KR102323575B1 - 고체 산화물 연료 전지용 대체 애노드 물질 - Google Patents

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Abstract

다양한 조성의 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 산화물 (SFCM)을 포함하는 저온 또는 중온 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)용 애노드 물질이 제공된다. 이들 물질은 중온 및 저온에서 달성 가능한 높은 전도성을 제공하고 SOFC의 애노드층을 제조하는데 사용될 수 있다. 또한, SFCM을 포함하는 애노드층을 갖는 저온 또는 중온 SOFC의 제조 방법이 제공된다.

Description

고체 산화물 연료 전지용 대체 애노드 물질
본 발명은 다양한 조성의 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 산화물 (SFCM)을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 애노드 물질(anode material)에 관한 것이다. 이들 물질은 중온 및 저온에서 달성 가능한 높은 전도성을 제공하고 SOFC의 애노드층을 제조하는데 사용될 수 있다. 또한, SFCM을 포함하는 애노드층을 갖는 저온 또는 중온 SOFC의 제조 방법이 제공된다.
SOFC는 수소 또는 탄화수소를 고효율로 전력으로 직접 전환시킬 수 있는 전기 화학적 에너지 변환 장치이다. 통상, SOFC는 고온 (~800 ℃)에서 작동하기 때문에 SOFC 요소의 물질 선택에 제한을 받는다. 또한, 고온 작동은 SOFC 요소의 급속한 분해를 초래한다. SOFC의 작동 온도를 낮추면 이러한 문제를 해결할 수 있다; 하지만, 반응 속도가 느려져 전극 저항이 증가하기 때문에 전체 연료 전지 효율에 영향을 미치게 된다.
전형적으로, 애노드는 SOFC의 주요 구조 요소를 형성하고, 따라서 애노드 물질은 매우 효율적이어야 하는 것이 중요하다. 전통적인 SOFC 애노드 물질의 경우, 높은 이온 전도성 및 높은 전기 전도율을 모두 달성하기 위해 다공성 Ni-YSZ 또는 Ni-GDC 복합체가 종종 제작된다. 그러나, 니켈이 전자적으로 전도성이 높고 촉매적으로 활성적이라고 하더라도, 이와 관련하여 열적 및 산화-환원 주기 동안에 용적 변화, 탄화수소 연료를 사용하는 경우 탄소 침착, 및 낮은 내황성과 같은 문제점이 있다. 이러한 문제점들을 고려하여, 전기 전도성 세라믹이 니켈-기반 애노드에 대한 유망한 대안을 제공한다. 또한, 세라믹 산화물 기반 애노드는 코킹 및 황 피독에 대한 내성을 고려한 종래 Ni-GDC 애노드의 잠재적인 대체품이기도 하다. 그러나, 세라믹 애노드에 대해 수소 산화에 대한 촉매 활성 및 전자 전도성은 Ni-GDC 애노드보다 훨씬 낮다. 저온 작동 SOFC를 위한 세라믹 애노드의 적용은 여전히 연구 중이다. 또한, 세라믹 애노드는 열적 부정합, 화학적 안정성 및 다른 성분 (예: 전해질)과의 비상용성과 같은 몇 가지 제조상의 어려움이 있다. 뿐만 아니라, 전기 전도성 세라믹의 전도율은 니켈보다 훨씬 낮고, 이는 SOFC의 성능에 해가 된다.
그밖에 SOFC에 허용가능한 전도성을 갖는 전-세라믹 애노드 물질이 개발되었다. 이러한 애노드 물질에는 니오븀 도핑된 스트론튬 티타네이트 (SNT)가 포함되는데, 이는 ~930 ℃에서의 환원 후 우수한 전기 전도율 (~ 6.5 S-cm- 1)을 가질 수 있고 우수한 환원-산화 안정성을 나타낸다. SOFC 애노드용 SNT 및 대안적인 전도성 세라믹은 고온에서의 환원 환경에서 또는 인-시츄 (in-situ) 환원에서 물질의 고온 소결에 의한 전도율 활성화를 요한다. 그러나, 이들 선택 중 어느 것도 중온 또는 저온 SOFC에는 실현가능하지 않다.
따라서, 고체 산화물 연료 전지 내에서 사용하기 위한 개선된 저온 애노드 물질에 대한 요구가 존재한다. 애노드의 전도성 및 안정성 요건 둘 다를 충족시키고 중온 및 저온 작동에 호환되는 새로운 전기 전도성 세라믹 물질이 요구된다.
발명의 개요
일부 실시양태는 캐소드층(cathode layer); 전해질층; 및 애노드층을 갖는 고체 산화물 연료 전지를 포함한다. 애노드층은 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 산화물 물질을 포함한다.
일 실시양태에서, 본 개시는 캐소드층; 전해질층; 및 애노드층을 포함하며, 상기 애노드층은 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 (SFCM) 산화물 물질을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 산화물 물질을 통한 전자 침투를 허용하도록 구성된 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 SFCM 산화물 물질이 하기 화학식을 갖는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다:
SrM1 xM2 ((1-x)/2)Mo( (1-x)/ 2)O3 ±δ
상기 식에서, M1 및 M2는 상이한 전이 금속이되 Mo는 아니며, x는 약 0.1-0.5이고; δ는 약 0-1.5이다. 일 실시양태에서, M1은 Fe이고, M2는 Co이다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 SFCM 산화물 물질이 하기 화학식을 갖는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다:
SrM1 xM2 yMozO3
상기 식에서, M1 및 M2는 상이한 전이 금속이되 Mo는 아니며, x는 약 0.1-0.5이고; y는 약 1-x이며; z는 약 1-x이다. 일 실시양태에서, M1은 Fe이고, M2는 Co이다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 x가 약 0.1-0.4인 고체 산화물 연료 전지를 제공한다. 또 다른 실시양태에서, x는 약 0.1-0.3이다. 또 다른 실시양태에서, x는 약 0.1-0.25이다.
다른 실시양태에서, 본 개시는 캐소드층이
(a) 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물 (LSCF), 바륨 스트론튬 코발트 철 산화물 (BSCF), 사마륨 스트론튬 코발트 철 산화물 (SSCF), 사마륨 스트론튬 코발트 산화물 (SSC) 및 란탄 스트론튬 망가네이트 (LSM)로 구성된 군으로부터 선택된 물질; 및
(b) 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아 (SSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아 (GDC), 사마리아 도핑된 세리아 (SDC), 사마리아-네오디뮴 도핑된 세리아 (SNDC), 에르비아 안정화 비스무트 산화물 (ESB), 디스프로슘 텅스텐 안정화 비스무트 산화물 (DWSB), 이트리아 안정화 비스무트 산화물 (YSB), 및 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트 (LSGM)로 구성된 군으로부터 선택된 물질;
을 포함하는 복합체를 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
다른 실시양태에서, 본 개시는 캐소드층이 SSC 및 GDC를 포함하는 복합체를 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 전해질층이 YSZ, SSZ, GDC, SDC, SNDC, ESB, DWSB, YSB 및 LSGM으로 구성된 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 전해질층이 GDC를 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 350 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 측정한 경우 애노드층의 전도도가 10 S/cm 내지 100 S/cm인 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 350 ℃ 내지 650 ℃의 온도에서 측정한 경우 애노드층의 전도도가 10 S/cm 내지 100 S/cm인 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 350 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 측정한 경우 애노드층의 전도도가 10 S/cm 내지 40 S/cm인 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 350 ℃ 내지 650 ℃의 온도에서 측정한 경우 애노드층의 전도도가 10 S/cm 내지 40 S/cm인 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 350 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 측정한 경우 30 S/cm 내지 40 S/cm의 전도도를 갖는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 350 ℃ 내지 650 ℃의 온도에서 측정한 경우, 애노드층의 전도도가 30 S/cm 내지 40 S/cm인 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 전해질층과 캐소드층 사이에 배치된 캐소드 기능층을 더 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다. 다른 실시양태에서, 캐소드 기능층은 LSCF, BSCF, SSCF, SSC, YSZ, SSZ, GDC, SDC, SNDC, ESB, DWSB, YSB, LSGM 또는 이들의 조합을 포함한다. 다른 실시양태에서, 캐소드 기능층은 GDC를 포함한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 산화물 물질만을 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 다공성인 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 GDC를 추가로 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 코발트 도핑된 GDC를 추가로 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 Ni 또는 Ni-GDC로 침윤된 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 다가 전이 금속, 예를 들어 Fe로 침윤된 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 SrFe0 . 1Co0 . 45Mo0 . 45O3, SrFe0.2Co0.4Mo0.4O3, SrFe0 . 34Co0 . 33Mo0 . 33O3, 또는 SrFe0 . 5Co0 . 25Mo0 . 25O3를 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 하기를 포함하는 산화물 조성물을 제공한다:
SrM1 xM2 ((1-x)/2)Mo( (1-x)/ 2)O3 ±δ
상기 식에서, M1 및 M2는 상이한 전이 금속이되 Mo는 아니며, x는 약 0.1-0.5이고; δ는 약 0-1.5이다. 일 실시양태에서, M1은 Fe이고, M2는 Co이다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 하기를 포함하는 산화물 조성물을 제공한다:
SrM1 xM2 yMozO3
상기 식에서, M1 및 M2는 상이한 전이 금속이되 Mo는 아니며, x는 약 0.1-0.5이고; y는 약 1-x이며; z는 약 1-x이다. 일 실시양태에서, M1은 Fe이고, M2는 Co이다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 x가 약 0.1-0.4인 산화물 조성물을 제공한다. 또 다른 실시양태에서, x는 약 0.1-0.3이다. 다른 실시양태에서, x는 약 0.1-0.25이다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 SrFe0 . 1Co0 . 45Mo0 . 45O3, SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3, SrFe0.34Co0.33Mo0.33O3, 또는 SrFe0 . 5Co0 . 25Mo0 . 25O3를 포함하는 산화물 조성물을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3를 포함하는 산화물 조성물을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 SrFe0 . 1Co0 . 45Mo0 . 45O3를 포함하는 산화물 조성물을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 (a) 캐소드층, 전해질층 및 애노드층을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 (a)에서 제조된 층을 갖는 완전 셀을 형성하는 단계를 포함하고; 임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 350 ℃ 내지 850 ℃인, 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도가 350 ℃ 내지 650 ℃인, 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 완전 셀을 형성하기 위해 캐소드층, 전극층 및 애노드층으로 제조된 적어도 하나의 추가 층을 더 포함하고; 임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 350 ℃ 내지 850 ℃인, 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도가 350 ℃ 내지 650 ℃인 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 적어도 하나의 추가 층이 캐소드 기능층인 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 SrFe0 . 1Co0 . 45Mo0 . 45O3, SrFe0.2Co0.4Mo0.4O3, SrFe0 . 34Co0 . 33Mo0 . 33O3, 또는 SrFe0 . 5Co0 . 25Mo0 . 25O3을 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3을 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 본 개시는 애노드층이 SrFe0 . 1Co0 . 45Mo0 . 45O3을 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
본원에 포함되고 명세서의 일부를 이루는 첨부 도면은 본 발명의 하나 이상의 실시양태를 도시하며, 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하고 관련 기술 분야의 업자가 본 발명을 실시하고 사용하도록 하는데 도움을 주기 위한 것이다. 하기의 도면은 단지 예시로서 주어진 것이며, 따라서 본 발명의 범위를 제한하고자 하지는 않는다.
도 1A는 일 실시양태에 따른 캐소드, 전해질층 및 애노드를 포함하는 연료 전지를 나타낸다.
도 1B는 일 실시양태에 따른 캐소드, 캐소드 기능층, 전해질층 및 애노드층을 포함하는 연료 전지를 나타낸다.
도 2는 일 실시양태에 따른 15-20 ㎛ Sr0 . 5Sm0 . 5CoO3-가돌리니아 도핑된 세리아 (SSC-GDC) 캐소드층, 5 ㎛ 2 몰% 코발트 도핑된 GDC 캐소드 기능층, 20-30 ㎛ GDC 전해질층 및 Ni-GDC (~10 중량% 로딩)로 침윤된 글리신-니트레이트 공정 (GNP) 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 산화물-가돌리니아 도핑된 세리아 (SFCM-GDC) 복합 애노드층을 포함하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 개략도를 나타낸다.
도 3은 일 실시양태에 따른 15-20 ㎛ SSC-GDC 층, 20-30 ㎛ GDC 층 및 Ni-GDC (~10 중량% 로딩)로 침윤된 GNP SFCM-GDC 복합 애노드층을 포함하는 SOFC의 개략도를 나타낸다.
도 4는 24시간 동안 10% H2/90% N2에서 환원시킨 다양한 애노드 물질 (SrCo0.5Mo0.5O3 (SFCM#1), SrFe0 . 1Co0 . 45Mo0 . 45O3 (SFCM#2), SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3 (SFCM#3), SrFe0.34Co0.33Mo0.33O3 (SFCM#4) 및 SrFe0 . 5Co0 . 25Mo0 . 25O3 (SFCM#5))의 전도도를 비교한 그래프를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시양태에 따른 SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3 (SFCM#3) 복합 애노드로 구성된 완전 SOFC에 대한 다양한 온도에서의 개회로 전압 (좌측 스케일) 및 출력 밀도 (우측 스케일)의 플롯이다.
도 6은 본 발명의 일 실시양태에 따라 SFCM#3 복합 애노드로 구성된 완전 SOFC의 다양한 온도에서의 나이퀴스트 (Nyquist) 플롯을 도시한다.
도 7은 일 실시양태에 따른 SSC-GDC 캐소드층, Co-GDC 캐소드 기능층, GDC 전해질층 및 SFCM#3 애노드층을 포함하는 완전 연료 전지의 단면 주사전자현미경 (SEM) 이미지를 나타낸다.
도 8은 일 실시양태에 따른 SFCM#3 애노드의 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 9는 일 실시양태에 따른 SFCM#3 애노드의 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 10은 일 실시양태에 따른 Ni-GDC 애노드가 침윤된 SFCM#3 애노드의 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
상세한 설명
본 명세서는 본 발명의 특징을 포함하는 하나 이상의 실시양태들을 기술한다. 기술된 실시양태(들)는 단지 발명을 예시하기 위한 것이다. 본 발명의 범위는 기술된 실시양태(들)로 제한되지 않는다. 복수 발명이 기술될 수 있다. 본 발명은 여기에 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.
기술된 실시양태(들), 및 "일 실시양태", "실시양태", "예시적 실시양태" 등에 대한 명세서에서의 언급은 기술된 실시양태(들)가 특별한 특징, 구조, 또는 특성을 포함할 수 있지만, 모든 실시양태가 그 특별한 특징, 구조, 또는 특성을 반드시 포함하지도 않아도 됨을 나타낸다. 나아가, 이러한 문구들이 반드시 동일한 실시양태를 언급하는 것은 아니다. 또한, 특별한 특징, 구조, 또는 특성이 실시양태와 관련하여 기술되는 경우, 그 특징, 구조, 또는 특성은 명시적으로 기술되었든 그렇지 않든 간에 다른 실시양태의 특징, 구조 또는 특징과 관련하여 사용될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "약"은 열거된 수치 ± 10%를 포함한다. 따라서 "약 10"은 9 내지 11을 의미한다.
본원에 사용된 "at%"는 하기 공식을 사용하여 원자 수에 기초하여 계산된 원자 백분율을 의미한다:
원자% (at%) = 100 * ((1 성분의 원자 수)/(모든 성분의 원자 수).
원자 백분율은 또한 다음 공식을 사용하여 몰수를 기준으로 계산될 수도 있다.
원자% (at%) = 100 * ((1 성분의 몰수)/(모든 성분의 몰수)).
본원에 사용된 "전자 침투 (electron percolation)"는 물질을 통한 전자 수송을 의미한다. 전자가 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 산화물과 같은 단일 물질을 통과하여 침투하는 경우, 전자 침투는 그 물질만을 이용하는 층을 통과하는 전자에 대한 경로가 있음을 의미한다. 예를 들어, 복합 물질이 제1 물질 및 제2 물질을 갖고 전자가 제1 물질을 통해 침투하는 경우, 이는 전자가 복합 물질을 통해 이동할 때 제2 물질을 통과할 필요가 없음을 의미한다.
본원에 사용된 "작동 온도"는 정상 상태 작동 동안 연료 전지의 작동 온도를 의미한다. 바람직하게는, 연료 전지의 작동 온도는 연료 전지를 형성하는데 사용된 연료 전지의 구조 및 물질, 즉 애노드층, 전해질층(들), 캐소드층 등의 물질을 기반으로 가장 효율적인 연료 전지 작동으로 이어지는 최적의 작동 온도이다.
본원에 사용된 "환원" 또는 "환원하는"은 환원 온도에서, 그리고 H2 분위기, H2 및 질소 분위기, 또는 기타 인터 (inter) 가스 분위기와 같이, 낮은 산소 분압을 갖는 환원 분위기의 존재하에서 애노드층과 같은 물질로부터 산소를 제거하는 과정을 의미한다.
고체 산화물 연료 전지의 기본 조작은 미국 특허 제9,525,179호에 기술되어 있다. 공기가 공기 투입구를 통해 시스템 내로 흘러들어 온다. 공기가 캐소드층을 지나 흘러감에 따라, 산소 원자가 캐소드층 내에서 환원되어 전해질층 쪽으로 흘러가는 산소 이온 (O2-)을 생성한다. 산소 이온은 전해질층을 통해 애노드층으로 이동하고, 그 후에 애노드층에서 수소 가스와 반응한다. 애노드층에서 산소 이온과 수소 가스 사이의 반응은 H2O 및 전자 (e-)를 생성한다. 이들 전자는 애노드층으로부터 전기 회로 내로 흘러가고 다시 캐소드층으로 돌아간다. 전자 회로는 전자의 흐름을 이용하여 장치에 출력을 공급하고 캐소드층은 전자를 사용하여 산소 원자를 환원시키고 다시 과정을 시작한다. 연료 전지 시스템에 대한 화학 반응은 다음과 같이 표현될 수 있다:
애노드 반응: 2H2 + 2O2 → 2H2O + 4e-
캐소드 반응: O2 + 4e- → 2O2 -
전체 전지 반응: 2H2 + O2 → 2H2O.
일부 실시양태에서, 본 개시는 하기 화학식 (I)의 산화물 조성물을 제공한다:
SrFexCo((1-x)/2)Mo((1-x)/2)O3±δ (I)
상기 식에서,
x는 약 0.1-0.5이고;
δ는 약 0-1.5이다.
금속 간의 비율은 원자 백분율 (at%)로서 측정된다.
일부 실시양태에서, x는 약 0.1-0.5, 약 0.1-0.4, 약 0.1-0.3, 약 0.1-0.2, 약 0.2-0.5, 약 0.2-0.4, 약 0.2-0.3, 약 0.3-0.5, 약 0.3-0.4, 또는 약 0.4-0.5이다. 일부 실시양태에서, x는 약 0.2이다. 일부 실시양태에서, x는 약 0.1이다.
상기 조성물에서 변수 δ는 조성물 내 산소 부족 및/또는 잉여를 나타낸다. δ 값은 온도와, 조성물 내 철, 코발트 및 몰리브덴의 산화 상태에 따라 달라진다. 또한, δ 값은 애노드 자체 내에서 그리고 분위기 중의 산소 분압에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시양태에서, δ는 약 0-1.5, 약 0-1, 약 0-0.5, 약 0.5-1.5, 또는 약 1.0-1.5이다.
Sr, Fe, Co, Mo, 및 O에 대해 측정된 원자비는 이론비와 다를 수 있다.
일부 실시양태에서, 본 발명은
(a) 캐소드층;
(b) 전해질층; 및
(c) 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 (SFCM) 산화물 조성물을 포함하는 애노드층;
을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 (SOFM)를 제공한다.
일부 실시양태에서, SOFC는 캐소드층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 캐소드층에 사용될 수 있는 물질은 (1) 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물 (LSCF), 바륨 스트론튬 코발트 철 산화물 (BSCF), 사마륨 스트론튬 코발트 철 산화물 (SSCF), 사마륨 스트론튬 코발트 산화물 (SSC) 및 란탄 스트론튬 망가네이트 (LSM)로 구성된 군으로부터 선택되는 물질; 및 (2) 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아 (SSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아 (GDC), 사마리아 도핑된 세리아 (SDC), 사마리아-네오디뮴 도핑된 세리아 (SNDC), 에르비아 안정화 비스무트 산화물 (ESB), 디스프로슘 텅스텐 안정화 비스무트 산화물 (DWSB), 이트리아 안정화 비스무트 산화물 (YSB), 및 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트 (LSGM)로 구성된 군으로부터 선택되는 물질을 갖는 복합 물질을 포함하나 이로만 제한되지 않는다. 일부 실시양태에서, 캐소드층에 사용되는 물질은 SSC-GDC를 포함한다.
일부 실시양태에서, 캐소드층은 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물 (LSCF), 바륨 스트론튬 코발트 철 산화물 (BSCF), 사마륨 스트론튬 코발트 철 산화물 (SSCF), 란탄 스트론튬 망가네이트 (LSM)로 구성된 군으로부터 선택되는 단일 물질로 구성될 수 있다. 다른 실시양태에서, 캐소드층은 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아 (SSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아 (GDC), 사마리아 도핑된 세리아 (SDC), 사마리아-네오디뮴 도핑된 세리아 (SNDC), 에르비아 안정화 비스무트 산화물 (ESB), 디스프로슘 텅스텐 안정화 비스무트 산화물 (DWSB), 이트리아 안정화 비스무트 산화물 (YSB), 및 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트 (LSGM)를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, SOFC는 전해질층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전해질층에 사용될 수 있는 물질은 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아 (SSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아 (GDC), 사마리아 도핑된 세리아 (SDC), 사마리아-네오디뮴 도핑된 세리아 (SNDC), 에르비아 안정화 비스무트 산화물 (ESB), 이트리아 안정화 비스무트 산화물 (YSB), 및 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트 (LSGM) 및 이들의 조합물을 포함하나 이로만 제한되지 않는다. 일부 실시양태에서, 전해질층은 GDC를 포함한다.
일부 실시양태에서, SOFC는 애노드층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 산화물 조성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 다양한 조성의 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 산화물 (SFCM)을 포함한다. SFCM 조성물은 중온 및 저온 SOFC와 상용성이 있으며, 높은 전도성, 환원-산화 안정성, 및 탄화수소 및 황 함유 연료와의 상용성을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 이들 물질은 전통적인 Ni-기반 산화물 애노드 물질과 관련된 단점을 차단한다.
SFCM 물질은 저온에서 환원되는 경우 높은 전자 전도성을 갖는다. 저온에서 애노드층을 환원시킬 수 있음으로 해서 온도에 민감할 수 있는 연료 전지 내 다른 층에 대한 손상을 감소시킨다. 이러한 온도 감응층은 전해질층 및/또는 캐소드층을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에 따라, SFCM 애노드 물질은 SOFC의 작동 온도와 유사한 온도에서 환원되는 경우 높은 전도성을 갖는다. 물질이 SOFC의 작동 온도와 유사한 온도에서 환원될 수 있다면, 애노드층은 원위치에서 환원될 수 있으며, 이는 SOFC의 제조 중 별도의 환원 작업이 불필요함을 의미한다. 일부 실시양태에서, 애노드 물질은 850 ℃ 미만의 온도에서 환원되는 경우 높은 전도성을 갖는다. 일부 실시양태에서, 애노드 물질은 650 ℃ 미만의 온도에서 환원되는 경우 높은 전도성을 갖는다. 일부 실시양태에서, 애노드 물질은 원위치에서 환원된다.
일부 실시양태에서, 애노드층의 결정 구조는 페로브스카이트이다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 산화물 물질만을 포함한다.
일부 실시양태에서, 애노드층은 900 ℃ 아래, 850 ℃ 아래, 650 ℃ 아래, 600 ℃ 아래, 450 ℃ 아래 또는 400 ℃ 아래의 온도에서 높은 전도성을 갖는다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 350 ℃ 내지 900 ℃, 350 ℃ 내지 850 ℃, 350 ℃ 내지 650 ℃, 350 ℃ 내지 600 ℃, 350 ℃ 내지 450 ℃, 350 ℃ 내지 400 ℃, 400 ℃ 내지 900 ℃, 400 ℃ 내지 850 ℃, 400 ℃ 내지 650 ℃, 400 ℃ 내지 600 ℃, 400 ℃ 내지 450 ℃, 450 ℃ 내지 900 ℃, 450 ℃ 내지 650 ℃, 450 ℃ 내지 600 ℃, 600 ℃ 내지 900 ℃, 600 ℃ 내지 850 ℃, 600 ℃ 내지 650 ℃, 650 ℃ 내지 900 ℃, 650 ℃ 내지 850 ℃, 또는 850 ℃ 내지 950 ℃의 온도에서 높은 전도도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 650 ℃ 아래의 온도에서 높은 전도성을 갖는다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 600 ℃ 아래의 온도에서 높은 전도성을 갖는다.
일부 실시양태에서, 애노드층은 850 ℃ 미만의 온도에서 측정되는 경우 적어도 10 S/cm의 전도도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 650 ℃ 미만의 온도에서 측정되는 경우 적어도 10 S/cm의 전도도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 850 ℃ 미만의 온도에서 측정되는 경우 10 S/cm 내지 100 S/cm, 10 S/cm 내지 50 S/cm, 10 S/cm 내지 40 S/cm, 10 S/cm 내지 35 S/cm, 10 S/cm 내지 30 S/cm, 30 S/cm 내지 100 S/cm, 30 S/cm 내지 50 S/cm, 30 S/cm 내지 40 S/cm, 30 S/cm 내지 35 S/cm, 35 S/cm 내지 100 S/cm, 35 S/cm 내지 50 S/cm, 35 S/cm 내지 40 S/cm, 40 S/cm 내지 100 S/cm, 40 S/cm 내지 50 S/cm, 또는 50 S/cm 내지 100 S/cm의 전도도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 650 ℃ 미만의 온도에서 측정되는 경우 10 S/cm 내지 100 S/cm, 10 S/cm 내지 50 S/cm, 10 S/cm 내지 40 S/cm, 10 S/cm 내지 35 S/cm, 10 S/cm 내지 30 S/cm, 30 S/cm 내지 100 S/cm, 30 S/cm 내지 50 S/cm, 30 S/cm 내지 40 S/cm, 30 S/cm 내지 35 S/cm, 35 S/cm 내지 100 S/cm, 35 S/cm 내지 50 S/cm, 35 S/cm 내지 40 S/cm, 40 S/cm 내지 100 S/cm, 40 S/cm 내지 50 S/cm, 또는 50 S/cm 내지 100 S/cm의 전도도를 갖는다.
일부 실시양태에서, 애노드층은 850 ℃의 온도에서 측정되는 경우 10 S/cm 내지 100 S/cm, 10 S/cm 내지 50 S/cm, 10 S/cm 내지 40 S/cm, 10 S/cm 내지 35 S/cm, 10 S/cm 내지 30 S/cm, 30 S/cm 내지 100 S/cm, 30 S/cm 내지 50 S/cm, 30 S/cm 내지 40 S/cm, 30 S/cm 내지 35 S/cm, 35 S/cm 내지 100 S/cm, 35 S/cm 내지 50 S/cm, 35 S/cm 내지 40 S/cm, 40 S/cm 내지 100 S/cm, 40 S/cm 내지 50 S/cm, 또는 50 S/cm 내지 100 S/cm의 전도도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 650 ℃의 온도에서 측정되는 경우 10 S/cm 내지 100 S/cm, 10 S/cm 내지 50 S/cm, 10 S/cm 내지 40 S/cm, 10 S/cm 내지 35 S/cm, 10 S/cm 내지 30 S/cm, 30 S/cm 내지 100 S/cm, 30 S/cm 내지 50 S/cm, 30 S/cm 내지 40 S/cm, 30 S/cm 내지 35 S/cm, 35 S/cm 내지 100 S/cm, 35 S/cm 내지 50 S/cm, 35 S/cm 내지 40 S/cm, 40 S/cm 내지 100 S/cm, 40 S/cm 내지 50 S/cm, 또는 50 S/cm 내지 100 S/cm의 전도도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 500 ℃의 온도에서 측정되는 경우 10 S/cm 내지 100 S/cm, 10 S/cm 내지 50 S/cm, 10 S/cm 내지 40 S/cm, 10 S/cm 내지 35 S/cm, 10 S/cm 내지 30 S/cm, 30 S/cm 내지 100 S/cm, 30 S/cm 내지 50 S/cm, 30 S/cm 내지 40 S/cm, 30 S/cm 내지 35 S/cm, 35 S/cm 내지 100 S/cm, 35 S/cm 내지 50 S/cm, 35 S/cm 내지 40 S/cm, 40 S/cm 내지 100 S/cm, 40 S/cm 내지 50 S/cm, 또는 50 S/cm 내지 100 S/cm의 전도도를 갖는다.
일부 실시양태에서, 애노드층은 화학식 1의 SFCM을 포함한다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 SrFe0 . 1Co0 . 45Mo0 . 45O3, SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3, SrFe0 . 34Co0 . 33Mo0 . 33O3, 및 SrFe0.5Co0.25Mo0.25O3로 구성된 군으로부터 선택된 SFCM을 포함한다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3을 포함한다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 SrFe0.1Co0.45Mo0.45O3을 포함한다.
도 2A 및 도 2B는 본 발명에 따른 예시적인 연료 전지를 나타낸다. 도 2A에 도시된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 연료 전지는 캐소드층, 전해질 이중층 및 애노드층을 포함한다. 도 2B에 도시된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 연료 전지는 캐소드층, 캐소드 기능층, 전해질층 및 애노드층을 포함한다.
일부 실시양태에서, SOFC는 캐소드 기능층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 캐소드 기능층은 캐소드층의 성능을 향상시킨다. 일부 실시양태에서, 전해질층 위에 배치된 캐소드 기능층에 사용될 수 있는 물질은 La0.65Sr0.5Co2O5 (LSM), La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ, La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 2Fe0 . 8O3 -δ (LSCF), La0 . 8Sr0 . 2Cu0 . 9Fe0 . 1O2 .5 (LSCuF), La0.7Sr0.3CoO3 (LSC), Sm0 . 5Sr0 . 5CoO3 (SSC), SmBa0 . 5Sr0 . 5Co2O5 (SBSC), GdSrCo2O5 (GSC), LaBaCo2O5 (LBC), YBaCo2O5 (YBC), Nd1 . 8Ce0 . 2CuO4 (NCC), La0 . 8Sr0 . 2Co0 . 3Mn0 . 1Fe0 . 6O3 (LSCFM), La0 . 98Ni0 . 6Fe0 . 4O3 (LNF), La1 . 2Sr0 . 8NiO4 (LSN), La0 . 7Sr0 . 3FeO3 (LSF), La2Ni0.6Cu0.4O4 (LNC), 은 (silver) 및 이들의 복합체를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 상기 화합물들은 화학양론 비로 열거되었지만, 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 원자비는 다소 상이할 수 있다. 또한, 이들 화합물 중 일부는 높은 소성 온도를 필요로 할 수 있지만, 중온 및 저온 고체 산화물 연료 전지에 사용할 수 있게 이들 물질의 소성 온도를 낮추기 위해 개질제가 사용될 수 있음이 인정된다.
일부 실시양태에서, SOFC는 애노드 기능층을 포함한다. 애노드 기능층은 비 표면적을 증가시키도록 보다 미세한 입자 크기를 갖는 별도의 애노드층으로서, 이에 의해 애노드층과 전해질층 사이의 계면에서 전기화학적 반응 속도가 증가된다. 일부 실시양태에서, 애노드 기능층은 나머지 애노드층보다 덜 다공성이다. 이는 입자 분포 및/또는 입자/용매/결합제 비를 제어함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 애노드 기능층은 애노드층 자체와 동일한 물질로 제조된다. 일부 실시양태에서, 애노드층은 Ni-GDC, Ni-페로브스카이트와 같이, 애노드층 자체와 상이한 물질로 제조되거나, Ni가 다른 금속으로 치환된 유사한 물질로 제조된다.
일부 실시양태에서, SOFC는 또한 SOFC의 일부로서 SFCM의 기능을 유지하면서, SFCM에서 이동 도펀트 물질, 예를 들어 철, 코발트 또는 몰리브덴의 확산을 차단하기 위한 구조를 포함할 수 있다. 이동 도펀트 물질이 전해질층으로 확산되면 전해질층의 전도도가 저하되고 SOFC의 효율이 떨어질 수 있다. 철, 코발트 또는 몰리브덴 확산은 또한 전해질층의 기계적 강도를 감소시킬 수 있고, 그 결과 애노드층과 전해질 사이에 높은 계면 저항을 유발하는 상 또는 상들 (phases)의 형성을 초래할 수 있다.
SFCM 애노드를 이용한 고체 산화물 연료 전지의 제조
일부 실시양태에서, 본 발명은
(a) 캐소드층, 전해질층 및 애노드층을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계에서 제조된 층을 가지는 완전 전지를 형성하는 단계를 포함하는,
캐소드층, 전해질층, 및 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 조성을 가지는 애노드층을 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
일부 실시양태에서, 임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 850 ℃를 초과하지 않는다. 일부 실시양태에서, 임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 650 ℃를 초과하지 않는다. 일부 실시양태에서, 임의의 후속 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 600 ℃를 초과하지 않는다.
일부 실시양태에서, 본 발명은
(a) 캐소드층, 캐소드 기능층, 전해질층 및 애노드층을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계에서 제조된 층을 가지는 완전 셀을 형성하는 단계를 포함하는,
캐소드층, 캐소드 기능층, 전해질층, 및 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 조성을 가지는 애노드층을 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
일부 실시양태에서, 임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 850 ℃를 초과하지 않는다. 일부 실시양태에서, 임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 650 ℃를 초과하지 않는다. 일부 실시양태에서, 임의의 후속 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 600 ℃를 초과하지 않는다.
일부 실시양태에서, 전자 전도성 SFCM 애노드 물질은 소성 후 세라믹 애노드를 통해 적절한 연료 확산을 용이하게 하기 위해 열분해성 기공 형성제와 조합된다. 열분해성 기공 형성제와 조합된 SFCM 애노드 물질로 제조된 완전 고체 산화물 전해질 연료 전지 (SOFC)의 단면 주사전자현미경 (SEM) 이미지를 도 7에 나타내었다.
실시예 1의 방법은 4개의 층 (애노드, 전해질, 캐소드 기능층 및 캐소드)을 제조하는 것에 기술하고 있지만, 완전 연료 전지는 임의의 수의 추가 층을 포함할 수 있음이 인정된다. 예를 들어, 완전 연료 전지는 금속 접촉층 및/또는 2개의 층을 갖는 전해질층 (즉, 전해질 이중층)을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, SFCM은 애노드층의 제조 전에 환원된다. 애노드층에 대한 환원 온도를 상기한 범위 내에서 가능한 한 낮게 유지하면서도 충분한 산소 제거 및 전도성을 달성하는 것이 바람직하다. 연료 전지 내 다른 층이 온도에 민감할 수 있고, 따라서 예를 들어 원자 확산, 어닐링 및/또는 다른 층들 내 또는 그 사이의 상 변화를 초래할 수 있기 때문에, 낮은 환원 온도가 바람직하다. 이러한 미세구조를 변화시키는 높은 환원 온도는 애노드층의 전도도 및 연료 전지의 작동 효율에 해가 될 수 있다. 일부 실시양태에서, SFCM은 애노드층의 제조 전에 환원되지 않는다.
일부 실시양태에서, 완전 연료 전지의 애노드층은 완전 연료 전지에서 환원되지 않고 대신에 원위치에서 환원된다. 즉, 애노드층은 연료 전지 작동 중에 환원된다. 애노드층은 처리 온도 이하의 온도에서 환원될 수 있기 때문에 애노드층의 원위치 환원이 가능하다. 완전 연료 전지의 애노드층의 원위치 환원은 처리 비용을 감소시킨다.
애노드층을 환원시키는 것 외에, 완전 연료 전지에 대해 추가적인 처리 단계가 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 추가 처리 단계는 850 ℃를 초과하는 온도에서 수행되지 않는다. 일부 실시양태에서, 추가 처리 단계는 650 ℃를 초과하는 온도에서 수행되지 않는다. 일부 실시양태에서, 추가 처리 단계는 600 ℃를 초과하는 온도에서 수행되지 않는다. 추가 처리 온도는 0 ℃와 같이 낮은 온도를 포함해 임의의 적절한 온도에서 수행될 수 있다.
일부 실시양태에서, SOFC의 작동 온도는 850 ℃를 초과하지 않는다. 일부 실시양태에서, SOFC의 작동 온도는 650 ℃를 초과하지 않는다. 일부 실시양태에서, SOFC의 효율적인 성능을 보장하기 위해 SOFC의 작동 온도는 적어도 350 ℃이다. 일부 실시양태에서, SOFC의 작동 온도는 350 ℃ 내지 850 ℃, 350 ℃ 내지 650 ℃, 350 ℃ 내지 550 ℃, 350 ℃ 내지 450 ℃, 450 ℃ 내지 850 ℃, 450 ℃ 내지 650 ℃, 450 ℃ 내지 550 ℃, 550 ℃ 내지 850 ℃, 550 ℃ 내지 650 ℃, 또는 650 ℃ 내지 850 ℃이다. 일부 실시양태에서, SOFC의 작동 온도는 450 ℃ 내지 650 ℃이다.
출력 밀도는 단위 체적당 출력량 (시간당 에너지 수송 비율)이다. 일부 실시양태에서, SOFC의 출력 밀도는 높다. 일부 실시양태에서, SOFC의 고 피크 출력 밀도는 450 ℃에서 측정한 경우, 300 mW/cm2 내지 800 mW/cm2, 300 mW/cm2 내지 600 mW/cm2, 300 mW/cm2 내지 500 mW/cm2, 500 mW/cm2 내지 800 mW/cm2, 500 mW/cm2 내지 600 mW/cm2, 또는 600 mW/cm2 내지 800 mW/cm2이다. 일부 실시양태에서, SOFC의 고 피크 출력 밀도는 500 ℃에서 측정한 경우, 300 mW/cm2 내지 800 mW/cm2, 300 mW/cm2 내지 600 mW/cm2, 300 mW/cm2 내지 500 mW/cm2, 500 mW/cm2 내지 800 mW/cm2, 500 mW/cm2 내지 600 mW/cm2, 또는 600 mW/cm2 내지 800 mW/cm2이다. 일부 실시양태에서, SOFC의 고 피크 출력 밀도는 650 ℃에서 측정한 경우, 300 mW/cm2 내지 800 mW/cm2, 300 mW/cm2 내지 600 mW/cm2, 300 mW/cm2 내지 500 mW/cm2, 500 mW/cm2 내지 800 mW/cm2, 500 mW/cm2 내지 600 mW/cm2, 또는 600 mW/cm2 내지 800 mW/cm2이다.
구체적인 실시양태에 대한 전술한 설명은 당업자가 본 발명의 일반 개념을 벗어나지 않고 과도한 실험 없이도, 당해 분야의 기술 내에 있는 기술을 적용함으로써, 다양한 용도를 위해 이러한 구체적인 실시양태를 용이하게 변형하고/하거나 응용할 수 있도록, 본 발명의 일반적인 성질을 충분하게 나타낼 것이다. 따라서, 이러한 개조 및 변형은 본원에 개시된 교시 및 안내를 토대로, 기술된 실시양태의 균등물의 의미 및 범위 내인 것으로 의도된다. 본원에서 어구 또는 용어는 제한이 아닌 설명을 목적으로 하는 것이며, 따라서 본 명세서의 용어 또는 어구는 상기 교시 및 안내에 비추어 통상의 기술자에 의해 해석되어야 하는 것으로 이해된다.
실시예
하기 실시예는 본원에 기재된 생성물 및 방법을 비제한적으로 예시한다. 본 개시에 비추어 당업자에게 자명하고 당업계에서 통상적으로 마주치게 되는 다양한 조건, 제제 및 다른 파라미터에 대한 적절한 변형 및 개조는 본 발명의 취지 및 범위 내에 있다.
실시예 1
Co 대 Mo를 1:1의 비율로 포함하는 SrFe0 . 1Co0 . 45Mo0 . 45O3, SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3, SrFe0.34Co0.33Mo0.33O3 및 SrFe0 . 5Co0 . 25Mo0 . 25O3 의 조성물을 시트르산을 사용하여 변형된 글리신-니트레이트 연소 방법을 사용하여 합성하였다. 화학량론적 양의 스트론튬 니트레이트 (Alfa Aesar 99.0%), 질산철 9수화물 (Sigma Aldrich 99.95%), 질산코발트 6수화물 (Alfa Aesar 98%-102%) 및 몰리브덴산암모늄 (파라) 4수화물 (Alfa Aesar 99%)을 탈이온수에 별도로 용해시켰다. 글리신 (1:1 비의 글리신 대 니트레이트)을 탈이온수에 용해시킨 후, 시트르산 (20 중량%의 글리신 포함)을 첨가하여 pH를 약 2로 유지시켰다. 스트론튬 염 용액을 글리신-시트레이트 혼합물에 붓고, 핫 플레이트상에서 가열하여 용매를 증발시키고 점성 겔을 형성하였다. 핫 플레이트의 온도를 자동 점화가 발생하는 350 ℃로 증가시켰다. 이보다 높은 온도에서는, 금속 니트레이트가 금속 산화물 및 질소 산화물로 분해된다 (예를 들어, Singh, K., et al., Indian J. Eng. Mater. Sci. 13:525-530 (2006) 참조).
반응 잔류물을 분쇄하고, 1100 ℃에서 4시간 동안 하소시켜 분말을 수득하였다. SFCM 애노드 지지 SOFC를 테이프-캐스팅 기술로 제작하였다. 테이프 캐스팅 기술은 대면적의 평박 세라믹 시트 또는 막에 대한 잘 알려진 콜로이드 성형 기술이다 (예를 들어, J.A. Lewis, J. Am. Chem. Soc. 83:2341-2359 (2000) 참조). SrFe0.2Co0.4Mo0.4O3 (SFCM#3)과 2% 코발트 도핑된 GDC를 (2:1의 중량비로) 혼합하여 에노드 스캐폴드를 제조하였다. 기공 형성제로 사용되는 폴리(메틸 메타크릴레이트) (Soken Chemical & Engineering Co., Ltd, 일본 도쿄 소재)를 첨가하여 초기 기공률을 40 vol%로 하였다. 폴리비닐 부티랄, 부틸 벤질 프탈레이트 및 어유를 각각 결합제, 가소제 및 분산제로서 사용하였다. SFCM 테이프 캐스팅 법에 에탄올을 용매로 사용하였다. 제조된 원 테이프 (즉, 소성 전) 및 25-30 ㎛ 원 GDC 전해질 테이프를 함께 적층하고, 1200 ℃에서 4시간 동안 공동-소성시켰다.
먼저 반쪽 전지의 전해질 표면에 5-7 ㎛ Co 도핑된 GDC를 캐소드 기능층 (CFL)으로 침착시켰다. CFL은 에탄올 중에서 GDC 분말 및 2 mol% 질산코발트를 밤새 볼 밀링하여 제조하였다. 이어서, 에탄올을 증발시키고, 400 ℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 혼합된 분말을 페이스트로 만들어 반쪽 전지 상에 브러시로 칠하였다. 반쪽 전지를 오븐에서 70 ℃로 1시간 동안 건조시켰다. 이어서, Sr0.5Sm0.5CoO3-δ - GDC (SSC-GDC) 캐소드를 도포하고, 조립체를 950 ℃에서 2시간 동안 공동-소성시켰다. 양 전극에 집전체로서 Ag 금속을 사용하였다. SFCM 기반 애노드 지지 전지의 개략도가 도 2에 도시되어 있다. 최적량의 Ni-GDC (약 10 중량% 로딩)가 애노드에 침윤되었다. 각 침윤 간격 동안 400 ℃ 번아웃 공정을 수행하고, 800 ℃에서 1시간 동안 최종 열처리를 수행하였다.
전형적으로, 세라믹 애노드 기반 SOFC는, 저온에서 전도도가 너무 낮거나 촉매 활성이 충분하지 않기 때문에 높은 작동 온도를 필요로 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3 (SFCM#3) 및 SrFe0 . 1Co0 . 45Mo0 . 45O3 (SFCM#2) 기반 애노드-지지 전지는 높은 전자 전도도 (650 ℃에서 측정되어 30 S/cm)를 가지며 저온에서 종래 Ni-GDC 서멧 지지 전지보다 좋은 높은 성능을 보인 것으로 입증되었다. 500 ℃에서 460 mW/cm2 및 450 ℃에서 300 mW/cm2 (각각 1.0 A/cm2 및 0.6 A/cm2의 전류 밀도를 가짐)의 고 피크 출력 밀도 (PD)가 도 5에 도시된 바와 같이 SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3을 포함하는 애노드층을 가지는 SOFC로 달성되었다.
도 6에는 SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3을 포함하는 애노드층을 가지는 SOFC의 전기 화학적 임피던스 측정치의 나이퀴스트 (Nyquist) 플롯이 도시되어 있다. 캐소드 성능을 향상시키기 위해 전해질과 캐소드의 계면에 CFL이 도입되었다. SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3 자체는 저온에서 수소 산화를 위한 촉매적 활성 물질이 아니다. 이에 따라서, Ni-GDC를 SFCM 스캐폴드에 침윤시키고, 저온 열처리 공정은 나노형태를 유지하였다. 사후 테스트된 SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3 애노드 지지 전지의 SEM 현미경사진이 도 7 내지 도 10에 도시되어 있다. 도 7은 다공성 SFCM/GDC 전해질/CFL/캐소드를 보여주는 단면 SEM 이미지이다. 도 8 내지 10은 Ni-GDC 나노입자가 표면상에 침착된 SFCM 미세구조를 보여주는 단면 SEM 이미지이다.
이상과 같이 본 발명을 충분히 설명하였으므로, 당업자라면 본 발명의 범위 또는 그의 어떤 실시양태에도 영향을 주지 않으면서 동등 범위의 조건, 제제 및 다른 파라미터 내에서 마찬가지로 실시할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본원에 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 간행물은 그 전체가 본원에 참고로 인용되었다.

Claims (46)

  1. 캐소드층(cathode layer);
    전해질층; 및
    스트론튬 철 코발트 몰리브덴 (SFCM) 산화물 물질을 포함하는 애노드층(anode layer);
    을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지로서,
    SFCM 산화물 물질은 하기 화학식을 갖는, 고체 산화물 연료 전지:
    SrM1 xM2 ((1-x)/2)Mo((1-x)/2)O3±δ
    상기 식에서,
    M1은 Fe이고;
    M2는 Co이며;
    x는 0.1 내지 0.4이고;
    δ는 0 내지 1.5이다.
  2. 제1항에 있어서, 애노드층은 스트론튬 철 코발트 몰리브덴 산화물 물질을 통해 전자 침투가 허용되도록 구성된, 고체 산화물 연료 전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, x는 0.1 내지 0.3인, 고체 산화물 연료 전지.
  7. 제1항에 있어서, x는 0.1 내지 0.25인, 고체 산화물 연료 전지.
  8. 제1항에 있어서, 캐소드층은
    (a) 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물 (LSCF), 바륨 스트론튬 코발트 철 산화물 (BSCF), 사마륨 스트론튬 코발트 철 산화물 (SSCF), 사마륨 스트론튬 코발트 산화물 (SSC) 및 란탄 스트론튬 망가네이트 (LSM)로 구성된 군으로부터 선택된 물질; 및
    (b) 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아 (SSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아 (GDC), 사마리아 도핑된 세리아 (SDC), 사마리아-네오디뮴 도핑된 세리아 (SNDC), 에르비아 안정화 비스무트 산화물 (ESB), 디스프로슘 텅스텐 안정화 비스무트 산화물 (DWSB), 이트리아 안정화 비스무트 산화물 (YSB), 및 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트 (LSGM)로 구성된 군으로부터 선택된 물질;
    을 포함하는 복합체를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  9. 제1항에 있어서, 캐소드층은 SSC 및 GDC를 포함하는 복합체를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  10. 제1항에 있어서, 전해질층은 YSZ, SSZ, GDC, SDC, SNDC, ESB, DWSB, YSB, 및 LSGM으로 구성된 군으로부터 선택된 물질을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  11. 제1항에 있어서, 전해질층은 GDC를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  12. 제1항에 있어서, 애노드층은 350 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 측정된 경우 10 S/cm 내지 100 S/cm의 전도도를 갖는, 고체 산화물 연료 전지.
  13. 제1항에 있어서, 애노드층은 350 ℃ 내지 650 ℃의 온도에서 측정된 경우 10 S/cm 내지 100 S/cm의 전도도를 갖는, 고체 산화물 연료 전지.
  14. 제1항에 있어서, 애노드층은 350 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 측정된 경우 10 S/cm 내지 40 S/cm의 전도도를 갖는, 고체 산화물 연료 전지.
  15. 제1항에 있어서, 애노드층은 350 ℃ 내지 650 ℃의 온도에서 측정된 경우 10 S/cm 내지 40 S/cm의 전도도를 갖는, 고체 산화물 연료 전지.
  16. 제1항에 있어서, 애노드층은 350 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 측정된 경우 30 S/cm 내지 40 S/cm의 전도도를 갖는, 고체 산화물 연료 전지.
  17. 제1항에 있어서, 애노드층은 350 ℃ 내지 650 ℃의 온도에서 측정된 경우 30 S/cm 내지 40 S/cm의 전도도를 갖는, 고체 산화물 연료 전지.
  18. 제1항에 있어서, 전해질층과 캐소드층 사이에 배치된 캐소드 기능층을 추가로 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  19. 제18항에 있어서, 캐소드 기능층은 LSCF, BSCF, SSCF, SSC, YSZ, SSZ, GDC, SDC, SNDC, ESB, DWSB, YSB, LSGM, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  20. 제18항에 있어서, 캐소드 기능층은 GDC를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  21. 제1항에 있어서, 애노드층은 산화물 물질만을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  22. 제1항에 있어서, 애노드층은 다공성인, 고체 산화물 연료 전지.
  23. 제1항에 있어서, 애노드층은 GDC를 추가로 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  24. 제1항에 있어서, 애노드층은 코발트가 도핑된 GDC를 추가로 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  25. 제24항에 있어서, 애노드층에 다가 전이 금속이 침윤되어 있는, 고체 산화물 연료 전지.
  26. 제24항에 있어서, 애노드층에 Ni 또는 Ni-GDC가 침윤되어 있는, 고체 산화물 연료 전지.
  27. 삭제
  28. 제1항에 있어서, 애노드층은 SrFe0.1Co0.45Mo0.45O3, SrFe0.2Co0.4Mo0.4O3, 또는 SrFe0.34Co0.33Mo0.33O3을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지.
  29. 다음을 포함하는 산화물 조성물:
    SrM1 xM2 ((1-x)/2)Mo((1-x)/2)O3±δ
    상기 식에서,
    M1은 Fe이고;
    M2는 Co이며;
    x는 0.1 내지 0.4이고;
    δ는 0 내지 1.5이다.
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 제29항에 있어서, x는 0.1 내지 0.3인, 산화물 조성물.
  33. 제29항에 있어서, x는 0.1 내지 0.25인, 산화물 조성물.
  34. 삭제
  35. 제29항에 있어서, SrFe0.1Co0.45Mo0.45O3, SrFe0.2Co0.4Mo0.4O3, 또는 SrFe0.34Co0.33Mo0.33O3을 포함하는 산화물 조성물.
  36. (a) 캐소드층, 전해질층 및 애노드층을 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 층을 갖는 완전 셀을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 350 ℃ 내지 850 ℃인,
    제1항, 제2항, 제6항 내지 제26항 및 제28항 중 어느 한 항에 따른 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.
  37. 제36항에 있어서, 임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 350 ℃ 내지 650 ℃인, 방법.
  38. 제36항에 있어서, 완전 전지를 형성하기 위해 캐소드층, 전해질층 및 애노드층과 함께 제조되는 적어도 하나의 추가 층을 더 포함하며;
    임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 350 ℃ 내지 850 ℃인, 방법.
  39. 제38항에 있어서, 임의의 후속 제조 단계의 온도 및 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도는 350 ℃ 내지 650 ℃인, 방법.
  40. 제38항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가 층이 캐소드 기능층을 포함하는, 방법.
  41. 제36항에 있어서, 애노드층은 SrFe0.1Co0.45Mo0.45O3, SrFe0.2Co0.4Mo0.4O3, 또는 SrFe0.34Co0.33Mo0.33O3을 포함하는, 방법.
  42. 제41항에 있어서, 애노드층은 SrFe0 . 2Co0 . 4Mo0 . 4O3을 포함하는, 방법.
  43. 제41항에 있어서, 애노드층은 SrFe0 . 1Co0 . 45Mo0 . 45O3을 포함하는, 방법.
  44. 제29항에 있어서, SrFe0.2Co0.4Mo0.4O3를 포함하는, 산화물 조성물.
  45. 제29항에 있어서, SrFe0.1Co0.45Mo0.45O3를 포함하는, 산화물 조성물.
  46. 삭제
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