KR20120139384A - Reforming composite material, and anode structure for fuel cell and solid oxide fuel cell including the material - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A reforming composite material capable of improving coke resistance of cathode, a cathode structure for fuel cells and a solid oxide fuel cell adopting the same are provided to drastically increase conductivity. CONSTITUTION: A reforming composite material comprises supported catalyst which includes nickel metal, alkali series metal, lanthanum based metal and group 11 transition metals. The cathode structure for the fuel cells comprises a negative electrode layer, and a reforming layer is placed on one or more sides and includes a reforming layer. The solid oxide fuel cell contains cathod, positive electrode, and solid oxide elctrolyte.

Description

리포밍 복합 소재, 이를 채용한 연료전지용 음극 구조체 및 고체산화물 연료전지{Reforming composite material, and anode structure for fuel cell and solid oxide fuel cell including the material}Reforming composite material, and anode structure for fuel cell and solid oxide fuel cell including the material}

리포밍 복합 소재, 이를 채용한 연료전지용 음극 구조체 및 고체산화물 연료전지가 제시된다. A reforming composite material, a cathode structure for a fuel cell and a solid oxide fuel cell employing the same are provided.

고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)는 고체산화물을 전해질로 하여 연료극(음극)에는 수소나 탄화수소의 연료를, 공기극(양극)에는 산소를 흘려주어 전기를 발생시키는 장치이다. SOFC의 연료극은 연료의 전기화학적 산화와 전자 전달 역할을 한다. 기존의 YSZ를 전해질로 사용하고 연료로 CO와 H2를 사용하는 시스템에는 연료극으로 Ni-YSZ 도성합금(cermet: ceramic-metallic composite)이 널리 사용되고 있다. A solid oxide fuel cell (SOFC) is a device that generates electricity by flowing a fuel of hydrogen or hydrocarbon to the anode (cathode) and oxygen to the cathode (anode) using a solid oxide as an electrolyte. The anode of SOFC plays the role of electrochemical oxidation and electron transfer of fuel. Ni-YSZ ceramics (ceramic-metallic composites) are widely used as anodes in systems using YSZ as an electrolyte and CO and H 2 as fuels.

저온용 연료전지로서 SOFC는 수소뿐만 아니라 탄화수소계 연료도 사용가능하다는 점에서 연료 선택의 폭이 넓다는 이점이 있다. 현재 화석 연료를 저온용 연료전지에 사용하기 위해서는 화석 연료의 개질 반응 후 추가적인 정제 과정이 필요하지만, SOFC는 개질된 화석 연료를 정제 과정을 거치지 않고 바로 사용할 수 있다. 어느 정도의 탄화수소가 연료에 포함되어 있기 때문이다. 나아가, SOFC는 LNG 등의 화석 연료를 개질 반응 없이 직접 사용할 수도 있다. As a fuel cell for low temperature, SOFC has the advantage of wide choice of fuel in that not only hydrogen but also hydrocarbon fuel can be used. Currently, the use of fossil fuels in low-temperature fuel cells requires additional purification after the reforming of the fossil fuels, but SOFC can use the modified fossil fuels directly without refining. This is because some hydrocarbons are contained in the fuel. Furthermore, SOFC can also directly use fossil fuels such as LNG without reforming reaction.

가장 흔히 사용되는 SOFC 음극 재료인 Ni-YSZ 도성합금은 수소 연료를 사용하는 경우에는 우수한 전기 촉매로 사용되지만, 탄화수소계 연료를 사용하는 경우에는 탄화수소 리포밍(reforming) 활성이 낮고, 카본 침적(carbon deposition)으로 인한 코킹 형성으로 내구성이 감소하는 문제가 있다. 이와 같이 낮은 탄화수소 리포밍 활성을 해결하기 위하여, Ru-CeO2나 Ni-Al2O3 등의 리포밍층을 음극층 위에 도입하는 방법이 제안된 바 있다. 그러나, 이들 촉매들은 전기전도도가 낮아 연료전지의 집전체(current collector)로서의 기능이 감소된다는 문제가 있다. Ni-YSZ ceramic alloy, the most commonly used SOFC anode material, is used as a good electrocatalyst when using hydrogen fuel, but has low hydrocarbon reforming activity when using hydrocarbon fuel, and carbon deposition. There is a problem in that durability is reduced by coking formation due to deposition). In order to solve such low hydrocarbon reforming activity, a method of introducing a reforming layer such as Ru-CeO 2 or Ni-Al 2 O 3 onto the cathode layer has been proposed. However, these catalysts have a problem in that the electrical conductivity is low, so that the function as a current collector of the fuel cell is reduced.

따라서, 탄화수소계 연료를 직접 사용하는 조건에서 Ni-YSZ 음극 촉매의 낮은 리포밍 활성을 개선시키고, 코킹 저항성(coke resistance)을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 전기전도도가 높은 새로운 연료극(음극) 구조 및 재료의 개발이 필요하다.Therefore, in addition to improving the low reforming activity of the Ni-YSZ cathode catalyst and improving the coke resistance under the conditions of directly using hydrocarbon fuels, the new anode (cathode) structure and material with high electrical conductivity can be obtained. Development is needed.

본 발명의 일 측면은 탄화수소 리포밍 활성이 우수하고, 코킹 저항성이 높을 뿐만 아니라 전기전도도가 높은 리포밍 복합 소재를 제공하는 것이다. One aspect of the present invention is to provide a reforming composite material having excellent hydrocarbon reforming activity, high coking resistance, and high electrical conductivity.

본 발명의 다른 측면은 상기 리포밍 복합 소재를 채용한 연료전지용 음극 구조체를 제공하는 것이다. Another aspect of the present invention is to provide a negative electrode structure for a fuel cell employing the reforming composite material.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 연료전지용 음극 구조체를 음극으로 하는 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having the anode structure for the fuel cell as a cathode.

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

니켈(Ni) 금속, 알칼리계 금속 및 란탄계 금속을 포함하는 담지 촉매; 및 A supported catalyst comprising a nickel (Ni) metal, an alkali metal and a lanthanum metal; And

11족 전이금속;을 포함하는 리포밍 복합 소재가 제공된다. There is provided a reforming composite material comprising a Group 11 transition metal.

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

음극층; 및Cathode layer; And

상기 음극층의 적어도 일면에 배치되며, 상기 리포밍 복합 소재를 포함하는 리포밍층;을 포함하는 연료전지용 음극 구조체가 제공된다.A negative electrode structure for a fuel cell is provided, comprising: a reforming layer disposed on at least one surface of the cathode layer and including the reforming composite material.

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

상기 음극 구조체를 포함하는 음극;A negative electrode including the negative electrode structure;

상기 음극에 대향하여 배치되는 양극; 및 An anode disposed to face the cathode; And

상기 음극과 양극 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 cathode and the anode.

본 발명의 일 구현예에 따른 상기 리포밍 복합 소재는 탄화수소 리포밍 활성이 우수하고, 코킹 저항성(coke resistance)이 높을 뿐만 아니라, 전기전도도가 매우 높아, 탄화수소계 연료를 직접 사용하는 고체산화물 연료전지에서 음극층 상에 음극기능층으로서 유용하게 적용될 수 있다.The reforming composite material according to an embodiment of the present invention has a high hydrocarbon reforming activity, high coke resistance, and very high electrical conductivity, so that the solid oxide fuel cell directly uses a hydrocarbon-based fuel. It can be usefully applied as a cathode functional layer on the cathode layer in the.

도 1은 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 제조예 1-3의 리포밍 복합 소재 및 비교예 1의 LiLaNi-Al2O3 촉매에 대한 X선 회절 패턴 측정 결과이다.
도 3은 제조예 1-3에서 얻은 리포밍 복합 소재의 메탄의 부분 산화(partial oxidation)에 대한 촉매 활성 측정 결과이다.
도 4는 제조예 1-3에서 얻은 리포밍 복합 소재의 메탄의 증기 개질(steam reforming)에 대한 촉매 활성 측정 결과이다.
도 5는 제조예 1-3에서 얻은 리포밍 복합 소재의 메탄의 CO2 개질(CO2 reforming)에 대한 촉매 활성 결과이다.
도 6은 제조예 1 내지 3의 리포밍 복합 소재 및 비교예 1의 LiLaNi-Al2O3 촉매에 대한 Hydrogen temperature-programmed reduction(H2-TPR) 실시 결과이다.
도 7은 제조예 1의 리포밍 복합 소재에 대하여 메탄의 부분 산화 반응을 실시한 후, 반응 시간에 따른 메탄 전환율 및 CO 선택성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 제조예 1-3의 리포밍 복합체 소재 및 비교예 1의 LiLaNi-Al2O3 촉매에 대한 Oxygen temperature-programmed oxidation(O2-TPO) 실시 결과이다.
도 9는 O2-TPO 실시 후 제조예 1 및 비교예 1의 시료에 대한 라만 스펙트럼 분석 결과이다.
도 10 내지 12는 각각 CH4-O2, CH4-H2O 및 CH4-CO2에서 운전된 실시예 1의 연료전지의 I-V 및 I-P 측정 결과이다.
도 13 내지 15는 각각 CH4-O2, CH4-H2O 및 CH4-CO2에서 운전된 비교예 1의 연료전지의 I-V 및 I-P 측정 결과이다.
도 16은 실시예 1의 연료전지를 CH4-O2 혼합가스로 850℃의 온도에서 400분 동안 운전하고, 시간에 따른 전압 및 출력밀도를 측정한 결과 그래프이다.
도 17은 실시예 1의 연료전지의 셀 내구성 평가 후, 그 단면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM)을 이용하여 관찰한 사진이다.
1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a solid oxide fuel cell according to one embodiment.
2 is an X-ray diffraction pattern measurement results of the reforming composite material of Preparation Example 1-3 and the LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst of Comparative Example 1.
3 is a catalytic activity measurement result for partial oxidation of methane of the reforming composite material obtained in Preparation Example 1-3.
4 is a catalytic activity measurement result for steam reforming of methane of the reforming composite material obtained in Preparation Example 1-3.
FIG. 5 shows catalytic activity results for CO 2 reforming of methane of the reforming composite material obtained in Preparation Example 1-3.
FIG. 6 shows the results of hydrogen temperature-programmed reduction (H 2 -TPR) of the reforming composite materials of Preparation Examples 1 to 3 and the LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst of Comparative Example 1. FIG.
7 is a graph showing methane conversion and CO selectivity according to reaction time after partial oxidation of methane is performed on the reforming composite material of Preparation Example 1. FIG.
8 is a result of Oxygen temperature-programmed oxidation (O 2 -TPO) of the reforming composite material of Preparation Example 1-3 and the LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst of Comparative Example 1.
9 is a Raman spectrum analysis of the samples of Preparation Example 1 and Comparative Example 1 after the O 2 -TPO.
10 to 12 show the IV and IP measurement results of the fuel cell of Example 1 operated at CH 4 -O 2 , CH 4 -H 2 O, and CH 4 -CO 2 , respectively.
13 to 15 are IV and IP measurement results of the fuel cell of Comparative Example 1 operated at CH 4 -O 2 , CH 4 -H 2 O, and CH 4 -CO 2 , respectively.
16 is a graph illustrating a result of measuring the voltage and the power density over time by operating the fuel cell of Example 1 with a CH 4 -O 2 mixed gas at a temperature of 850 ° C. for 400 minutes.
FIG. 17 is a photograph of a cross section of a fuel cell of Example 1 observed after scanning using a scanning electron microscope (SEM). 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 측면에 따른 리포밍 복합 소재는 니켈(Ni), 알칼리계 금속 및 란탄계 금속을 포함하는 담지 촉매 및 13족 전이금속을 포함한다.The reforming composite material according to an aspect of the present invention includes a supported catalyst including nickel (Ni), an alkali metal and a lanthanum metal, and a Group 13 transition metal.

상기 리포밍 복합 소재는 연료전지에 일반적으로 사용되는 Ni 서멧(cermet) 음극 소재의 낮은 탄화수소 리포밍 활성을 개선시키기 위한 것으로, 니켈(Ni)을 주된 성분으로 하여 알칼리계 금속과 란탄계 금속을 포함하는 촉매 금속을 알루미나 등의 담체에 담지시켜 높은 리포밍 활성과 함께 코킹 저항성을 향상시키고, 전자전달체로서 전기전도도가 높은 13족 전이금속을 포함하여 담지 촉매를 지지하고 있는 담체의 절연성으로 인한 낮은 전기전도도 문제를 해결한 것이다. 상기 리포밍 복합 소재를 이용하여 음극층 상에 음극기능층으로서 리포밍층을 형성함으로써 직접 탄화수소 연료용 SOFC의 리포밍 효율 및 안정성, 내구성 등을 향상시킬 수 있다.The reforming composite material is to improve the low hydrocarbon reforming activity of the Ni cermet anode material generally used in fuel cells, and includes an alkali metal and a lanthanum metal based on nickel (Ni) as a main component. A catalyst metal is supported on a carrier such as alumina to improve coking resistance with high reforming activity, and low electricity due to insulation of a carrier supporting a supported catalyst including a Group 13 transition metal having high electrical conductivity as an electron carrier. It solves the problem of conductivity. By using the reforming composite material to form a reforming layer on the cathode layer as a cathode functional layer, reforming efficiency, stability, durability, and the like of the SOFC for hydrocarbon fuel can be directly improved.

상기 담지 촉매는 촉매 활성을 가지는 니켈(Ni), 알칼리계 금속 및 란탄계 금속 등의 활성 성분들이 담체에 담지된 형태를 갖는다. 담체로는 기계적, 열적, 화학적으로 안정하고, 상기 활성 성분들을 분산시켜 담지할 수 있도록 다공성 내지 표면적이 큰 물질이라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, Al2O3, SiO2, MgO, MnO, ZnO, TiO2, ZrO2, CeO2 등과 같은 금속 산화물 등이 담체로서 사용될 수 있으며, 이들 금속 산화물은 단독으로 사용하는 것도 가능하지만, 2종 이상 혼합된 형태로 사용하는 것도 가능하다. 일 실시예에 따르면, 상기 담체로서 Al2O3를 사용할 수 있다. The supported catalyst has a form in which active ingredients such as nickel (Ni), an alkali metal and a lanthanum metal having catalytic activity are supported on a carrier. The carrier is not particularly limited as long as it is mechanically, thermally, chemically stable, and has a porous or large surface area to disperse and support the active ingredients. For example, metal oxides such as Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MnO, ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , CeO 2, and the like may be used as the carrier, and these metal oxides may be used alone, It is also possible to use a mixture of two or more kinds. According to one embodiment, Al 2 O 3 may be used as the carrier.

상기 니켈(Ni) 금속은 상기 리포밍 복합 소재에서 리포밍 활성을 부여하는 주된 성분으로, 니켈(Ni) 금속의 함량은 담지 촉매 100 중량부를 기준으로 20 내지 50 중량부일 수 있다. 예를 들어, 니켈(Ni) 금속은 담지 촉매 100 중량부를 기준으로 25 내지 45 중량부일 수 있고, 보다 구체적으로는 25 내지 35 중량부일 수 있다. 상기 함량 범위에서 메탄의 부분 산화(partial oxidation), 증기 개질(steam reforming), CO2 개질(CO2 reforming) 등의 리포밍 반응에 대하여 우수한 촉매 활성을 나타낼 수 있다. The nickel (Ni) metal is a main component for imparting reforming activity in the reforming composite material, and the content of nickel (Ni) metal may be 20 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the supported catalyst. For example, the nickel (Ni) metal may be 25 to 45 parts by weight based on 100 parts by weight of the supported catalyst, and more specifically 25 to 35 parts by weight. With respect to the reforming reaction such as partial oxidation of methane (partial oxidation), steam reforming (steam reforming), CO 2 reforming (CO 2 reforming) in the above content range it can exhibit excellent catalytic activity.

니켈 금속과 함께 담지 촉매에 알칼리계 금속 및 란탄계 금속을 더 포함함으로써 니켈 금속의 리포밍 촉매 활성을 저해함이 없이 코킹 저항성을 향상시킬 수 있다. 니켈 금속은 탄화수소계 연료의 리포밍 과정에서 카본 침적(carbon deposition)으로 인하여 활성 저하 및 가 일어날 수 있는 반면, 상기 담지 촉매는 알칼리계 금속 및 란탄계 금속을 포함하여 담지 촉매의 표면이 염기성이 되도록 니켈 금속을 촉진시키며, 이러한 염기성 표면은 탄소 침적 현상을 효과적으로 방지할 수가 있다. By further including an alkali-based metal and a lanthanum-based metal in the supported catalyst together with the nickel metal, coking resistance can be improved without inhibiting the reforming catalyst activity of the nickel metal. Nickel metal may be deteriorated in activity due to carbon deposition during the reforming of hydrocarbon-based fuels, while the supported catalyst may include alkali-based metals and lanthanide-based metals so that the surface of the supported catalyst is basic. It promotes nickel metal, and this basic surface can effectively prevent the carbon deposition phenomenon.

상기 알칼리계 금속은 Li, Na, K, Rb 등의 1족 원소를 포함하며, 이들을 단독으로 사용하거나, 2종 이상 혼합된 형태 또는 합금 형태, 이들의 산화물 형태도 사용가능하다. 예를 들어, 상기 알칼리계 금속은 Li일 수 있다. 이러한 알칼리계 금속은 담지 촉매 내에 입체 효과 및 전자적 효과(electronic modification)를 가져올 수 있다. The alkali metal includes Group 1 elements such as Li, Na, K, and Rb, and may be used alone or in the form of a mixture or alloys of two or more thereof, or oxide forms thereof. For example, the alkali metal may be Li. Such alkali-based metals can bring about steric effect and electronic modification in the supported catalyst.

상기 알칼리계 금속의 함량은 특별히 한정되는 것은 아니며, 란탄계 금속과 함께 코킹 저항성을 부여할 수 있는 적절한 범위 내에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 알칼리계 금속의 함량은 담지 촉매 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부일 수 있으며, 구체적으로 0.5 내지 1.5 중량부일 수 있고, 보다 구체적으로는 0.8 내지 1.2 중량부일 수 있다. The content of the alkali metal is not particularly limited, and may be determined within an appropriate range capable of imparting coking resistance with the lanthanum metal. For example, the content of the alkali metal may be 0.1 to 2 parts by weight, specifically 0.5 to 1.5 parts by weight, and more specifically 0.8 to 1.2 parts by weight based on 100 parts by weight of the supported catalyst.

상기 란탄계 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Sm Gd, Tb, Dy, Yb 등의 란탄족 원소를 포함하며, 이들을 단독으로 사용하거나, 2종 이상 혼합된 형태 또는 합금 형태, 이들의 산화물 형태도 사용가능하다. 예를 들어, 상기 란탄계 금속은 La일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 알루미나 담체를 사용한 경우에 있어서 이러한 란탄계 금속은 알루미나 담체의 결정 구조가 γ-A12O3에서 표면적이 낮은 α-A12O3로 전이되는 것을 지연시켜 줄 수 있다. The lanthanum-based metal includes lanthanide elements such as La, Ce, Pr, Nd, Sm Gd, Tb, Dy, and Yb, and may be used alone or in a mixture or alloy form of two or more thereof. Also available. For example, the lanthanum metal may be La. According to one embodiment, in the case of using an alumina carrier, such lanthanum-based metal may delay the transition of the crystal structure of the alumina carrier from γ-A1 2 O 3 to α-A1 2 O 3 having a low surface area.

상기 란탄계 금속의 함량은 특별히 한정되는 것은 아니며, 알칼리계 금속과 함께 코킹 저항성을 부여할 수 있는 적절한 범위 내에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 란탄계 금속의 함량은 담지 촉매 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부일 수 있으며, 구체적으로 2 내지 8 중량부일 수 있고, 보다 구체적으로는 4 내지 6 중량부일 수 있다.The content of the lanthanum-based metal is not particularly limited, and may be determined within an appropriate range capable of imparting coking resistance with the alkali-based metal. For example, the content of the lanthanum-based metal may be 1 to 10 parts by weight, specifically 2 to 8 parts by weight, and more specifically 4 to 6 parts by weight based on 100 parts by weight of the supported catalyst.

상기 담지 촉매는 예를 들어 GNP(Glycine Nitrate Process) 등의 방법으로 제조될 수 있다. GNP법은 고온에 대한 노출시간이 짧고, 입자 크기를 작게 유지하면서 동시에 NiO와 담체와의 상호작용을 효과적으로 촉진시킬 수 있다는 점에서 유용하다.The supported catalyst may be prepared by, for example, GNP (Glycine Nitrate Process). The GNP method is useful in that the exposure time to high temperature is short and the particle size can be kept small while effectively promoting the interaction between NiO and the carrier.

상기 리포밍 복합 소재는 상기 담지 촉매와 함께 13족 전이금속을 포함한다. The reforming composite material includes a Group 13 transition metal together with the supported catalyst.

Cu 등의 13족 전이금속은 크랙킹(cracking) 반응 활성이 낮고 전기전도도가 높아 상기 담지 촉매의 낮은 전기전도도 문제를 극복할 수 있으며, 예를 들어 전기전도도를 약 1010배 수준으로 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 리포밍 복합 소재는 연료전지의 음극 구조체에서 집전체 기능을 수행할 수 있다. Group 13 transition metals such as Cu have a low cracking reaction activity and high electrical conductivity, thereby overcoming the low electrical conductivity problem of the supported catalyst, for example, can increase the electrical conductivity to about 10 10 times. . Therefore, the reforming composite material may perform a current collector function in the anode structure of the fuel cell.

또한, 상기 13족 전이금속은 코킹이 일어날 때 그래파이트와 같은 결정성 탄소보다 비정질 탄소의 비율을 증가시킬 수 있는데, 비정질 탄소는 그래파이트보다 반응성이 더 크고, 촉매 표면으로부터 제거되기가 더 쉽다. 따라서, 13족 전이금속의 첨가에 의하여 촉매 재생(regeneration)을 향상시킬 수가 있다. In addition, the Group 13 transition metal can increase the proportion of amorphous carbon than crystalline carbon such as graphite when caulking occurs, which is more reactive than graphite and easier to remove from the catalyst surface. Therefore, catalyst regeneration can be improved by the addition of the Group 13 transition metal.

상기 13족 전이금속은 Cu, Ag, Au, 이들의 합금, 또는 이들의 산화물을 포함할 수 있으며, 이들을 단독으로 사용하거나 2 이상 혼합된 형태로 사용하는 것도 가능하다. 상기 13족 전이금속은 리포밍 소재 내에서 연속적인 퍼콜레이트 상(percolate phase)을 형성하여 전기전도도 향상에 기여할 수 있도록, 예를 들어 담지 촉매와 함께 물리적인 혼합에 의하여 도입될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 알루미나 담체를 사용하는 담지 촉매와 13족 전이금속을 물리적으로 혼합한 후 소성한 뒤 얻어지는 리포밍 복합 소재 내에서, 13족 전이금속은 니켈(Ni) 금속, 알칼리계 금속 및 란탄계 금속과 합금을 형성하지 않고, 단일금속 산화물(monometallic oxide), 알루미늄과의 이성분 산화물(binary oxide) 또는 이들의 조합 형태로 존재할 수 있음을 X-선 회절 분석 결과를 통하여 확인할 수 있었다. The Group 13 transition metal may include Cu, Ag, Au, alloys thereof, or oxides thereof, or may be used alone or in a mixed form of two or more thereof. The Group 13 transition metal may be introduced by physical mixing with a supported catalyst, for example, to form a continuous percolate phase in the reforming material and contribute to the improvement of electrical conductivity. According to one embodiment, in the reforming composite material obtained after physically mixing the supported catalyst using an alumina carrier with the Group 13 transition metal and calcining, the Group 13 transition metal is a nickel (Ni) metal, an alkali metal, and It was confirmed through X-ray diffraction analysis that the lanthanum-based metal may be present in the form of a monometallic oxide, a binary oxide with aluminum, or a combination thereof without forming an alloy.

13족 전이금속의 함량은 특별히 한정되는 것은 아니나, 연료전지의 성능을 감소시키지 않으면서도 연속적인 퍼콜레이트 상을 형성하여 전기전도도를 향상시킬 수 있는 범위에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 담지촉매와 13족 전이금속의 함량비는 중량비로 80:20 내지 20:80일 수 있다. 구체적으로는, 담지촉매와 13족 전이금속의 함량비가 중량비로 70:30 내지 30:70일 수 있으며, 보다 구체적으로는 60:40 내지 40:60일 수 있다. The content of the Group 13 transition metal is not particularly limited, but may be determined in a range capable of improving electrical conductivity by forming a continuous percholate phase without reducing the performance of the fuel cell. For example, the content ratio of the supported catalyst and the Group 13 transition metal may be 80:20 to 20:80 by weight. Specifically, the content ratio of the supported catalyst and the Group 13 transition metal may be 70:30 to 30:70 by weight, and more specifically, 60:40 to 40:60.

이와 같이 상기 리포밍 복합 소재는 니켈(Ni), 알칼리계 금속 및 란탄계 금속을 포함하는 담지 촉매 및 13족 전이금속을 포함함으로써, 리포밍 활성이 우수할 뿐만 아니라 코킹 저항성 및 전기전도도를 증가시킬 수 있다. As described above, the reforming composite material includes a supported catalyst including nickel (Ni), an alkali metal and a lanthanide metal, and a group 13 transition metal, thereby improving the reforming activity and increasing the coking resistance and the electrical conductivity. Can be.

일 실시예에 따르면, 상기 리포밍 복합 소재의 1.0 Scm-1 이상의 높은 전기전도도를 가질 수 있다. According to one embodiment, it can have a high electrical conductivity of 1.0 Scm -1 or more of the reforming composite material.

본 발명의 다른 측면에서는, 음극층; 및 상기 음극층의 적어도 일면에 배치되는 상술한 리포밍 복합 소재를 포함하는 리포밍층;을 포함하는 연료전지용 음극 구조체를 제공한다. In another aspect of the invention, the cathode layer; And a reforming layer including the above-described reforming composite material disposed on at least one surface of the cathode layer.

상기 연료전지용 음극 구조체는 음극층의 적어도 일면에 상기 리포밍 복합 소재를 포함하는 리포밍층을 형성함으로써 직접 탄화수소 연료용 SOFC의 리포밍 효율을 향상시키고, 성능 감소 없이 셀의 안정적인 운전이 가능하도록 할 수 있다. 상기 음극 구조체에 대해서는 후술하는 고체산화물 연료전지에서 함께 설명하기로 한다. The anode structure for the fuel cell is to form a reforming layer including the reforming composite material on at least one surface of the cathode layer to improve the reforming efficiency of the SOFC for direct hydrocarbon fuel, and to enable stable operation of the cell without reducing performance. Can be. The negative electrode structure will be described together in a solid oxide fuel cell to be described later.

본 발명의 또 다른 측면에서는, 상기 음극 구조체를 포함하는 음극; 상기 음극에 대향하여 배치되는 양극; 및 상기 음극과 양극 사이에 배치되는 고체산화물 전해질;을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다. In another aspect of the invention, the negative electrode comprising the negative electrode structure; An anode disposed to face the cathode; And a solid oxide electrolyte disposed between the cathode and the anode.

도 1은 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 고체산화물 연료전지(100)는 고체산화물 전해질(130)을 중심으로 양쪽에 양극(120) 및 음극(110)이 배치된다. 상기 음극(110)은 음극층(111)과 리포밍층(112)으로 구성되는 음극 구조체이다. 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 100, an anode 120 and a cathode 110 are disposed on both sides of the solid oxide electrolyte 130. The cathode 110 is a cathode structure composed of a cathode layer 111 and a reforming layer 112.

고체산화물 전해질(130)은 공기와 연료가 혼합되지 않도록 치밀해야 하고 산소이온 전도도가 높고 전자전도도가 낮아야 한다. 또한, 상기 전해질(130)은 양쪽에 산소 분압차가 아주 큰 양극(120)과 음극(110)이 위치하므로 넓은 산소분압 영역에서 위의 물성을 유지할 필요가 있다. The solid oxide electrolyte 130 should be dense so as not to mix air and fuel, and should have high oxygen ion conductivity and low electron conductivity. In addition, since the positive electrode 120 and the negative electrode 110 having a large oxygen partial pressure difference are positioned at both sides of the electrolyte 130, it is necessary to maintain the above physical properties in a wide oxygen partial pressure region.

이러한 고체산화물 전해질(130)을 구성하는 재료로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 지르코니아계, 세리아계, 비스무스 산화물계 및 란타늄 갈레이트계 고체 전해질로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고체산화물 전해질(130)은 이트륨, 스칸듐, 칼슘 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 지르코니아계; 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 세리아계; 칼슘, 스트론튬, 바륨, 가돌리튬 및 이트륨 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 비스무스 산화물계; 및 스트론튬 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate)계로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 고체산화물 전해질(130)의 구체적인 예로는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등을 들 수 있다.The material constituting the solid oxide electrolyte 130 is not particularly limited as long as it can be generally used in the art, and is selected from, for example, zirconia-based, ceria-based, bismuth oxide-based, and lanthanum gallate-based solid electrolytes. It may include at least one. For example, the solid oxide electrolyte 130 may be zirconia-based or doped with at least one of yttrium, scandium, calcium, and magnesium; Ceria based or not doped with at least one of gadolinium, samarium, lanthanum, ytterbium and neodymium; Bismuth oxide based or doped with at least one of calcium, strontium, barium, gadolithium and yttrium; And it may include at least one selected from the group consisting of lanthanum gallate (doped or not doped with at least one of strontium and magnesium. Specific examples of the solid oxide electrolyte 130 include yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), samaria doped ceria (SDC), gadolinia doped ceria (GDC), and the like.

상기 고체산화물 전해질(130)의 두께는 통상 10nm 내지 100μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 고체산화물 전해질(130)의 두께는 100nm 내지 50μm일 수 있다. The solid oxide electrolyte 130 may have a thickness of about 10 nm to about 100 μm. For example, the thickness of the solid oxide electrolyte 130 may be 100 nm to 50 μm.

양극(120, 공기극)은 산소가스를 산소이온으로 환원시키며, 양극(120)에 공기를 계속 흘려주어 일정한 산소 분압을 유지하도록 유지시켜 준다. 양극(120)의 재료로는, 예를 들면 페로브스카이트 형의 결정 구조를 가지는 금속 산화물 입자를 사용할 수 있으며, (La,Sr)MnO3, (La,Ca)MnO3, (Sm,Sr)CoO3, (La,Sr)CoO3, (La,Sr)(Fe,Co)O3, (La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3 등의 금속 산화물 입자를 예로 들 수 있다. 상술한 금속 산화물 입자는 1종을 단독으로 사용해도 좋고, 2종 이상을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. 상기 공기극층을 형성하는 재료로서는 백금, 루테늄, 팔라듐 등의 귀금속을 사용하는 것도 가능하다.The anode 120 reduces the oxygen gas to oxygen ions and maintains a constant oxygen partial pressure by continuously flowing air to the anode 120. As the material of the anode 120, for example, metal oxide particles having a perovskite crystal structure can be used, and (La, Sr) MnO 3 , (La, Ca) MnO 3 , (Sm, Sr ) CoO 3, there may be mentioned (La, Sr) CoO 3, (La, Sr) (Fe, Co) O 3, ( the metal oxide particles, such as La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 as an example. The metal oxide particles described above may be used alone or in combination of two or more kinds thereof. As the material for forming the cathode layer, it is also possible to use precious metals such as platinum, ruthenium and palladium.

양극(120)의 두께는 통상 1 내지 100 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 양극(120)의 두께는 5 내지 50 μm일 수 있다.The thickness of the anode 120 may be typically 1 to 100 μm. For example, the thickness of the first anode 120 may be 5 to 50 μm.

양극(120)과 고체산화물 전해질(130) 사이에는 필요에 따라 이들 사이의 반응을 보다 더 효과적으로 방지하기 위하여 양극기능층을 더 포함할 수 있다. 이러한 양극기능층으로서 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 양극기능층은 두께가 1 내지 50 μm, 예를 들어 2 내지 10 μm의 범위일 수 있다. Between the anode 120 and the solid oxide electrolyte 130 may further include a cathode functional layer to more effectively prevent the reaction between them as needed. Such an anode functional layer 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 bipolar functional layer may have a thickness in the range of 1 to 50 μm, for example, 2 to 10 μm.

음극(110, 연료극)은 음극층(111)과 리포밍층(112)으로 구성되는 음극 구조체를 포함한다. 음극층(111)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. The cathode 110 (fuel electrode) includes a cathode structure composed of the cathode layer 111 and the reforming layer 112. The cathode layer 111 plays a role of 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.

상기 음극층(110)은 고체산화물 전해질(130)을 형성하는 재료와 니켈 옥사이드 등이 혼합된 Ni 서멧(cermet)를 포함할 수 있다. 예를 들어, YSZ를 전해질로 사용하는 경우, 음극층(111)으로는 Ni/YSZ 복합체(ceramic-metallic composite)을 사용할 수 있다. 이외에도 Ni, Co, Ru, Pt 등의 순수 금속 등을 음극층(111) 재료로 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 음극층(111)은 필요에 따라 활성탄소를 추가로 포함할 수 있다. 상기 음극(111)은 연료가스가 잘 확산되어 들어갈 수 있도록 다공성을 가지는 것이 좋다. The cathode layer 110 may include a Ni cermet in which a material for forming the solid oxide electrolyte 130 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 cathode layer 111. In addition, pure metals such as Ni, Co, Ru, and Pt may be used as the material of the cathode layer 111, but is not limited thereto. The negative electrode layer 111 may further include activated carbon as necessary. The cathode 111 may have a porosity so that the fuel gas can be diffused well.

상기 음극층(111)의 두께는 통상 1 내지 1000 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 음극층(111)의 두께는 5 내지 100 μm일 수 있다.The negative electrode layer 111 may have a thickness of about 1 μm to 1000 μm. For example, the thickness of the cathode layer 111 may be 5 to 100 μm.

리포밍층(112)은 상기 리포밍 복합 소재를 포함하며, 리포밍 복합 소재에 대해서는 전술한 바와 같으므로 이에 대한 구체적인 설명은 여기서 생략하기로 한다. The reforming layer 112 includes the reforming composite material, and as described above with respect to the reforming composite material, a detailed description thereof will be omitted herein.

상기 리포밍층(112)의 두께는 1 내지 100 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 음극층(111)의 두께는 5 내지 50 μm일 수 있다.The thickness of the reforming layer 112 may be 1 to 100 μm. For example, the thickness of the cathode layer 111 may be 5 to 50 μm.

상기 고체산화물 연료전지는 당해 기술분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 고체산화물 연료전지는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. The solid oxide fuel cell may be manufactured using conventional methods known in various literatures in the art. 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:  One: 리포밍Reforming 복합 소재의 제조(1) Production of composite materials (1)

1wt% Li2O, 5wt% La2O3, 30wt% Ni 및 나머지량의 Al2O3의 조성으로 이루어지는 LiLaNi-Al2O3 촉매 파우더를 GNP(glycine nitrite process)법을 이용하여 합성하였다. 먼저, 화학당량의 니켈 니트레이트, 리튬 니트레이트, 란타늄 니트레이트 및 알루미나 니트레이트를 탈이온수에 용해시키고, 글리신을 금속 양이온에 대해 2.0의 비율로 첨가하였다. 상기 용액을 계속 교반시키면서 핫플레이트 상에서 가열하여 용액 내 수분을 모두 증발시키고 액체 전구체를 형성하였다. 상기 액체 전구체를 240℃의 전기오븐으로 옮겨 자동 연소시켰다. 여기서 얻어진 파우더를 850℃에서 5시간 동안 소결하여 최종적인 LiLaNi-Al2O3 촉매 파우더를 수득하였다. LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst powder consisting of 1 wt% Li 2 O, 5 wt% La 2 O 3 , 30 wt% Ni and the remaining amount of Al 2 O 3 was synthesized using a glycine nitrite process (GNP) method. First, chemical equivalents of nickel nitrate, lithium nitrate, lanthanum nitrate and alumina nitrate were dissolved in deionized water and glycine was added at a ratio of 2.0 to the metal cation. The solution was heated on a hotplate with continued stirring to evaporate all the water in the solution and form a liquid precursor. The liquid precursor was transferred to an electric oven at 240 ° C. for automatic combustion. The powder obtained here was sintered at 850 ° C. for 5 hours to obtain a final LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst powder.

상기 LiLaNi-Al2O3 촉매와 산화구리(Shanghai zhenxin reagents Co., Ltd., China)를 50:50의 중량비로 혼합하고 마노절구(agate mortar) 및 막자를 이용하여 그라인딩함으로써 물리적으로 혼합하였다. 물리적인 혼합 후에 상기 촉매를 850℃에서 5시간 동안 소결하여 LiLaNi-Al2O3/Cu의 리포밍 복합 소재를 수득하였다. The LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst and copper oxide (Shanghai zhenxin reagents Co., Ltd., China) were mixed in a weight ratio of 50:50 and physically mixed by grinding using agate mortar and pestle. After physical mixing, the catalyst was sintered at 850 ° C. for 5 hours to obtain a LiLaNi-Al 2 O 3 / Cu reforming composite material.

제조예Manufacturing example 2:  2: 리포밍Reforming 복합 소재의 제조(2) Production of composite materials (2)

상기 제조예 1에서 LiLaNi-Al2O3 촉매와 산화구리의 혼합비율을 40:60의 중량비로 한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 과정을 실시하여 리포밍 복합 소재를 수득하였다. A reforming composite material was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that the mixing ratio of the LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst and the copper oxide in Preparation Example 1 was 40:60 by weight.

제조예Manufacturing example 3:  3: 리포밍Reforming 복합 소재의 제조(3) Manufacture of composite materials (3)

상기 제조예 1에서 LiLaNi-Al2O3 촉매와 산화구리의 혼합비율을 20:80의 중량비로 한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 과정을 실시하여 리포밍 복합 소재를 수득하였다.A reforming composite material was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that the mixing ratio of the LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst and the copper oxide in Preparation Example 1 was 20:80.

비교예Comparative example 1 One

대조군으로서, 구리를 혼합하지 않고, 상기 제조예 1에서 GNP(glycine nitrite process)법으로 합성하여 얻은 LiLaNi-Al2O3 담지촉매를 비교예 1로 하였다. As a control, LiLaNi-Al 2 O 3 supported catalyst obtained by synthesis of GNP (glycine nitrite process) in Preparation Example 1 without mixing copper was used as Comparative Example 1.

비교예Comparative example 2 2

상기 제조예 1-3의 리포밍 복합 소재에 대한 전기전도도의 비교를 위하여, Ni-YSZ 서멧 음극의 전기전도도 측정결과를 비교예 2로 하였다. In order to compare the electrical conductivity of the reforming composite material of Preparation Example 1-3, the measurement result of the electrical conductivity of the Ni-YSZ cermet negative electrode was set as Comparative Example 2.

실시예Example 1-3: 연료전지의 제조 1-3: Manufacture of Fuel Cell

연료전지는 La0 .8Sr0 .2MnO3 (LSM) 양극, (Y2O3)0.1(ZrO2)0.9(YSZ) 전해질 및 환원시키지 않은 NiO+YSZ 음극(NiO:YSZ=60:40, 중량비)으로 구성하였다. LSM은 EDTA-citrate 복합 졸젤 공법에 따라 합성되었다. 전술한 과정에서, 금속 니트레이트 (분석 시약)가 원료물질로 사용되었으며, 시판되는 NiO(Chengdu Shudu Nano-science Co., Ltd.) 및 YSZ(Tosoh)가 음극 재료로 사용되었다. A fuel cell is La 0 .8 Sr 0 .2 MnO 3 (LSM) cathode, (Y 2 O 3) 0.1 (ZrO 2) 0.9 (YSZ) that is not the electrolyte and reduction NiO + YSZ anode (NiO: YSZ = 60: 40 , Weight ratio). LSM was synthesized according to the EDTA-citrate complex sol-gel method. In the above procedure, metal nitrate (analytical reagent) was used as a raw material, and commercial NiO (Chengdu Shudu Nano-science Co., Ltd.) and YSZ (Tosoh) were used as negative electrode materials.

음극 기재는 테이프-캐스팅으로 준비하였으며, 1100℃에서 2시간 동안 공기중에서 열처리하여 유기 용매를 제거하였다. 전해질층을 증착하기 위하여, 400rpm 회전속도로 0.5시간 동안 고에너지 볼밀링(Fritcsch, Pulverisettle 6)을 통하여 미세 YSZ 분말을 에틸렌 글리콜에 분산시킨 콜로이드 서스펜션 (고형분 5wt%)을 상기 음극 기재 상에 스프레이 증착으로 증착시켜 전해질층을 제작하였다. 위에서 얻은 이중층 그린셀을 1400℃에서 5시간 동안 공기중에서 소결하여 전해질층의 밀도를 증가시켰다. LSM+YSZ 복합 양극 (LSM:YSZ=70:30, 중량비)을 스프레이 증착법으로 상기 YSZ 전해질 상에 0.48cm2의 표면적(geometric surface area)으로 증착시키고, 1100℃에서 2시간 동안 공기중에서 소결하여 양극층을 형성하였다. 음극기능층은 상기 제조예 1 내지 3에서 얻은 각각의 리포밍 소재를 음극 상에 스크린 페인팅으로 형성하고 850℃에서 1시간 동안 소결함으로써 제작되었다.The negative electrode substrate was prepared by tape-casting, and the organic solvent was removed by heat treatment in air at 1100 ° C. for 2 hours. In order to deposit the electrolyte layer, a colloidal suspension (solid content of 5 wt%) in which fine YSZ powder was dispersed in ethylene glycol through high energy ball milling (Fritcsch, Pulverisettle 6) for 0.5 h at 400 rpm was spray deposited on the negative electrode substrate. It was deposited to prepare an electrolyte layer. The double layer green cell obtained above was sintered in air at 1400 ° C. for 5 hours to increase the density of the electrolyte layer. An LSM + YSZ composite anode (LSM: YSZ = 70: 30, weight ratio) was deposited on the YSZ electrolyte at a surface area of 0.48 cm 2 by the spray deposition method, and then sintered in air at 1100 ° C. for 2 hours to give a positive electrode. A layer was formed. The negative electrode functional layer was prepared by forming each of the reforming materials obtained in Preparation Examples 1 to 3 by screen painting on the negative electrode and sintering at 850 ° C. for 1 hour.

비교예Comparative example 3: 비교 연료전지의 제조 3: Manufacture of Comparative Fuel Cell

상기 실시예 1에서 음극기능층으로서 상기 비교예 1의 LiLaNi-Al2O3 촉매를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정을 실시하여 대조군의 연료전지를 제조하였다. Except for using the LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst of Comparative Example 1 as the negative electrode functional layer in Example 1, the same procedure as in Example 1 was carried out to prepare a fuel cell of the control.

평가예Evaluation example 1: X-선  1: X-ray 회절diffraction 분석 analysis

상기 제조예 1-3의 리포밍 복합 소재 및 비교예 1의 LiLaNi-Al2O3 촉매에 대하여 CuKα선을 이용한 X선 회절 패턴을 측정하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.X-ray diffraction patterns using CuKα rays were measured for the reforming composite material of Preparation Example 1-3 and the LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst of Comparative Example 1, and the results are shown in FIG. 2.

도 2에서 보는 바와 같이, 모든 샘플에서 g-Al2O3 및 NiAl2O4 결정상이 관찰되었으며, 제조예 1-3의 리포밍 복합 소재는 La2O3 및 Li2O의 피크가 관찰되지 않은 것으로 보아 La2O3 및 Li2O이 촉매 내에 잘 분산된 것을 알 수 있다. 또한, Cu는 Ni, Li, La와 합금을 이루지 않고, CuO 형태 또는 CuAl2O4의 형태로 존재하고 있음을 알 수 있다. As shown in FIG. 2, g-Al 2 O 3 and NiAl 2 O 4 crystal phases were observed in all samples, and the peaks of La 2 O 3 and Li 2 O were observed in the reforming composite material of Preparation Example 1-3. It can be seen that La 2 O 3 and Li 2 O are well dispersed in the catalyst. In addition, it is understood that Cu does not form an alloy with Ni, Li, and La, and exists in the form of CuO or CuAl 2 O 4 .

평가예Evaluation example 2:  2: 리포밍Reforming 촉매 활성 평가 Catalytic Activity Assessment

메탄의 부분 산화(partial oxidation), 증기 개질(steam reforming) 및 CO2 개질(CO2 reforming)에 대한 상기 제조예 1 내지 3에서 얻은 리포밍 복합 소재의 촉매 활성을 평가하기 위하여, 40-60 메시 크기의 촉매 입자 약 2.0g을 내부 반경 약 8mm의 관상형 쿼츠-튜브 반응기 내에 투입하고 각 개질 반응이 진행하는 동안 가스 흐름을 AFC 80MD digital mass flow controllers (Qualiflow)로 제어하였다. 가스 혼합물을 반응기 상부로 유입하고, 배출가스는 반응기 하부로부터 Varian 3800 gas chromatograph (GC)으로 이동시켜 600-850℃에서 조성 분석을 실시하였다. GC는 Hayesep Q, Poraplot Q, 5Å 분자체 모세관 컬럼 및 열전도검출기를 장착한 것으로, H2, O2, CO, CO2 및 CH4을 분리시켜 검출하였다. 개질 반응에 앞서 모든 촉매는 850℃에서 1시간 동안 수소분위기에서 환원시켰다. 측정하는 동안 메탄 유량을 10m/min으로 고정시켰으며, 헬륨을 80ml/min의 유량으로 고정시켜 캐리어 가스로 적용하였다. 메탄의 부분 산화(partial oxidation), 증기 개질(steam reforming) 및 CO2 개질(CO2 reforming) 반응은 600-850℃에서 수행되었으며, 하기 반응식에 나타낸 바와 같이 진행된다. 각 반응에 사용된 가스는 메탄 대 O2/H2O/CO2의 비가 각각 2:1, 1:1 및 1:1이었다. In order to evaluate the catalytic activity of the reforming composites obtained in Preparation Examples 1 to 3 for partial oxidation, steam reforming and CO2 reforming of methane, a size of 40-60 mesh About 2.0 g of catalyst particles were introduced into a tubular quartz-tube reactor with an inner radius of about 8 mm and gas flow was controlled by AFC 80MD digital mass flow controllers (Qualiflow) during each reforming reaction. The gas mixture was introduced to the top of the reactor, and the exhaust gas was transferred from the bottom of the reactor to a Varian 3800 gas chromatograph (GC) for composition analysis at 600-850 ° C. GC was equipped with Hayesep Q, Poraplot Q, 5Å molecular sieve capillary column and a thermal conductivity detector, and detected by separating H 2 , O 2 , CO, CO 2 and CH 4 . Prior to the reforming reaction, all catalysts were reduced in a hydrogen atmosphere at 850 ° C. for 1 hour. The methane flow rate was fixed at 10 m / min during the measurement and helium was fixed at a flow rate of 80 ml / min and applied as a carrier gas. Partial oxidation, steam reforming and CO 2 reforming reactions of methane were carried out at 600-850 ° C. and proceed as shown in the following scheme. The gas used for each reaction was a 2: 1, 1: 1 and 1: 1 ratio of methane to O 2 / H 2 O / CO 2 , respectively.

(부분 산화) CH4 + 0.5H2 -> CO + 2H2 (Partial oxidation) CH 4 + 0.5H 2- > CO + 2H 2

(증기 개질) CH4 + H2O -> CO + 3H2 (Steam reforming) CH 4 + H 2 O-> CO + 3H 2

(CO2 개질) CH4 + CO2 -> 2CO + 2H2 (CO 2 reforming) CH 4 + CO 2- > 2CO + 2H 2

메탄의 부분산화 및 증기 개질에서 메탄의 전환율(X(%))은 하기 식 1에 따라 계산하였으며, CO2 개질에서 메탄의 전환율(%)은 하기 식 2에 따라 계산되었다. 또한, CO 및 H2의 선택성(S1(%) 및 S2(%))은 각각 하기 식 3 및 4에 따라 계산되었다.The conversion of methane in partial oxidation and steam reforming of methane (X (%)) was calculated according to Equation 1 below, and the conversion of methane in CO2 reforming was calculated according to Equation 2 below. In addition, the selectivity (S1 (%) and S2 (%)) of CO and H2 was calculated according to the following equations 3 and 4, respectively.

Figure pat00001
[식 1]
Figure pat00001
[Formula 1]

Figure pat00002
[식 2]
Figure pat00002
[Formula 2]

Figure pat00003
[식 3]
Figure pat00003
[Equation 3]

Figure pat00004
[식 4]
Figure pat00004
[Formula 4]

상기 제조예 1 내지 3에서 얻은 리포밍 복합 소재의 메탄의 부분 산화(partial oxidation), 증기 개질(steam reforming) 및 CO2 개질(CO2 reforming)에 대한 촉매 활성 결과를 각각 도 3 내지 5에 나타내었다. The catalytic activity results for partial oxidation, steam reforming and CO 2 reforming of the methane of the reforming composite material obtained in Preparation Examples 1 to 3 are shown in FIGS. 3 to 5, respectively. .

도 3 내지 5를 참조하면, LiLaNi-Al2O3:Cu의 비율이 5:5와 4:6인 시료는 750-850℃범위에서 상당한 촉매 성능을 나타내었고, 2:8인 시료의 성능은 세 반응 모두에서 가장 낮게 나타났다. 예를 들어, 증기 개질시 Cu가 50%, 60%, 80% 함유된 시료의 메탄 전환율은 850℃에서 각각 99.8%, 99.1%, 94.8% 였으나, 작동 온도가 감소될수록 Cu 함량이 더 높은 시료가 더 많이 감소하는 경향을 보였다. Referring to FIGS. 3 to 5, samples having LiLaNi-Al 2 O 3 : Cu ratios of 5: 5 and 4: 6 exhibited significant catalytic performance in the range of 750-850 ° C., and the performance of the samples having 2: 8 is It was the lowest in all three responses. For example, when steam reforming, the methane conversions of samples containing 50%, 60% and 80% Cu were 99.8%, 99.1% and 94.8% at 850 ° C, respectively. It tended to decrease more.

또한, 도 3 내지 5에서 보는 바와 같이, 부분 산화 및 증기 개질에서 온도 감소시 수소 선택성도 감소하는 반면, CO2 개질에서는 수소 선택성이 거의 안정적으로 유지되는 것을 알 수 있다. 구리의 함량이 낮을수록 촉매 활성이 우수하지만 전기전도도 측면에서는 충분한 양의 구리가 함유될 필요가 있음은 아래에서 후술하도록 한다. In addition, as shown in Figures 3 to 5, it can be seen that while the hydrogen selectivity decreases with temperature reduction in partial oxidation and steam reforming, the hydrogen selectivity remains almost stable in CO 2 reforming. The lower the copper content is, the better the catalytic activity, but in terms of electrical conductivity it is necessary to contain a sufficient amount of copper will be described later.

평가예Evaluation example 3: 금속산화물과  3: with metal oxide AlAl 22 OO 33 담체carrier 사이의 상호작용 평가 The interaction between

NiO/CuO와 Al2O3 담체 사이의 화학적 상호작용을 확인하기 위하여, Hydrogen temperature-programmed reduction(H2-TPR)을 실시하였다. 먼저, 상기 제조예 1 내지 3의 리포밍 복합 소재 및 비교예 1의 LiLaNi-Al2O3 담지 촉매를 각각 약 3g씩 내부반경 약 3mm인 U-타입 쿼츠 반응기 내에 위치시키고, 아르곤 분위기에서 400℃에서, 30ml/min 유량으로 30분간 전처리하였다. 상기 반응기를 실온으로 냉각시킨 후 분위기를 10vol% H2/Ar으로 바꾸고 반응기를 10℃/min 속도로 930℃까지 가열하였다. 수소의 소비량을 TCD 검출기로 실시간 모니터링하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.Hydrogen temperature-programmed reduction (H 2 -TPR) was performed to confirm the chemical interaction between NiO / CuO and Al 2 O 3 carriers. First, the reforming composite materials of Preparation Examples 1 to 3 and the LiLaNi-Al 2 O 3 supported catalyst of Comparative Example 1 were each placed in a U-type quartz reactor having an inner radius of about 3 mm by 3 g each, and 400 ° C. in an argon atmosphere. Pretreated at 30 ml / min for 30 minutes. After cooling the reactor to room temperature the atmosphere was changed to 10 vol% H 2 / Ar and the reactor was heated to 930 ° C. at a rate of 10 ° C./min. The consumption of hydrogen was monitored in real time with a TCD detector, and the results are shown in FIG. 6.

도 6에서 보는 바와 같이 모든 시료에서 NiAl2O4 스피넬의 환원이 일어나는 온도인 800℃에서 피크를 나타냈다. Cu가 첨가되지 않은 비교예 1의 LiLaNi-Al2O3 담지 촉매의 경우 330℃에서 피크가 관찰되지 않았으며, 513℃에서 브로드한 피크가 관찰되었다. 330℃는 free NiO의 환원이 일어나는 온도로서 free NiO가 없음을 의미하며, 513℃에서의 피크는 LiLaNi-Al2O3의 Ni 고함량(30%)과 관련된 것으로 담체에 고정된 NiO의 환원에 따른 것이다. 도 6에 나타난 Cu함유 시료에 대해 TPR 시그널을 정량화하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. As shown in FIG. 6, all samples showed peaks at 800 ° C., which is a temperature at which reduction of NiAl 2 O 4 spinels occurs. In the LiLaNi-Al 2 O 3 supported catalyst of Comparative Example 1, in which Cu was not added, no peak was observed at 330 ° C, and a broad peak was observed at 513 ° C. 330 ° C is the temperature at which free NiO reduction occurs, which means no free NiO, and the peak at 513 ° C is related to the high Ni content of LiLaNi-Al 2 O 3 (30%). Will follow. The TPR signal was quantified for the Cu-containing sample shown in FIG. 6 and the results are shown in Table 1 below.

하기 표 1에서 보는 바와 같이 Cu의 첨가에 따라 free NiO의 양이 줄어드는 것을 알 수 있는데, 이는 Cu의 첨가가 Ni과 Al2O3 담체의 상호작용을 증가시켜 Ni 입자 성장을 억제한다는 것을 말해준다.As shown in Table 1, it can be seen that the amount of free NiO decreases with the addition of Cu, which indicates that the addition of Cu inhibits Ni particle growth by increasing the interaction of Ni and Al 2 O 3 carriers. .

CatalystCatalyst The ratios of H2 consumption below 500 and above 600℃ (R1)The ratios of H 2 consumption below 500 and above 600 ℃ (R 1 ) The mole ratios of copper to nickel in the as-prepared catalysts (R2)The mole ratios of copper to nickel in the as-prepared catalysts (R 2 ) Calculated
Free NiO/total NiO ratios (R)
Calculated
Free NiO / total NiO ratios (R)
제조예 1Production Example 1 LiLaNi-Al2O3/Cu (50:50)LiLaNi-Al 2 O 3 / Cu (50:50) 5.05.0 3.083.08 0.3200.320 제조예 2Production Example 2 LiLaNi-Al2O3/Cu (40:60)LiLaNi-Al 2 O 3 / Cu (40:60) 6.76.7 4.624.62 0.2700.270 제조예 3Production Example 3 LiLaNi-Al2O3/Cu (20:80)LiLaNi-Al 2 O 3 / Cu (20:80) 16.816.8 12.312.3 0.2510.251

평가예Evaluation example 4: 촉매 내구성 평가 4: catalyst durability evaluation

LiLaNi-Al2O3 담지 촉매의 작동 안정성에 대한 구리의 영향을 평가하기 위하여, 상기 제조예 1의 리포밍 복합 소재에 대하여 CH4:O2 비가 2:1인 조건 하에서 850℃에서 300시간 동안 메탄의 부분 산화 반응을 실시하였다. 상기 리포밍 복합 소재의 반응 시간에 따른 메탄 전환율 및 CO 선택성을 도 7에 나타내었다.In order to evaluate the effect of copper on the operating stability of the LiLaNi-Al 2 O 3 supported catalyst, the reforming composite material of Preparation Example 1 for 300 hours at 850 ℃ under a condition of 2: 1 CH 4 : O 2 ratio Partial oxidation of methane was carried out. Methane conversion and CO selectivity according to the reaction time of the reforming composite material are shown in FIG. 7.

도 7에서 보는 바와 같이, 전체 작동 시간 동안 성능 감소는 나타나지 않았으며, 메탄 전환율이 약 98%로 안정적이고, CO 선택성도 100%에 이르렀다. 이와 같이 우수한 촉매 내구성은 NiO/CuO와 Al2O3 담체 사이의 강한 상호작용에 기인하는 것은 상기 평가예 3에서 살펴본 바와 같다. As shown in FIG. 7, there was no decrease in performance over the entire run time, methane conversion was stable at about 98%, and CO selectivity reached 100%. Such excellent catalyst durability is due to the strong interaction between NiO / CuO and Al 2 O 3 carriers as described in Evaluation Example 3 above.

평가예Evaluation example 5: 전기전도도 평가 5: electrical conductivity evaluation

상기 제조예 1-3의 리포밍 복합 소재 및 비교예 1의 LiLaNi-Al2O3 담지 촉매의 전기전도도를 4-프로브 DC법을 이용하여 분석하였다. 실버 페이스트를 촉매층 상에 일정간격(S)을 두고 페인팅하여 전류 및 전압 전극을 형성하고, 각각의 은선을 전극 접촉과 전압 접촉에 이용하였다. 정전류를 가하고 전압선의 반응을 Keithley 2420 source meter를 이용하여 측정하여, 하기 식으로 전기전도도를 측정하였다. The electrical conductivity of the reforming composite material of Preparation Example 1-3 and the LiLaNi-Al 2 O 3 supported catalyst of Comparative Example 1 was analyzed using a 4-probe DC method. The silver paste was painted on the catalyst layer at a predetermined interval S to form current and voltage electrodes, and each silver line was used for electrode contact and voltage contact. The constant current was applied and the response of the voltage line was measured using a Keithley 2420 source meter, and electrical conductivity was measured by the following equation.

Figure pat00005
[식 5]
Figure pat00005
[Formula 5]

(ρ:전기전도도(S cm-1), S: 프로브간 거리(cm), V: 전압(V), I: 전류(A))(ρ: electrical conductivity (S cm -1 ), S: distance between probes (cm), V: voltage (V), I: current (A))

전기전도도 측정결과를 하기 표 2에 나타내었다. 비교를 위하여 Ni-YSZ 서멧 음극의 전기전도도(비교예 2)를 표 2에 함께 나타내었다. Electrical conductivity measurement results are shown in Table 2 below. For comparison, the electrical conductivity (comparative example 2) of the Ni-YSZ cermet negative electrode is shown in Table 2 together.

SampleSample Surface conductivity (S cm-1)Surface conductivity (S cm -1 ) 비교예 1Comparative Example 1 LiLaNi-Al2O3 LiLaNi-Al 2 O 3 5.23×10-10 5.23 × 10 -10 제조예 1Production Example 1 LiLaNi-Al2O3/Cu (50:50)LiLaNi-Al 2 O 3 / Cu (50:50) 1.601.60 제조예 2Production Example 2 LiLaNi-Al2O3/Cu (40:60)LiLaNi-Al 2 O 3 / Cu (40:60) 1.621.62 제조예 3Production Example 3 LiLaNi-Al2O3/Cu (20:80)LiLaNi-Al 2 O 3 / Cu (20:80) 1.751.75 비교예 2Comparative Example 2 Ni-YSZNi-YSZ 1.911.91

상기 표 2에서 보는 바와 같이, Cu가 첨가되지 않은 비교예 1는 Al2O3 담체가 절연체이기 때문에 5.23×10-10 S cm-1의 낮은 전기전도도를 나타내었다. 반면, Cu가 첨가된 제조예 1-3은 각각 1.60 S cm-1, 1.62 S cm-1 및 1.75 S cm-1의 높은 전기전도도를 나타냈으며, Cu가 첨가되지 않은 비교예 1에 비하여 약 1010배 정도로 전기전도도가 증가하였다. 이는 구리가 촉매층 내에서 퍼콜레이트 상(percolate phase)를 형성하면서 전기전도도를 증가시킨 것을 말해준다. 한편, Ni-YSZ 서멧 음극도 이에 상당한 전기전도도 값(1.91 S cm-1)을 나타냈다.As shown in Table 2, Comparative Example 1 without the addition of Cu exhibited a low electrical conductivity of 5.23 × 10 −10 S cm −1 because the Al 2 O 3 carrier was an insulator. On the other hand, Production example 1-3 of Cu is added, it showed a high electric conductivity of each of 1.60 S cm -1, 1.62 S cm -1 and 1.75 S cm -1, around 10 in comparison to Comparative Example 1 Cu is not added The electrical conductivity increased by about 10 times. This indicates that copper increased the electrical conductivity while forming a percolate phase in the catalyst layer. On the other hand, the Ni-YSZ cermet negative electrode also showed a significant electric conductivity value (1.91 S cm −1 ).

평가예Evaluation example 6:  6: 코킹Caulking 저항성( Resistance cokecoke resistanceresistance ) 평가) evaluation

상기 제조예 1-3의 리포밍 복합체 소재 및 비교예 1의 LiLaNi-Al2O3 담지 촉매의 코킹 저항성을 평가하기 위하여, 탄소 침적(carbon deposition) 테스트를 실시하였다. In order to evaluate the coking resistance of the reforming composite material of Preparation Examples 1-3 and the LiLaNi-Al 2 O 3 supported catalyst of Comparative Example 1, a carbon deposition test was performed.

먼저, 환원된 상기 제조예 1-3의 리포밍 복합체 소재 및 비교예 1의 LiLaNi-Al2O3 담지 촉매를 각각 약 2g씩 관상형 쿼츠-튜브 반응기에 위치시키고, 40ml/min 유량의 순수 메탄 분위기에서 750-850℃에서 5시간 동안 처리하였으며, 상기 반응기를 불활성 분위기 하에서 실온으로 냉각시켰다. 다음에 탄소 침적된 촉매 약 2g을 내부반경 약 3mm인 U-타입 쿼츠 반응기 내에 위치시키고, Oxygen temperature-programmed oxidation(O2-TPO)을 실시하기 위하여 유량 20ml/min의 순수 산소를 반응기 상부로 30분간 공급하였다. 이어서 반응기를 10℃/min 속도로 800℃까지 가열하였다. 촉매 표면에 침적된 탄소는 점차 CO2로 산화되었다. 반응기로부터의 배출가스를 질량분석기(Hiden QIC-20)로 연결하여 CO2 농도를 모니터링하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. First, the reduced reforming composite material of Preparation Example 1-3 and the LiLaNi-Al 2 O 3 supported catalyst of Comparative Example 1 were each placed in a tubular quartz-tube reactor, each about 2 g, and pure methane at a flow rate of 40 ml / min. The atmosphere was treated at 750-850 ° C. for 5 hours, and the reactor was cooled to room temperature under an inert atmosphere. Next, about 2 g of carbon-deposited catalyst was placed in a U-type quartz reactor having an inner radius of about 3 mm, and pure oxygen at a flow rate of 20 ml / min was added to the top of the reactor for 30 minutes in order to perform Oxygen temperature-programmed oxidation (O2-TPO). Supplied. The reactor was then heated to 800 ° C. at 10 ° C./min. Carbon deposited on the catalyst surface was gradually oxidized to CO 2 . The exhaust gas from the reactor was connected to a mass spectrometer (Hiden QIC-20) to monitor the CO 2 concentration, and the results are shown in FIG. 8.

도 8에서 보는 바와 같이, Cu가 50% 첨가된 시료의 코킹 저항성은 첨가되지 않은 시료와 유사하게 나타났다. Cu가 60% 첨가된 시료의 코킹은 약간 증가하였고, 80% 첨가된 시료의 코킹은 첨가되지 않은 시료에 비하여 2배 정도 증가하였다.As shown in FIG. 8, the coking resistance of the sample to which 50% of Cu was added was similar to that of the sample to which no addition was made. The caulking of the sample added with 60% Cu increased slightly, and the caulking of the sample added with 80% increased approximately twice as much as the sample without addition.

또한, Cu가 첨가된 시료와 첨가되지 않은 시료에 침적된 카본 종류를 확인하기 위하여 라만 분광기(HR800 UV Raman micro spectrometer, JOBIN YVON, France)를 이용하여 상기 제조예 1 및 비교예 1의 시료에 대하여 라만 스펙트럼 분석을 실시하였으며, 그 결과를 도 9에 도시하였다. In addition, the samples of Preparation Example 1 and Comparative Example 1 using a Raman spectrometer (HR800 UV Raman micro spectrometer, JOBIN YVON, France) in order to confirm the carbon deposited on the sample to which Cu and the sample is not added Raman spectrum analysis was performed and the results are shown in FIG. 9.

도 9에서 보는 바와 같이, Cu가 50% 첨가된 시료의 카본은 상대적으로 비정질 카본(amorphous carbon)이 많았고, Cu가 첨가되지 않은 시료의 카본은 상대적으로 그래파이트 형태의 결정질 카본이 많았다. 이는 비정질 카본이 그래파이트보다 더 반응성이 크고, 촉매 표면으로부터 제거되기가 더 쉽기 때문에, Cu의 첨가에 의하여 촉매의 재생(regeneration)을 더 용이하게 할 수 있음을 뜻한다.As shown in FIG. 9, the carbon of the sample to which 50% of Cu was added was relatively high in amorphous carbon, and the carbon of the sample in which Cu was not added was relatively high in graphite form. This means that amorphous carbon is more reactive than graphite and is easier to remove from the catalyst surface, making it easier to regenerate the catalyst by the addition of Cu.

평가예Evaluation example 7: 전류-전압 및 출력밀도 측정 7: Current-Voltage and Power Density Measurements

상기 실시예 1 및 비교예 3의 연료전지에 대하여 4-프로브 모드로 Keithley 2420 source meter를 이용하여 I-V 및 I-P 측정을 하였다. 측정하는 동안, 수소 연료와 CH4-O2, CH4-H2O 또는 CH4-CO2 연료가 음극 챔버에 공급되었으며, 외부공기를 산화가스로서 양극 챔버에 공급되었다. 수소와 메탄의 유량은 80ml/min으로 유지하였다. CH4-O2, CH4-H2O 및 CH4-CO2에서 운전된 실시예 1의 연료전지의 I-V 및 I-P 측정 결과를 각각 도 10-12에 나타내었고, CH4-O2, CH4-H2O 및 CH4-CO2에서 운전된 비교예 1의 연료전지의 I-V 및 I-P 측정 결과를 각각 도 13-15에 나타내었다. 도 10-15에서 흰색 도트는 각각의 측정온도에서의 I-V 관계를 플롯한 그래프이고, 검정색 도트는 I-V 그래프로부터 계산한 출력밀도를 플롯한 그래프이다.The fuel cells of Example 1 and Comparative Example 3 were subjected to IV and IP measurements using a Keithley 2420 source meter in 4-probe mode. During the measurement, hydrogen fuel and CH 4 -O 2 , CH 4 -H 2 O or CH 4 -CO 2 fuel were supplied to the cathode chamber and external air was supplied to the anode chamber as oxidizing gas. The flow rates of hydrogen and methane were maintained at 80 ml / min. IV and IP measurement results of the fuel cell of Example 1 operated at CH 4 -O 2 , CH 4 -H 2 O and CH 4 -CO 2 10 and 12, respectively, show IV and IP measurement results of the fuel cell of Comparative Example 1 operated at CH 4 -O 2 , CH 4 -H 2 O, and CH 4 -CO 2 . Each is shown in FIGS. 13-15. In FIG. 10-15, the white dot is the graph which plotted the IV relationship at each measurement temperature, and the black dot is the graph which plotted the output density computed from the IV graph.

도 10-15에서 보는 바와 같이, Cu 첨가 전후로 SOFC의 성능은 유사하게 나타났다. 다시 말해, Cu의 첨가는 Cu를 첨가하지 않은 LiLaNi-Al2O3 촉매와 비교할 때 출력밀도를 감소시키지 않았음을 알 수 있다. As shown in Figures 10-15, the performance of the SOFC appeared similar before and after the Cu addition. In other words, it can be seen that addition of Cu did not reduce the power density as compared to LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst without addition of Cu.

평가예Evaluation example 8: 셀 내구성 평가 8: Cell durability rating

상기 실시예 1의 연료전지의 내구성(안정성)을 평가하기 위하여 CH4:O2의 몰비가 4:1인 CH4-O2 혼합가스로 850℃의 온도에서 400분 동안 연료전지를 운전하였다. 전압 및 출력밀도 측정결과를 도 16에 나타내었다. In order to evaluate the durability (stability) of the fuel cell of Example 1, the fuel cell was operated for 400 minutes at a temperature of 850 ° C. with a CH 4 -O 2 mixed gas having a molar ratio of CH 4 : O 2 of 4: 1. Voltage and power density measurement results are shown in FIG. 16.

도 16에서 보는 바와 같이, 전체 작동 시간 동안 1000 mA cm-2의 전류밀도에서, 전압은 0.75V로 안정적이었으며, 대응되는 출력밀도는 750 mW cm-2로 안정적으로 나타났다. 셀의 안정성은 Cu가 첨가된 LiLaNi-Al2O3 촉매의 코킹 저항성에 기인한다. As shown in FIG. 16, at a current density of 1000 mA cm −2 for the entire operating time, the voltage was stable at 0.75 V and the corresponding power density was stable at 750 mW cm −2 . The stability of the cell is due to the coking resistance of the Cu-added LiLaNi-Al 2 O 3 catalyst.

셀 성능 및 안정성 테스트를 750-850℃에서 15시간 동안 수행한 다음, 연료전지의 단면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM)을 이용하여 관찰하고, 그 SEM 사진을 도 17에 도시하였다. After cell performance and stability tests were performed at 750-850 ° C. for 15 hours, the cross section of the fuel cell was observed using a scanning electron microscope (SEM), and the SEM photograph is shown in FIG. 17.

도 17에서 보는 바와 같이, 음극기능층(리포밍층)이 음극 표면에 잘 부착되어 있으며, 상기 제조에 1의 리포밍 복합 소재가 연료전지의 음극과 열적, 기계적으로 적합성(compatibility)을 가진다는 것을 알 수 있다. 또한, 카본 침적도 관찰되지 않았다. As shown in FIG. 17, the cathode functional layer (forming layer) is well adhered to the surface of the cathode, and the reforming composite material of 1 has thermal and mechanical compatibility with the cathode of the fuel cell. It can be seen that. In addition, no carbon deposition was observed.

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.

100: 고체산화물 연료전지 110: 음극 (음극 구조체)
111: 음극층 112: 리포밍층
120: 양극 130: 고체산화물 전해질
100: solid oxide fuel cell 110: cathode (cathode structure)
111: cathode layer 112: reforming layer
120: anode 130: solid oxide electrolyte

Claims (19)

니켈(Ni) 금속, 알칼리계 금속 및 란탄계 금속을 포함하는 담지 촉매; 및
11족 전이금속;을 포함하는 리포밍 복합 소재.
A supported catalyst comprising a nickel (Ni) metal, an alkali metal and a lanthanum metal; And
Group 11 transition metal; reforming composite material comprising a.
제1항에 있어서,
상기 담지 촉매는 상기 니켈(Ni) 금속, 알칼리계 금속 및 란탄계 금속이 Al2O3, SiO2, MgO, MnO, ZnO, TiO2, ZrO2, CeO2 및 이들의 조합으로부터 선택되는 담체에 담지된 형태를 갖는 리포밍 복합 소재.
The method of claim 1,
The supported catalyst is a carrier in which the nickel (Ni) metal, the alkali metal and the lanthanum metal are selected from Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MnO, ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , CeO 2, and combinations thereof. Reforming composite material with a supported form.
제1항에 있어서,
상기 알칼리계 금속은 Li, Na, K, Rb, 이들의 합금, 이들의 산화물 및 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 리포밍 복합 소재.
The method of claim 1,
Wherein said alkali-based metal comprises at least one selected from Li, Na, K, Rb, alloys thereof, oxides thereof, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 란탄계 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Sm Gd, Tb, Dy, Yb, 이들의 합금, 이들의 산화물 및 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 리포밍 복합 소재.
The method of claim 1,
The lanthanum-based metal is a reforming composite material comprising at least one selected from La, Ce, Pr, Nd, Sm Gd, Tb, Dy, Yb, alloys thereof, oxides thereof, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 담지 촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 니켈(Ni) 금속 20 내지 50 중량부, 상기 알칼리계 금속 0.1 내지 2 중량부, 및 상기 란탄계 금속 1 내지 10 중량부를 포함하는 리포밍 복합 소재.
The method of claim 1,
A reforming composite material including 20 to 50 parts by weight of the nickel (Ni) metal, 0.1 to 2 parts by weight of the alkali metal, and 1 to 10 parts by weight of the lanthanum metal, based on 100 parts by weight of the supported catalyst.
제1항에 있어서,
상기 11족 전이금속은 Cu, Ag, Au, 이들의 합금, 이들의 산화물 및 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 리포밍 복합 소재.
The method of claim 1,
The Group 11 transition metal includes at least one selected from Cu, Ag, Au, alloys thereof, oxides thereof, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 11족 전이금속은 상기 니켈(Ni) 금속, 알칼리계 금속 및 란탄계 금속과 합금을 형성하지 않는 리포밍 복합 소재.
The method of claim 1,
The Group 11 transition metal does not form an alloy with the nickel (Ni) metal, the alkali metal and the lanthanum metal.
제1항에 있어서,
상기 11족 전이금속은 단일금속 산화물(monometallic oxide), 알루미늄과의 이성분 산화물(binary oxide) 또는 이들의 조합 형태로 존재하는 리포밍 복합 소재.
The method of claim 1,
The Group 11 transition metal is a reforming composite material present in the form of a monometallic oxide, a binary oxide with aluminum, or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 담지 촉매와 11족 전이금속의 함량비는 중량비로 80:20 내지 20:80인 리포밍 복합 소재.
The method of claim 1,
The content ratio of the supported catalyst and the Group 11 transition metal is 80:20 to 20:80 by weight ratio.
제1항에 있어서,
상기 리포밍 복합 소재는 LiLaNi-Al2O3 담지촉매 및 Cu를 포함하는 리포밍 복합 소재.
The method of claim 1,
The reforming composite material is a reforming composite material comprising a LiLaNi-Al 2 O 3 supported catalyst and Cu.
제1항에 있어서,
상기 리포밍 복합 소재의 전기전도도는 1.0 Scm-1 이상인 리포밍 복합 소재.
The method of claim 1,
The reforming composite material has an electrical conductivity of 1.0 Scm -1 or more.
음극층; 및
상기 음극층의 적어도 일면에 배치되며, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 리포밍 복합 소재를 포함하는 리포밍층;을 포함하는 연료전지용 음극 구조체.
Cathode layer; And
12. A negative electrode structure for a fuel cell, comprising: a reforming layer disposed on at least one surface of the cathode layer and comprising a reforming composite material according to any one of claims 1 to 11.
제12항에 있어서,
상기 음극층은 Ni 서멧(cermet)을 포함하는 연료전지용 음극 구조체.
The method of claim 12,
The cathode layer is a fuel cell anode structure comprising a Ni cermet (cermet).
제13항에 있어서,
상기 Ni 서멧은, 이트륨, 스칸듐, 칼슘 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 지르코니아계; 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 세리아계; 칼슘, 스트론튬, 바륨, 가돌리튬 및 이트륨 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 비스무스 산화물계; 및 스트론튬 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate)계로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나와 니켈 옥사이드의 복합체로 이루어지는 연료전지용 음극 구조체.
The method of claim 13,
The Ni cermet may be zirconia-based or undoped with at least one of yttrium, scandium, calcium and magnesium; Ceria based or not doped with at least one of gadolinium, samarium, lanthanum, ytterbium and neodymium; Bismuth oxide based or doped with at least one of calcium, strontium, barium, gadolithium and yttrium; And a lanthanum gallate-based or at least one selected from the group consisting of lanthanum gallates doped or not doped with at least one of strontium and magnesium.
제13항에 있어서,
상기 Ni 서멧은 Ni/YSZ(Yttria-stabilized zirconia) 복합체인 연료전지용 음극 구조체.
The method of claim 13,
The Ni cermet is a negative electrode structure for a fuel cell Ni / YSZ (Yttria-stabilized zirconia) composite.
제12항에 따른 음극 구조체를 포함하는 음극;
상기 음극에 대향하여 배치되는 양극; 및
상기 음극과 양극 사이에 배치되는 고체산화물 전해질;을 포함하는 고체산화물 연료전지.
A negative electrode comprising the negative electrode structure according to claim 12;
An anode disposed to face the cathode; And
And a solid oxide electrolyte disposed between the cathode and the anode.
제15항에 있어서,
상기 양극은 (La,Sr)MnO3, (La,Ca)MnO3, (Sm,Sr)CoO3, (La,Sr)CoO3, (La,Sr)(Fe,Co)O3, (La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3, 및 귀금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 고체산화물 연료전지.
16. The method of claim 15,
The anode includes (La, Sr) MnO 3 , (La, Ca) MnO 3 , (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La , Sr) (Fe, Co, Ni) O 3 , and a solid oxide fuel cell comprising at least one selected from the group consisting of noble metals.
제15항에 있어서,
상기 고체산화물 전해질이 이트륨, 스칸듐, 칼슘 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 지르코니아계; 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 세리아계; 칼슘, 스트론튬, 바륨, 가돌리튬 및 이트륨 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 비스무스 산화물계; 및 스트론튬 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate)계로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 고체 전해질인 고체산화물 연료전지.
16. The method of claim 15,
The solid oxide electrolyte is zirconia-based or not doped with at least one of yttrium, scandium, calcium and magnesium; Ceria based or not doped with at least one of gadolinium, samarium, lanthanum, ytterbium and neodymium; Bismuth oxide based or doped with at least one of calcium, strontium, barium, gadolithium and yttrium; And a lanthanum gallate system, which is doped or not doped with at least one of strontium and magnesium.
제15항에 있어서,
상기 고체산화물 전해질이 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)인 고체산화물 연료전지.
16. The method of claim 15,
And said solid oxide electrolyte is yttria stabilized zirconia (YSZ).
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