에서 용융탄산염 전해질 내로 니켈이온이 용출되는 것을 억제시킨 공기극을 제조함으로써, 단락 형성으로 인한 연료전지의 수명 저하를 개선하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is by coating Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ, YDC, etc. on the existing porous cathode through ALD method to suppress the elution of nickel ions into the molten carbonate electrolyte at high temperature by manufacturing an cathode, To provide a method for improving the deterioration of the lifespan of a fuel cell due to the formation of a short circuit.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention

니켈 입자에 의해 형성되고, 니켈 입자 간 간극에 의해 다공성의 구조를 가지는 니켈 베이스(Ni-base) 전극; 및a nickel-base electrode formed of nickel particles and having a porous structure due to gaps between the nickel particles; and

상기 전극의 표면에 Al2O3, ZrO2, YSZ 및 YDC로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성된 코팅층;을 포함하고,A coating layer composed of any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ and YDC on the surface of the electrode;

상기 코팅층은 상기 전극의 표면에 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 Al2O3, ZrO2, YSZ 및 YDC로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성된 박막을 증착시킨 것을 특징으로 하는, The coating layer is characterized in that a thin film composed of any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ and YDC is deposited on the surface of the electrode by atomic layer deposition (ALD).

용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극을 제공한다.A cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC) is provided.

또한, 본 발명은Also, the present invention

i) 니켈 입자에 의해 형성되고, 니켈 입자 간 간극에 의해 다공성의 구조를 가지는 니켈 베이스(Ni-base) 전극을 제조하는 단계; 및i) preparing a nickel-base electrode formed by nickel particles and having a porous structure by gaps between the nickel particles; and

ii) 상기 전극의 표면에 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 Al2O3, ZrO2, YSZ 및 YDC로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성된 박막을 증착시켜 코팅시키는 단계;를 포함하는,ii) coating the surface of the electrode by depositing a thin film composed of any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ and YDC by atomic layer deposition (ALD) and coating;

용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극의 제조방법을 제공한다.A method for manufacturing a cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC) is provided.

아울러, 본 발명은In addition, the present invention

상기 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극을 포함하는 용융탄산염 연료전지(MCFC)를 제공한다.There is provided a molten carbonate fuel cell (MCFC) including the cathode for the molten carbonate fuel cell (MCFC) according to the present invention.

본 발명에 따라 다공성 공기극 위에 ALD(Atomic layer deposition) 방법을 통해 Al2O3, ZrO2, YSZ, YDC 등을 코팅하여 고온에서 용융탄산염 전해질에 Ni이 녹아나오는 것을 억제시킬 수 있다. According to the present invention, by coating Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ, YDC, etc. on the porous cathode through an atomic layer deposition (ALD) method, it is possible to suppress the melting of Ni into the molten carbonate electrolyte at a high temperature.

따라서 용융탄산염 연료전지를 장기간 운전 시, 전해질 내에 공기극으로부터 Ni이 용출이 억제되므로, Ni 용출에 따른 공기극과 연료극의 단락 형성으로 인한 연료전지의 수명 저하를 개선할 수 있다.Therefore, when the molten carbonate fuel cell is operated for a long period of time, the elution of Ni from the cathode in the electrolyte is suppressed, so that the deterioration of the lifespan of the fuel cell due to the formation of a short circuit between the cathode and the anode due to the Ni elution can be improved.

MCFC 등 연료전지에서는 전극 내로 반응가스가 유입이 되어야 반응이 일어날 수 있는데, ALD 방법은 나노미터 단위의 매우 얇은 막을 형성하므로, 기공(pore)에 영향을 미치지 않아 가스의 유입을 원활하게 할 수 있다. 반면, Sol-Gel 코팅이나 도금 방식은 코팅막이 균일하지 않거나 기공을 막아버리는 등 불량이 발생할 가능성이 높아 원하는 성능을 얻기 어렵다.In a fuel cell such as MCFC, a reaction can occur only when a reaction gas is introduced into the electrode. Since the ALD method forms a very thin film in the nanometer unit, it does not affect the pores so that the gas flows smoothly. . On the other hand, the Sol-Gel coating or plating method is difficult to obtain the desired performance because the coating film is not uniform or there is a high possibility of defects such as clogging the pores.

특히, Ni이 전해질에 용해되는 것을 막기 위해서는 전극 표면의 코팅 균일도가 영향을 많이 주는데, sol-gel 코팅이나 도금 방법의 경우에는 ALD 코팅에 비해 코팅막의 균일도가 낮기 때문에 Ni 용해를 저감시키는데 한계가 있다.In particular, in order to prevent Ni from being dissolved in the electrolyte, the uniformity of the coating on the surface of the electrode has a lot of influence. .

도 1은 본 발명의 기술개념을 보여주는 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 다공성 공기극 위에 ALD 방법을 통해 Al2O3, ZrO2, YSZ를 코팅한 후, 투과전자현미경(Transmission electron microscope; TEM)으로 분석한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 다공성 공기극 위에 ALD 방법을 통해 ZrO2를 코팅한 후, 투과전자현미경-에너지분산형 분광분석법(Transmission electron microsco-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; TEM-EDS) 라인으로 분석한 사진 및 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 다공성 공기극 위에 ALD 방법을 통해 ZrO2 및 YSZ를 코팅한 후, X-선광전자분광기(X-ray photoelectron Spectroscopy; XPS)로 분석한 스펙트라(spectra) 그래프이다:
(a): ALD로 ZrO2만 코팅한 경우; 및
(b): ALD로 YSZ (4Zr1Y 사이클)로 코팅한 경우.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 코팅하지 않은 공기극 및 ALD 방법을 통해 ZrO2 코팅된 공기극에 대하여, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 분석한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 비교예에서 다공성 공기극 위에 Sol-Gel 코팅법을 통해 Ag, Cu, ZnO를 코팅한 후, 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 비교예에서 다공성 공기극 위에 Cu, Ru를 도금한 후 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 코팅하지 않은 공기극 및 ALD 방법을 통해 YSZ 코팅된 공기극에 대하여, 이들을 각각 사용한 셀을 이용하여 전극 성능을 평가한 결과 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 전극 용해도 평가방법을 보여주는 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 코팅하지 않은 공기극, ALD 방법을 통해 YSZ가 1.5 nm 두께로 코팅된 공기극, 및 ALD 방법을 통해 YSZ가 3 nm 두께로 코팅된 공기극에 대하여, 온도 600℃ 및 시간 150hr까지의 전극 용해도 평가를 수행한 결과 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에서 코팅하지 않은 공기극, ALD 방법을 통해 YDC가 1.5 nm 두께로 코팅된 공기극, 및 ALD 방법을 통해 YDC가 3 nm 두께로 코팅된 공기극에 대하여, 온도 600℃ 및 시간 150hr까지의 전극 용해도 평가를 수행한 결과 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 코팅하지 않은 공기극, ALD 방법을 통해 YSZ가 1.5 nm 두께로 코팅된 공기극, 및 ALD 방법을 통해 YSZ가 3 nm 두께로 코팅된 공기극에 대하여, 온도 650℃ 및 시간 250hr까지의 전극 용해도 평가를 수행한 결과 그래프이다.
1 is a diagram showing the technical concept of the present invention.
FIG. 2 is a photograph analyzed with a transmission electron microscope (TEM) after coating Al 2 O 3 , ZrO 2 , and YSZ on a porous cathode by an ALD method in an embodiment of the present invention.
3 is a transmission electron microsco-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (TEM-EDS) line after coating ZrO 2 on the porous cathode through the ALD method in an embodiment of the present invention; These are photos and graphs analyzed with
4 is a spectra graph analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) after coating ZrO 2 and YSZ through the ALD method on the porous cathode in an embodiment of the present invention:
(a): when only ZrO2 was coated by ALD; and
(b): ALD coated with YSZ (4Zr1Y cycle).
FIG. 5 is a photograph analyzed with a scanning electron microscope (SEM) of an uncoated cathode and a cathode coated with ZrO 2 through an ALD method in an embodiment of the present invention.
6 is a photograph analyzed with a scanning electron microscope (SEM) after coating Ag, Cu, and ZnO on a porous cathode through a Sol-Gel coating method in a comparative example of the present invention.
7 is a photograph analyzed with a scanning electron microscope (SEM) after plating Cu and Ru on a porous cathode in a comparative example of the present invention.
8 is a graph showing the results of evaluating electrode performance using cells using each of the uncoated cathode and the cathode coated with YSZ through the ALD method in an embodiment of the present invention.
9 is a schematic diagram showing a method for evaluating electrode solubility in an embodiment of the present invention.
10 shows an uncoated cathode in an embodiment of the present invention, a cathode coated with YSZ having a thickness of 1.5 nm through the ALD method, and an cathode coated with YSZ having a thickness of 3 nm through the ALD method at a temperature of 600° C. and FIG. It is a graph of the result of performing electrode solubility evaluation up to time 150hr.
11 shows an uncoated cathode in an embodiment of the present invention, an cathode coated with YDC to a thickness of 1.5 nm through the ALD method, and an cathode coated with YDC to a thickness of 3 nm through the ALD method at a temperature of 600° C. and FIG. It is a graph of the result of performing electrode solubility evaluation up to time 150hr.
12 shows an uncoated cathode in an embodiment of the present invention, a cathode coated with YSZ to a thickness of 1.5 nm through the ALD method, and an cathode coated with YSZ to a thickness of 3 nm through the ALD method at a temperature of 650° C. and FIG. It is a graph of the result of performing electrode solubility evaluation up to time 250 hr.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략할 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. In describing the present invention, detailed descriptions of related known configurations or functions may be omitted.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.The terms or words used in the present specification and claims are not limited to a conventional or dictionary meaning, and should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical matters of the present invention.

본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.The embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention, so various equivalents and modifications that can replace them at the time of the present application there may be

본 발명은 the present invention

니켈 입자에 의해 형성되고, 니켈 입자 간 간극에 의해 다공성의 구조를 가지는 니켈 베이스(Ni-base) 전극; 및a nickel-base electrode formed of nickel particles and having a porous structure due to gaps between the nickel particles; and

상기 전극의 표면에 Al2O3, ZrO2, YSZ 및 YDC로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성된 코팅층;을 포함하고,A coating layer composed of any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ and YDC on the surface of the electrode;

상기 코팅층은 상기 전극의 표면에 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 Al2O3, ZrO2, YSZ 및 YDC로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성된 박막을 증착시킨 것을 특징으로 하는, The coating layer is characterized in that a thin film composed of any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ and YDC is deposited on the surface of the electrode by atomic layer deposition (ALD).

용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극을 제공한다.A cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC) is provided.

상기 코팅층은 공기극 표면에 균일하게 증착되어 있는 것이 바람직하다.The coating layer is preferably uniformly deposited on the surface of the cathode.

상기 코팅층은 두께가 1 ~ 100 nm인 것이 바람직하고, 1.5 ~ 10 nm인 것이 더욱 바람직하다.The coating layer preferably has a thickness of 1 to 100 nm, more preferably 1.5 to 10 nm.

본 발명에 따른 다공성 공기극 위에 ALD 방법을 통해 Al2O3, ZrO2, YSZ, YDC 등의 코팅은 공기극의 pore 내부에도 반응기체가 잘 침투하여 원자 단위로 코팅이 균일하게 이루어지게 할 수 있다. The coating of Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ, YDC, etc. on the porous cathode according to the present invention through the ALD method allows the reactive gas to penetrate well into the pores of the cathode to uniformly coat the atomic unit.

본 발명에 따른 다공성 공기극 위에 ALD 방법을 통해 Al2O3, ZrO2, YSZ, YDC 등의 코팅은 ALD precursor의 사이클 수를 조절하는 것으로 원하는 원소의 비율을 조절하는 것이 가능하여 doping 정도를 정밀하게 컨트롤할 수 있으며, Doping 정도에 따라 반응면적과 촉매 활성에 영향을 주어 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다. The coating of Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ, YDC, etc. through the ALD method on the porous cathode according to the present invention can control the ratio of the desired element by controlling the number of cycles of the ALD precursor, so the degree of doping can be precisely controlled It can be controlled, and the performance of the fuel cell can be improved by affecting the reaction area and catalyst activity according to the degree of doping.

본 발명에 따른 다공성 공기극 위에 ALD 방법을 통해 Al2O3, ZrO2, YSZ, YDC 등이 코팅된 공기극은 고온에서 용융탄산염 전해질에 Ni이 녹아나오는 것을 억제시킬 수 있다. The cathode coated with Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ, YDC, etc. through the ALD method on the porous cathode according to the present invention can suppress the melting of Ni into the molten carbonate electrolyte at a high temperature.

본 발명에 따른 ALD 표면 코팅된 공기극은 장기간 운전 시, 전해질 내에 공기극으로부터 Ni이 용출이 억제시켜, Ni 용출에 따른 공기극과 연료극의 단락 형성으로 인한 연료전지의 수명 저하를 방지할 수 있다.The ALD surface-coated cathode according to the present invention suppresses the elution of Ni from the cathode in the electrolyte during long-term operation, thereby preventing a decrease in the lifespan of the fuel cell due to the formation of a short circuit between the cathode and the anode due to the Ni elution.

반면, Sol-Gel 코팅법은 Sol-Gel상태의 균일하게 분산된 용액으로 기판에 막을 형성하는 방법으로 일반적으로 porous한 전극을 담궈서 코팅(Dip-coating)을 하거나 스프레이로 뿌려서 코팅(Spraying)할 경우, sol, gel이 응집하여 pore 내부는 100% 균일하게 되지 않고 표면에만 두껍게 쌓이는 등 균일도 면에서 품질이 떨어지며, 또한, 기공을 막지 않기 위해 매우 묽은 sol 용액으로 코팅하는 경우에는 전극 표면을 100% 커버하지 못하기 때문에 전극의 Ni 성분이 용융탄산염 전해질 내에 용해되는 것을 막는 것에는 한계가 있다. 또한, 도금하는 경우에도 도금조건을 잡는 것이 여렵고, 도금막이 자라 porous한 기공을 막아버리는 경우가 발생한다. On the other hand, the Sol-Gel coating method is a method of forming a film on the substrate with a uniformly dispersed solution in the Sol-Gel state. In general, when coating (Dip-coating) by immersing a porous electrode or spraying the coating (Spraying) , sol, and gel aggregate so that the inside of the pore does not become 100% uniform and the quality is poor in terms of uniformity, such as being thickly piled up only on the surface. There is a limit to preventing the Ni component of the electrode from being dissolved in the molten carbonate electrolyte. In addition, even in the case of plating, it is difficult to set the plating conditions, and the plating film grows and blocks the porous pores.

MCFC 등 연료전지에서는 전극 내로 반응가스가 유입이 되어야 반응이 일어날 수 있는데, ALD는 나노미터 단위의 매우 얇은 막을 형성하므로, pore에 영향을 미치지 않아 가스의 유입이 원활하다. 기타 Sol-Gel 코팅이나 도금 방식은 코팅막이 균일하지 않거나 기공을 막아버리는 등 불량이 발생할 가능성이 높아 원하는 성능을 얻기 어렵다. 특히, Ni이 전해질에 용해되는 것을 막기 위해서는 전극 표면의 코팅 균일도가 영향을 많이 주는데, sol-gel 코팅이나 도금 방법의 경우에는 ALD 코팅에 비해 코팅막의 균일도가 낮기 때문에 Ni 용해를 저감시키는데 한계가 있다. In a fuel cell such as MCFC, a reaction can occur only when a reaction gas is introduced into the electrode. ALD forms a very thin film in nanometers, so it does not affect the pores, so gas flows smoothly. Other Sol-Gel coatings or plating methods have a high possibility of defects such as uneven coating or blocking pores, making it difficult to obtain desired performance. In particular, in order to prevent Ni from being dissolved in the electrolyte, the uniformity of the coating on the surface of the electrode has a lot of influence. .

또한, 본 발명은Also, the present invention

i) 니켈 입자에 의해 형성되고, 니켈 입자 간 간극에 의해 다공성의 구조를 가지는 니켈 베이스(Ni-base) 전극을 제조하는 단계; 및i) preparing a nickel-base electrode formed by nickel particles and having a porous structure by gaps between the nickel particles; and

ii) 상기 전극의 표면에 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 Al2O3, ZrO2, YSZ 및 YDC로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성된 박막을 증착시켜 코팅시키는 단계;를 포함하는,ii) coating the surface of the electrode by depositing a thin film composed of any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 , YSZ and YDC by atomic layer deposition (ALD) and coating;

용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극의 제조방법을 제공한다.A method for manufacturing a cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC) is provided.

상기 제조방법에 있어서, 상기 단계 ii)에서 ALD는 In the manufacturing method, ALD in step ii) is

a) 반응기 챔버에 샘플을 로딩 후, 진공 상태로 만드는 단계;a) loading the sample into the reactor chamber and then evacuating the sample;

b) 표면에 반응을 할 수 있는 촉매제가 되는 물을 펄스로 주입하는 단계;b) injecting water as a catalyst capable of reacting on the surface in a pulse;

c) 물을 주입 후 다시 반응이 끝나고 남은 물을 퍼지하여 제거하는 단계;c) purging and removing the remaining water after the reaction is completed again after the injection of water;

d) 증착을 원하는 원소의 전구체를 1.5초 펄스로 주입하는 단계;d) injecting a precursor of an element desired for deposition with a 1.5 second pulse;

e) 반응 후 남은 반응물의 제거를 위해 퍼지하는 단계; 및e) purging to remove reactants remaining after the reaction; and

f) 3~5번 과정을 한 사이클로 보고 이를 반복하여 원하는 두께로 올려주는 단계;를 포함하는 방법으로 수행하는 것이 바람직하다.It is preferable to carry out in a method including; f) repeating steps 3 to 5 as one cycle and increasing it to a desired thickness.

상기 제조방법에 있어서, 상기 단계 ii)에서 ALD는 열 원자층증착기술, 플라즈마 원자층증착기술, 오존(O3) 기반 원자층증착 기술, 상압 원자층증착기술, 개방형(open-air) 원자층증착기술, 및 Roll-to-roll 방식에 의한 원자층증착기술로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.In the manufacturing method, in step ii), ALD is thermal atomic layer deposition technology, plasma atomic layer deposition technology, ozone (O3) based atomic layer deposition technology, atmospheric pressure atomic layer deposition technology, open-air atomic layer deposition It is preferable to use any one selected from the group consisting of a technology, and an atomic layer deposition technology by a roll-to-roll method.

상기 제조방법에 있어서, 상기 단계 ii)에서 ALD는 종래 알려진 일반적인 열 원자층증착기 또는 플라즈마 원자층증착기를 모두 사용할 수 있으며, In the manufacturing method, the ALD in step ii) may use all of the conventionally known general thermal atomic layer deposition or plasma atomic layer deposition,

보다 바람직하게more preferably

반응 공간을 한정하는 반응기 챔버;a reactor chamber defining a reaction space;

상기 반응기 챔버 내에 배치되는 기판;a substrate disposed within the reactor chamber;

상기 반응기 챔버 내에 배치되는 플라즈마 생성 장치;a plasma generating device disposed within the reactor chamber;

제1 입구를 통하여 상기 반응 공간과 연통된 전구체 소스; 및a precursor source in communication with the reaction space through a first inlet; and

제 입구를 통하여 상기 반응 공간과 연통된 퍼지(purge) 가스 소스;를 포함하는 원자층 증착기를 통해 수행되는 것이 바람직하다.Preferably, the atomic layer evaporator includes a purge gas source communicating with the reaction space through a first inlet.

상기 제조방법에 있어서, 상기 단계 ii)에서 ALD는In the manufacturing method, ALD in step ii) is

a') Al2O3 코팅의 경우,a') for Al 2 O 3 coating,

전구체는 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminium)이고,The precursor is trimethyl aluminum,

전구체 주입온도는 5 ~ 15℃이며,The precursor injection temperature is 5 ~ 15 ℃,

퍼지 시간(Purge time)은 20 ~ 40초이고,The purge time is 20 to 40 seconds,

Al 및 O2 펄스 시간(Pulse time)은 각각 1 ~ 3초이며,Al and O2 pulse time is 1 to 3 seconds, respectively,

플라즈마 시간은 2 ~ 4초인 것이 바람직하고,Plasma time is preferably 2 to 4 seconds,

b') ZrO2 코팅의 경우,b') for ZrO 2 coating,

전구체는 CP 지르코늄(zirconium)이고,The precursor is CP zirconium,

전구체 주입온도는 90 ~ 110℃이며,The precursor injection temperature is 90 ~ 110 ℃,

퍼지 시간(Purge time)은 20 ~ 40초이고,The purge time is 20 to 40 seconds,

Zr 및 O2 펄스 시간(Pulse time)은 각각 1 ~ 3초이며,Zr and O2 pulse times are 1 to 3 seconds respectively,

플라즈마 시간은 2 ~ 4초인 것이 바람직하며,Plasma time is preferably 2 ~ 4 seconds,

c') YDC 코팅의 경우,c') for YDC coating,

전구체는 Ce의 경우에는 (tris-(i-propylcyclopentadienyl) cerium) 및 Y의 경우에는 (tris-(methylcyclopentadienyl)yttrium(III))이고,The precursors are (tris-(i-propylcyclopentadienyl) cerium) for Ce and (tris-(methylcyclopentadienyl)yttrium(III)) for Y,

반응기 온도는 230 ~ 270℃이며,The reactor temperature is 230 ~ 270 ℃,

전구체 주입온도는 140 ~ 150℃이고,The precursor injection temperature is 140 ~ 150 ℃,

물(water), Ce 및 Y 펄스 시간(Pulse time)은 각각 0.1 ~ 1초, 1 ~ 3초 및 0.5 ~ 2초이며,The water, Ce and Y pulse times are 0.1 to 1 sec, 1 to 3 sec, and 0.5 to 2 sec, respectively,

반복 사이클(cycle)은 Ce : Y = 6사이클 : 1사이클인 것이 바람직하며,The repeated cycle (cycle) is preferably Ce: Y = 6 cycles: 1 cycle,

d') YSZ 코팅의 경우,d') for YSZ coating,

전구체는 Zr의 경우에는 (tetrakis(dimethylamino)zirconium(IV)) 및 Y의 경우에는 (tris-(methylcyclopentadienyl)yttrium(III))이고,The precursors are (tetrakis(dimethylamino)zirconium(IV)) for Zr and (tris-(methylcyclopentadienyl)yttrium(III)) for Y,

반응기 온도는 230 ~ 270℃이며,The reactor temperature is 230 ~ 270 ℃,

전구체 주입온도는 70 ~ 90℃이고,The precursor injection temperature is 70 ~ 90 ℃,

물(water), Zr 및 Y 펄스 시간(Pulse time)은 각각 0.1 ~ 1초, 1 ~ 3초 및 0.5 ~ 2초이며,The water, Zr and Y pulse times are 0.1 to 1 sec, 1 to 3 sec, and 0.5 to 2 sec, respectively,

반복 사이클(cycle)은 Zr : Y = 4사이클 : 1사이클인 것이 바람직하다.The repeated cycle (cycle) is preferably Zr: Y = 4 cycles: 1 cycle.

본 발명에 따른 ALD 코팅 방법은 공기극의 pore 내부에도 반응기체가 잘 침투하여 원자 단위로 코팅이 균일하게 이루어지게 할 수 있다.In the ALD coating method according to the present invention, the reactive gas penetrates well into the pores of the cathode, so that the coating can be uniformly performed in units of atoms.

본 발명에 따른 ALD 코팅 방법은 ALD precursor의 사이클 수를 조절하는 것으로 원하는 원소의 비율을 조절하는 것이 가능하여 doping 정도를 정밀하게 컨트롤할 수 있으며, Doping 정도에 따라 반응면적과 촉매 활성에 영향을 주어 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.In the ALD coating method according to the present invention, it is possible to control the ratio of a desired element by controlling the number of cycles of the ALD precursor, so it is possible to precisely control the degree of doping. It is possible to improve the performance of the fuel cell.

본 발명에 따른 ALD 코팅 방법은 공기극이 고온에서 용융탄산염 전해질에 Ni이 녹아나오는 것을 억제시킬 수 있어, 장기간 운전 시, Ni 용출에 따른 공기극과 연료극의 단락 형성으로 인한 연료전지의 수명 저하를 방지할 수 있다.The ALD coating method according to the present invention can suppress the melting of Ni into the molten carbonate electrolyte at the high temperature of the cathode, and thus, during long-term operation, the deterioration of the lifespan of the fuel cell due to the formation of a short circuit between the cathode and the anode due to Ni elution can be prevented. can

아울러, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극을 포함하는 용융탄산염 연료전지(MCFC)를 제공한다.In addition, the present invention provides a molten carbonate fuel cell (MCFC) including the cathode for the molten carbonate fuel cell (MCFC) according to the present invention.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples.

이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and it is obvious to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples according to the gist of the present invention. .

<< 실시예Example 1> 1> ALDALD 표면 코팅 surface coating 공기극의air pole 제조 Produce

사용된 공기극은 기공크기 8 ~ 10 um, 기공률 60 ~ 70%, Ni 전극으로서, Ni slurry를 이용하여 테이프캐스팅 법으로 제조 후 약 800 ~ 1000℃ 사이에서 열처리하여 Ni 전극을 제조하였다.The cathode used had a pore size of 8 to 10 μm, a porosity of 60 to 70%, and a Ni electrode. It was prepared by tape casting using Ni slurry and then heat treated at about 800 to 1000℃ to prepare a Ni electrode.

ALD 코팅은 원자층 증착기(ALD)를 이용하여 다음과 같이 수행하였다.ALD coating was performed using an atomic layer evaporator (ALD) as follows.

1) 반응기 챔버에 샘플을 로딩한 후, 진공 상태로 만들었다.1) After loading the sample into the reactor chamber, it was vacuumed.

2) 표면에 반응을 할 수 있는 촉매제가 되는 물을 펄스로 주입하였다.2) Water, which becomes a catalyst capable of reacting on the surface, was injected as a pulse.

3) 물을 주입 후 다시 반응이 끝나고 남은 물을 퍼지하여 제거하였다.3) After the injection of water, the reaction was completed and the remaining water was purged to remove it.

4) 증착을 원하는 원소의 전구체를 1.5초 펄스로 주입하였다.4) A precursor of an element desired for deposition was injected with a pulse of 1.5 seconds.

5) 반응 후 남은 반응물의 제거를 위해 퍼지하였다.5) Purging was performed to remove the reactants remaining after the reaction.

6) 3 ~ 5번 과정을 한 사이클로 보고 이를 반복하여 원하는 두께로 올려주었다. 한편, YDC의 경우 Doping 비율을 맞추기 위해 Ce 사이클을 6사이클 후 Y 사이클을 1사이클이 되도록 반복하였다.6) Processes 3 to 5 were viewed as one cycle and repeated to the desired thickness. On the other hand, in the case of YDC, in order to match the doping ratio, the Ce cycle was repeated 6 cycles and then the Y cycle became 1 cycle.

이때, ALD 공정 조건은 다음과 같이 수행하였다.At this time, ALD process conditions were performed as follows.

a) Al2O3 코팅a) Al 2 O 3 coating

전구체: Al(trimethyl aluminium),Precursor: Al (trimethyl aluminum),

장비: PE-ALD (엔씨디/Lucida M200-PL) 사용,Equipment: PE-ALD (NCD/Lucida M200-PL) used,

전구체 주입온도: 10℃,Precursor injection temperature: 10℃,

Purge time: 30 s,Purge time: 30 s,

Al, O2 pulse time 2 s, 2 s,Al, O 2 pulse time 2 s, 2 s,

플라즈마 시간: 3 sPlasma Time: 3 s

b) ZrO2 코팅b) ZrO 2 coating

전구체: Zr(CAU zirconium),Precursor: Zr (CAU zirconium),

장비: PE-ALD 사용,Equipment: using PE-ALD;

전구체 주입온도: 100℃,Precursor injection temperature: 100℃,

Purge time: 30 s,Purge time: 30 s,

Zr, O2 pulse time: 2 s, 2 s,Zr, O2 pulse time: 2 s, 2 s,

플라즈마 시간: 3 s,Plasma time: 3 s;

c) YDC 코팅c) YDC coating

전구체: Ce (tris-(i-propylcyclopentadienyl) cerium), Precursor: Ce (tris-(i-propylcyclopentadienyl) cerium),

Y (tris-(methylcyclopentadienyl)yttrium(III)),Y (tris-(methylcyclopentadienyl)yttrium(III)),

장비: Thermal ALD(한국생산기술연구원 자체제작) 사용,Equipment: Thermal ALD (manufactured by Korea Institute of Industrial Technology),

반응기 온도: 250℃,Reactor temperature: 250℃,

전구체 주입온도: 145℃,Precursor injection temperature: 145℃,

water, Ce 및 Y pulse time: 0.4 s, 1.5 s, 1 s,water, Ce and Y pulse times: 0.4 s, 1.5 s, 1 s,

Purge time: 500 s,Purge time: 500 s,

YDC 비율을 맞추기 위해 Ce : Y = 6사이클 : 1사이클Ce : Y = 6 cycles : 1 cycle to match the YDC ratio

d) YSZ 코팅d) YSZ coating

전구체: Zr (tetrakis(dimethylamino)zirconium(IV)),Precursor: Zr (tetrakis(dimethylamino)zirconium(IV)),

Y (tris-(methylcyclopentadienyl)yttrium(III)),Y (tris-(methylcyclopentadienyl)yttrium(III)),

장비: Thermal ALD 사용,Equipment: using Thermal ALD;

반응기 온도: 250℃,Reactor temperature: 250℃,

Zr 전구체 온도: 80℃,Zr precursor temperature: 80°C;

water, Ce 및 Y pulse time: 0.4 s, 1.5 s, 1 s,water, Ce and Y pulse times: 0.4 s, 1.5 s, 1 s,

Purge time: 500 s,Purge time: 500 s,

YDC 비율을 맞추기 위해 Zr : Y = 4사이클 : 1사이클Zr : Y = 4 cycles : 1 cycle to match the YDC ratio

<< 실시예Example 2> 투과전자현미경 분석을 통한 코팅 관찰 2> Coating observation through transmission electron microscope analysis

상기 <실시예 1>에서 ALD 방법을 통해 표면 코팅한 공기극의 코팅을 관찰하기 위해, 투과전자현미경(Transmission electron microscope; TEM) 분석 및 투과전자현미경-에너지분산형 분광분석법(Transmission electron microsco-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; TEM-EDS) 라인 분석을 하였다.In order to observe the coating of the surface-coated cathode through the ALD method in <Example 1>, a transmission electron microscope (TEM) analysis and a transmission electron microsco-Energy Dispersive analysis were performed. X-ray Spectroscopy; TEM-EDS) line analysis was performed.

그 결과, 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, ALD를 통해 공기극 표면에 균일하게 증착되어 있음을 확인할 수 있었다. As a result, as shown in FIGS. 2 and 3 , it was confirmed that they were uniformly deposited on the surface of the cathode through ALD.

이를 통해 코팅 물질과 Cathode가 계면을 형성하여 Ni dissolution을 억제할 수 있음을 알 수 있었다.Through this, it was found that the coating material and the cathode form an interface to inhibit Ni dissolution.

<< 실시예Example 3> X선 광전자 분광법 분석을 통한 코팅 관찰 3> Coating observation through X-ray photoelectron spectroscopy analysis

상기 <실시예 1>에서 ALD 방법을 통해 표면 코팅한 공기극의 코팅을 관찰하기 위해, X-선광전자분광기(X-ray photoelectron Spectroscopy; XPS)로 분석하였다.In order to observe the coating of the surface-coated cathode through the ALD method in <Example 1>, it was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

그 결과, 도 4에서 보는 바와 같이, ALD precursor의 사이클 수를 조절하는 것으로 원하는 원소의 비율을 조절하는 것이 가능하여, YSZ, YDC 등의 doping 정도를 정밀하게 컨트롤할 수 있음을 알 수 있었다. As a result, as shown in FIG. 4 , it was possible to control the ratio of a desired element by controlling the number of cycles of the ALD precursor, and it was found that the degree of doping of YSZ, YDC, etc. could be precisely controlled.

Doping 정도에 따라 반응면적과 촉매 활성에 영향을 주어 연료전지의 성능 향상을 꾀할 수 있음을 알 수 있었다.It was found that the performance of the fuel cell can be improved by affecting the reaction area and catalyst activity according to the degree of doping.

<< 실시예Example 4> 주사전자현미경 분석을 통한 코팅 관찰 4> Coating observation through scanning electron microscope analysis

상기 <실시예 1>에서 ALD 방법을 통해 표면 코팅한 공기극의 코팅을 관찰하기 위해, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 분석하였다.In order to observe the coating of the surface-coated cathode through the ALD method in <Example 1>, a scanning electron microscope (SEM) was used for analysis.

그 결과, 도 5에서 보는 바와 같이, ALD를 시행함으로써 공기극의 pore 내부에도 반응기체가 잘 침투하여 원자 단위로 코팅이 균일하게 이루어지는 것을 확인하였다. As a result, as shown in FIG. 5 , it was confirmed that the reactive gas penetrated well into the pores of the cathode by performing ALD, so that the coating was uniformly performed in units of atoms.

또한, 코팅되지 않은 전극과 ALD로 코팅된 후의 전극의 morphology가 차이가 거의 없음을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that there was little difference in the morphology of the uncoated electrode and the electrode after being coated with ALD.

<< 비교예comparative example 1> 비교 코팅(Sol-Gel 코팅) 관찰 1> Observation of comparative coating (Sol-Gel coating)

상기 <실시예 1>의 ALD 코팅과 비교하기 위해, 공기극 표면을 Sol-Gel 코팅법을 통해 Ag, Cu, ZnO를 코팅하여 제조된 Ag, Cu, ZnO로 각각 Sol-Gel 코팅된 공기극을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 분석하였다.In order to compare with the ALD coating of <Example 1>, the cathode surface was coated with Ag, Cu, and ZnO through the Sol-Gel coating method, and Sol-Gel-coated cathodes with Ag, Cu, and ZnO, respectively, were scanned. It was analyzed with a microscope (Scanning Electron Microscope; SEM).

그 결과, 도 6에서 보는 바와 같이, porous한 전극을 담궈서 코팅(Dip-coating)을 하거나 스프레이로 뿌려서 코팅(Spraying)할 경우, sol, gel이 응집하여 pore 내부는 100% 균일하게 되지 않고 표면에만 두껍게 쌓이는 등 균일도 면에서 품질이 떨어졌다. As a result, as shown in FIG. 6, when coating (Dip-coating) by immersing a porous electrode or spraying coating (Spraying), the sol and gel aggregate and the inside of the pore does not become 100% uniform, but only on the surface. The quality deteriorated in terms of uniformity, such as thick accumulation.

또한, 기공을 막지 않기 위해 매우 묽은 sol 용액으로 코팅하는 경우에는 전극 표면을 100% 커버하지 못하기 때문에, 전극의 Ni성분이 용융탄산염 전해질 내에 용해되는 것을 막는 것에는 한계가 있었다. In addition, in the case of coating with a very dilute sol solution in order not to block the pores, since 100% of the electrode surface is not covered, there is a limit in preventing the Ni component of the electrode from being dissolved in the molten carbonate electrolyte.

이를 통해 Sol-Gel 코팅은 코팅막이 균일하지 않거나 기공을 막아버리는 등 불량이 발생할 가능성이 높아 원하는 성능을 얻기 어렵고, 코팅막의 균일도가 낮기 때문에 Ni 용해를 저감시키는데 한계가 있음을 알 수 있었다.Through this, it was found that Sol-Gel coating has a high possibility of defects such as uneven coating or clogging of pores, making it difficult to obtain desired performance.

<< 비교예comparative example 2> 비교 코팅(도금) 관찰 2> Comparative coating (plating) observation

상기 <실시예 1>의 ALD 코팅과 비교하기 위해, 공기극 표면을 Cu, Ru로 각각 도금하여 제조된, Cu, Ru로 각각 도금된 공기극을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 분석하였다.In order to compare with the ALD coating of <Example 1>, the cathode plated with Cu and Ru, each prepared by plating the surface of the cathode with Cu and Ru, respectively, was analyzed with a scanning electron microscope (SEM).

그 결과, 도 7에서 보는 바와 같이, 도금하는 경우에도 도금 조건을 잡는 것이 어려운데, 도금막이 자라 porous한 기공을 막아버리는 것을 관찰할 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 7 , it was difficult to set the plating conditions even in the case of plating, but it was observed that the plating film grew and blocked the porous pores.

이를 통해 도금은 도금막이 균일하지 않거나 기공을 막아버리는 등 불량이 발생할 가능성이 높아 원하는 성능을 얻기 어렵고, 도금막의 균일도가 낮기 때문에 Ni 용해를 저감시키는데 한계가 있음을 알 수 있었다.Through this, it was found that there is a limit to reducing Ni dissolution because the plating film is not uniform or there is a high possibility that defects such as clogging of pores occur, so it is difficult to obtain the desired performance, and the uniformity of the plating film is low.

<< 실시예Example 5> 5> YSZYSZ 코팅 전극의 성능 평가 Performance evaluation of coated electrodes

상기 <실시예 1>에서 ALD 방법을 통해 YSZ 표면 코팅한 공기극의 성능을 평가하기 위해, 단위 셀을 제조하여 성능을 평가하였다.In order to evaluate the performance of the cathode coated with the YSZ surface through the ALD method in <Example 1>, a unit cell was manufactured and the performance was evaluated.

전극 성능 평가는 다음과 같은 조건으로 수행하였다.Electrode performance evaluation was performed under the following conditions.

Unit cell componentunit cell component ValueValue Operation temperatureoperation temperature 600℃600℃ Anode electrode and current collectorAnode electrode and current collector SizeSize 5.64 cm2 5.64 cm 2 Material (electrode; current collector)Material (electrode; current collector) Ni-5 wt%Al ; NiNi-5 wt%Al; Ni Mole ratio of fuel gas (H2 : CO2)Mole ratio of fuel gas (H 2 : CO 2 ) 80 : 2080:20 Total flow rateTotal flow rate 80.5 cc/min80.5 cc/min Cathode electrode and current collectorCathode electrode and current collector SizeSize 5.64 cm2 5.64 cm 2 Material (electrode; current collector)Material (electrode; current collector) YSZ coated Ni ; SUS316YSZ coated Ni; SUS316 Mole ratio of fuel gas (Air : CO2)Mole ratio of fuel gas (Air : CO 2 ) 70 : 3070:30 Total flow rateTotal flow rate 214.8 cc/min214.8 cc/min ElectrolyteElectrolyte Li2CO3/K2CO3 mole ratioLi 2 CO 3 /K 2 CO 3 mole ratio 62:3862:38 MatrixMatrix γ-LiAlO2 γ-LiAlO 2 Uf (fuel utilization)U f (fuel utilization) 0.10.1

그 결과, 도 8에서 보는 바와 같이, 코팅하지 않은 standard 공기극을 사용한 셀의 개방전압(Open Circuit Voltage)은 1.089 V, YSZ 코팅 공기극을 사용한 셀은 1.084 V로 나타나고, 150 mA/cm2에서의 두 셀의 IR loss 차이는 0.017 V로, YSZ 코팅으로 인해서 성능의 큰 영향은 없는 것을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 8, the open circuit voltage of the cell using the uncoated standard cathode was 1.089 V, and the cell using the YSZ coated cathode was 1.084 V, and both at 150 mA/cm 2 The difference in the IR loss of the cell was 0.017 V, confirming that there was no significant effect on the performance due to the YSZ coating.

<< 실시예Example 6> 6> YSZYSZ // YDCYDC 코팅 전극의 용해도 평가 Solubility evaluation of coated electrodes

상기 <실시예 1>에서 ALD 방법을 통해 YSZ, YSD 표면 코팅한 공기극의 용해도를 평가하기 위해, 다음과 같은 방법으로 전극 용해도를 평가하였다.In order to evaluate the solubility of the YSZ and YSD surface-coated cathodes through the ALD method in <Example 1>, the electrode solubility was evaluated in the following way.

1) Li2CO3 : K2CO3 = 62:38 mol 비율로 조제된 전해질을 도가니에 담았다.1) Li 2 CO 3 : K 2 CO 3 = An electrolyte prepared in a ratio of 62:38 mol was placed in a crucible.

2) 전극의 코팅면이 위를 바라보도록 전해질 위에 얹고 반응조에 넣었다.2) The electrode was placed on top of the electrolyte with the coated side facing up and placed in the reactor.

3) 600℃까지 0.2℃/min의 속도로 승온 후, 600℃를 300시간 유지하도록 세팅하였다.3) After heating up to 600°C at a rate of 0.2°C/min, the temperature was set to be maintained at 600°C for 300 hours.

4) 승온 도중 450℃가 되면, 30% CO2, 70% Air Balance 혼합가스를 30 cc/min 흘려주었다.4) When the temperature reached 450℃ during temperature increase , 30 cc/min of 30% CO 2 , 70% Air Balance mixed gas was flowed.

5) 목표 온도(600℃, 650℃) 도달 후, 주기적으로 전해질을 채취하였다.5) After reaching the target temperature (600°C, 650°C), the electrolyte was periodically collected.

6) 채취한 샘플이 식으면 밀봉하고, 유도결합 플라즈마 질량분석법(Inductively coupled plasma - mass spectroscopy, ICP-MS)으로 분석하였다.6) When the collected sample cooled, it was sealed and analyzed by inductively coupled plasma-mass spectroscopy (ICP-MS).

그 결과, 도 10-12, 및 표 2-4에서 보는 바와 같이, YSZ, YDC 코팅의 두께가 두꺼울수록 Ni의 용해도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in FIGS. 10-12 and Table 2-4, it was confirmed that the solubility of Ni decreased as the thickness of the YSZ and YDC coatings increased.

YSZ, YDC 등의 코팅이 장기간 운전 시, 전해질 내에 공기극으로부터 Ni이 용출이 억제되므로, 단락 형성으로 인한 연료전지의 수명 저하를 개선할 수 있음을 알 수 있었다.It was found that the coating of YSZ, YDC, etc. suppresses the elution of Ni from the cathode in the electrolyte during long-term operation, thereby improving the reduction in the lifespan of the fuel cell due to the formation of a short circuit.

온도 600℃temperature 600℃ 시간(hr)time (hr) 샘플Sample 2020 4040 8080 150150 StandardStandard 2.852.85 6.526.52 9.499.49 9.859.85 YSZ 1.5 nmYSZ 1.5 nm 2.962.96 6.316.31 8.278.27 8.678.67 YSZ 3 nmYSZ 3 nm 2.562.56 4.724.72 6.446.44 8.288.28

온도 600℃temperature 600℃ 시간(hr)time (hr) 샘플Sample 2020 4040 8080 150150 StandardStandard 2.852.85 6.526.52 9.499.49 9.859.85 YDC 1.5 nmYDC 1.5 nm 3.133.13 4.784.78 5.295.29 6.636.63 YDC 3 nmYDC 3 nm 3.073.07 4.444.44 5.075.07 5.655.65

온도 650℃temperature 650℃ 시간(hr)time (hr) 샘플Sample 2020 4040 8080 150150 250250 StandardStandard 2.322.32 3.843.84 4.924.92 6.926.92 YSZ 1.5 nmYSZ 1.5 nm 1.411.41 3.713.71 5.215.21 8.758.75 YSZ 3 nmYSZ 3 nm 2.292.29 3.843.84 5.475.47 5.295.29 5.835.83

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.As described above, preferred embodiments of the present invention have been disclosed in the present specification and drawings, and although specific terms are used, these are only used in a general sense to easily explain the technical content of the present invention and help the understanding of the present invention. , it is not intended to limit the scope of the present invention.

여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

Claims (7)

니켈 입자에 의해 형성되고, 니켈 입자 간 간극에 의해 다공성의 구조를 가지는 니켈 베이스(Ni-base) 전극; 및
상기 전극의 표면에 Al2O3, ZrO2 및 YSZ로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성된 코팅층;을 포함하고,
상기 코팅층은 상기 전극의 표면에 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 Al2O3, ZrO2 및 YSZ로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성된 박막을 증착시킨 것이고,
상기 코팅층은 공기극 표면에 균일하게 증착되어 있으며,
상기 코팅층은 두께가 1 ~ 100 nm인 것을 특징으로 하는,
용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극.
a nickel-base electrode formed of nickel particles and having a porous structure due to gaps between the nickel particles; and
A coating layer composed of any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 and YSZ on the surface of the electrode;
The coating layer is a thin film composed of any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 and YSZ by atomic layer deposition (ALD) on the surface of the electrode,
The coating layer is uniformly deposited on the surface of the cathode,
The coating layer is characterized in that the thickness is 1 ~ 100 nm,
Cathode for molten carbonate fuel cell (MCFC).
삭제delete 삭제delete i) 니켈 입자에 의해 형성되고, 니켈 입자 간 간극에 의해 다공성의 구조를 가지는 니켈 베이스(Ni-base) 전극을 제조하는 단계; 및
ii) 상기 전극의 표면에 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 Al2O3, ZrO2 및 YSZ로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성된 박막을 증착시켜 코팅시키는 단계;를 포함하고,
상기 코팅으로 형성된 코팅층은 공기극 표면에 균일하게 증착되어 있으며,
상기 코팅층은 두께가 1 ~ 100 nm인 것을 특징으로 하는,
용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극의 제조방법.
i) manufacturing a nickel-base electrode formed by nickel particles and having a porous structure by gaps between the nickel particles; and
ii) coating by depositing a thin film composed of any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , ZrO 2 and YSZ on the surface of the electrode by atomic layer deposition (ALD) and coating;
The coating layer formed by the coating is uniformly deposited on the surface of the cathode,
The coating layer is characterized in that the thickness is 1 ~ 100 nm,
A method for manufacturing a cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC).
제4항에 있어서,
원자층 증착은 열 원자층증착기술, 플라즈마 원자층증착기술, 오존(O3) 기반 원자층증착 기술, 상압 원자층증착기술, 개방형(open-air) 원자층증착기술, 및 Roll-to-roll 방식에 의한 원자층증착기술로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 수행하는 것을 특징으로 하는, 용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Atomic layer deposition is thermal atomic layer deposition technology, plasma atomic layer deposition technology, ozone (O3) based atomic layer deposition technology, atmospheric pressure atomic layer deposition technology, open-air atomic layer deposition technology, and roll-to-roll method A method of manufacturing a cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC), characterized in that it is performed by any one selected from the group consisting of an atomic layer deposition technique by
제4항에 있어서,
원자층 증착 전구체(precursor)의 사이클 수를 조절함으로써 원하는 원소의 비율을 조절하여 도핑(doping) 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 용융탄산염 연료전지(MCFC)용 공기극의 제조방법.
5. The method of claim 4,
A method of manufacturing a cathode for a molten carbonate fuel cell (MCFC), characterized in that the doping degree is controlled by controlling the ratio of a desired element by controlling the number of cycles of the atomic layer deposition precursor (precursor).
제1항에 따른 공기극을 포함하는 용융탄산염 연료전지(MCFC).
A molten carbonate fuel cell (MCFC) comprising the cathode according to claim 1 .
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