KR20120135463A - Cathode material for fuel cell, and cathode for fuel cell and solid oxide fuel cell including the material - Google Patents

Cathode material for fuel cell, and cathode for fuel cell and solid oxide fuel cell including the material Download PDF

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서수연
문경석
후앙앙 시
뎅쉬 첸
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Abstract

PURPOSE: A positive electrode material for a fuel cell is provided to maintain low electrode resistance at a low temperature of 800°C or less by reducing polarization resistance of a positive electrode in a solid oxide fuel cell. CONSTITUTION: A positive electrode material for a fuel cell comprises a first metal oxide which has a perovskite structure, and a second metal oxide with a spinel structure. The comprised amount of the first metal oxide and the second metal oxide are 60-99 weight% and 1-40 weight%, respectively. A positive electrode for a fuel cell comprises the positive electrode material. A solid oxide fuel cell comprises a positive electrode which comprises the positive electrode material, a negative electrode which is arranged to face with the positive electrode, and a solid oxide electrolyte arranged between the positive electrode and negative electrode. [Reference numerals] (AA) Comparative embodiment 5; (BB) Embodiment 7; (CC) Embodiment 8

Description

연료전지용 양극 소재, 상기 소재를 포함하는 연료전지용 양극 및 고체산화물 연료전지{Cathode material for fuel cell, and cathode for fuel cell and solid oxide fuel cell including the material}Anode material for fuel cell, anode and solid oxide fuel cell for fuel cell comprising the material {Cathode material for fuel cell, and cathode for fuel cell and solid oxide fuel cell including the material}

연료전지용 양극 소재, 상기 양극 소재를 포함하는 연료전지용 양극 및 이의 제조방법과 상기 소재를 채용한 고체산화물 연료전지가 제시된다.A cathode material for a fuel cell, a fuel cell anode including the anode material, a manufacturing method thereof, and a solid oxide fuel cell employing the material are provided.

고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)는 연료 가스의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 고효율의 환경친화적인 전기화학식 발전 기술로서, 이온전도성을 가지는 고체산화물을 전해질로 사용한다. SOFC는 다른 형태의 연료전지보다 상대적으로 저렴한 재료, 연료의 불순물에 대한 상대적으로 높은 허용도, 복합 발전 능력(hybrid power generation capability), 그리고 높은 효율 등과 같은 많은 장점이 있으며, 연료를 수소로 개질할 필요 없이 탄화수소계 연료를 직접 사용할 수 있어 연료전지 시스템의 단순화와 가격저하를 가져올 수 있다. SOFC는 수소 또는 탄화수소와 같은 연료가 산화되는 음극, 산소가스가 산소이온(O2 - )으로 환원되는 양극, 및 산소이온(O2 - )이 전도되는 이온전도성 고체산화물 전해질로 이루어진다. Solid oxide fuel cell (SOFC) is a high-efficiency, environmentally friendly electrochemical power generation technology that directly converts the chemical energy of fuel gas into electrical energy, and uses a solid oxide having ion conductivity as an electrolyte. SOFCs have many advantages over other types of fuel cells, such as relatively inexpensive materials, relatively high tolerances to fuel impurities, hybrid power generation capability, and high efficiency. The use of hydrocarbon-based fuels directly, without the need, can simplify and reduce the cost of fuel cell systems. SOFC is the cathode, oxygen gas fuel such as hydrogen or a hydrocarbon is oxidized with oxygen ions it takes place the ion-conducting solid oxide electrolyte that is conductive-anode is reduced, and oxygen ions (O 2) (O 2) .

기존의 SOFC는 800~1,000℃ 범위의 고온에서 작동하기 때문에 고온에서 견딜 수 있는 고온 합금이나 값비싼 세라믹 재료들이 사용되어야 하고, 시스템의 초기 구동 시간이 오래 걸리며, 장시간 운전시 재료의 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 상용화하는데 가장 큰 걸림돌인 전체적인 비용 상승의 문제가 뒤따른다. Existing SOFCs operate at high temperatures in the range of 800 to 1,000 ° C. Therefore, high-temperature alloys or expensive ceramic materials that must withstand high temperatures must be used. There is a problem. In addition, there is a problem of overall cost increase, which is the biggest obstacle to commercialization.

이에 따라, SOFC의 작동온도를 800℃ 이하로 낮추려는 많은 연구들이 진행되고 있다. 그러나, 작동온도의 저감은 SOFC 양극 소재의 전기저항을 급격히 증가시키게 되고, 이는 결국 SOFC의 출력밀도를 감소시키는 주된 원인으로 작용한다. 이와 같이, SOFC의 작동온도의 저감은 양극 저항의 크기에 많은 영향을 주기 때문에, 중저온용 SOFC에 있어서 양극 저항을 낮추려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.Accordingly, many studies are underway to lower the operating temperature of SOFC below 800 ° C. However, reducing the operating temperature dramatically increases the electrical resistance of the SOFC anode material, which in turn serves as a major cause of reducing the power density of the SOFC. As described above, since the reduction of the operating temperature of the SOFC greatly affects the size of the anode resistance, attempts have been actively made to lower the anode resistance in the SOFC for mid-low temperature.

본 발명의 일 측면은 양극의 분극저항을 감소시킬 수 있는 연료전지용 양극 소재를 제공하는 것이다. One aspect of the present invention is to provide a cathode material for a fuel cell that can reduce the polarization resistance of the anode.

본 발명의 다른 측면은 상기 연료전지용 양극 소재를 포함하는 연료전지용 양극을 제공하는 것이다. Another aspect of the present invention is to provide a fuel cell anode comprising the anode material for the fuel cell.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 연료전지용 양극을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention to provide a solid oxide fuel cell comprising the anode for the fuel cell.

본 발명의 일 측면에 따르면,According to one aspect of the invention,

페로브스카이트 구조를 갖는 제1 금속 산화물; 및 A first metal oxide having a perovskite structure; And

스피넬 구조를 갖는 제2 금속 산화물;을 포함하는 연료전지용 양극 소재가 제공된다. A cathode material for a fuel cell is provided, including a second metal oxide having a spinel structure.

상기 제1 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.The first metal oxide may be represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1] [Formula 1]

ABO3 ±δ ABO 3 ± δ

상기 식중, A는 란탄족 원소 및 알칼리토금속 원소로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고,Wherein A is at least one element selected from lanthanide elements and alkaline earth metal elements,

B는 전이금속 원소로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고, B is at least one element selected from transition metal elements,

δ는 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다. ? represents an excess of oxygen or a lack of oxygen.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다. According to one embodiment, the first metal oxide may be represented by the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

A'1- xA"xB'O3 ±δ A ' 1- x A " x B'O 3 ± δ

상기 식중, A'는 Ba, La 및 Sm으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고, In the above formula, A 'is at least one element selected from Ba, La and Sm,

A"는 Sr, Ca 및 Ba으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로서, A'와 다르고,A "is at least one element selected from Sr, Ca and Ba, which is different from A '

B'는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, Nb, Cr 및 Sc로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고, B 'is at least one element selected from Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, Nb,

0 ≤ x < 1 이고, 0 ≦ x <1,

δ는 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다.? represents an excess of oxygen or a lack of oxygen.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물은 바륨 스트론튬 코발트 철 산화물(BSCF), 란타늄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 란타늄 스트론튬 크롬 망간 산화물(LSCM), 란타늄 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란타늄 스트론튬 철 산화물(LSF), 및 사마륨 스트론튬 코발트 산화물(SSC)로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the first metal oxide is barium strontium cobalt iron oxide (BSCF), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), lanthanum strontium chromium manganese oxide (LSCM), lanthanum strontium manganese Oxide (LSM), lanthanum strontium iron oxide (LSF), and samarium strontium cobalt oxide (SSC).

상기 제2 금속 산화물은 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다. The second metal oxide may be represented by the following Chemical Formula 3.

[화학식 3](3)

M3O4 M 3 O 4

상기 식중, M은 Co, Fe, Mn, V, Ti, Cr 및 이들의 합금으로부터 선택되는 적어도 하나이다.Wherein M is at least one selected from Co, Fe, Mn, V, Ti, Cr and alloys thereof.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 금속 산화물은 Co3O4, Fe3O4 및 Mn3O4로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. In example embodiments, the second metal oxide may include at least one selected from Co 3 O 4 , Fe 3 O 4, and Mn 3 O 4 .

상기 제2 금속 산화물의 융점(melting point)은 800℃ 내지 1,800℃일 수 있다. 보다 구체적으로는 제2 금속 산화물의 융점이 900℃ 내지 1,500℃일 수 있다.Melting point of the second metal oxide may be 800 ° C to 1,800 ° C. More specifically, the melting point of the second metal oxide may be 900 ° C to 1,500 ° C.

일 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 양극 소재에서, 상기 제1 금속 산화물은 60 내지 99 중량%의 범위로 포함되고, 상기 제2 금속 산화물은 1 내지 40 중량%의 범위로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 제1 금속 산화물이 70 내지 95 중량%의 범위로 포함되고, 상기 제2 금속 산화물이 5 내지 30 중량%의 범위로 포함될 수 있다. 보다 더 구체적으로는, 상기 제1 금속 산화물이 20 내지 95 중량%의 범위로 포함되고, 상기 제2 금속 산화물이 5 내지 20 중량%로 포함될 수 있다. According to one embodiment, in the anode material for the fuel cell, the first metal oxide may be included in the range of 60 to 99% by weight, and the second metal oxide may be included in the range of 1 to 40% by weight. More specifically, the first metal oxide may be included in the range of 70 to 95% by weight, and the second metal oxide may be included in the range of 5 to 30% by weight. More specifically, the first metal oxide may be included in the range of 20 to 95% by weight, and the second metal oxide may be included in the range of 5 to 20% by weight.

일 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 양극 소재는 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물 외에 추가적으로 플루오라이트(fluorite) 결정 구조를 갖는 제3 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제3 금속 산화물은 1종 이상의 란탄계 이종원소로 도핑되는 세리아계 금속 산화물일 수 있다.In example embodiments, the cathode material for the fuel cell may include a third metal oxide having a fluorite crystal structure in addition to the first metal oxide and the second metal oxide. According to one embodiment, the third metal oxide may be a ceria-based metal oxide doped with one or more lanthanum heteroatoms.

일 실시예에 따르면, 상기 제3 금속 산화물은 하기 화학식 4로 표시될 수 있다.According to one embodiment, the third metal oxide may be represented by the following formula (4).

[화학식 4][Formula 4]

Ce1 - yM'yO2 Ce 1 - y M ' y O 2

상기 식중, M'는 La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy 및 이들의 합금으로부터 선택되는 적어도 하나이고, 0 < y < 1 이다.Wherein M ′ is at least one selected from La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, and alloys thereof, and 0 <y <1.

일 실시예에 따르면, 상기 화학식 4로 표시되는 제3 금속 산화물은 서로 다른 적어도 두 개의 란탄계 이종원소로 도핑되고, 상기 이종 원소의 평균 이온반경이 0.90 내지 1.06의 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 M'는 Sm과 Pr, Nd, Pm, 및 이들의 합금으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로 이중 도핑될 수 있다.In example embodiments, the third metal oxide represented by Chemical Formula 4 may be doped with at least two lanthanum dissimilar elements different from each other, and the average ion radius of the dissimilar element may range from 0.90 to 1.06. For example, the M 'may be double doped with Sm and at least one element selected from Pr, Nd, Pm, and alloys thereof.

일 실시예에 따르면, 상기 제3 금속 산화물이 첨가될 경우, 상기 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물의 합과 상기 제3 금속 산화물의 중량비는 99:1 내지 60:40 일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물의 합과 상기 제3 금속 산화물의 중량비가 90:10 내지 70:30, 보다 더 구체적으로는 85:15 내지 75:25 일 수 있다.According to one embodiment, when the third metal oxide is added, the weight ratio of the sum of the first metal oxide and the second metal oxide and the third metal oxide may be 99: 1 to 60:40. More specifically, the weight ratio of the sum of the first metal oxide and the second metal oxide to the third metal oxide may be 90:10 to 70:30, and more specifically 85:15 to 75:25.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 연료전지용 양극 소재를 포함하는 연료전지용 양극이 제공된다.According to another aspect of the invention, there is provided a fuel cell anode comprising the anode material for the fuel cell.

본 발명의 다른 측면에 따르면, According to another aspect of the present invention,

상기 연료전지용 양극 소재를 포함하는 용액을 준비하는 단계; 및Preparing a solution including the anode material for the fuel cell; And

상기 용액을 기재 상에 코팅한 후 열처리하는 단계;를 포함하는 연료전지용 양극의 제조방법이 제공된다.It provides a method for producing a positive electrode for a fuel cell comprising a; heat treatment after coating the solution on a substrate.

일 실시예에 따르면, 상기 열처리 단계는 700℃ 이상, 1000℃ 미만의 온도에서 수행될 수 있으며, 예를 들어, 800℃ 내지 900℃의 온도에서 열처리가 이루어질 수 있다. According to one embodiment, the heat treatment step may be carried out at a temperature of 700 ℃ or more, less than 1000 ℃, for example, the heat treatment may be performed at a temperature of 800 ℃ to 900 ℃.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, According to another aspect of the present invention,

상기 연료전지용 양극 소재를 포함하는 양극;A cathode including the anode material for the fuel cell;

상기 양극에 대향하여 배치되는 음극; 및 A cathode disposed opposite the anode; And

상기 양극과 음극 사이에 배치되는 고체산화물 전해질;을 포함하는 고체산화물 연료전지가 제공된다. There is provided a solid oxide fuel cell comprising a; solid oxide electrolyte disposed between the anode and the cathode.

일 실시예에 따르면, 상기 고체산화물 전해질은 지르코니아계, 세리아계 및 란타늄 갈레이트계 고체 전해질로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 고체산화물 전해질이 이트륨 및 스칸듐 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 지르코니아; 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 세리아; 및 스트론튬 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the solid oxide electrolyte may include at least one selected from zirconia-based, ceria-based and lanthanum gallate-based solid electrolyte. More specifically, the solid oxide electrolyte is zirconia doped or not doped with at least one of yttrium and scandium; Ceria doped or undoped with at least one of gadolinium, samarium, lanthanum, ytterbium and neodymium; And lanthanum gallate doped or undoped with at least one of strontium and magnesium.

일 실시예에 따르면, 상기 고체산화물 연료전지는, 상기 양극의 바깥 측면에 전기집전층을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전기집전층은, 란타늄 코발트 산화물(LaCoO3), 란타늄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF) 및 란타늄 스트론튬 철 산화물(LSF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the solid oxide fuel cell may further include an electrical current collecting layer on an outer side surface of the anode. For example, the current collector layer may include at least one selected from the group consisting of lanthanum cobalt oxide (LaCoO 3 ), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), and lanthanum strontium iron oxide (LSF). It may include.

일 실시에에 따르면, 상기 고체산화물 연료전지는 상기 양극과 상기 고체산화물 전해질 사이에 이들 사이의 반응을 방지 또는 억제하는 기능층을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 기능층은 가돌리늄 도프된 세리아(GDC), 사마륨 도프된 세리아(SDC) 및 이트륨 도프딘 세리아(YDC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the solid oxide fuel cell may further include a functional layer for preventing or inhibiting a reaction between them between the anode and the solid oxide electrolyte. For example, the functional layer may include at least one selected from the group consisting of gadolinium-doped ceria (GDC), samarium-doped ceria (SDC), and yttrium-doped ceria (YDC).

본 발명의 일 구현예에 따른 상기 연료전지용 양극 소재는 고체산화물 연료전지에 있어서 양극의 분극저항을 감소시킴으로써, 800℃ 이하의 낮은 온도에서도 낮은 전극저항을 유지할 수 있다. 상기 양극 소재를 채용함으로써 800℃ 이하의 낮은 온도에서 작동될 수 있는 고체산화물 연료전지가 제공될 수 있다.The anode material for a fuel cell according to an embodiment of the present invention can maintain a low electrode resistance even at a low temperature of less than 800 ℃ by reducing the polarization resistance of the anode in a solid oxide fuel cell. By employing the cathode material, a solid oxide fuel cell that can be operated at a low temperature of 800 ° C. or less can be provided.

도 1은 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 제조예 1-5의 양극 소재 및 각각의 BSCF (Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O3) 및 Co3O4의 X선 회절 패턴을 비교한 그래프이다.
도 3은 제조예 1-5의 양극 소재 및 각각의 BSCF (Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O3) 및 Co3O4의 전기전도도 측정 결과이다.
도 4는 실시예 1의 단전지 셀의 I-V 측정결과이다.
도 5는 비교예 1의 비교 단전지 셀의 I-V 측정결과이다.
도 6은 실시예 2의 단전지 셀의 I-V 측정결과이다.
도 7은 비교예 2의 비교 단전지 셀의 I-V 측정결과이다.
도 8은 실시예 3의 단전지 셀의 I-V 측정결과이다.
도 9는 비교예 3의 비교 단전지 셀의 I-V 측정결과이다.
도 10은 실시예 4의 단전지 셀의 I-V 측정결과이다.
도 11은 실시예 5의 단전지 셀의 I-V 측정결과이다.
도 12는 실시예 6 및 비교예 4에서 제조된 대칭셀의 임피던스 측정 결과이다.
도 13은 실시예 7에서 제조된 대칭셀의 임피던스 측정 결과이다.
1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a solid oxide fuel cell according to one embodiment.
Figure 2 is an anode material and each BSCF of Preparation 1-5 (Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O 3) , and is a comparison of the X-ray diffraction pattern of Co 3 O 4 graph .
Figure 3 is a positive electrode material, and each BSCF of Preparation 1-5 (Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O 3) and the conductivity measurement results of Co 3 O 4.
4 is an IV measurement result of the unit cell of Example 1.
5 is an IV measurement result of a comparative single cell of Comparative Example 1.
6 is an IV measurement result of the unit cell of Example 2.
7 is an IV measurement result of a comparative single battery cell of Comparative Example 2.
8 is an IV measurement result of the unit cell of Example 3.
9 is an IV measurement result of a comparative single battery cell of Comparative Example 3.
10 is an IV measurement result of the unit cell of Example 4.
11 is an IV measurement result of the unit cell of Example 5.
12 shows impedance measurement results of symmetric cells manufactured in Example 6 and Comparative Example 4. FIG.
FIG. 13 is a result of impedance measurement of a symmetric cell manufactured in Example 7. FIG.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, specific embodiment of this invention is described in detail.

본 발명의 일 측면은 페로브스카이트 구조를 갖는 제1 금속 산화물과 스피넬 구조를 갖는 제2 금속 산화물을 포함하는 연료전지용 양극 소재를 제공한다. 일 구현예에 따르면, 상기 연료전지용 양극 소재는 플루오라이트(fluorite) 결정 구조를 갖는 제3 금속 산화물을 더 포함할 수 있다.One aspect of the present invention provides a cathode material for a fuel cell comprising a first metal oxide having a perovskite structure and a second metal oxide having a spinel structure. According to one embodiment, the anode material for a fuel cell may further include a third metal oxide having a fluorite crystal structure.

일반적으로 고체산화물 연료전지의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이 공기극의 산소가스 O2가 산소이온 O2 -으로 변하는 양극반응과 연료극의 연료(H2 또는 탄화수소)와 전해질을 통해 이동해 온 산소이온이 반응하는 음극반응으로 이루어진다.In general, the electrochemical reaction of a solid oxide fuel cell includes an anode reaction in which the oxygen gas O 2 of the cathode changes to oxygen ions O 2 - as shown in the following reaction formula, and oxygen that has moved through the fuel (H 2 or hydrocarbon) and the electrolyte of the anode. It consists of a cathode reaction in which ions react.

<반응식><Reaction Scheme>

양극: 1/2 O2 + 2e- -> O2 - Positive electrode: 1/2 O 2 + 2e - - > O 2 -

음극: H2 + O2 - -> H2O + 2e- Anode: H 2 + O 2 - - > H 2 O + 2e -

고체산화물 연료전지의 양극(공기극)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리?표면 확산을 거쳐 전해질, 공기극, 기공이 만나는 삼상계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고 생성된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하게 되므로, 양극반응이 일어나는 삼상계면의 면적을 증가시키면 전극반응속도를 증가시킬 수가 있다. 일 구현예에 따른 상기 연료전지용 양극 소재는 페로브스카이트 구조의 제1 금속산화물과 함께 스피넬 구조의 제2 금속산화물을 포함하고, 선택적으로 플루오라이트(fluorite) 결정 구조를 갖는 제3 금속 산화물을 더 포함함으로써, 양극반응이 일어날 수 있는 삼상계면의 면적을 증가시킬 수 있어 저온에서의 전극 활성을 크게 증가시키고 양극의 분극저항을 감소시킬 수 있다. In the anode (air electrode) of solid oxide fuel cell, oxygen adsorbed on the surface of electrode moves to triple phase boundary where electrolyte, cathode and pore meet through dissociation and surface diffusion to obtain electrons to become oxygen ions Since ions move to the anode through the electrolyte, increasing the area of the three-phase interface in which the anode reaction occurs can increase the electrode reaction rate. The anode material for a fuel cell according to an embodiment includes a second metal oxide having a spinel structure together with a first metal oxide having a perovskite structure, and optionally a third metal oxide having a fluorite crystal structure. By further including, it is possible to increase the area of the three-phase interface in which the anodic reaction can occur can greatly increase the electrode activity at low temperatures and reduce the polarization resistance of the anode.

일 실시예에 따르면, 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 제1 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. According to one embodiment, the first metal oxide having the perovskite structure may be represented by the following formula (1).

[화학식 1] [Formula 1]

ABO3 ±δ ABO 3 ± δ

상기 식중, A는 란탄족 원소 및 알칼리토금속 원소로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고,Wherein A is at least one element selected from lanthanide elements and alkaline earth metal elements,

B는 전이금속 원소로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고, B is at least one element selected from transition metal elements,

δ는 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다.? represents an excess of oxygen or a lack of oxygen.

여기서, δ는 상기 페로브스카이트형 금속 산화물을 전기적으로 중성으로 만들어주는 값으로, 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다. 예를 들어, 상기 δ는 0≤δ≤0.3의 범위를 가질 수 있다. Here, δ is a value that makes the perovskite-type metal oxide electrically neutral, and represents an excess of oxygen or a lack of oxygen. For example, the δ may have a range of 0 ≦ δ ≦ 0.3.

일 실시예에 따르면, 상기 페로브스카이트 구조의 제1 금속산화물은 저온에서의 전극 활성이 뛰어나다는 측면에서 이온전도성과 전자전도성을 동시에 가지는 혼합전도체(MIEC: mixed inonic and electronic conductor) 물질일 수 있다. 이러한 이온/전자전도성 혼합전도체는 전자전도도와 이온전도도가 모두 높은 단일상의 혼합전도체 물질이며, 높은 산소 확산계수와 전하 교환반응 속도계수를 가지고 있어, 삼상계면 뿐만 아니라 전극 전체의 표면에서 산소의 환원 반응이 일어날 수 있기 때문에, 저온에서의 전극 활성이 뛰어나 SOFC의 작동온도를 낮추는데 기여할 수 있다. 이와 같은 혼합전도체로서, 상기 페로브스카이트 구조의 제1 금속산화물은 예를 들어 하기 화학식 2로 표시될 수 있다. According to an embodiment, the first metal oxide of the perovskite structure may be a mixed inonic and electronic conductor (MIEC) material having both ionic and electronic conductivity in terms of excellent electrode activity at low temperatures. have. The ion / electron conductive mixed conductor is a single phase mixed conductor material having both high electron conductivity and high ion conductivity, and has a high oxygen diffusion coefficient and a charge exchange reaction rate coefficient, thereby reducing the oxygen reaction on the surface of the entire electrode as well as the three phase interface. Since this may occur, the electrode activity at low temperatures is excellent and may contribute to lowering the operating temperature of the SOFC. As such a mixed conductor, the first metal oxide of the perovskite structure may be represented by, for example, the following Chemical Formula 2.

[화학식 2][Formula 2]

A'1- xA"xB'O3 ±δ A ' 1- x A " x B'O 3 ± δ

상기 식중, A'는 Ba, La 및 Sm으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고, In the above formula, A 'is at least one element selected from Ba, La and Sm,

A"는 Sr, Ca 및 Ba으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로서, A'와 다르고,A "is at least one element selected from Sr, Ca and Ba, which is different from A '

B'는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, Nb, Cr 및 Sc로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고, B 'is at least one element selected from Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, Nb,

0 ≤ x < 1 이고, 0 ≦ x <1,

δ는 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다.? represents an excess of oxygen or a lack of oxygen.

상기 δ는 예를 들어, 0≤δ≤0.3의 범위를 가질 수 있다.For example, δ may have a range of 0 ≦ δ ≦ 0.3.

이러한 제1 금속산화물의 예로는, 바륨 스트론튬 코발트 철 산화물(BSCF), 란타늄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 란타늄 스트론튬 크롬 망간 산화물(LSCM), 란타늄 스트론튬 철 산화물(LSF), 사마륨 스트론튬 코발트 산화물(SSC) 등을 들 수 있다. 구체적으로는, Ba1 - xSrxCo1 - yFeyO3 (여기서, 0.1≤x≤0.5, 0.05≤y≤0.5), La1 - xSrxFe1 - yCoyO3 (여기서, 0.1≤x≤0.4, 0.05≤y≤0.5), Sm1 - xSrxCoO3 (여기서, 0.1≤x≤0.5) 등이 있다. 예를 들어, Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O3, La0 .6Sr0 .4Co0 .2Fe0 .8O3, Sm0 .5Sr0 .5CoO3 등의 산화물이 사용가능하다. 이들 제1 금속 산화물은 단독으로 사용되거나, 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다. Examples of such first metal oxides include barium strontium cobalt iron oxide (BSCF), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), lanthanum strontium chromium manganese oxide (LSCM), and lanthanum strontium iron oxide (LSF) ) And samarium strontium cobalt oxide (SSC). Specifically, Ba 1 - x Sr x Co 1 - y Fe y O 3 (wherein 0.1 ≦ x ≦ 0.5, 0.05 ≦ y ≦ 0.5), and La 1 - x Sr x Fe 1 - y Co y O 3 (where , 0.1 ≦ x ≦ 0.4, 0.05 ≦ y ≦ 0.5), Sm 1 - x Sr x CoO 3 (here, 0.1 ≦ x ≦ 0.5), and the like. For example, Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O 3, La 0 .6 Sr 0 .4 Co 0 .2 Fe 0 .8 O 3, Sm 0 .5 Sr 0 .5 CoO 3 and the like can be used. These first metal oxides may be used alone or in combination of two or more thereof.

또한, 상기 연료전지용 양극 소재는 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 제1 금속 산화물과 함께 스피넬 구조를 갖는 제2 금속 산화물을 포함한다. 스피넬 구조는 화학식 XY2O4로 나타낼 수 있는 산화물에서 볼 수 있는 결정구조로, 보통 강자성 또는 페리자성을 나타내며, 산소원자가 거의 면심입방최밀구조를 차지하며 X2 은 4개의 산소원자로 둘러싸인 사면체 위치를, 또 Y3 금속원자는 6개의 산소원자로 둘러싸인 팔면체를 차지하고 있는 정(正)스피넬 구조와, 사면체 위치를 Y3 이 차지하고 또 팔면체 위치를 X2 과 Y3 이 절반씩 차지하고 있는 역(逆)스피넬 구조로 나뉜다. 어느 것이나 단위격자 속에는 XY2O4 가 8개 포함되어 있다.  In addition, the anode material for a fuel cell includes a second metal oxide having a spinel structure together with the first metal oxide having the perovskite structure. The spinel structure is a crystal structure found in the oxide represented by the chemical formula XY 2 O 4 , and usually shows ferromagnetic or ferrimagnetic, and oxygen atoms occupy almost a face-centered cubic structure, and X 2 + is tetrahedral position surrounded by four oxygen atoms. a, and Y 3 + metal atom is a front (正), which accounts for the six oxygen atoms surrounded octahedral spinel structure and a tetrahedral position Y 3 + occupies again in the octahedral position is X 2 + and Y 3 + occupied by half It is divided into a reverse spinel structure. In either case, the unit grid contains eight XY 2 O 4 .

일 실시예에 따르면, 상기 스피넬 구조를 갖는 제2 금속 산화물은 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다. According to one embodiment, the second metal oxide having the spinel structure may be represented by the following formula (3).

[화학식 3](3)

M3O4 M 3 O 4

상기 식중, M은 Co, Fe, Mn, V, Ti, Cr 및 이들의 합금으로부터 선택되는 적어도 하나이다. Wherein M is at least one selected from Co, Fe, Mn, V, Ti, Cr and alloys thereof.

상기 화학식 3의 제2 금속 산화물은 혼합원자가 화합물(mixed valence compound)로서 M2 +가 사면체 위치를 차지하고 M3 +가 팔면체 위치를 차지하는 정스피넬 구조를 갖는다. 일 실시예에 따르면, 상기 제2 금속 산화물로서 Co3O4, Fe3O4 및 Mn3O4로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다. A second metal oxide of the formula (3) accounting for M 2 + a tetrahedral position as a mixed valence compound (mixed valence compound) has a positive spinel structure M 3 + a, which accounts for octahedral positions. According to one embodiment, at least one selected from Co 3 O 4 , Fe 3 O 4, and Mn 3 O 4 may be used as the second metal oxide.

이와 같은 스피넬 구조의 제2 금속 산화물은 고체산화물 연료전지의 양극 형성시 낮은 온도에서 양극 코팅을 가능하게 하여 성능 저하를 유발하는 부도체층의 형성을 억제시킬 수 있고, 전해질과 양극 소재 사이의 접합성(attachment)를 향상시키는 효과를 줄 수 있다.The second metal oxide of the spinel structure can suppress the formation of a non-conductive layer that causes a decrease in performance by enabling the anode coating at a low temperature during the formation of the anode of the solid oxide fuel cell, and the adhesion between the electrolyte and the anode material ( It can give an effect of improving attachment.

일반적으로 고체산화물 연료전지의 양극 형성시 중저온용 페로브스카이트계 산화물 양극소재의 열처리 온도는 1000℃ 이상이다. 이러한 고온 열처리에 의해 페로브스카이트계 양극 소재와 지르코니아계 전해질 사이의 반응 부산물로서 SrZrO3, La2Zr2O7 등과 같은 부도체상이 형성된다. 이들 부도체상은 낮은 전기전도도를 나타내며 전극활성을 감소시켜, 전해질 저항 뿐만 아니라 전극저항을 급격히 증가시킨다. 이에 따라, 부도체상의 형성을 막기 위하여 페로브스카이트계 양극과 지르코니아계 전해질 사이에 세리아계의 기능층을 삽입하기도 한다. 그러나, 이러한 시도는 양극 소재와 전해질 사이에 반응을 억제하여 저항 증가는 줄일 수 있지만, 세이라와 지르코니아 간에 원하지 않는 반응에 의해 저항증가를 피할 수 없을 뿐만 아니라 열팽창계수의 불일치 등 기계적 문제를 야기시킨다. 또한, 기능층으로 사용되는 세리아계 화합물은 보통 소결이 어려운 소재이기 때문에 이를 양극과 전해질 사이에 치밀하게 코팅하기 위해서 비용 및 공정 측면에서도 불리한 점이 있다. In general, the heat treatment temperature of the low-temperature perovskite oxide anode material for forming a cathode of a solid oxide fuel cell is 1000 ℃ or more. This high temperature heat treatment forms a non-conductive phase such as SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7, or the like as a reaction by-product between the perovskite-based cathode material and the zirconia-based electrolyte. These insulator phases exhibit low electrical conductivity and reduce electrode activity, resulting in a sharp increase in electrode resistance as well as electrolyte resistance. Accordingly, a ceria-based functional layer may be inserted between the perovskite-based anode and the zirconia-based electrolyte in order to prevent the formation of the insulator phase. However, this approach can reduce the increase in resistance by inhibiting the reaction between the anode material and the electrolyte, but it is not only inevitable to increase the resistance due to unwanted reaction between Seira and zirconia, but also causes mechanical problems such as mismatch of coefficient of thermal expansion. . In addition, since the ceria-based compound used as a functional layer is usually a difficult material for sintering, there is a disadvantage in terms of cost and process in order to precisely coat it between the anode and the electrolyte.

이에 반하여, 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 양극 소재는, 상기 페로브스카이트 구조의 제1 금속 산화물에 스피넬 구조의 제2 금속 산화물을 첨가함으로써, 양극 소재의 열처리 온도를 1000℃ 미만으로 낮출 수 있으며, 열처리 온도의 저감은 양극과 전해질 사이의 반응을 억제하여 부도체상의 형성을 가능한 한 방지할 수 있다. 그래서, 양극과 전해질 사이에 반응방지층을 사용하지 않고 상기 연료전지용 양극 소재를 지르코니아계 전해질 위에 바로 적용하는 것이 가능해진다. In contrast, in the anode material for a fuel cell according to an aspect of the present invention, by adding a second metal oxide having a spinel structure to the first metal oxide having a perovskite structure, the heat treatment temperature of the cathode material is lowered to less than 1000 ° C. In addition, the reduction of the heat treatment temperature may inhibit the reaction between the positive electrode and the electrolyte to prevent the formation of the non-conductive phase as much as possible. Thus, it is possible to apply the fuel cell cathode material directly on the zirconia-based electrolyte without using a reaction prevention layer between the anode and the electrolyte.

이와 같이 열처리 온도를 저감시키기 위하여, 상기 스피넬 구조를 갖는 제2 금속 산화물의 융점(melting point)이 낮은 것이 바람직하다. 예를 들어, 제2 금속 산화물의 융점은 800℃ 내지 1,800℃일 수 있다. 보다 구체적으로는 제2 금속 산화물의 융점이 900℃ 내지 1,500℃일 수 있다. 제2 금속 산화물의 융점이 800℃ 보다 낮은 경우는 셀 제조시 열처리 온도를 고려할 때 부적합하다. 융점이란 물질의 액체상과 고체상이 평형을 유지함으로써 공존하여 얻어진 온도를 말하는데 1기압 하에서 녹는점을 그 물질의 융점이라고 한다. 융점은 1기압 하에서 물질의 온도를 변화시켜 가면서 상변화 (고체상태와 액체상태의 평형) 또는 열량변화를 통하여 측정할 수 있다. In order to reduce the heat treatment temperature in this manner, it is preferable that the melting point of the second metal oxide having the spinel structure is low. For example, the melting point of the second metal oxide may be 800 ° C to 1,800 ° C. More specifically, the melting point of the second metal oxide may be 900 ° C to 1,500 ° C. If the melting point of the second metal oxide is lower than 800 ° C., it is unsuitable in consideration of the heat treatment temperature in manufacturing the cell. Melting point refers to the temperature obtained by the coexistence of liquid and solid phases of a substance by equilibrium. The melting point under one atmosphere is called the melting point of the substance. Melting point can be measured through phase change (equilibrium between solid state and liquid state) or calorie change while changing the temperature of the material under 1 atm.

상기 연료전지용 양극 소재에 있어서 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 제1 금속 산화물 및 스피넬 구조를 갖는 제2 금속 산화물의 함량은 전기전도도, 양극저항 및 출력밀도 등의 효과 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물이 60 내지 99 중량%의 범위로 포함되고, 상기 제2 금속 산화물이 1 내지 40 중량%의 범위로 포함될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물이 70 내지 95 중량%의 범위로 포함되고 상기 제2 금속 산화물이 5 내지 30 중량%의 범위로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 금속 산화물이 80 내지 95 중량%의 범위로 포함되고, 상기 제2 금속 산화물이 5 내지 20 중량%의 범위로 포함될 수 있다. In the anode material for the fuel cell, the content of the first metal oxide having the perovskite structure and the second metal oxide having the spinel structure may be determined in consideration of effects such as electrical conductivity, anode resistance, power density, and the like. For example, the first metal oxide may be included in the range of 60 to 99% by weight, and the second metal oxide may be included in the range of 1 to 40% by weight. According to one embodiment, the first metal oxide may be included in the range of 70 to 95% by weight and the second metal oxide may be included in the range of 5 to 30% by weight. More specifically, the first metal oxide may be included in the range of 80 to 95% by weight, and the second metal oxide may be included in the range of 5 to 20% by weight.

일 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 양극 소재는 이온전도도 증가를 위하여 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물 외에 추가적으로 플루오라이트(fluorite) 결정 구조를 갖는 제3 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제3 금속 산화물은 1종 이상의 란탄계 이종원소로 도핑되는 세리아계 금속 산화물일 수 있다.According to an embodiment, the anode material for fuel cell may include a third metal oxide having a fluorite crystal structure in addition to the first metal oxide and the second metal oxide to increase ion conductivity. According to one embodiment, the third metal oxide may be a ceria-based metal oxide doped with one or more lanthanum heteroatoms.

일 실시예에 따르면, 상기 제3 금속 산화물은 하기 화학식 4로 표시될 수 있다.According to one embodiment, the third metal oxide may be represented by the following formula (4).

[화학식 4][Formula 4]

Ce1 - yM'yO2 Ce 1 - y M ' y O 2

상기 식중, M'는 La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy 및 이들의 합금으로부터 선택되는 적어도 하나이고, 0 < y < 1 이다.Wherein M ′ is at least one selected from La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, and alloys thereof, and 0 <y <1.

이와 같은 플루오라이트 결정 구조의 제3 금속 산화물은 고이온전도성과 저전자전도성을 갖는다. 제3 금속 산화물의 고이온전도성은 상기 페로브스카이트 소재의 부족한 이온전도성을 보상해 줄 수 있어 양극반응속도의 증가에 기여할 수 있다. 또한, 페로브스카이트 소재 (예컨대, BSCF: 1180℃) 대비 고융점 (예컨대, CeO2: >2000℃)을 갖고 있어 내구성 향상에도 도움이 된다.The third metal oxide of such a fluorite crystal structure has high ion conductivity and low electron conductivity. The high ionic conductivity of the third metal oxide may compensate for the insufficient ion conductivity of the perovskite material, thereby contributing to an increase in the anode reaction rate. In addition, it has a high melting point (eg, CeO 2 :> 2000 ° C.) compared to a perovskite material (eg, BSCF: 1180 ° C.), thereby improving durability.

일 실시예에 따르면, 상기 화학식 4로 표시되는 제3 금속 산화물은 서로 다른 적어도 두 개의 란탄계 이종원소로 도핑될 수 있으며, 상기 이종 원소의 평균 이온반경이 0.90 내지 1.06의 범위를 가질 수 있다. 보다 구체적으로는 평균 이온반경이 0.96 내지 0.98 일 수 있다. 이종원소의 평균 이온반경이 상기 범위에 있을 경우 이온전도도가 높게 나타날 수 있다. 예를 들어 제3 금속 산화물에서 세리아에 도핑되는 이종원소 M'는 란탄족 원소 중 Sm, Pr, Nd, Pm, 및 이들의 합금으로부터 선택되는 적어도 두 개의 이종원소로 도핑될 수 있다. 보다 구체적으로는, M'는 Sm을 도펀트로서 반드시 포함하면서 Pr, Nd, Pm, 및 이들의 합금으로부터 선택되는 또다른 도펀트를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the third metal oxide represented by Chemical Formula 4 may be doped with at least two lanthanum dissimilar elements different from each other, and the average ion radius of the dissimilar element may range from 0.90 to 1.06. More specifically, the average ion radius may be 0.96 to 0.98. If the average ion radius of the hetero element is in the above range, the ion conductivity may be high. For example, the hetero element M 'doped with ceria in the third metal oxide may be doped with at least two hetero elements selected from Sm, Pr, Nd, Pm, and alloys thereof in the lanthanide element. More specifically, M 'may include another dopant selected from Pr, Nd, Pm, and alloys thereof, while necessarily including Sm as a dopant.

상기 화학식 4의 제3 금속 산화물에서 세리아에 도핑되는 이종원소 M'의 도핑량 y는 0 < y < 1 일 수 있으며, 구체적으로는 0 < y ≤ 0.5, 보다 더 구체적으로는 0 < y ≤ 0.3 일 수 있다.Doping amount y of the hetero element M 'doped in ceria in the third metal oxide of Formula 4 may be 0 <y <1, specifically 0 <y ≤ 0.5, more specifically 0 <y ≤ 0.3 Can be.

일 실시예에 따르면, 상기 제3 금속 산화물이 첨가될 경우, 상기 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물의 합과 상기 제3 금속 산화물의 중량비는 99:1 내지 60:40 일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물의 합과 상기 제3 금속 산화물의 중량비가 90:10 내지 70:30, 보다 더 구체적으로는 85:15 내지 75:25 일 수 있다. 일 실시예에 따르면 80:20일 수 있다.According to one embodiment, when the third metal oxide is added, the weight ratio of the sum of the first metal oxide and the second metal oxide and the third metal oxide may be 99: 1 to 60:40. More specifically, the weight ratio of the sum of the first metal oxide and the second metal oxide to the third metal oxide may be 90:10 to 70:30, and more specifically 85:15 to 75:25. According to one embodiment, it may be 80:20.

본 발명의 다른 측면에서는 상술한 연료전지용 양극 소재를 포함하는 연료전지용 양극을 제공한다. 상기 양극은 특히 고체산화물 연료전지의 양극으로 유용하게 적용될 수 있다.Another aspect of the present invention provides a fuel cell anode including the fuel cell anode material described above. The anode may be particularly useful as a cathode of a solid oxide fuel cell.

본 발명의 또 다른 측면에서는 상기 연료전지용 양극의 제조방법을 제공한다. 상기 연료전지용 양극의 제조방법은, 상술한 연료전지용 양극 소재를 포함하는 용액을 준비하는 단계; 및 상기 용액을 기재 상에 코팅한 후 열처리하는 단계를 포함하는 연료전지용 양극의 제조방법을 제공한다. Another aspect of the present invention provides a method for manufacturing the anode for fuel cell. The fuel cell anode manufacturing method includes the steps of preparing a solution containing the anode material for a fuel cell described above; And it provides a method for producing a positive electrode for a fuel cell comprising the step of coating the solution on a substrate and heat treatment.

예를 들어, 상술한 연료전지용 양극 소재, 즉 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 제1 금속 산화물과 스피넬 구조를 갖는 제2 금속 산화물을 용매와 함께 혼합하여 슬러리 용액을 준비하고, 상기 슬러리 용액을 소정의 기재에 코팅한 후 열처리를 함으로써 연료전지용 양극을 제조할 수 있다. 상기 슬러리 용액은 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물 외에도 플루오라이트 구조를 갖는 제3 금속 산화물을 추가적으로 더 포함할 수 있다.For example, the above-described anode material for a fuel cell, that is, the first metal oxide having the perovskite structure and the second metal oxide having the spinel structure are mixed with a solvent to prepare a slurry solution, and the slurry solution is prescribed. By coating on the substrate of the heat treatment, the anode for fuel cells can be produced. The slurry solution may further include a third metal oxide having a fluorite structure in addition to the first metal oxide and the second metal oxide.

상기 슬러리 용액이 코팅되는 기재는 고체산화물 전해질, 예를 들어 지르코니아계, 세리아계 및 란타늄 갈레이트계 고체 전해질로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 고체산화물 전해질일 수 있다. 구체적인 예로는, 이트륨 및 스칸듐 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 지르코니아계; 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 세리아계; 및 스트론튬 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate)계로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 고체산화물 전해질이 사용될 수 있다. The substrate on which the slurry solution is coated may be a solid oxide electrolyte, for example, a solid oxide electrolyte including at least one selected from zirconia-based, ceria-based and lanthanum gallate-based solid electrolytes. Specific examples include zirconia-based or doped with at least one of yttrium and scandium; Ceria based or not doped with at least one of gadolinium, samarium, lanthanum, ytterbium and neodymium; And a lanthanum gallate system, which is doped or undoped with at least one of strontium and magnesium, and a solid oxide electrolyte including at least one selected from the group consisting of lanthanum gallates.

여기서, 상기 슬러리 용액은 고체산화물 전해질 위에 스크린 프린팅, 딥코팅 등의 다양한 코팅방법을 이용하여 바로 코팅될 수 있다. 그러나, 상기 용액을 코팅하는 기재로서 고체산화물 전해질은, 전해질과 전극 사이의 반응을 보다 더 효과적으로 방지하기 위하여 반응방지층 등의 기능층을 추가로 더 포함할 수 있음을 배제하는 것은 아니다. Here, the slurry solution may be directly coated on the solid oxide electrolyte using various coating methods such as screen printing and dip coating. However, it is not excluded that the solid oxide electrolyte as the substrate for coating the solution may further include a functional layer such as a reaction prevention layer in order to more effectively prevent a reaction between the electrolyte and the electrode.

이와 같이 상기 용액이 코팅된 기재를 열처리하여 양극층을 형성시킨다. 상기 열처리는 700℃ 이상, 1000℃ 미만의 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리는 800℃ 내지 900℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 온도 범위에서 열처리를 함으로써, 연료전지용 양극 소재에 포함된 페로브스카이트 구조의 제1 금속 산화물과 스피넬 구조의 제2 금속 산화물의 전기적 성질 및 미세구조가 변화함이 없이 양극의 분극저항을 감소시킬 수 있는 양극층을 제조할 수 있다. 이는 통상 800℃ 이하의 중저온용 SOFC의 작동온도를 고려할 때, 상기 열처리 온도에서 제조된 양극은 SOFC 작동 후에도 안정적으로 혼합전도체로서 작용할 수 있다. 상기 열처리는 기존에 페로브스카이트계 양극 소재를 열처리하는 온도에 비하여 저온에서 수행되는 것이며, 이와 같은 열처리 온도의 저감은 양극과 전해질 사이의 반응을 억제하여 부도체상의 형성을 가능한 한 방지할 수 있다.As such, the solution-coated substrate is heat-treated to form an anode layer. The heat treatment may be carried out at a temperature of 700 ℃ or less, less than 1000 ℃. For example, the heat treatment may be performed at a temperature of 800 ℃ to 900 ℃. By heat treatment in the above temperature range, the polarization resistance of the anode is reduced without changing the electrical properties and microstructures of the perovskite structure first metal oxide and spinel structure second metal oxide contained in the anode material for fuel cell. The anode layer which can be made can be manufactured. When considering the operating temperature of the low-temperature SOFC is usually 800 ℃ or less, the anode prepared at the heat treatment temperature can be stably function as a mixed conductor even after the SOFC operation. The heat treatment is performed at a low temperature compared to the temperature for heat-treating the perovskite-based positive electrode material, the reduction of the heat treatment temperature can prevent the formation of the non-conductive phase as possible by inhibiting the reaction between the positive electrode and the electrolyte.

이와 같이 제조된 연료전지용 양극에는 필요에 따라 당해 기술분야에 사용되는 일반적인 양극재료를 포함하는 제2의 양극층 및/또는 전기집전층을 추가로 형성할 수 있다.In the fuel cell anode manufactured as described above, a second anode layer and / or an electrical current collector layer including a general anode material used in the art may be further formed as necessary.

본 발명이 또 다른 측면에서는, 상기 연료전지용 양극 소재를 포함하는 양극; 상기 양극에 대향하여 배치되는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 배치되는 고체산화물 전해질;을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다. In another aspect, the present invention, the anode comprising the anode material for the fuel cell; A cathode disposed opposite the anode; And a solid oxide electrolyte disposed between the anode and the cathode.

도 1은 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 고체산화물 연료전지(10)는 고체산화물 전해질(11)을 중심으로 양쪽에 양극(12) 및 음극(13)이 배치된다. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a solid oxide fuel cell according to one embodiment. Referring to FIG. 1, in the solid oxide fuel cell 10, an anode 12 and a cathode 13 are disposed on both sides of the solid oxide electrolyte 11.

고체산화물 전해질(11)은 공기와 연료가 혼합되지 않도록 치밀해야 하고 산소이온 전도도가 높고 전자전도도가 낮아야 한다. 또한, 상기 전해질(11)은 양쪽에 산소 분압차가 아주 큰 양극(12)과 음극(13)이 위치하므로 넓은 산소분압 영역에서 위의 물성을 유지할 필요가 있다. The solid oxide electrolyte 11 must be dense so that air and fuel are not mixed, and have high oxygen ion conductivity and low electron conductivity. In addition, since the positive electrode 12 and the negative electrode 13 having a large oxygen partial pressure difference are positioned at both sides of the electrolyte 11, it is necessary to maintain the above physical properties in a wide oxygen partial pressure region.

이러한 고체산화물 전해질(11)을 구성하는 재료로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 지르코니아계, 세리아계 및 란타늄 갈레이트계 고체 전해질로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고체산화물 전해질(11)로는 이트륨 및 스칸듐 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 지르코니아계; 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 세리아계; 및 스트론튬 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate)계로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함이트리아 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 사용할 수 있다. The material constituting the solid oxide electrolyte 11 is not particularly limited as long as it can be generally used in the art, and includes at least one selected from zirconia-based, ceria-based and lanthanum gallate-based solid electrolytes. can do. For example, the solid oxide electrolyte 11 may include a zirconia based doped or undoped with at least one of yttrium and scandium; Ceria based or not doped with at least one of gadolinium, samarium, lanthanum, ytterbium and neodymium; And at least one selected from the group consisting of a lanthanum gallate system doped or undoped with at least one of strontium and magnesium; a stabilized zirconia system such as yttria stabilized zirconia (YSZ) and scandia stabilized zirconia (ScSZ); Ceria systems doped with rare earth elements such as samaria-doped ceria (SDC), gadolinia-doped ceria (GDC) and the like; Other LSGM ((La, Sr) (Ga, Mg) O 3 ) systems can be used.

상기 고체산화물 전해질(11)의 두께는 통상 10nm 내지 100μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 고체산화물 전해질(11)의 두께는 100nm 내지 50μm일 수 있다. The solid oxide electrolyte 11 may have a thickness of about 10 nm to about 100 μm. For example, the thickness of the solid oxide electrolyte 11 may be 100 nm to 50 μm.

음극(13, 연료극)은 연료의 전기화학적 산화와 전하 전달 역할을 한다. 따라서 음극 촉매는 연료 산화 촉매 물성이 아주 중요하고 전해질 재료와 화학적으로 안정하고 열팽창 계수도 유사한 것을 사용하는 것이 좋다. 상기 음극(13)은 고체산화물 전해질(11)을 형성하는 재료와 니켈 옥사이드 등이 혼합된 서머트(cermet)를 포함할 수 있다. 예를 들어, YSZ를 전해질로 사용하는 경우, 음극(13)으로는 Ni/YSZ 복합체(ceramic-metallic composite)을 사용할 수 있다. 이외에도 Ru/YSZ 서머트나 Ni, Co, Ru, Pt 등의 순수 금속 등을 음극(13) 재료로 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 음극(13)은 필요에 따라 활성탄소를 추가로 포함할 수 있다. 상기 음극(13)은 연료가스가 잘 확산되어 들어갈 수 있도록 다공성을 가지는 것이 좋다. The cathode 13 (electrode) serves as electrochemical oxidation and charge transfer of the fuel. Therefore, it is preferable to use a cathode catalyst which is chemically stable and has a similar thermal expansion coefficient to the electrolytic material. The cathode 13 may include cermet in which a material for forming the solid oxide electrolyte 11 and nickel oxide are mixed. For example, when YSZ is used as an electrolyte, a Ni / YSZ composite (ceramic-metallic composite) may be used as the negative electrode 13. In addition, a pure metal such as Ru / YSZ Somer, Ni, Co, Ru, or Pt may be used as the material of the anode 13, but is not limited thereto. The negative electrode 13 may further include activated carbon as necessary. The cathode 13 may have a porosity so that fuel gas can be diffused well.

상기 음극(13)의 두께는 통상 1 내지 1000 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 음극(13)의 두께는 5 내지 100 μm일 수 있다. The negative electrode 13 may have a thickness of about 1 μm to 1000 μm. For example, the thickness of the cathode 13 may be 5 to 100 μm.

상기 양극(12, 공기극)은 산소가스를 산소이온으로 환원시키며, 양극(12)에 공기를 계속 흘려주어 일정한 산소 분압을 유지하도록 유지시켜 준다. 상기 양극(12)은 전술한 바와 같이 페로브스카이트 구조의 제1 금속 산화물과 스피넬 구조의 제2 금속 산화물을 포함하는 연료전지용 양극 소재를 포함한다. 상기 연료전지용 양극 소재에 대해서는 전술한 바와 같으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다. The anode 12 reduces the oxygen gas to oxygen ions and maintains a constant oxygen partial pressure by continuously flowing air to the anode 12. As described above, the anode 12 includes a fuel cell anode material including a first metal oxide having a perovskite structure and a second metal oxide having a spinel structure. Since the anode material for the fuel cell is as described above, a detailed description thereof will be omitted.

상기 양극(12)의 두께는 통상 1 내지 100 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 양극(12)의 두께는 5 내지 50 μm일 수 있다.The positive electrode 12 may have a thickness of about 1 μm to about 100 μm. For example, the thickness of the first anode 12 may be 5 to 50 μm.

상기 양극(12)은 산소가스가 잘 확산되어 들어갈 수 있도록 다공성을 가지는 것이 좋다. 상기 양극(12)은 제조과정에서 중저온 열처리에 의해 고체산화물 전해질(11)과의 반응이 억제되어 이들 사이에 부도체층이 발생하는 것이 방지 또는 억제된다. 그러나, 필요에 따라 상기 양극(12)과 고체산화물 전해질(11) 사이에 이들 사이의 반응을 보다 더 효과적으로 방지하기 위하여 기능층을 더 포함할 수 있다. 이러한 기능층으로서 예를 들어, 가돌리늄 도프된 세리아(GDC), 사마륨 도프된 세리아(SDC) 및 이트륨 도프된 세리아(YDC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 기능층은 두께가 1 내지 50 μm, 예를 들어 2 내지 10 μm의 범위일 수 있다. It is preferable that the anode 12 has porosity so that oxygen gas can be diffused and entered. The anode 12 is prevented or suppressed from reacting with the solid oxide electrolyte 11 due to the low-temperature heat treatment during the manufacturing process, and the generation of the non-conductive layer therebetween. However, it may further include a functional layer between the anode 12 and the solid oxide electrolyte 11 to prevent the reaction therebetween more effectively, if necessary. Such functional layers may include, for example, at least one selected from the group consisting of gadolinium doped ceria (GDC), samarium doped ceria (SDC), and yttrium doped ceria (YDC). The functional layer may have a thickness ranging from 1 to 50 μm, for example, from 2 to 10 μm.

일 구현예에 따르면, 상기 고체산화물 연료전지(10)는 상기 양극(12)의 적어도 한 측면, 예를 들어 양극(12)의 바깥 측면에 전자전도체를 포함하는 전기집전층을 더 포함할 수 있다. 상기 전기집전층은 양극 구성에 있어서 전기를 모으는 집전체(current collector) 역할을 할 수 있다.According to an embodiment, the solid oxide fuel cell 10 may further include an electrical current collector layer including an electron conductor on at least one side of the anode 12, for example, an outer side of the anode 12. . The electric current collector layer may serve as a current collector for collecting electricity in the anode structure.

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

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

이하에서, 본 발명을 하기 실시예를 들어 예시하기로 하되, 본 발명의 보호범위가 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be exemplified by the following examples, but the protection scope of the present invention is not limited only to the following examples.

제조예Manufacturing example 1: 양극 소재의 제조(1) 1: Fabrication of Anode Material (1)

페로브스카이트 소재로서 Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O3 분말을 EDTA-citric method를 이용하여 합성하였다. 구체적으로는, Ba(NO3)2 3.5630g, Sr(NO3)2 2.8853g, Co(NO3)3?6H2O 6.3485g, Fe(NO3)3?9H2O 2.2031g과 EDTA 9.15g 및 citric acid 6.10g을 증류수 150ml에 넣고 완전히 녹을 때까지 마그네틱 바를 이용하여 교반하였다. 유기성분을 제거하기 위하여 상기 용액을 250℃의 핫플레이트 위에서 12시간동안 유지시키고, 건조 분말을 수득하였다. 수득한 분말을 900℃에서 2시간동안 열처리함으로써 페로브스카이트 구조를 갖는 Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O3 (실시예와 관련하여, 이하에서 'BSCF'라 약칭함) 분말을 수득하였다. A perovskite material Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O 3 Powders were synthesized using the EDTA-citric method. Specifically, Ba (NO 3) 2 3.5630g , Sr (NO 3) 2 2.8853g, Co (NO 3) 3? 6H 2 O 6.3485g, Fe (NO 3) 3? 9H 2 O 2.2031g EDTA and 9.15 6 g and citric acid were added to 150 ml of distilled water and stirred using a magnetic bar until completely dissolved. The solution was held on a hotplate at 250 ° C. for 12 hours to remove organic components and a dry powder was obtained. By the two-hours' heat treatment of the powder obtained in 900 ℃ Ba 0 .5 having a perovskite structure Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O 3 A powder was obtained (referred to below as 'BSCF', in connection with the Examples).

위에서 얻은 BSCF와 스피넬 구조의 Co3O4 상용분말(Aldrich사, m.p. 895℃)을 각각 95wt% 및 5wt%의 함량으로 측량하고, 에탄올 미디어에 지르코니아볼을 이용한 볼밀링을 실시하여 혼합하였으며, 믹싱 완료 후 오븐에서 건조시켜 양극 소재를 수득하였다.
BSCF and the spinel structure of Co 3 O 4 commercial powder (Aldrich, mp 895 ℃) was measured in the content of 95wt% and 5wt%, respectively, ethanol media was mixed by ball milling using zirconia ball, mixing After completion, it was dried in an oven to obtain a positive electrode material.

제조예Manufacturing example 2: 양극 소재의 제조(2) 2: Fabrication of Anode Material (2)

상기 제조예 1에서 BSCF 및 Co3O4를 각각 90wt% 및 10wt%의 함량으로 혼합한 것을 제외하고는 동일한 과정을 실시하여 양극 소재를 제조하였다.
A positive electrode material was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that BSCF and Co 3 O 4 were mixed in an amount of 90 wt% and 10 wt%, respectively.

제조예Manufacturing example 3: 양극 소재의 제조(3) 3: Fabrication of Anode Material (3)

상기 제조예 1에서 BSCF 및 Co3O4를 각각 80wt% 및 20wt%의 함량으로 혼합한 것을 제외하고는 동일한 과정을 실시하여 양극 소재를 제조하였다.
A positive electrode material was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that BSCF and Co 3 O 4 were mixed in an amount of 80 wt% and 20 wt%, respectively.

제조예Manufacturing example 4: 양극 소재의 제조(4) 4: Fabrication of Anode Material (4)

상기 제조예 1에서 BSCF 및 Co3O4를 각각 70wt% 및 30wt%의 함량으로 혼합한 것을 제외하고는 동일한 과정을 실시하여 양극 소재를 제조하였다.
A positive electrode material was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that BSCF and Co 3 O 4 were mixed in an amount of 70 wt% and 30 wt%, respectively.

제조예Manufacturing example 5: 양극 소재의 제조(5) 5: Fabrication of Anode Material (5)

상기 제조예 1에서 BSCF 및 Co3O4를 각각 60wt% 및 40wt%의 함량으로 혼합한 것을 제외하고는 동일한 과정을 실시하여 양극 소재를 제조하였다.
A positive electrode material was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that BSCF and Co 3 O 4 were mixed in an amount of 60 wt% and 40 wt%, respectively.

제조예Manufacturing example 6: 양극 소재의 제조(6) 6: Fabrication of Anode Material (6)

상기 제조예 1에서 페로브스카이트 소재로서 BSCF 대신 La0 .6Sr0 .4Co0 .2Fe0 .8O3 (실시예와 관련하여, 이하에서 'LSCF'라 약칭함)을 합성하여 사용한 것을 제외하고, 동일한 과정으로 실시하여 LSCF 95wt% 및 Co3O4 5wt%가 혼합된 양극 소재를 제조하였다. Instead BSCF as perovskite materials in Preparation Example 1 La 0 .6 Sr 0 .4 Co 0 .2 Fe 0 .8 O 3 Except for synthesizing (hereinafter referred to as 'LSCF') in connection with the embodiment, a cathode material in which LSCF 95 wt% and Co 3 O 4 5 wt% were mixed was performed in the same process.

여기서, 상기 LSCF는 BSCF와 마찬가지로 EDTA-citric method를 이용하여 합성하였으며, La(NO3)3?6H2O 5.3704g, Sr(NO3)2 1.7490g, Co(NO3)3?6H2O 1.2026g, Fe(NO3)3?9H2O 6.6778g과 EDTA 9.24g 및 citric acid 4.62g을 증류수 150ml에 넣고 완전히 용해시킨 용액을 이용하여 LSCF 분말을 합성하였다.
Here, the LSCF was synthesized using the EDTA-citric method like BSCF, La (NO 3 ) 3 ~ 6H 2 O 5.3704g, Sr (NO 3 ) 2 1.7490g, Co (NO 3 ) 3 ~ 6H 2 O LSCF powder was synthesized using 1.2026 g of Fe (NO 3 ) 3 ˜ 9H 2 O, 6.6778 g of EDTA, 9.24 g of EDTA, and 4.62 g of citric acid in 150 ml of distilled water.

제조예Manufacturing example 7: 양극 소재의 제조(7) 7: Fabrication of Anode Material (7)

상기 제조예 1에서 페로브스카이트 소재로서 BSCF 대신 Sm0 .5Sr0 .5CoO3 (실시예와 관련하여, 이하에서 'SSC'라 약칭함)을 합성하여 사용한 것을 제외하고, 동일한 과정으로 실시하여 SSC 95wt% 및 Co3O4 5wt%가 혼합된 양극 소재를 제조하였다. A perovskite material in Preparation Example 1 by the same procedure, except that instead of Sm 0 .5 Sr 0 .5 CoO 3 used to synthesize (in connection with the embodiments, hereinafter referred to hereinafter 'SSC') BSCF A positive electrode material was prepared by mixing 95 wt% of SSC and 5 wt% of Co 3 O 4 .

여기서, 상기 SSC는 BSCF와 마찬가지로 EDTA-citric method를 이용하여 합성하였으며, Sm(NO3)3?6H2O 5.2963g, Sr(NO3)2 2.5873g, Co(NO3)3?6H2O 7.1163g과 EDTA 9.62g 및 citric acid 4.81g을 증류수 150ml에 넣고 완전히 용해시킨 용액을 이용하여 SSC 분말을 합성하였다.
Here, the SSC was synthesized using the EDTA-citric method as in BSCF, S963 (Sm (NO 3 ) 3 ~ 6H 2 O 5.2963g, Sr (NO 3 ) 2 2.5873g, Co (NO 3 ) 3 ~ 6H 2 O SSC powder was synthesized by using 7.1163g, 9.62g of EDTA, and 4.81g of citric acid in 150ml of distilled water.

제조예Manufacturing example 8: 양극 소재의 제조(8) 8: Fabrication of Anode Material (8)

상기 제조예 1에서 Co3O4 대신 스피넬 구조의 Fe3O4 상용분말(Aldrich사, m.p. 1538℃)을 사용하여, BSCF 95wt% 및 Fe3O4 5wt%를 혼합한 것을 제외하고, 동일한 과정으로 실시하여 양극 소재를 제조하였다.
The same procedure as in Preparation Example 1, except using a mixture of BSCF 95wt% and Fe 3 O 4 5wt% using a Fe 3 O 4 commercial powder (Aldrich, mp 1538 ℃) of the spinel structure instead of Co 3 O 4 The anode material was prepared.

제조예Manufacturing example 9: 양극 소재의 제조(9) 9: Fabrication of Anode Material (9)

상기 제조예 1에서 Co3O4 대신 스피넬 구조의 Mn3O4 상용분말(Aldrich사, m.p. 1564℃)을 사용하여, BSCF 95wt% 및 Mn3O4 5wt%를 혼합한 것을 제외하고, 동일한 과정으로 실시하여 양극 소재를 제조하였다.
The same procedure as in Preparation Example 1, except for mixing BSCF 95wt% and Mn 3 O 4 5wt% using Mn 3 O 4 commercial powder (Aldrich, mp 1564 ℃) of the spinel structure instead of Co 3 O 4 The anode material was prepared.

제조예Manufacturing example 10: 양극 소재의 제조(10) 10: Fabrication of Anode Material (10)

플루오라이트 소재로서 SNDC (Ce0 .8Sm0 .15Nd0 .05O2) 분말을 고상반응법 (solid state reaction)을 이용하여 합성하였다. 구체적으로는, CeO2 7.993g, Sm2O3 1.518g, Nd2O3 0.488g 을 에탄올 100ml과 상용 지르코니아볼과 함께 플라스틱 통에 넣고 12시간 볼 밀링하였다. 볼 밀링 후 80℃의 핫플레이트 위에서 10시간동안 유지시키고, 건조 분말을 수득하였다. 수득한 분말을 1200℃에서 2시간동안 열처리함으로써 플루오라이트 구조를 갖는 SNDC 분말을 수득하였다. Fluoro as light materials were synthesized by the SNDC (Ce 0 .8 Sm 0 .15 Nd 0 .05 O 2) powdered solid-phase reaction method (solid state reaction) the. Specifically, 7.993 g of CeO 2, 1.518 g of Sm 2 O 3 and 0.488 g of Nd 2 O 3 were placed in a plastic barrel together with 100 ml of ethanol and commercial zirconia balls and ball milled for 12 hours. After ball milling it was maintained on a hotplate at 80 ° C. for 10 hours to obtain dry powder. The obtained powder was heat treated at 1200 ° C. for 2 hours to obtain a SNDC powder having a fluorite structure.

상기 제조예 1에서 수득한 페로브스카이트 구조의 BSCF, 스피넬 구조의 Co3O4 상용분말(Aldrich사)과 플로라이트 구조의 SNDC를 각각 72wt%, 8wt%, 20wt%의 함량으로 측량하고, 에탄올 미디어에 지르코니아볼을 이용한 볼밀링을 실시하여 혼합하였으며, 믹싱 완료 후 오븐에서 건조시켜 양극 소재를 수득하였다. 위 함량은 0.8{(BSCF)0.9 + (Co3O4)0.1} + 0.2SNDC에 해당한다.
BSCF of the perovskite structure obtained in Preparation Example 1, Co 3 O 4 commercial powder of the spinel structure (Aldrich) and SNDC of the polite structure were measured in the content of 72wt%, 8wt%, 20wt%, respectively, ethanol The media were subjected to ball milling using zirconia balls and mixed, and dried in an oven after mixing was completed to obtain a positive electrode material. The above content corresponds to 0.8 {(BSCF) 0.9 + (Co3O4) 0.1} + 0.2SNDC.

평가예Evaluation example 1: 양극 소재의  1: anode material XRDXRD 패턴 측정 Pattern measurement

페로브스카이트 소재와 스피넬 소재 간의 반응여부를 알아보기 위하여, 상기 제조예 1-5의 양극 소재를 1000℃에서 열처리 한 후, CuKα선을 이용하여 X선 회절 패턴을 측정하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. X선 회절 패턴의 비교를 위하여, 제조예 1에서 사용된 BSCF와 Co3O4 각각의 X선 회절 패턴을 도 7에 함께 나타내었다. In order to determine the reaction between the perovskite material and the spinel material, the cathode material of Preparation Example 1-5 was heat-treated at 1000 ° C., and then X-ray diffraction patterns were measured using CuKα rays, and the results are illustrated. 2 is shown. In order to compare the X-ray diffraction patterns, the X-ray diffraction patterns of each of the BSCF and Co 3 O 4 used in Preparation Example 1 are shown together in FIG. 7.

도 2에서 보는 바와 같이, Co3O4의 함유량을 변화시킨 BSCF 및 Co3O4을 포함하는 양극 소재는 1000℃에서 열처리 후에도 각각의 BSCF 상과 Co3O4 상이 유지되고 있는 것을 알 수 있으며, 다른 제2의 상은 발견되지 않았다. 이는 수득된 양극 소재가 물리적으로 혼합된 상태임을 의미한다.
As shown in FIG. 2, Co 3 O positive electrode material comprising a BSCF and Co 3 O 4 was changed to a content of 4 is found that, even after heat treatment at 1000 ℃ and held each BSCF phase and Co 3 O 4 phase, and , No other second phase was found. This means that the obtained positive electrode material is in a physically mixed state.

평가예Evaluation example 2: 양극 소재의 전기전도도 측정 2: Measurement of conductivity of anode material

상기 제조예 1-5의 양극 소재의 전기전도도를 분석하기 위하여 4-프로브 DC 법을 이용하였다. 금속몰드를 이용하여 각각의 양극 소재 분말을 벌크형태로 성형한 후 소결하여 동전모양의 벌크체를 수득하였고 다이아몬드 컷터를 이용하여 벌크체를 깍아 사각바 형태로 제작하였다. 사각바의 가로, 세로, 높이는 각각 1.5cm, 0.3cm, 0.3cm이었다. 이렇게 제작한 벌크체에 대해 current-voltage source meter (K2400, Keithley)를 이용하여 300℃에서 900℃까지 공기 중에서 전기전도도를 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다. 전기전도도의 비교를 위하여, 제조예 1에서 사용된 BSCF와 Co3O4 의 전기전도도 측정결과를 도 3에 함께 나타내었다. A 4-probe DC method was used to analyze the electrical conductivity of the cathode material of Preparation Example 1-5. Each cathode material powder was molded into a bulk shape using a metal mold, and then sintered to obtain a coin-shaped bulk body. A diamond cutter was used to cut the bulk body to form a square bar. The width, length and height of the square bar were 1.5 cm, 0.3 cm and 0.3 cm, respectively. Thus prepared bulk was measured for electrical conductivity in air from 300 ℃ to 900 ℃ using a current-voltage source meter (K2400, Keithley) and the results are shown in FIG. In order to compare the electrical conductivity, the results of measuring the electrical conductivity of BSCF and Co 3 O 4 used in Preparation Example 1 are shown together in FIG. 3.

도 3에서 보는 바와 같이, BSCF 및 Co3O4가 혼합된 양극 소재는 500℃ 이상의 SOFC 작동온도 영역에서 BSCF보다 전기전도도가 더 높거나 유사한 수치를 보였으며, 특히, 800℃ 이하의 중저온 SOFC 작동온도 영역에서 상기 양극 소재가 유용하게 적용될 수 있을 것으로 확인되었다.
As shown in FIG. 3, the positive electrode material mixed with BSCF and Co 3 O 4 showed higher or similar electrical conductivity than BSCF in the SOFC operating temperature range of 500 ° C. or higher. In particular, the low-temperature SOFC below 800 ° C. It has been found that the anode material can be usefully applied in the operating temperature range.

실시예Example 1-5:  1-5: 단전지Single cell 셀의 제조 Manufacture of cells

음극지지체(anode supporter)로서 NiO 및 YSZ (Zr0 .84Y0 .16O2)가 혼합된 복합체 소재를 이용하였다. 벌크체는 몰드성형(die pressing) 방법으로 원통형상의 (직경: 30mm, 두께: 1mm)의 크기로 제조하였다. A composite material in which NiO and YSZ (Zr 0 .84 Y 0 .16 O 2 ) were mixed as an anode supporter was used. The bulk body was manufactured by a die pressing method in a cylindrical shape (diameter: 30 mm, thickness: 1 mm).

상기 음극지지체 위에 20μm의 두께를 갖도록 YSZ % Sc2O3-doped ZrO2)를 die pressing하고 1400℃에서 소결하여 고체전해질(solid electrolyte, SE)을 형성하였다. YSZ% Sc 2 O 3 -doped ZrO 2 ) was pressed on the anode support to have a thickness of 20 μm, and sintered at 1400 ° C. to form a solid electrolyte (SE).

상기 제조예 1, 6-9에서 얻은 각각의 양극 소재 1g를 상용 FCM Ink vehicle (VEH) 1ml를 사용하여 슬러리를 만들고, 이를 상기 고체전해질 상에 두께 10μm로 스크린 프린팅하여 양극층을 코팅한 다음, 800℃에서 2시간동안 열처리함으로써 단전지 셀을 완성하였다.
1 g of each cathode material obtained in Preparation Examples 1 and 6-9 was prepared using 1 ml of commercial FCM Ink vehicle (VEH), and the screen was printed on the solid electrolyte with a thickness of 10 μm to coat the anode layer. The unit cell was completed by heat treatment at 800 ° C. for 2 hours.

비교예Comparative example 1-3: 비교  1-3: Comparison 단전지Single cell 셀의 제조 Manufacture of cells

상기 실시예 1-5에서 사용된 양극 소재와의 출력밀도 비교를 위하여, 양극 소재로서 상기 제조예 1에서 합성한 BSCF (Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O3), 상기 제조예 6에서 합성한 LSCF (La0 .6Sr0 .4Co0 .2Fe0 .8O3) 및 상기 제조예 7에서 합성한 SSC (Sm0.5Sr0.5CoO3)를 각각 이용하여 양극층을 코팅하여 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1-5와 동일한 과정을 실시하여 비교 단전지 셀 1, 2, 3을 각각 완성하였다.
In order to compare the power density of the positive electrode material used in Example 1-5, as the positive electrode material by BSCF synthesized in Preparative Example 1 (Ba 0 .5 Sr 0 .5 Co 0 .8 Fe 0 .2 O 3) , the above prepared LSCF synthesized in example 6 (La 0 .6 Sr 0 .4 Co 0 .2 Fe 0 .8 O 3) and respectively using a SSC (Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 ) synthesized in Preparative example 7 Except that formed by coating the positive electrode layer, the same procedure as in Example 1-5 was carried out to complete the comparative unit cells 1, 2, 3 respectively.

평가예Evaluation example 3: 전류-전압 및 출력밀도 측정 3: Current-Voltage and Power Density Measurements

상기 실시예 1-5 및 비교예 1-3의 단전지 셀에 대하여 I-V/I-P 측정 (여기서, I: current, 전류, V: voltage, 전압, P: power density, 파워)을 수행하였다. 공기극(양극)엔 산소를, 연료극(음극)엔 수소가스를 넣어 주었을 때 OCV (open circuit voltage)를 1V 이상 얻을 수 있었다. I-V 데이타를 얻기 위해 전류를 0 A(암페어)에서 수 A까지 증가시켜 가면서 전압강하(voltage-drop)를 측정하였다. 전압이 0 V가 될 때까지 전류를 증가시켜 가면서 측정하였다. I-P 는 I-V 데이타로부터 계산하여 얻을 수 있었다. I-V 및 I-P 측정 결과를 각각 도 4 내지 11에 나타내었다. 도 4 내지 11에서 흰색 도트는 각각의 측정온도에서의 I-V 관계를 플롯한 그래프이고, 검정색 도트는 I-V 그래프로부터 계산한 출력밀도를 플롯한 그래프이다. I-V / I-P measurement (here, I: current, current, V: voltage, voltage, P: power density, and power) was performed on the unit cells of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-3. When oxygen was added to the cathode (anode) and hydrogen gas was added to the anode (cathode), an OCV (open circuit voltage) of 1 V or more was obtained. The voltage-drop was measured by increasing the current from 0 A (amps) to several A to obtain I-V data. The measurement was made while increasing the current until the voltage became 0V. I-P can be obtained by calculating from I-V data. I-V and I-P measurement results are shown in FIGS. 4 to 11, respectively. 4 to 11, white dots are graphs plotting I-V relationships at respective measurement temperatures, and black dots are graphs plotting output density calculated from I-V graphs.

도 4는 BSCF와 Co3O4 혼합 양극 소재를 사용한 실시예 1의 단전지 셀의 I-V 측정결과이며, 도 5는 Co3O4 없이 BSCF 양극 소재만 적용한 비교예 1의 비교 단전지 셀의 I-V 측정결과이다. 도 4를 참조하면, 음극지지체 지르코니아 고체전해질 위에 코팅된 BSCF (95wt%) 및 Co3O4 (5wt%)가 혼합된 양극층은 연료전지 성능이 매우 우수한 것으로 나타났다. 즉, 750℃에서는 약 1.2W/㎠의 최대출력밀도를 나타냈으며, 700℃에서는 약 0.8W/㎠의 최대출력밀도를 나타내었다. 이는 통상적으로 알려진 지르코니아 전해질셀에 있어서 매우 우수한 값에 해당된다. Co3O4 없이 BSCF 양극 소재만 적용한 비교예 1의 비교 단전지 셀의 경우, BSCF와 지르코니아 고체전해질 사이의 반응으로 성능이 현저히 감소된 것을 알 수 있다.4 is an IV measurement result of a unit cell of Example 1 using a BSCF and Co 3 O 4 mixed cathode material, Figure 5 is an IV of a comparative unit cell of Comparative Example 1 applied only to the BSCF cathode material without Co 3 O 4 The measurement result. Referring to FIG. 4, a cathode layer mixed with BSCF (95 wt%) and Co 3 O 4 (5 wt%) coated on the cathode support zirconia solid electrolyte was found to have excellent fuel cell performance. That is, the maximum output density of about 1.2W / ㎠ at 750 ℃ was shown, and the maximum output density of about 0.8W / ㎠ at 700 ℃. This is a very good value for commonly known zirconia electrolyte cells. In the case of the comparative single cell of Comparative Example 1 in which only BSCF cathode material was applied without Co 3 O 4 , the performance between the BSCF and the zirconia solid electrolyte was significantly reduced.

도 6은 다른 페로브스카이트 소재인 LSCF와 Co3O4의 혼합 양극 소재를 사용한 실시예 2의 단전지 셀의 I-V 측정결과이며, 도 7은 Co3O4 없이 LSCF 양극 소재만 적용한 비교예 2의 비교 단전지 셀의 I-V 측정결과이다. 도 6 및 7에서 보는 바와 같이, LSCF와 Co3O4가 혼합된 양극층은 연료전지 성능이 LSCF 단독으로 사용한 것과 비교할 때 매우 우수한 것을 알 수 있다. 6 is an IV measurement result of a unit cell of Example 2 using a mixed cathode material of LSCF and Co 3 O 4 , which are other perovskite materials, and FIG. 7 is a comparative example in which only an LSCF cathode material is applied without Co 3 O 4 . IV measurement result of the comparative single cell of 2. As shown in Figures 6 and 7, it can be seen that the anode layer mixed with LSCF and Co 3 O 4 has a very good fuel cell performance compared to that used with LSCF alone.

도 8은 또 다른 페로브스카이트 소재인 SSC와 Co3O4의 혼합 양극 소재를 사용한 실시예 3의 단전지 셀의 I-V 측정결과이며, 도 9는 Co3O4 없이 SSC 양극 소재만 적용한 비교예 3의 비교 단전지 셀의 I-V 측정결과이다. 도 8 및 9에서 보는 바와 같이, SSC와 Co3O4가 혼합된 양극층은 마찬가지로 연료전지 성능이 SSC 단독으로 사용한 것과 비교할 때 매우 우수한 것을 알 수 있다. FIG. 8 is an IV measurement result of the unit cell of Example 3 using a mixed cathode material of SSC and Co 3 O 4 , which is another perovskite material, and FIG. 9 is a comparison of SSC cathode material without Co 3 O 4 . IV measurement result of the comparative unit cell of Example 3. As shown in FIGS. 8 and 9, it can be seen that the anode layer in which SSC and Co 3 O 4 are mixed is similarly excellent in fuel cell performance compared to that of SSC alone.

한편, 도 10은 BSCF와 다른 스피넬 소재인 Fe3O4의 혼합 양극 소재를 사용한 실시예 4의 단전지 셀의 I-V 측정결과이며, 도 11은 BSCF와 Mn3O4의 혼합 양극 소재를 사용한 실시예 5의 단전지 셀의 I-V 측정결과이다. 도 10 및 11에서 보는 바와 같이, Co3O4를 첨가한 것과 마찬가지로, 페로브스카이트 소재에 Fe3O4 또는 Mn3O4을 첨가한 양극소재도 연료전지 성능이 우수한 것을 알 수 있다. FIG. 10 is an IV measurement result of a unit cell of Example 4 using a mixed cathode material of Fe 3 O 4 , which is a BSCF and another spinel material, and FIG. 11 is an implementation using a mixed cathode material of BSCF and Mn 3 O 4 . IV measurement result of the unit cell of Example 5. As shown in FIGS. 10 and 11, the cathode material in which Fe 3 O 4 or Mn 3 O 4 is added to the perovskite material is also excellent in fuel cell performance as in the case of adding Co 3 O 4 .

실시예 1-5 및 비교예 1-3의 단전지 셀의 셀성능(peak power density)을 하기 표 1에 정리하였다. The peak power densities of the unit cell of Example 1-5 and Comparative Example 1-3 are summarized in Table 1 below.

도면drawing 양극조성Anode Composition 셀성능
(peak power density, mW/cm2)
Cell performance
(peak power density, mW / cm 2 )
600℃600 ℃ 650 ℃650 700 ℃700 ℃ 실시예 1Example 1 도 44 BSCF(95wt%)+ Co3O4(5wt%)BSCF (95 wt%) + Co 3 O 4 (5 wt%) 440440 14581458 17701770 비교예 1Comparative Example 1 도 55 BSCFBSCF 3030 6060 116116 실시예 2Example 2 도 66 LSCF(95wt%)+Co3O4(5wt%)LSCF (95 wt%) + Co 3 O 4 (5 wt%) 336336 581581 876876 비교예 2Comparative Example 2 도 77 LSCFLSCF 77 1515 5454 실시예 3Example 3 도 88 SSC(95wt%)+Co3O4(5wt%)SSC (95 wt%) + Co 3 O 4 (5 wt%) 222222 465465 805805 비교예 3Comparative Example 3 도 99 SSCSSC 1818 2727 4444 실시예 4Example 4 도 1010 BSCF(95wt%)+Fe3O4(5wt%)BSCF (95 wt%) + Fe 3 O 4 (5 wt%) 263263 460460 849849 실시예 5Example 5 도 1111 BSCF(95wt%)+Mn3O4(5wt%)BSCF (95 wt%) + Mn 3 O 4 (5 wt%) 387387 552552 832832

실시예Example 6:  6: 대칭셀의Symmetrical 제조(1) Manufacture (1)

스피넬 구조를 갖고 있는 Co3O4와 락솔트(rock salt) 구조를 갖고 있는 CoO이 양극성능에 미치는 효과를 확인하기 위하여, 전해질층을 중심으로 양 측면에 한 쌍의 양극층을 코팅한 대칭셀을 제조하였다. In order to confirm the effect of Co 3 O 4 with spinel structure and CoO with rock salt structure on the anode performance, a symmetric cell coated with a pair of anode layers on both sides of the electrolyte layer Was prepared.

상기 대칭셀에 있어서, 전해질층은 YSZ 상용분말 (Tosoh 상용분말, TZ-8Y)을 이용하여 제조하였으며, 상기 분말을 금속몰드에 넣어 성형(die pressing)하고, CIP (cold isostatic press, 200MPa의 압력을 인가)하여 압축한 후, 1550℃에서 소결하여 두께가 1mm이고 동전 모양의 벌크성형체를 수득하였다.   In the symmetrical cell, the electrolyte layer was prepared using YSZ commercial powder (Tosoh commercial powder, TZ-8Y), die pressing the powder into a metal mold, and press CIP (cold isostatic press, 200 MPa pressure). After pressing), and sintered at 1550 ° C. to obtain a bulk molded article having a thickness of 1 mm.

한편, 상기 전해질층 양단에 양극층을 형성하기 위하여, 상용분말 LSCF (La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3, Fuel Cell Materials사)에 상용분말 Co3O4 5wt%를 상용용매 (Vehicle, FCM)를 이용하여 막자사발로 섞어 슬러리를 제조한 후, 상기 YSZ 전해질층 양단에 두께 10μm로 스크린 프린팅하여 양극층을 코팅하였다. 코팅 후 전해질과의 접합을 위해 800℃에서 열처리함으로써 대칭셀을 완성하였다.
Meanwhile, in order to form an anode layer on both ends of the electrolyte layer, 5 wt% of commercial powder Co 3 O 4 was used in a commercial powder LSCF (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 , Fuel Cell Materials, Inc.) (Vehicle, FCM). After mixing with a mortar using a mortar to prepare a slurry, the positive electrode layer was coated by screen printing to a thickness of 10μm on both ends of the YSZ electrolyte layer. After coating, the symmetric cell was completed by heat treatment at 800 ° C. for bonding with the electrolyte.

비교예Comparative example 4: 비교  4: comparison 대칭셀의Symmetrical 제조(1) Manufacture (1)

상기 실시예 6에서 스피넬 구조를 갖고 있는 Co3O4 대신 락솔트 구조를 갖고 있는 CoO 상용분말을 첨가한 것을 제외하고는, 동일한 과정을 실시하여 비교 대칭셀을 제조하였다.
A comparative symmetric cell was prepared in the same manner as in Example 6, except that CoO commercial powder having a lacsalt structure was added instead of Co 3 O 4 having a spinel structure.

평가예Evaluation example 4: 임피던스 측정 4: impedance measurement

상기 실시예 6 및 비교예 4에서 제조된 대칭셀의 임피던스를 공기 분위기에서 측정하여, 그 결과를 도 12에 나타내었다. 임피던스 측정기로는 Materials mates사의 Materials mates 7260을 사용하였다. 또한, 단전지 셀의 작동온도는 650℃ 및 700℃에서 측정하였다. The impedance of the symmetric cells prepared in Example 6 and Comparative Example 4 was measured in an air atmosphere, and the results are shown in FIG. 12. Materials mates 7260 was used as an impedance measuring instrument. In addition, the operating temperature of the unit cell was measured at 650 ℃ and 700 ℃.

도 12에서 반원의 크기(반원의 지름)가 양극저항(Rca)의 크기이다. 도 12에서 보는 바와 같이, LSCF와 Co3O4의 혼합 양극 소재를 사용한 대칭셀(실시예 6)은 LSCF와 CoO의 혼합 양극 소재를 사용한 대칭셀(비교예 4)보다 반원의 크기가 작게 나타났다. 즉, 700℃에서 실시예 6의 양극저항은 약 0.7ohmcm2, 비교예 4의 양극저항은 약 0.9ohmcm2이고, 650℃에서 실시예 6의 양극저항은 약 2.0ohmcm2, 비교예 4의 양극저항은 약 2.6ohmcm2 이었으며, 이 결과는 하기 표 2에 정리하였다. 도 12 및 하기 표 1는 스핀넬 구조를 갖고 있는 Co3O4가 양극성능 측면에서 효과적인 첨가제임을 보여 준다. In FIG. 12, the size of the semicircle (the diameter of the semicircle) is the size of the anode resistance R ca. As shown in FIG. 12, the symmetric cell (Example 6) using the mixed anode material of LSCF and Co 3 O 4 was smaller in size than the symmetric cell (Comparative Example 4) using the mixed anode material of LSCF and CoO. . That is, at 700 ° C., the anode resistance of Example 6 is about 0.7 ohm cm 2 , and the cathode resistance of Comparative Example 4 is about 0.9 ohm cm 2 , and at 650 ° C., the anode resistance of Example 6 is about 2.0 ohm cm 2 , and the cathode of Comparative Example 4 The resistance was about 2.6 ohm cm 2 and the results are summarized in Table 2 below. 12 and Table 1 show that Co 3 O 4 having a spinel structure is an effective additive in terms of anode performance.

700℃에서의
양극저항 (ohmcm2)
At 700 ° C
Anode Resistance (ohmcm 2 )
650℃에서의
양극저항 (ohmcm2)
At 650 ° C
Anode Resistance (ohmcm 2 )
실시예 6Example 6 0.70.7 2.02.0 비교예 4Comparative Example 4 0.90.9 2.62.6

실시예Example 7-8 :  7-8: 대칭셀의Symmetrical 제조(2) Manufacture (2)

페로브스카이트 구조의 BSCF에 스피넬 구조의 Co3O4와 플루오라이트 구조의 SNDC를 첨가할 경우 전극저항의 변화 효과를 보기 위하여, 전해질층을 중심으로 양 측면에 한 쌍의 양극층을 코팅한 대칭셀을 제조하였다. 상기 대칭셀에 있어서, 전해질층은 YSZ 상용분말 (Tosoh 상용분말, TZ-8Y)을 이용하여 제조하였으며, 상기 분말을 금속몰드에 넣어 성형(die pressing)하고, CIP (cold isostatic press, 200MPa의 압력을 인가)하여 압축한 후, 1550℃에서 소결하여 두께가 1mm이고 동전 모양의 벌크성형체를 수득하였다. 상기 벌크성형체 양단에 GDC (Fuel Cell Materials사) 상용분말을 스크린 프린팅하여 코팅하고, 그 위에 BSCF + Co3O4 (제조예 2) 및 BSCF + Co3O4 + SNDC (제조예 10)의 양극 소재를 각각 상용용매 (Vehicle, FCM)를 이용하여 막자사발로 섞어 제조한 슬러리를 두께 10μm로 스크린 프린팅하여 양극층을 코팅하였다. 코팅 후 BSCF + Co3O4는 800℃에서, BSCF + Co3O4 + SNDC는 900℃에서 열처리함으로써 대칭셀을 완성하였다.
A pair of anode layers were coated on both sides of the electrolyte layer in order to see the effect of changing electrode resistance when spinel structure Co 3 O 4 and fluorite structure SNDC were added to the perovskite structure BSCF. Symmetrical cells were prepared. In the symmetrical cell, the electrolyte layer was prepared using YSZ commercial powder (Tosoh commercial powder, TZ-8Y), die pressing the powder into a metal mold, and press CIP (cold isostatic press, 200 MPa pressure). After pressing), and sintered at 1550 ° C. to obtain a bulk molded article having a thickness of 1 mm. On both ends of the bulk molded body, a commercial coating of GDC (Fuel Cell Materials) commercial powder is coated and coated thereon, and the anode of BSCF + Co 3 O 4 (Preparation Example 2) and BSCF + Co 3 O 4 + SNDC (Preparation Example 10) is coated thereon. The anodes were coated by screen printing a slurry prepared by mixing materials with a mortar using a commercial solvent (Vehicle, FCM) to a thickness of 10 μm. After coating, BSCF + Co 3 O 4 was heat treated at 800 ° C., and BSCF + Co 3 O 4 + SNDC was heat treated at 900 ° C. to complete the symmetric cell.

비교예Comparative example 4: 비교  4: comparison 대칭셀의Symmetrical 제조(2) Manufacture (2)

상기 실시예 7에서 양극 소재로서 BSCF를 단독으로 사용한 것을 제외하고는, 동일한 과정을 실시하여 비교 대칭셀을 제조하였다.
A comparative symmetric cell was prepared in the same manner as in Example 7, except that BSCF was used alone as a cathode material.

평가예Evaluation example 5: 임피던스 측정 5: Impedance measurement

상기 실시예 7-8 및 비교예 4에서 제조된 대칭셀의 임피던스를 공기 분위기에서 측정하여, 그 결과를 도 13에 나타내었다.The impedance of the symmetric cells prepared in Examples 7-8 and Comparative Example 4 was measured in an air atmosphere, and the results are shown in FIG. 13.

도 12와 마찬가지로, 도 13에서 반원의 크기(반원의 지름)가 양극저항(Rca)의 크기이다. 도 13에서 보는 바와 같이, BSCF 양극 소재를 단독으로 사용한 대칭셀 (비교예 5)보다 BSCF + Co3O4 혼합 양극 소재를 사용한 대칭셀 (실시예 7)의 반원의 크기가 더 작게 나타났으며, BSCF + Co3O4에 SNDC가 더 첨가된 대칭셀 (실시예 8)은 반원의 크기가 가장 작게 나타났다. 도 13은 플로라이트 구조를 갖는 이온전도체 SNDC가 양극성능 측면에서 스핀넬 구조 소재 (Co3O4)와 더불어 효과적인 첨가제임을 보여 준다. 도 12와 마찬가지로 반원의 크기 (x-축 intercepts, Rp)가 양극저항 (양극비저항) 이다.
As in FIG. 12, the size of the semicircle (the diameter of the semicircle) in FIG. 13 is the size of the anode resistance R ca. As shown in FIG. 13, the size of the semicircle of the symmetric cell (Example 7) using the BSCF + Co3O4 mixed anode material was smaller than that of the symmetric cell using the BSCF anode material alone (Comparative Example 5). The symmetrical cell (Example 8) in which SNDC was further added to Co 3 O 4 showed the smallest semicircle size. FIG. 13 shows that the ion conductor SNDC having a fluorite structure is an effective additive together with the spinel structure material (Co 3 O 4 ) in terms of anode performance. As in Fig. 12, the size of the semicircle (x-axis intercepts, R p ) is the anode resistance (anode specific resistance).

평가예Evaluation example 6: 양극비저항 측정 6: Anode Resistivity Measurement

실시예 7-8 및 비교예 5에서 제조된 대칭셀의 작동온도를 다양하게 변화시켜 가면서 각 셀의 임피던스를 공기 중에서 측정하였다. 작동온도에 대한 각 대칭셀의 양극비저항(Rp)의 아레니우스 플롯(Arrhenius plot)을 도 14에 나타내었다.The impedance of each cell was measured in air while varying the operating temperature of the symmetric cells prepared in Example 7-8 and Comparative Example 5. An Arrhenius plot of the anode resistivity (R p ) of each symmetric cell with respect to operating temperature is shown in FIG. 14.

도 14를 참조하면, BSCF + Co3O4 및 BSCF + Co3O4 + SNDC 혼합 양극 소재를 사용한 대칭셀(실시예 7, 8)의 양극비저항이 BSCF 양극 소재를 단독으로 사용한 대칭셀(비교예 5)의 양극비저항보다 작게 나타난 것을 알 수 있다. 그 중에서도, 이온전도성이 강화된 BSCF + Co3O4 + SNDC 혼합 양극 소재의 경우 가장 낮은 양극비저항(Rp)을 나타내었다.
Referring to FIG. 14, the anode resistivity of the symmetric cell (Examples 7 and 8) using the BSCF + Co 3 O 4 and BSCF + Co 3 O 4 + SNDC mixed anode materials is the anode resistivity of the symmetric cell (Comparative Example 5) using the BSCF anode material alone. It can be seen that smaller. Among them, BSCF + Co3O4 + SNDC mixed anode material with enhanced ion conductivity showed the lowest anode resistivity (R p ).

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, . Accordingly, the scope of protection of the present invention should be determined by the appended claims.

10: 고체산화물 연료전지 11: 고체산화물 전해질
12: 양극 13: 음극
10: solid oxide fuel cell 11: solid oxide electrolyte
12: anode 13: cathode

Claims (21)

페로브스카이트 구조를 갖는 제1 금속 산화물; 및
스피넬 구조를 갖는 제2 금속 산화물;을 포함하는 연료전지용 양극 소재.
A first metal oxide having a perovskite structure; And
A cathode material for a fuel cell comprising; a second metal oxide having a spinel structure.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 연료전지용 양극 소재:
[화학식 1]
ABO3 ±δ
상기 식중, A는 란탄족 원소 및 알칼리토금속 원소로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고,
B는 전이금속 원소로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고,
δ는 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다.
The method of claim 1,
The first metal oxide is a fuel cell anode material represented by Formula 1 below:
[Formula 1]
ABO 3 ± δ
Wherein A is at least one element selected from lanthanide elements and alkaline earth metal elements,
B is at least one element selected from transition metal elements,
? represents an excess of oxygen or a lack of oxygen.
제2항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물은 하기 화학식 2로 표시되는 연료전지용 양극 소재:
[화학식 2]
A'1- xA"xB'O3 ±δ
상기 식중, A'는 Ba, La 및 Sm으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고,
A"는 Sr, Ca 및 Ba으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로서, A'와 다르고,
B'는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, Nb, Cr 및 Sc로부터 선택되는 적어도 하나의 원소이고,
0 ≤ x < 1 이고,
δ는 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다.
The method of claim 2,
The first metal oxide is a fuel cell anode material represented by the following formula (2):
(2)
A ' 1- x A " x B'O 3 ± δ
Wherein A 'is at least one element selected from Ba, La and Sm,
A ″ is at least one element selected from Sr, Ca, and Ba, and is different from A ′.
B 'is at least one element selected from Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, Nb, Cr and Sc,
0 ≦ x <1,
? represents an excess of oxygen or a lack of oxygen.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물은 바륨 스트론튬 코발트 철 산화물(BSCF), 란타늄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 란타늄 스트론튬 크롬 망간 산화물(LSCM), 란타늄 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란타늄 스트론튬 철 산화물(LSF), 및 사마륨 스트론튬 코발트 산화물(SSC)로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 연료전지용 양극 소재.
The method of claim 1,
The first metal oxide is barium strontium cobalt iron oxide (BSCF), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), lanthanum strontium chromium manganese oxide (LSCM), lanthanum strontium manganese oxide (LSM), lanthanum A cathode material for a fuel cell comprising at least one selected from strontium iron oxide (LSF) and samarium strontium cobalt oxide (SSC).
제1항에 있어서,
상기 제2 금속 산화물은 하기 화학식 3으로 표시되는 연료전지용 양극 소재:
[화학식 3]
M3O4
상기 식중, M은 Co, Fe, Mn, V, Ti, Cr 및 이들의 합금으로부터 선택되는 적어도 하나이다.
The method of claim 1,
The second metal oxide is a cathode material for a fuel cell represented by Formula 3 below:
(3)
M 3 O 4
Wherein M is at least one selected from Co, Fe, Mn, V, Ti, Cr and alloys thereof.
제5항에 있어서,
상기 제2 금속 산화물은 Co3O4, Fe3O4 및 Mn3O4로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 연료전지용 양극 소재.
The method of claim 5,
The second metal oxide is a cathode material for a fuel cell comprising at least one selected from Co 3 O 4 , Fe 3 O 4 and Mn 3 O 4 .
제1항에 있어서,
상기 제2 금속 산화물의 융점(melting point)은 800℃ 내지 1,800℃인 연료전지용 양극 소재.
The method of claim 1,
Melting point of the second metal oxide (melting point) is a cathode material for a fuel cell is 800 ℃ to 1,800 ℃.
제7항에 있어서,
상기 제2 금속 산화물의 융점(melting point)은 900℃ 내지 1,500℃인 연료전지용 양극 소재.
The method of claim 7, wherein
Melting point of the second metal oxide (melting point) is a cathode material for a fuel cell is 900 ℃ to 1,500 ℃.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물이 60 내지 99 중량%의 범위로 포함되고, 상기 제2 금속 산화물이 1 내지 40 중량%의 범위로 포함되는 연료전지용 양극 소재.
The method of claim 1,
The first metal oxide is included in the range of 60 to 99% by weight, the second metal oxide is included in the range of 1 to 40% by weight of the cathode material for a fuel cell.
제9항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물이 70 내지 95 중량%의 범위로 포함되고, 상기 제2 금속 산화물이 5 내지 30 중량%의 범위로 포함되는 연료전지용 양극 소재.
10. The method of claim 9,
The first metal oxide is included in the range of 70 to 95% by weight, the second metal oxide is included in the range of 5 to 30% by weight of the cathode material for a fuel cell.
제9항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물이 80 내지 95 중량%의 범위로 포함되고, 상기 제2 금속 산화물이 5 내지 20 중량%의 범위로 포함되는 연료전지용 양극 소재.
10. The method of claim 9,
The first metal oxide is included in the range of 80 to 95% by weight, and the second metal oxide in the range of 5 to 20% by weight of the positive electrode material for a fuel cell.
제1항에 있어서,
플루오라이트(fluorite) 결정 구조를 갖는 제3 금속 산화물을 더 포함하는 연료전지용 양극 소재.
The method of claim 1,
A cathode material for a fuel cell further comprising a third metal oxide having a fluorite crystal structure.
제12항에 있어서,
상기 제3 금속 산화물은 1종 이상의 란탄계 이종원소로 도핑되는 세리아계 금속 산화물인 연료전지용 양극 소재.
The method of claim 12,
The third metal oxide is a ceria-based metal oxide doped with one or more lanthanum heteroatoms.
제12항에 있어서,
상기 제3 금속 산화물은 하기 화학식 4로 표시되는 연료전지용 양극 소재:
[화학식 4]
Ce1 - yM'yO2
상기 식중, M'는 La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy 및 이들의 합금으로부터 선택되는 적어도 하나이고, 0 < y < 1 이다.
The method of claim 12,
The third metal oxide is a cathode material for a fuel cell represented by the following formula (4):
[Chemical Formula 4]
Ce 1 - y M ' y O 2
Wherein M ′ is at least one selected from La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, and alloys thereof, and 0 <y <1.
제14항에 있어서,
상기 M'는 Sm과 Pr, Nd, Pm, 및 이들의 합금으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 연료전지용 양극 소재.
15. The method of claim 14,
M 'is a cathode material for a fuel cell comprising Sm and at least one element selected from Pr, Nd, Pm, and alloys thereof.
제12항에 있어서,
상기 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물의 합과 상기 제3 금속 산화물의 중량비는 99:1 내지 60:40 인 연료전지용 양극 소재.
The method of claim 12,
The weight ratio of the sum of the first metal oxide and the second metal oxide to the third metal oxide is 99: 1 to 60:40.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 양극 소재를 포함하는 연료전지용 양극.A fuel cell anode comprising the anode material for a fuel cell according to any one of claims 1 to 16. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 양극 소재를 포함하는 양극;
상기 양극에 대향하여 배치되는 음극; 및
상기 양극과 음극 사이에 배치되는 고체산화물 전해질;을 포함하는 고체산화물 연료전지.
A positive electrode comprising a positive electrode material for a fuel cell according to any one of claims 1 to 16;
A cathode disposed opposite the anode; And
And a solid oxide electrolyte disposed between the anode and the cathode.
제18항에 있어서,
상기 고체산화물 전해질이 지르코니아계, 세리아계 및 란타늄 갈레이트계 고체 전해질로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 고체산화물 연료전지.
19. The method of claim 18,
And a solid oxide electrolyte comprising at least one selected from zirconia-based, ceria-based and lanthanum gallate-based solid electrolytes.
제18항에 있어서,
상기 양극의 바깥 측면에 전기집전층을 더 포함하고, 상기 전기집전층은, 란타늄 코발트 산화물(LaCoO3), 란타늄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF) 및 란타늄 스트론튬 철 산화물(LSF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 고체산화물 연료전지.
19. The method of claim 18,
Further comprising an electrical current collector layer on the outer side of the anode, the electrical current collector layer, lanthanum cobalt oxide (LaCoO 3 ), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF) and lanthanum strontium iron oxide ( LSF) Solid oxide fuel cell comprising at least one selected from the group consisting of.
제18항에 있어서,
상기 양극과 상기 고체산화물 전해질 사이에 이들 사이의 반응을 방지 또는 억제하는 기능층을 더 포함하고, 상기 기능층은 가돌리늄 도프된 세리아(GDC), 사마륨 도프된 세리아(SDC) 및 이트륨 도프딘 세리아(YDC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 고체산화물 연료전지.
19. The method of claim 18,
Further comprising a functional layer to prevent or inhibit the reaction between the positive electrode and the solid oxide electrolyte, the functional layer is gadolinium doped ceria (GDC), samarium doped ceria (SDC) and yttrium dopedin ceria ( YDC) solid oxide fuel cell comprising at least one selected from the group consisting of.
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