KR102514366B1 - Metal supporter-typed solid oxide fuel cell using co-sintering process and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 동시 소결을 이용하여 형성한 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법은, 애노드층의 일측 상에 전해질층을 형성하는 단계; 상기 전해질층 상에 캐소드층을 형성하는 단계; 상기 애노드층의 타측에 금속 지지체를 접착하는 단계; 및 상기 애노드층과 상기 금속 지지체를 접합시키고, 이와 동시에 상기 전해질층과 상기 캐소드층을 접합시키도록, 상기 금속 지지체, 상기 애노드층, 상기 전해질층, 및 상기 캐소드층을 동시 소결하는 단계를 포함한다.The present invention provides a metal-supported solid oxide fuel cell formed by simultaneous sintering and a manufacturing method thereof. A method of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes forming an electrolyte layer on one side of an anode layer; Forming a cathode layer on the electrolyte layer; Adhering a metal support to the other side of the anode layer; and co-sintering the metal support, the anode layer, the electrolyte layer, and the cathode layer to bond the anode layer and the metal support, and at the same time to bond the electrolyte layer and the cathode layer. .
Description
본 발명의 기술적 사상은 고체산화물 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동시 소결을 이용하여 형성한 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly, to a metal support type solid oxide fuel cell formed using simultaneous sintering and a manufacturing method thereof.
고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)는 현재 3세대 연료전지로 알려져 있다. 상기 고체산화물 연료전지는 다른 연료전지에 비해 높은 효율을 가지고, 추가적인 개질기(reformer)가 요구되지 않는 등의 장점을 가진다, 종래의 고체산화물 연료전지는 애노드층을 지지하는 지지체로서 니켈-전해질 합금(Ni-electrolyte cermet) 물질을 사용한 세라믹 지지체형으로 구성되어 있다. 이러한 세라믹 지지체형 고체산화물 연료전지는 기계적 강도나 열충격에 대한 강인성이 매우 약하고, 소형화와 경량화가 어려운 한계가 있다. A solid oxide fuel cell (SOFC) is currently known as a third-generation fuel cell. The solid oxide fuel cell has advantages such as high efficiency compared to other fuel cells and no additional reformer required. A conventional solid oxide fuel cell uses a nickel-electrolyte alloy as a support for supporting an anode layer ( It is composed of a ceramic support type using Ni-electrolyte cermet). Such a ceramic support type solid oxide fuel cell has very weak mechanical strength and toughness against thermal shock, and has limitations in miniaturization and weight reduction.
이를 대체하는 방법으로, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 (Metal-supported SOFC)가 최근에 연구되고 있다. 그러나, 종래의 금속 지지체형 고체산화물 연료전지를 제조하는 공정에서, 금속 지지체의 산화를 방지하기 위하여, 금속 지지체와 애노드층/전해질층을 환원 분위기에서 1차 소결하고, 이어서 상기 전해질층 상에 공기극인 캐소드층을 부착하기 위한 2차 소결을 진행하는 공정으로 구성된다. 상기 금속 지지체와 상기 애노드층을 접합하기 위하여 환원 분위기가 요구될 수 있다. 그러나, 상기 캐소드로서 La1-xSrxMnO3-δ (LSM)이나 La1-xSrxCo0.8Fe0.2O3-δ (LSCF) 등의 물질을 이용하는 경우, 높은 소결 온도를 요구하고, 환원 분위기에서 상기 물질의 상(phase)이 붕괴되어 상기 캐소드의 안정성을 유지할 수 없다. 따라서, 상기 1차 소결과 상기 2차 소결을 한번에 수행하는 동시 소결에 의하여 금속 지지체형 고체산화물 연료전지를 형성하는 캐소드용 물질 및 제조 방법이 요구된다.As an alternative to this, a metal-supported SOFC has been recently studied. However, in the process of manufacturing a conventional metal support-type solid oxide fuel cell, in order to prevent oxidation of the metal support, the metal support and the anode/electrolyte layer are firstly sintered in a reducing atmosphere, and then the cathode is placed on the electrolyte layer. It consists of a process of performing secondary sintering for attaching the phosphorus cathode layer. A reducing atmosphere may be required to bond the metal support and the anode layer. However, when using a material such as La 1-x Sr x MnO 3-δ (LSM) or La 1-x Sr x Co 0.8 Fe 0.2 O 3-δ (LSCF) as the cathode, a high sintering temperature is required, In a reducing atmosphere, the phase of the material collapses and the stability of the cathode cannot be maintained. Therefore, there is a need for a material for a cathode and a manufacturing method for forming a metal-supported solid oxide fuel cell by simultaneous sintering in which the primary sintering and the secondary sintering are performed at once.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 동시 소결을 이용하여 형성한 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.A technical problem to be achieved by the technical spirit of the present invention is to provide a metal support type solid oxide fuel cell formed using simultaneous sintering and a manufacturing method thereof.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 동시 소결을 이용하여 형성한 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법은, 애노드층의 일측 상에 전해질층을 형성하는 단계; 상기 전해질층 상에 캐소드층을 형성하는 단계; 상기 애노드층의 타측에 금속 지지체를 접착하는 단계; 및 상기 애노드층과 상기 금속 지지체를 접합시키고, 이와 동시에 상기 전해질층과 상기 캐소드층을 접합시키도록, 상기 금속 지지체, 상기 애노드층, 상기 전해질층, 및 상기 캐소드층을 동시 소결하는 단계를 포함한다.A method for manufacturing a metal support-type solid oxide fuel cell formed using simultaneous sintering according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem includes forming an electrolyte layer on one side of an anode layer; Forming a cathode layer on the electrolyte layer; Adhering a metal support to the other side of the anode layer; and co-sintering the metal support, the anode layer, the electrolyte layer, and the cathode layer to bond the anode layer and the metal support, and at the same time to bond the electrolyte layer and the cathode layer. .
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전해질층을 형성하는 단계는, 상기 애노드층과 상기 전해질층을 예비 소결함으로써 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the forming of the electrolyte layer may be performed by pre-sintering the anode layer and the electrolyte layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층을 형성하는 단계는 스크린 프린팅을 이용하여 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, forming the cathode layer may be performed using screen printing.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층을 형성하는 단계를 수행하기 전에, 상기 전해질층 상에 스크린 프린팅을 이용하여 완충층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, before performing the step of forming the cathode layer, the step of forming a buffer layer using screen printing on the electrolyte layer may be further included.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 지지체를 접착하는 단계를 수행하기 전에, 상기 금속 지지체 상에 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 접착층을 이용하여 상기 애노드층에 상기 금속 지지체를 접착할 수 있다.In one embodiment of the present invention, before performing the step of adhering the metal support, further comprising the step of forming an adhesive layer on the metal support, and adhering the metal support to the anode layer using the adhesive layer can do.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 동시 소결하는 단계는, 환원 분위기에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the co-sintering may be performed in a reducing atmosphere.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 동시 소결하는 단계는, 800℃ 내지 1000℃ 범위의 온도로 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the co-sintering may be performed at a temperature ranging from 800 °C to 1000 °C.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층은, 하기의 화학식의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cathode layer may include a compound of the following formula.
<화학식><Formula>
Pr0.5Ba0.5-xSrxFeO3-δ Pr 0.5 Ba 0.5-x Sr x FeO 3-δ
상기 화학식에서, 상기 x는 0 초과 0.5 미만 범위의 수이고, 상기 δ는 0 초과 내지 1 이하 범위를 가지는 양수로서, 상기 화학식의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In the above formula, x is a number ranging from greater than 0 to less than 0.5, and δ is a positive number ranging from greater than 0 to less than 1, and is a value that makes the compound of the formula electrically neutral.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층은, 상기 화학식의 화합물에서, 상기 철(Fe)이 표면으로 용리된 구조를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cathode layer may have a structure in which the iron (Fe) is eluted to the surface in the compound of the above formula.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층은, Pr0.5Ba0.2Sr0.3FeO3-δ 화합물, Pr0.5Ba0.15Sr0.35FeO3-δ 화합물, Pr0.5Ba0.1Sr0.4FeO3-δ 화합물, 및 Pr0.5Ba0.05Sr0.45FeO3-δ 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cathode layer is a Pr 0.5 Ba 0.2 Sr 0.3 FeO 3-δ compound, a Pr 0.5 Ba 0.15 Sr 0.35 FeO 3-δ compound, a Pr 0.5 Ba 0.1 Sr 0.4 FeO 3-δ compound, and Pr 0.5 Ba 0.05 Sr 0.45 FeO 3-δ compounds.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층은, Pr0.5Sr0.5FeO3-δ 화합물을 포함할 수 있다 (여기에서, 상기 δ는 0 초과 내지 1 이하 범위를 가지는 양수임).In an embodiment of the present invention, the cathode layer may include a Pr 0.5 Sr 0.5 FeO 3-δ compound (here, δ is a positive number ranging from greater than 0 to less than 1).
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지는, 애노드층; 상기 애노드층의 일측 상에 위치한 전해질층; 상기 전해질층 상에 상기 애노드층을 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드층; 및 상기 애노드층의 타측 상에 위치하고, 상기 애노드층을 지지하는 금속 지지체;를 포함하고, 상기 애노드층과 상기 금속 지지체를 접합시키고, 이와 동시에 상기 전해질층과 상기 캐소드층을 접합시키도록, 상기 금속 지지체, 상기 애노드층, 상기 전해질층, 및 상기 캐소드층은 동시 소결될 수 있다.A metal support type solid oxide fuel cell according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem includes an anode layer; an electrolyte layer located on one side of the anode layer; a cathode layer disposed on the electrolyte layer facing the anode layer and supplied with oxygen; And a metal support located on the other side of the anode layer and supporting the anode layer; including, bonding the anode layer and the metal support, and at the same time bonding the electrolyte layer and the cathode layer, the metal The support, the anode layer, the electrolyte layer, and the cathode layer may be co-sintered.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층은 층상형 R-P 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cathode layer may include a layered R-P perovskite material.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층은, 하기의 화학식의 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cathode layer may include a compound of the following formula.
<화학식><Formula>
Pr0.5Ba0.5-xSrxFeO3-δ Pr 0.5 Ba 0.5-x Sr x FeO 3-δ
상기 화학식에서, 상기 x는 0 초과 0.5 미만 범위의 수이고, 상기 δ는 0 초과 내지 1 이하 범위를 가지는 양수로서, 상기 화학식의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In the above formula, x is a number ranging from greater than 0 to less than 0.5, and δ is a positive number ranging from greater than 0 to less than 1, and is a value that makes the compound of the formula electrically neutral.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층은, 상기 화학식의 화합물에서, 상기 캐소드층은, 상기 화학식의 화합물에서, 상기 철(Fe)이 표면으로 용리된 구조를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cathode layer may have a structure in which the iron (Fe) is eluted to the surface in the compound of the above formula.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층은, 상기 x가 0.3 이상 내지 0.5 미만 범위의 수인 화합물을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the cathode layer may include a compound in which x is a number ranging from 0.3 or more to less than 0.5.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층은, Pr0.5Ba0.2Sr0.3FeO3-δ 화합물, Pr0.5Ba0.15Sr0.35FeO3-δ 화합물, Pr0.5Ba0.1Sr0.4FeO3-δ 화합물, 및 Pr0.5Ba0.05Sr0.45FeO3-δ 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cathode layer is a Pr 0.5 Ba 0.2 Sr 0.3 FeO 3-δ compound, a Pr 0.5 Ba 0.15 Sr 0.35 FeO 3-δ compound, a Pr 0.5 Ba 0.1 Sr 0.4 FeO 3-δ compound, and Pr 0.5 Ba 0.05 Sr 0.45 FeO 3-δ compounds.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드층은, Pr0.5Sr0.5FeO3-δ 화합물을 포함할 수 있다 (여기에서, 상기 δ는 0 초과 내지 1 이하 범위를 가지는 양수임).In an embodiment of the present invention, the cathode layer may include a Pr 0.5 Sr 0.5 FeO 3-δ compound (here, δ is a positive number ranging from greater than 0 to less than 1).
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 애노드층은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 아연(Zn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the anode layer, nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt), zinc (Zn), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), copper (Cu), or an alloy thereof.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 지지체는, 철(Fe), 스테인레스 스틸, 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 아연(Zn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스테인리스 스틸(예, Crofer 22 APU) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the metal support, iron (Fe), stainless steel, nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt), zinc (Zn), vanadium (V), chromium (Cr) ), manganese (Mn), iron (Fe), copper (Cu), aluminum (Al), magnesium (Mg), calcium (Ca), stainless steel (eg, Crofer 22 APU), or alloys thereof. .
본 발명의 기술적 사상에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법은, 동시 소결을 이용하여 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 구조체를 형성할 수 있다. 종래에는 금속 지지체와 애노드/전해질의 접합을 위한 환원 분위기에서의 고온 소결 및 캐소드와 완충층의 소결로서 2 회의 소결 과정을 수행한 반면, 본 발명은 이러한 두 번의 소결을 한 번의 소결로서 구현할 수 있으므로, 공정 단순화 및 구성 요소 손상 방지의 효과를 제공할 수 있다. In the method for manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell according to the technical concept of the present invention, a metal support type solid oxide fuel cell structure may be formed using simultaneous sintering. Conventionally, two sintering processes were performed: high-temperature sintering in a reducing atmosphere for bonding the metal support and anode/electrolyte and sintering of the cathode and buffer layer, whereas the present invention can implement these two sintering as one sintering, It can provide the effect of simplifying the process and preventing component damage.
또한, 캐소드 물질로서 환원 분위기에서 단일 페로브스카이트에서 산소 이온 전도도를 보일 수 있는 R-P 페로브스카이트로의 상 변화가 가능한 물질을 사용하여, 환원 분위기의 동시 소결에 의하여 안정한 상으로 변화하여 안정성을 증가시키는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 상기 동시 소결에 의하여, 철 금속이 표면 상으로 용출되어, 촉매 활성도를 증가시키는 효과를 제공할 수 있다.In addition, by using a material capable of phase change from single perovskite to R-P perovskite that can show oxygen ion conductivity in a reducing atmosphere as a cathode material, it is changed into a stable phase by simultaneous sintering in a reducing atmosphere to improve stability. It can provide an increasing effect. In addition, by the simultaneous sintering, iron metal is eluted onto the surface, thereby providing an effect of increasing catalytic activity.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The effects of the present invention described above have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법을 도시하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법을 공정단계에 따라 도시하는 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 캐소드층을 구성하는 층상형 R-P 페로브스카이트 물질을 도시하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 캐소드층에서의 전이원소의 용리를 설명하는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 금속 지지체형 금속공기전지를 설명하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀을 설명하는 개략도이다.1 is a cross-sectional view showing a metal support type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a manufacturing method of a metal support type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is cross-sectional views illustrating a manufacturing method of the metal support type solid oxide fuel cell of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention according to process steps.
4 is a schematic diagram showing a layered RP perovskite material constituting a cathode layer of a metal support type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram illustrating elution of a transition element from a cathode layer of a metal support type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic diagram illustrating a metal support type metal-air battery according to an embodiment of the present invention.
7 is a schematic diagram illustrating a metal support type solid oxide water electrolysis cell 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 skilled in the art, and the following examples may be modified in many different forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. Like reference numerals throughout this specification mean like elements. Further, various elements and areas in the drawings are schematically drawn. Therefore, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.
본 발명의 기술적 사상에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법은, 애노드층을 지지하는 지지체로서 금속 물질로 구성된 금속 지지체를 이용하고, 환원 분위기에서 금속 지지체, 애노드층/전해질층, 및 캐소드층의 접합이 단 한 번의 인-싯츄(in-situ) 동시 소결(co-sintering)을 이용하여 금속 지지체형 고체산화물 연료전지를 제작할 수 있다. 또한, 캐소드층을 구성하는 물질로서 촉매 활성도가 높은 입자를 용출하는 R-P 페로브스카이트 기반 물질을 이용한다.A method for manufacturing a metal support-type solid oxide fuel cell according to the technical idea of the present invention uses a metal support made of a metal material as a support for supporting an anode layer, and in a reducing atmosphere, the metal support, the anode layer/electrolyte layer, and the cathode A metal support type solid oxide fuel cell can be fabricated by using only one in-situ co-sintering of layer bonding. In addition, as a material constituting the cathode layer, an R-P perovskite-based material that elutes particles with high catalytic activity is used.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)를 도시하는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a metal support type solid
도 1을 참조하면, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)는, 애노드층(110); 애노드층(110)의 일측 상에 위치한 전해질층(120); 전해질층(120) 상에 애노드층(110)를 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드층(130); 및 애노드층(110)의 타측 상에 위치하고, 애노드층(110)를 지지하는 금속 지지체(140);를 포함한다.Referring to FIG. 1 , a metal support type solid
애노드층(110)과 금속 지지체(140)를 접합시키고, 이와 동시에 전해질층(140)과 캐소드층(130)을 접합시키도록, 금속 지지체(140), 애노드층(110), 전해질층(120), 및 캐소드층(130)은 동시 소결될 수 있다.To bond the
또한, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)는, 전해질층(120)과 캐소드층(130) 사이에 개재된 완충층(150)을 더 포함할 수 있다. 또한, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)는, 애노드층(110)와 금속 지지체(140) 사이에 개재된 접착층(160)을 더 포함할 수 있다.In addition, the metal support type solid
애노드층(110)은 애노드 또는 연료극의 기능을 수행할 수 있다. 애노드층(110)은 전자를 잃어 양이온이 되는 물질을 포함할 수 있고, 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 애노드층(110)은, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 아연(Zn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.The
전해질층(120)은 애노드층(110)과 캐소드층(130) 사이에 위치하고, 전해 물질을 포함하고, 상기 전해 물질을 이동시키는 기능을 수행할 수 있다. 전해질층(120)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 전해질층(120)은, 예를 들어 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.The
예를 들어, 애노드층(110)과 전해질층(120)은 지르코니아 기반 전극으로 니켈 및 지르코니아를 포함할 수 있고, 예를 들어 Ni-YSZ로 구성될 수 있다.For example, the
캐소드층(130)은 캐소드 또는 공기극의 기능을 수행할 수 있고, 예를 들어 층상형 R-P 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 캐소드층(130)을 구성하는 물질에 대하여는 하기에 상세하게 설명하기로 한다. The
완충층(150)은 전해질층(120)과 캐소드층(130) 사이에 위치하여 원활한 접촉을 제공하는 기능을 수행할 수 있다. 완충층(150)은, 예를 들어 전해질층(120)과 캐소드층(130) 사이의 결정 격자 뒤틀림을 완화하는 기능을 수행할 수 있다. 완충층(150)은 선택적인 구성요소로서 생략될 수 있다. 완충층(150)은, 예를 들어 GDC(Gd0.1Ce0.9O2-δ), LDC(La0.4Ce0.6O2-δ), 또는 이들 모두를 포함할 수 있다.The
금속 지지체(140)는 애노드층(110)을 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 금속 지지체(140)는 강성과 연성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 다양한 금속 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 철(Fe), 스테인레스 스틸, 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 아연(Zn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스테인리스 스틸(예, Crofer 22 APU) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.The
접착층(160)은 애노드층(110)과 금속 지지체(140) 사이에 개재되어 애노드층(110)과 금속 지지체(140)를 서로 접착시키는 기능을 수행할 수 있다. 접착층(160)은 선택적인 구성요소로서 생략될 수 있다. 접착층(160)은, 애노드층(110)과 금속 지지체(140)를 서로 접착시키는 다양한 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 무기계 접착제, 소결성 접착제, 유기계 접착제, 광경화성 접착제 등을 포함할 수 있다.The
애노드층(110)을 기준으로 일측에는 전해질층(120), 완충층(150), 및 캐소드층(130)이 배치될 수 있고, 상기 일측과 반대 방향인 타측에는 접착층(160), 및 금속 지지체(140)가 배치될 수 있다.On one side of the
금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드층(130)의 산소가스 O2가 산소이온 O2-으로 변하는 양극반응과 애노드층(110)의 연료(H2 또는 탄화수소)와 전해질층(120)의 전해질을 통해 이동해 온 산소이온이 반응하는 음극반응으로 이루어진다.As shown in the following reaction equation, the electrochemical reaction of the metal-supported solid
<반응식><reaction formula>
양극반응: 1/2 O2 + 2e- -> O2- Anode reaction: 1/2 O 2 + 2e - -> O 2-
음극반응: H2 + O2- -> H2O + 2e- Cathodic reaction: H 2 + O 2- -> H 2 O + 2e -
금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 캐소드층(130)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리 및 표면 확산을 거쳐 전해질층(120), 캐소드층(130), 기공(미도시)이 만나는 삼상계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고 생성된 산소이온은 전해질층(120)을 통해 연료극인 애노드층(110)으로 이동하게 된다.In the
금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 애노드층(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 캐소드층(130)으로 이동하여 산소를 산소 이온으로 변화시킨다. 이러한 전자 이동을 통하여, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)는 전지 기능을 수행할 수 있다. In the
금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다.Since the metal support type solid
금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)는 단위 전지의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 애노드층(110), 캐소드층(130), 및 전해질층(120)으로 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. The metal support type solid
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method (S100) of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법(S100)을 공정단계에 따라 도시하는 단면도들이다.FIG. 3 is cross-sectional views illustrating a manufacturing method (S100) of the metal support type solid oxide fuel cell of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention according to process steps.
도 2 및 도 3을 참조하면, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법(S100)은, 애노드층(110)의 일측 상에 전해질층(120)을 형성하는 단계(S110); 전해질(120) 상에 캐소드층(130)을 형성하는 단계(S120); 애노드층(110)의 타측에 금속 지지체(140)를 접착하는 단계(S130); 및 애노드층(110)와 금속 지지체(140)를 접합시키고, 이와 동시에 전해질층(120)과 캐소드층(130)을 접합시키도록, 금속 지지체(140), 애노드층(110), 전해질층(120), 및 캐소드층(130)을 동시 소결하는 단계(S140);를 포함한다.Referring to FIGS. 2 and 3 , the method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell (S100) includes forming an
상기 전해질층(120)을 형성하는 단계(S110)는, 애노드층(110) 상에 전해질층(120)을, 예를 들어 드롭 코팅(Drop coating) 또는 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 형성한 후, 애노드층(110)과 전해질층(120)을 예비 소결함으로서 이루어질 수 있다. 상기 예비 소결은 진공, 불활성 가스 분위기, 또는 대기 분위기에서 1300℃ 내지 1500℃ 범위의 온도로 수행될 수 있다. 애노드층(110)과 전해질층(120)은 상기 예비 소결에 의하여 고상화될 수 있고, 애노드층(110)의 내부에서, 전해질층(120)의 내부에서, 및 애노드층(110)과 전해질층(120) 사이에서 원하는 수준의 결합력을 가질 수 있다.In the step of forming the electrolyte layer 120 (S110), after forming the
상기 캐소드층(130)을 형성하는 단계(S120)는 스크린 프린팅을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 캐소드층을 형성하는 단계(S120)는 캐소드층(130)을 구성하는 캐소드층 물질을 스크린 프린팅을 이용하여 상기 전해질층 상에 도포하여 이루어질 수 있다. 캐소드층(130)은 하기에 설명하는 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 상기 스크린 프린팅은 다양한 적절한 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 상온에서 수행될 수 있다. 상기 스크린 프린팅에 의하여 형성된 캐소드층(130)은 후속의 동시 소결에 의하여 완성될 수 있다.Forming the cathode layer 130 (S120) may be performed using screen printing. Forming the cathode layer (S120) may be performed by applying a cathode layer material constituting the
상기 캐소드층(130)을 형성하는 단계(S120)를 수행하기 전에, 상기 전해질층(120) 상에 완충층(150) (buffer layer)을 형성하는 단계(S115)를 더 포함할 수 있다. 상기 완충층(150)을 형성하는 단계(S115)는 스크린 프린팅을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 완충층을 형성하는 단계(S115)는 완충층(150)을 구성하는 완충층 물질을 스크린 프린팅을 이용하여 전해질층(120) 상에 도포하여 이루어질 수 있다. 상기 스크린 프린팅은 다양한 적절한 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 상온에서 수행될 수 있다. 상기 스크린 프린팅에 의하여 형성된 완충층(150)은 후속의 동시 소결에 의하여 완성될 수 있다.Before forming the cathode layer 130 (S120), forming a
예를 들어, 전해질층(120) 상에 완충층(150)을 스크린 프린팅을 이용하여 형성하고, 이어서 완충층(150) 상에 캐소드층(130)을 스크린 프린팅을 이용하여 형성할 수 있다.For example, the
상기 금속 지지체(140)를 접착하는 단계(S130)를 수행하기 전에, 상기 금속 지지체(140) 상에 접착층(160)을 형성하는 단계(S125)를 더 포함할 수 있다. 이어서, 접착층(160)을 이용하여 애노드층(110)에 금속 지지체(140)를 접착할 수 있다.Before performing the attaching the metal support 140 (S130), forming an
상기 동시 소결하는 단계(S140)에서는 금속 지지체(140), 애노드층(110), 전해질층(120), 및 캐소드층(130)을 동시 소결한다. 상기 동시 소결하는 단계(S140)를 수행함으로써, 애노드층(110)와 금속 지지체(140)를 접합시키고, 이와 동시에 전해질층(120)과 캐소드층(130)을 접합시킬 수 있다. 또한, 상기 동시 소결하는 단계(S140)에 의하여 캐소드층(130)은 층상형 R-P 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있다. 상기 동시 소결하는 단계(S140)는, 인-시츄(in-situ) 방식으로 수행될 수 있다. 상기 동시 소결하는 단계(S140)는, 수소 가스 분위기와 같은 환원 분위기에서 수행될 수 있고, 약 800℃ 내지 약 1000℃ 범위의 온도로 수행될 수 있다.In the co-sintering step (S140), the
이러한 환원 분위기에서 동시 소결함으로써, 캐소드층(130)을 구성하는 물질은 안정한 상으로 변화될 수 있고, 예를 들어 층상형 R-P 페로브스카이트 물질로 변화될 수 있다. 또한, 상기 환원 분위기에서 페로브스카이트의 상이 붕괴되지 않는 안정성을 제공할 수 있다. 또한, 상기 환원 분위기에 의하여, 금속 지지체(140)과 애노드층(110)의 접합을 효과적으로 달성할 수 있다.By co-sintering in such a reducing atmosphere, the material constituting the
이하에서는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지(100)의 캐소드층(130)을 구성하는 물질에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, materials constituting the
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 캐소드층을 구성하는 층상형 R-P 페로브스카이트 물질을 도시하는 모식도이다.4 is a schematic diagram showing a layered R-P perovskite material constituting a cathode layer of a metal support-type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 층상형 R-P 페로브스카이트 물질이 도시되어 있다. 페로브스카이트 물질은 크게 단일 페로브스카이트(simple perovskite) 물질과 층상형 페로브스카이트(layered perovskite) 물질로 구분될 수 있다.Referring to Figure 4, a layered R-P perovskite material is shown. Perovskite materials can be largely classified into single perovskite materials and layered perovskite materials.
상기 단일 페로브스카이트 물질은 ABO3의 화학식을 가질 수 있다. 상기 단일 페로브스카이트 물질의 결정 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 철(Fe), 코발트(Co) 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. 즉, 페로브스카이트 물질은 상기 A-자리와 상기 B-자리에 어떤 물질이 도핑되어 차지하는 지에 따라 다양한 특성을 나타낼 수 있다.The single perovskite material may have a chemical formula of ABO 3 . In the crystal structure of the single perovskite material, elements with relatively large ionic radii may be located at the A-site, which is a corner position of a cubic lattice, and 12 coordinated by oxygen ions may have a number (CN, Coordination number). For example, rare earth elements, alkaline rare earth elements, and alkaline elements may be positioned at the A-site. Elements having relatively small ionic radii may be located at the B-site, which is the body center position of the cubic lattice, and may have a coordination number of 6 due to oxygen ions. For example, a transition metal such as iron (Fe) or cobalt (Co) may be positioned at the B-site. Oxygen ions may be located at each face center of the cubic lattice. Such a single perovskite structure can generally undergo structural displacement when another material is substituted at the A-site, and its nearest oxygen ion (mainly centered on the element located at the B-site) 6), structural variations can occur in the octahedron of BO 6 . That is, the perovskite material may exhibit various characteristics depending on which material is doped and occupied at the A-site and the B-site.
도 4에 도시된, 층상형 R-P(루델스덴 포퍼, Ruddlesden-Popper) 페로브스카이트 물질은, A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, ABO3와 위 아래로 록 솔트(rock salt) 구조의 AO 층이 규칙적으로 존재한다. 상기 구조는 [AO]-[ABO3]-[AO] 로 표기될 수 있다.The layered RP (Ruddlesden-Popper) perovskite material shown in FIG. 4 may have a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged at an A-site. Specifically, ABO 3 and an AO layer having a rock salt structure above and below are regularly present. The structure can be expressed as [AO]-[ABO 3 ]-[AO].
환원 분위기, 예를 들어 수소 분위기에서 환원을 시키면 단일 페로브스카이트 물질은 층상형 R-P 페로브스카이트 물질로 변하게 된다. 이러한 층상형 R-P 페로브스카이트 물질에서는, 산소 이온의 움직임이 빨라지고 열적 및 화학적 안정성이 향상될 수 있고, 전기 전도성이 높을 수 있다.When reduction is performed in a reducing atmosphere, for example, a hydrogen atmosphere, a single perovskite material is changed into a layered R-P perovskite material. In this layered R-P perovskite material, the movement of oxygen ions can be accelerated, thermal and chemical stability can be improved, and electrical conductivity can be high.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 캐소드층에서의 전이원소의 용리를 설명하는 모식도이다.5 is a schematic diagram illustrating elution of a transition element from a cathode layer of a metal support type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 상기 캐소드층은 환원에 의하여 산소가 결핍되어 공공 산소를 형성하는 층상형 R-P 페로브스카이트로 구성될 수 있다. 상기 층상형 R-P 페로브스카이트 물질에서, "Vo"는 공공 산소(Oxygen vacancy)를 나타내고, "T"는 전이원소, 예를 들어 철, 코발트 또는 철-코발트 합금을 나타낸다. 상기 공공 산소가 형성됨에 따라 상기 B-자리에 위치하는 전이원소가 같이 환원되서 용리 현상을 촉진할 수 있다. 예를 들어 열처리에 의하여, 상기 공공 산소와 상기 전이원소는 공동 분리되어 표면으로 이동하게 된다. 이러한 이동에 필요한 에너지를 공동 분리 에너지라고 지칭하며, 상기 공동 분리 에너지가 높을수록 공동 분리가 어렵게 된다. 표면에 용리된 전이원소는 산소환원반응을 촉진할 수 있으므로, 전기전도도를 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 5 , the cathode layer may be composed of layered R—P perovskite in which oxygen is deficient by reduction to form vacancy oxygen. In the layered R-P perovskite material, “Vo” represents oxygen vacancy and “T” represents a transition element, such as iron, cobalt or an iron-cobalt alloy. As the vacancy oxygen is formed, the transition element located at the B-site may be reduced together to promote an elution phenomenon. For example, by heat treatment, the vacancy oxygen and the transition element are co-separated and moved to the surface. The energy required for this movement is referred to as cavity separation energy, and the higher the cavity separation energy, the more difficult the cavity separation is. Since the transition element eluted on the surface can accelerate the oxygen reduction reaction, electrical conductivity can be improved.
본 발명의 기술적 사상에 따른 캐소드층은, A-위치에 프라세오디뮴(Pr)과 바륨(Ba)과 스트론튬(Sr)의 합을 1:1 의 함량으로 배치하고, B-위치에 철(Fe)을 배치한 층상형 R-P 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 상기 철의 일부를 코발트가 치환한 경우도 가능하다. 이러한, 용리 현상은 내부에서 표면으로 촉매적 활성도를 보유하고 있는 물질이, 예를 들어 철(Fe)이, 용리되어 정착된 형태이기 때문에, 층상형 R-P 페로브스카이트 상을 안정화시킬 수 있다.In the cathode layer according to the technical idea of the present invention, the sum of praseodymium (Pr), barium (Ba), and strontium (Sr) is placed in a 1:1 content at the A-position, and iron (Fe) is placed at the B-position A layered R-P perovskite material may be disposed. It is also possible to substitute some of the iron with cobalt. This elution phenomenon can stabilize the layered R-P perovskite phase because a material having catalytic activity from the inside to the surface, for example, iron (Fe), is eluted and fixed.
본 발명의 일 구현예에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 캐소드층은 하기의 화학식의 화합물을 포함할 수 있다.A cathode layer of a metal support type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention may include a compound represented by the following chemical formula.
<화학식><Formula>
Pr0.5Ba0.5-xSrxFeO3-δ Pr 0.5 Ba 0.5-x Sr x FeO 3-δ
상기 화학식에서, 상기 x는 0 초과 0.5 미만 범위의 수이고, 상기 δ는 0 초과 내지 1 이하 범위를 가지는 양수로서, 상기 화학식의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. 상기 δ는 페로브스카이트 구조에서의 침입형 산소(interstitial oxygen)를 나타내고 구체적인 결정 구조에 따라 상기 δ의 값이 정해질 수 있다.In the above formula, x is a number ranging from greater than 0 to less than 0.5, and δ is a positive number ranging from greater than 0 to less than 1, and is a value that makes the compound of the formula electrically neutral. The δ represents interstitial oxygen in the perovskite structure, and the value of δ may be determined according to a specific crystal structure.
상기 캐소드층은, 상술한 바와 같이 상기 화학식의 화합물에서, 상기 철(Fe)이 표면으로 용리된 구조를 가질 수 있다.As described above, the cathode layer may have a structure in which iron (Fe) is eluted to the surface in the compound of the above formula.
상기 캐소드층은 상기 화학식에서 x가 0.3 이상 내지 0.5 미만 범위의 수인 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 캐소드층은, Pr0.5Ba0.2Sr0.3FeO3-δ 화합물, Pr0.5Ba0.15Sr0.35FeO3-δ 화합물, Pr0.5Ba0.1Sr0.4FeO3-δ 화합물, 및 Pr0.5Ba0.05Sr0.45FeO3-δ 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The cathode layer may include a compound in which x in the above Chemical Formula is a number ranging from 0.3 or more to less than 0.5. For example, the cathode layer may include Pr 0.5 Ba 0.2 Sr 0.3 FeO 3-δ compound, Pr 0.5 Ba 0.15 Sr 0.35 FeO 3-δ compound, Pr 0.5 Ba 0.1 Sr 0.4 FeO 3-δ compound, and Pr 0.5 Ba 0.05 At least one of Sr 0.45 FeO 3-δ compounds may be included.
또한, 상기 캐소드층은 상기 화학식에서 x가 0.5인 화합물을 포함할 수 있다. 즉, 상기 캐소드층은 Pr0.5Sr0.5FeO3-δ 화합물을 포함할 수 있다 (여기에서, 상기 δ는 0 초과 내지 1 이하 범위를 가지는 양수임). 이 경우에는 상기 캐소드를 구성하는 화합물이 바륨(Ba)을 포함하지 않을 수 있다.In addition, the cathode layer may include a compound in which x is 0.5 in the above formula. That is, the cathode layer may include a Pr 0.5 Sr 0.5 FeO 3-δ compound (here, δ is a positive number ranging from greater than 0 to less than 1). In this case, the compound constituting the cathode may not contain barium (Ba).
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지에서, 캐소드층의 제조 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a cathode layer in a metal support type solid oxide fuel cell according to the technical idea of the present invention will be described.
상기 캐소드층의 제조 방법은, 상기 화학식의 화합물의 조성에 맞도록 계량된 각 금속 전구체를 (예를 들어 용매를 이용하여 습식) 혼합하는 단계, 상기 혼합물로부터 고형물을 얻는 단계, 상기 고형물을 공기 중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계 및 상기 소성물을 연마하는 단계를 포함한다.The method for producing the cathode layer includes mixing (for example, wet using a solvent) each metal precursor weighed to match the composition of the compound of the above formula, obtaining a solid from the mixture, and removing the solid from the air It includes a step of firing to obtain a fired object and a step of polishing the fired object.
상기 금속 전구체는 상기 화학식의 화합물을 얻을 수 있는 화학양론적 비율로 혼합한다. 금속 전구체의 예는 상기 화학식의 상기 캐소드층을 구성하는 각 성분의 질화물, 산화물, 할로겐화물 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 캐소드층을 형성하는 화합물이 화학식의 Pr0.5Ba0.5-xSrxFeO3-δ 화합물인 상기 금속 전구체는 Pr, Ba, Sr, Fe, 등의 적어도 하나를 포함하는 질화물, 산화물, 할로겐화물 등일 수 있다.The metal precursor is mixed in a stoichiometric ratio to obtain the compound of the above formula. Examples of the metal precursor include, but are not limited to, nitrides, oxides, halides, and the like of each component constituting the cathode layer of the above formula. For example, the metal precursor in which the compound forming the cathode layer is a Pr 0.5 Ba 0.5-x Sr x FeO 3-δ compound of the chemical formula is a nitride or an oxide containing at least one of Pr, Ba, Sr, Fe, and the like. , halides, and the like.
상기 금속 전구체를 상기 용매와 혼합하는 단계에서는, 물을 용매로서 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속 전구체를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올 등의 총 탄소수가 5 이하의 저급 알코올; 질산, 염산, 황산, 구연산 등의 산성 용액; 물; 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 디에틸에테르, 에틸렌 글리콜 등의 유기용매; 등을 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.In the step of mixing the metal precursor with the solvent, water may be used as the solvent, but is not limited thereto. Any material capable of dissolving the metal precursor may be used without limitation, and examples thereof include lower alcohols having a total carbon number of 5 or less, such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and butanol; acidic solutions such as nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, and citric acid; water; organic solvents such as toluene, benzene, acetone, diethyl ether, and ethylene glycol; These etc. can be used individually or in mixture.
상기 금속 전구체를 상기 용매와 혼합하는 단계는, 약 100 ℃ 내지 약 200℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있고, 각 성분이 충분히 혼합될 수 있도록 교반하에 소정 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 혼합 과정과 용매 제거 및 이를 위하여 필요한 첨가제 부가는 예를 들어 페치니법(pechini method) 등으로 잘 알려져 있으니 여기서는 상술하지 않는다. 이에 따라 단일 페로브스카이트 물질을 형성할 수 있다.Mixing the metal precursor with the solvent may be performed at a temperature ranging from about 100 °C to about 200 °C, and may be performed for a predetermined time under stirring so that each component is sufficiently mixed. The mixing process, the removal of the solvent, and the addition of necessary additives for this purpose are well known as, for example, the pechini method, and will not be described in detail here. This allows the formation of a single perovskite material.
상기 혼합 과정을 거친 후, 자발 연소 과정에 의해 초미세 고형물을 얻을 수 있다. 이어서, 약 400℃ 내지 약 950℃의 온도 범위로 약 1 시간 내지 약 5 시간 범위 동안, 예를 들어 약 600℃에서 약 4시간 동안 상기 초미세 고형물을 열 처리(하소, 소결)할 수 있다.After the mixing process, an ultrafine solid material may be obtained by a spontaneous combustion process. Subsequently, the ultrafine solid may be subjected to heat treatment (calcination, sintering) at a temperature ranging from about 400° C. to about 950° C. for a period of about 1 hour to about 5 hours, for example, at about 600° C. for about 4 hours.
필요한 경우 상기 소성 후 제 2의 열 처리(하소, 소결)를 할 수도 있다. 이 제 2 열처리 공정은 공기 중에서 소성하는 공정으로서 약 950℃ 내지 약 1500℃ 범위의 온도에서 약 1 시간 내지 약 24 시간 범위 동안, 예를 들어 약 950 내지 약 1500℃ 범위 의 온도에서 약 12 시간 동안 수행하여 분말상의 결과물을 얻게 된다. If necessary, a second heat treatment (calcination, sintering) may be performed after the firing. The second heat treatment process is a process of calcining in air, for about 1 hour to about 24 hours at a temperature in the range of about 950 ° C to about 1500 ° C, for example, at a temperature in the range of about 950 to about 1500 ° C for about 12 hours. It is carried out to obtain a powdery result.
이어서, 상기 소성된 결과물은 연마하거나 분쇄하여 일정 크기의 미세 분말상을 얻을 수 있다. 예를 들어, 약 24 시간 동안 아세톤 내에서 볼 밀링 하여 분쇄 및 혼합한다. 다음으로, 혼합된 분말을 금속몰드에 넣고 프레스 한 후, 가압된 펠렛(Pellet)을 대기 중에서 소결할 수 있다. 소결은 약 950℃ 내지 약 1500℃ 범위의 온도로 약 12 시간 내지 약 24 시간 범위 동안, 예를 들어 약 950 내지 약 1500℃ 범위의 온도에서 약 24 시간 동안 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 소성된 결과물은 연마하거나 분쇄하여 일정 크기의 미세 분말상의 캐소드층용 물질을 얻을 수 있다.Subsequently, the calcined product may be ground or pulverized to obtain a fine powder of a predetermined size. Grind and mix, for example, by ball milling in acetone for about 24 hours. Next, the mixed powder may be put into a metal mold and pressed, and then the pressed pellets may be sintered in the air. Sintering may be performed at a temperature ranging from about 950° C. to about 1500° C. for about 12 hours to about 24 hours, for example, at a temperature ranging from about 950° C. to about 1500° C. for about 24 hours, but is not limited thereto. . The calcined product may be ground or pulverized to obtain a material for a cathode layer in the form of fine powder having a predetermined size.
상기 캐소드층용 물질을 이용하여 캐소드층을 제조할 수 있다. 예를 들어 상기 캐소드층용 물질을 기재 상에 코팅한 후 열처리하여 캐소드층을 형성할 수 있다. 상기 열처리는 수소 분위기와 같은 환원 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는, 예를 들어 약 750℃ 내지 약 850℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는, 예를 들어 약 3 atm 의 수소 압력 하에서 수행될 수 있다. 상기 환원 분위기의 열처리에 의하여, 상기 캐소드층용 물질이 단일 페로브스카이트 상에서 층상형 R-P 페로브스카이트 상으로 상변이하고, 이와 함께 철이 용리되어 표면 상에 배치될 수 있다. 상기 환원 분위기의 열처리는 상술한 동시 소결에 의하여 이루어 질 수 있다.A cathode layer may be manufactured using the material for the cathode layer. For example, the cathode layer may be formed by coating the material for the cathode layer on a substrate and then heat-treating the substrate. The heat treatment may be performed in a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere. The heat treatment may be performed at a temperature ranging from about 750 °C to about 850 °C, for example. The heat treatment may be performed under a hydrogen pressure of about 3 atm, for example. By the heat treatment in the reducing atmosphere, the material for the cathode layer phase changes from a single perovskite to a layered R-P perovskite, and iron is eluted and disposed on the surface. The heat treatment in the reducing atmosphere may be performed by the above-described simultaneous sintering.
금속공기전지에의 적용Application to metal-air batteries
상술한 본 발명에 기술적 사상에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 금속 지지체형 금속공기전지에 적용되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 예를 들어, 상기 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 애노드가 금속 지지체형 금속공기전지의 애노드에 적용될 수 있고, 상기 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 캐소드가 금속 지지체형 금속공기전지의 캐소드에 적용될 수 있다.A case in which the metal support type solid oxide fuel cell and the manufacturing method according to the technical idea of the present invention described above are applied to a metal support type metal air battery are also included in the technical idea of the present invention. For example, the anode of the metal support type solid oxide fuel cell may be applied to the anode of the metal support type metal air battery, and the cathode of the metal support type solid oxide fuel cell may be applied to the cathode of the metal support type metal air battery. there is.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 금속 지지체형 금속공기전지는, 애노드층; 상기 애노드층의 일측 상에 위치한 전해질층; 상기 전해질층 상에 상기 애노드층을 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드층; 및 상기 애노드층의 타측 상에 위치하고, 상기 애노드층을 지지하는 금속 지지체;를 포함하고, 상기 애노드층과 상기 금속 지지체를 접합시키고, 이와 동시에 상기 전해질층과 상기 캐소드층을 접합시키도록, 상기 금속 지지체, 상기 애노드층, 상기 전해질층, 및 상기 캐소드층은 동시 소결될 수 있다.A metal support-type metal-air battery according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem includes an anode layer; an electrolyte layer located on one side of the anode layer; a cathode layer disposed on the electrolyte layer facing the anode layer and supplied with oxygen; And a metal support located on the other side of the anode layer and supporting the anode layer; including, bonding the anode layer and the metal support, and at the same time bonding the electrolyte layer and the cathode layer, the metal The support, the anode layer, the electrolyte layer, and the cathode layer may be co-sintered.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 금속 지지체형 금속공기전지(200)를 설명하는 개략도이다.6 is a schematic diagram illustrating a metal support type metal-
도 6을 참조하면, 금속 지지체형 금속공기전지(200)는, 애노드층(210); 애노드층(210)의 일측 상에 위치한 전해질층(220); 전해질층(220) 상에 애노드층(210)을 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드층(230); 및 애노드층(210)의 타측 상에 위치하고, 애노드층(210)을 지지하는 금속 지지체(240);를 포함한다.Referring to FIG. 6 , the metal support type metal-
애노드층(210)과 금속 지지체(240)를 접합시키고, 이와 동시에 전해질층(220)과 캐소드층(230)을 접합시키도록, 금속 지지체(240), 애노드층(210), 전해질층(220), 및 캐소드층(230)은 동시 소결될 수 있다.To bond the
금속 지지체형 금속공기전지(200)는 금속과 산소의 반응을 이용하여 전력을 생성한다. 금속 지지체형 금속공기전지(200)의 최대 장점은 자연계에 무한히 존재하는 산소를 활물질로 이용하며, 다른 이차전지에 비하여 매우 높은 이론 에너지 밀도를 가지고, 또한 친화경적인 특성을 보유하는 것이다. 또한, 금속 지지체형 금속공기전지(200)는 내부에 화학 산화제를 포함하지 않으므로 폭발이나 화재의 우려가 없으며 무게를 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 수소나 알코올을 사용하는 연료 전지에 비하여 매우 경제적이고 안정성이 우수하고 낮은 온도에서의 작동능력도 우수하다.The metal-supported metal-
애노드층(210)은, 방전 시에 전자를 잃어 양이온이 되는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 아연(Zn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 특히, 리튬은 이론적인 에너지 밀도가 11,140 Wh/kg으로서 13,000 Wh/kg의 가솔린에 거의 유사한 수준을 나타낸다. 참고로, 알루미늄은 8130 Wh/kg, 칼슘은 4180 Wh/kg, 아연은 1350 Wh/kg의 이론적인 에너지 밀도를 가진다.The
전해질층(220)은 애노드층(210)과 캐소드층(230) 사이에 위치하고, 전해 물질을 포함하고, 상기 전해 물질을 이동시키는 기능을 수행할 수 있다. 전해질층(220)은, 예를 들어 수산화나트륨(NaOH) 용액이나 수산화칼슘(KOH) 용액을 포함할 수 있다. 또한, 전해질층(220)은 고상의 매체로 구성될 수 있다.The
캐소드층(230)은 공기 중의 산소를 이용하도록 구성되며, 상기 산소를 집전할 수 있다. 캐소드층(230)은 산소를 집전하는 다공성 물질의 집전체(250) 및 산소의 환원반응을 활성화하는 촉매체(260)를 포함하여 구성될 수 있다. 캐소드층(230)은, 예를 들어 촉매체(260)는 상술한 층상형 R-P 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 캐소드층(230)은 하기의 화학식의 화합물을 포함할 수 있다.The
<화학식><Formula>
Pr0.5Ba0.5-xSrxFeO3-δ Pr 0.5 Ba 0.5-x Sr x FeO 3-δ
상기 화학식에서, 상기 x는 0 초과 0.5 미만 범위의 수이고, 상기 δ는 0 초과 내지 1 이하 범위를 가지는 양수로서, 상기 화학식의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In the above formula, x is a number ranging from greater than 0 to less than 0.5, and δ is a positive number ranging from greater than 0 to less than 1, and is a value that makes the compound of the formula electrically neutral.
금속 지지체(240)는 애노드층(210)을 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 금속 지지체(240)는 강성과 연성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 다양한 금속 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 철(Fe), 스테인레스 스틸, 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 아연(Zn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.The
금속 지지체형 금속공기전지(200)는 캐소드층(230)을 공기 중의 산소를 이용할 수 있으므로, 이론적으로는 캐소드층(230)의 무게를 0으로 또는 비약적으로 감소시킬 수 있다. 그러므로, 캐소드층(230)의 무게를 감소시킴에 따라 애노드층(210)의 무게를 증가시킬 수 있으므로, 금속 지지체형 금속공기전지(200)의 전체 무게에 대한 애노드층(210)의 무게 비율이 증가되어, 결과적으로 전지 단위 무게 당 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다. Since the metal-supported metal-
이하에서는, 금속 지지체형 금속공기전지(200)에서의 전력 생성에 대하여 설명하기로 한다. 애노드층(210)와 캐소드층(230)에서는 방전 반응과 충전 반응이 이루어질 수 있다. 애노드층(210)와 캐소드층(230)에서의 방전 반응은 다음과 같다. 충전 반응은 하기의 반응들이 반대 반향으로 향하게 된다. 아래의 반응식에서 "M"은 애노드층(210)을 구성하는 물질로서 금속일 수 있다.Hereinafter, power generation in the metal support type metal-
<애노드 반응><Anode reaction>
M -> M+ + e- M -> M + + e -
<캐소드 반응><Cathode Reaction>
2( M+ + e-) + O2 -> M2O2 2( M + + e - ) + O 2 -> M 2 O 2
이러한 방전 반응에 의하여 애노드층(210)에서 형성된 양이온(270)은 전해질층(220)을 통과하여 캐소드층(230)로 향하게 된다. 이때, 양이온(270)이 잃어버린 전자는 별도의 도선을 거쳐 부하(290)를 통과함으로써, 결과적으로 부하(290)에 전력을 공급하게 된다.
외부로부터 산소(280)가 캐소드층(230)에 제공되고, 양이온(270)은 산소(280)와 캐소드층(230)에서 반응하여 산화물을 형성한다. 이때에, 부하(290)를 통과한 전자가 캐소드층(230)에 제공되어 상기 산화물을 함께 형성한다.
반면, 충전 시에는 상기 산화물이 분해되어 양이온(270)은 전자를 획득하여 캐소드층(230)로부터 전해질층(220)을 거쳐서 애노드층(210)으로 다시 돌아가게 된다.On the other hand, during charging, the oxide is decomposed, and the
고체 산화물 수전해 셀에의 적용Application to Solid Oxide Water Electrolysis Cell
상술한 본 발명에 기술적 사상에 따른 금속 지지체형 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법을 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀에 적용되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 예를 들어, 상기 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 캐소드가 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀의 애노드에 적용될 수 있고, 상기 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 애노드가 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀의 캐소드에 적용될 수 있다.A case in which the metal support type solid oxide fuel cell and the manufacturing method according to the technical idea of the present invention described above are applied to a metal support type solid oxide water electrolysis cell are also included in the technical idea of the present invention. For example, the cathode of the metal support type solid oxide fuel cell may be applied to the anode of the metal support type solid oxide water electrolysis cell, and the anode of the metal support type solid oxide water electrolysis cell may be applied to the metal support type solid oxide water electrolysis cell. can be applied to the cathode.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀은, 수소 및 산소를 생성하는 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀로서, 물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드층; 상기 캐소드층의 일측 상에 위치한 전해질층; 상기 전해질층 상에 상기 캐소드층을 마주보고 배치되고, 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드층; 및 상기 캐소드층의 타측 상에 위치하고, 상기 캐소드층을 지지하는 금속 지지체;를 포함하고, 상기 캐소드층과 상기 금속 지지체를 접합시키고, 이와 동시에 상기 전해질층과 상기 애노드층을 접합시키도록, 상기 금속 지지체, 상기 캐소드층, 상기 전해질층, 및 상기 애노드층은 동시 소결될 수 있다.A metal support type solid oxide water electrolysis cell according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem is a metal support type solid oxide water electrolysis cell that generates hydrogen and oxygen, and discharges hydrogen gas formed by decomposition of water cathode layer; an electrolyte layer located on one side of the cathode layer; an anode layer disposed on the electrolyte layer facing the cathode layer and discharging oxygen gas formed by decomposition of the water; And a metal support located on the other side of the cathode layer and supporting the cathode layer; including, bonding the cathode layer and the metal support, and at the same time bonding the electrolyte layer and the anode layer, the metal The support, the cathode layer, the electrolyte layer, and the anode layer may be co-sintered.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀(300)을 설명하는 개략도이다.7 is a schematic diagram illustrating a metal support type solid oxide
도 7을 참조하면, 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀(300)은, 수소 및 산소를 생성하는 기능을 수행하며, 물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드층(330); 캐소드층(330)의 일측 상에 위치한 전해질층(320); 전해질층(320) 상에 캐소드층(330)을 마주보고 배치되고, 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드층(310); 및 캐소드층(330)의 타측 상에 위치하고, 캐소드층(330)을 지지하는 금속 지지체(340);를 포함한다.Referring to FIG. 7 , the metal support type solid oxide
캐소드층(330)과 금속 지지체(340)를 접합시키고, 이와 동시에 전해질층(320)과 애노드층(310)을 접합시키도록, 금속 지지체(340), 캐소드층(330), 전해질층(320), 및 애노드층(310)은 동시 소결될 수 있다.To bond the
캐소드층(330)는 수소 가스와 접촉하므로 수소 전극으로 지칭될 수 있고, 애노드층(310)는 산소 가스와 접촉하므로 산소 전극으로 지칭될 수 있다. 전해질(electrolyte)(330)은 산소 이온 전도성 고체 산화물로 구성될 수 있다.Since the
애노드층(310)은 공기 중에 산소를 배출하도록 구성될 수 있다. 애노드층(310)은 상술한 층상형 R-P 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 애노드층(310)은 하기의 화학식의 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식><Formula>
Pr0.5Ba0.5-xSrxFeO3-δ Pr 0.5 Ba 0.5-x Sr x FeO 3-δ
상기 화학식에서, 상기 x는 0 초과 0.5 미만 범위의 수이고, 상기 δ는 0 초과 내지 1 이하 범위를 가지는 양수로서, 상기 화학식의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In the above formula, x is a number ranging from greater than 0 to less than 0.5, and δ is a positive number ranging from greater than 0 to less than 1, and is a value that makes the compound of the formula electrically neutral.
전해질층(320)은 애노드층(310)과 캐소드층(330) 사이에 위치하고, 상기 산소를 이동시키는 기능을 수행할 수 있고, 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 전해질층(320)은 상술한 금속 지지체형 고체 산화물 연료전지(100)의 전해질층(120)과 동일한 물질을 포함하거나 동일한 구조를 가질 수 있다.The
캐소드층(330)은, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 아연(Zn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.The
금속 지지체(340)는 캐소드층(330)을 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 금속 지지체(340)는 강성과 연성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 다양한 금속 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 철(Fe), 스테인레스 스틸, 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 아연(Zn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.The
금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀(300)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드층(330)의 물(H2O)이 수소 가스(H2)와 산소 이온(O2-)으로 변하는 음극반응과 전해질층(320)을 통해 이동해 온 상기 산소 이온이 산소 가스(O2)로 변하는 양극반응으로 이루어진다. 이러한 반응은 통상적인 연료 전지의 반응 원리와는 반대이다.As shown in the following reaction equation, the electrochemical reaction of the metal support type solid oxide
<반응식><reaction formula>
음극반응: H2O + 2e- -> O2- + H2 Cathodic reaction: H 2 O + 2e - -> O 2- + H 2
양극반응: O2- -> 1/2 O2 + 2e- Anode reaction: O 2- -> 1/2 O 2 + 2e -
금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀(300)에 외부 전원(350)으로부터 전력이 인가되면, 외부 전원(350)으로부터 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀(300)에 전자가 제공된다. 상기 전자는 캐소드층(330)에 제공되는 물과 반응하여 수소 가스와 산소 이온을 생성한다. 상기 수소 가스는 외부로 배출되고, 상기 산소 이온은 전해질층(320)을 통과하여 애노드층(310)로 이동된다. 애노드층(310)로 이동된 상기 산소 이온은 전자를 잃고 산소 가스로 변환하여 외부로 배출된다. 상기 전자는 외부 전원(350)으로 흐르게 된다. 이러한 전자 이동을 통하여, 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀(300)는 물을 전기 분해하여, 캐소드층(330)에서 수소 가스를 형성하고, 애노드층(310)에서 산소 가스를 형성할 수 있다.When power is applied to the metal support type solid oxide
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 spirit of the present invention described above is not limited to the foregoing embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications and changes are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. It will be clear to those skilled in the art to which it pertains.
100: 금속 지지체형 고체산화물 연료전지,
110: 애노드층, 120: 전해질층,
130: 캐소드층, 140: 금속 지지체,
150: 완충층, 160: 접착층,
200: 금속 지지체형 금속공기전지,
210: 애노드층, 220: 전해질층,
230: 캐소드층, 240: 금속 지지체
250: 집전체, 260: 촉매체,
270: 양이온, 280: 산소,
290: 부하,
300: 금속 지지체형 고체 산화물 수전해 셀,
310: 애노드층, 320: 전해질층,
330: 캐소드층, 340: 금속 지지체,
350: 외부 전원,100: metal support type solid oxide fuel cell,
110: anode layer, 120: electrolyte layer,
130: cathode layer, 140: metal support,
150: buffer layer, 160: adhesive layer,
200: metal support type metal-air battery,
210: anode layer, 220: electrolyte layer,
230: cathode layer, 240: metal support
250: current collector, 260: catalyst body,
270: cation, 280: oxygen,
290: load,
300: metal support type solid oxide water electrolysis cell,
310: anode layer, 320: electrolyte layer,
330: cathode layer, 340: metal support,
350: external power,
Claims (20)
상기 전해질층 상에 캐소드층을 형성하는 단계;
상기 애노드층의 타측에 금속 지지체를 접착하는 단계; 및
상기 애노드층과 상기 금속 지지체를 접합시키고, 이와 동시에 상기 전해질층과 상기 캐소드층을 접합시키도록, 상기 금속 지지체, 상기 애노드층, 상기 전해질층, 및 상기 캐소드층을 동시 소결하는 단계를 포함하고,
상기 캐소드층은, 하기의 화학식의 화합물을 포함하는,
금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법.
<화학식>
Pr0.5Ba0.5-xSrxFeO3-δ
상기 화학식에서, 상기 x는 0 초과 0.5 미만 범위의 수이고, 상기 δ는 0 초과 내지 1 이하 범위를 가지는 양수로서, 상기 화학식의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Forming an electrolyte layer on one side of the anode layer;
Forming a cathode layer on the electrolyte layer;
Adhering a metal support to the other side of the anode layer; and
Co-sintering the metal support, the anode layer, the electrolyte layer, and the cathode layer to bond the anode layer and the metal support, and at the same time to bond the electrolyte layer and the cathode layer,
The cathode layer includes a compound of the following formula,
A method for manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell.
<Formula>
Pr 0.5 Ba 0.5-x Sr x FeO 3-δ
In the above formula, x is a number ranging from greater than 0 to less than 0.5, and δ is a positive number ranging from greater than 0 to less than 1, and is a value that makes the compound of the formula electrically neutral.
상기 전해질층을 형성하는 단계는, 상기 애노드층과 상기 전해질층을 예비 소결함으로써 이루어지는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법.The method of claim 1,
The forming of the electrolyte layer is a method of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell made by pre-sintering the anode layer and the electrolyte layer.
상기 캐소드층을 형성하는 단계는 스크린 프린팅을 이용하여 수행되는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법.The method of claim 1,
The step of forming the cathode layer is performed using screen printing, a method of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell.
상기 캐소드층을 형성하는 단계를 수행하기 전에,
상기 전해질층 상에 스크린 프린팅을 이용하여 완충층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법.The method of claim 1,
Before performing the step of forming the cathode layer,
The method of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell, further comprising forming a buffer layer on the electrolyte layer using screen printing.
상기 금속 지지체를 접착하는 단계를 수행하기 전에,
상기 금속 지지체 상에 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 접착층을 이용하여 상기 애노드층에 상기 금속 지지체를 접착하는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법.The method of claim 1,
Before performing the step of adhering the metal support,
Further comprising forming an adhesive layer on the metal support,
A method of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell, wherein the metal support is adhered to the anode layer using the adhesive layer.
상기 동시 소결하는 단계는, 환원 분위기에서 수행되는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법.The method of claim 1,
The co-sintering step is performed in a reducing atmosphere, a method of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell.
상기 동시 소결하는 단계는, 800℃ 내지 1000℃ 범위의 온도로 수행되는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법.The method of claim 1,
The co-sintering step is performed at a temperature in the range of 800 ° C to 1000 ° C, a method for manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell.
상기 캐소드층은, 상기 화학식의 화합물에서, 상기 철(Fe)이 표면으로 용리된 구조를 가지는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법.The method of claim 1,
The cathode layer has a structure in which the iron (Fe) is eluted to the surface in the compound of the above formula, a method of manufacturing a metal support type solid oxide fuel cell.
상기 캐소드층은, Pr0.5Ba0.2Sr0.3FeO3-δ 화합물, Pr0.5Ba0.15Sr0.35FeO3-δ 화합물, Pr0.5Ba0.1Sr0.4FeO3-δ 화합물, 및 Pr0.5Ba0.05Sr0.45FeO3-δ 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법.The method of claim 1,
The cathode layer includes a Pr 0.5 Ba 0.2 Sr 0.3 FeO 3-δ compound, a Pr 0.5 Ba 0.15 Sr 0.35 FeO 3-δ compound, a Pr 0.5 Ba 0.1 Sr 0.4 FeO 3-δ compound, and a Pr 0.5 Ba 0.05 Sr 0.45 FeO 3 A method of manufacturing a metal-supported solid oxide fuel cell comprising at least one of -δ compounds.
상기 애노드층의 일측 상에 위치한 전해질층;
상기 전해질층 상에 상기 애노드층을 마주보고 배치되고, 산소가 공급되는 캐소드층; 및
상기 애노드층의 타측 상에 위치하고, 상기 애노드층을 지지하는 금속 지지체;를 포함하고,
상기 애노드층과 상기 금속 지지체를 접합시키고, 이와 동시에 상기 전해질층과 상기 캐소드층을 접합시키도록, 상기 금속 지지체, 상기 애노드층, 상기 전해질층, 및 상기 캐소드층은 동시 소결되고,
상기 캐소드층은, 하기의 화학식의 화합물을 포함하는,
금속 지지체형 고체산화물 연료전지.
<화학식>
Pr0.5Ba0.5-xSrxFeO3-δ
상기 화학식에서, 상기 x는 0 초과 0.5 미만 범위의 수이고, 상기 δ는 0 초과 내지 1 이하 범위를 가지는 양수로서, 상기 화학식의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.anode layer;
an electrolyte layer located on one side of the anode layer;
a cathode layer disposed on the electrolyte layer facing the anode layer and supplied with oxygen; and
Located on the other side of the anode layer, a metal support for supporting the anode layer; includes,
The metal support, the anode layer, the electrolyte layer, and the cathode layer are co-sintered so as to bond the anode layer and the metal support, and at the same time to bond the electrolyte layer and the cathode layer,
The cathode layer includes a compound of the following formula,
Metal-supported solid oxide fuel cell.
<Formula>
Pr 0.5 Ba 0.5-x Sr x FeO 3-δ
In the above formula, x is a number ranging from greater than 0 to less than 0.5, and δ is a positive number ranging from greater than 0 to less than 1, and is a value that makes the compound of the formula electrically neutral.
상기 캐소드층은, 상기 화학식의 화합물에서, 상기 철(Fe)이 표면으로 용리된 구조를 가지는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지.The method of claim 12,
The cathode layer has a structure in which the iron (Fe) is eluted to the surface in the compound of the above formula, a metal support type solid oxide fuel cell.
상기 캐소드층은, 상기 x가 0.3 이상 내지 0.5 미만 범위의 수인 화합물을 포함하는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지.The method of claim 12,
The cathode layer, wherein x is a number in the range of 0.3 or more to less than 0.5 containing a compound, a metal support type solid oxide fuel cell.
상기 캐소드층은, Pr0.5Ba0.2Sr0.3FeO3-δ 화합물, Pr0.5Ba0.15Sr0.35FeO3-δ 화합물, Pr0.5Ba0.1Sr0.4FeO3-δ 화합물, 및 Pr0.5Ba0.05Sr0.45FeO3-δ 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지.The method of claim 12,
The cathode layer includes a Pr 0.5 Ba 0.2 Sr 0.3 FeO 3-δ compound, a Pr 0.5 Ba 0.15 Sr 0.35 FeO 3-δ compound, a Pr 0.5 Ba 0.1 Sr 0.4 FeO 3-δ compound, and a Pr 0.5 Ba 0.05 Sr 0.45 FeO 3 A metal-supported solid oxide fuel cell comprising at least one of -δ compounds.
상기 애노드층은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 아연(Zn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 또는 이들의 합금을 포함하는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지.The method of claim 12,
The anode layer includes nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt), zinc (Zn), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), copper (Cu), Or a metal support type solid oxide fuel cell comprising an alloy thereof.
상기 금속 지지체는, 철(Fe), 스테인레스 스틸, 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 아연(Zn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금을 포함하는, 금속 지지체형 고체산화물 연료전지.The method of claim 12,
The metal support includes iron (Fe), stainless steel, nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt), zinc (Zn), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron ( A metal support type solid oxide fuel cell comprising Fe), copper (Cu), aluminum (Al), magnesium (Mg), calcium (Ca), stainless steel or an alloy thereof.
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"Comparison of (Pr, Ba, Sr)FeO3-δ-SDC composite cathodes in proton-conducting solid oxide fuel cells", Solid State Ionics, vol.353, pp.12357-12366(2020.10.01) |
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