KR20130123928A - 고체 산화물 연료전지용 캐소드와 그 제조 방법 및 이 캐소드를 포함하는 연료전지 - Google Patents
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Abstract
화학식 LnBaaSrbCo2 - xFexO5 +δ의 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재와 이를 사용한 연료전지를 개시한다. 상기 화학식에서, Ln은 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 또는 이들의 혼합물이고, a와 b는 0 초과 1 미만의 수로서, a+b=1을 만족하며, x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. 이 화학식에 따른 캐소드 소재를 사용하면 800℃ 이하의 온도에서 작동하는 고체 산화물 연료전지를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 페로브스카이트 관련 구조를 갖는 산화물을 캐소드로 하는 중간 온도 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)는 연료 가스의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 고효율의 환경친화적인 전기화학적 발전 기술이다. SOFC는 모든 구성요소가 고체로 이루어져있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 소재가 상대적으로 저렴하며, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 고체 산화물 연료전지는 상대적으로 불순물 함량이 높은 연료도 사용할 수 있고, 복합 발전 능력(hybrid power generation capability), 높은 효율 등과 같은 많은 장점을 지니고 있다. 게다가 연료를 수소로 개질할 필요 없이 탄화수소계 연료를 직접 사용할 수 있어 연료전지 시스템의 단순화와 제작비용 감소로 이어질 수 있다. SOFC는 수소 또는 탄화수소와 같은 연료가 산화되는 애노드(anode또는 연료극, 음극), 산소 기체가 산소 이온(O2 -)으로 환원되는 캐소드(cathode 또는 공기극, 양극) 및 산소 이온이 전도되는 산소 이온 전도성 고체 전해질을 포함한다.
기존의 SOFC는 모든 연료전지의 형태 중에서 가장 높은 800~1,000℃ 범위의 고온에서 작동하였기 때문에 고온에서 견딜 수 있는 고온 합금이나 값비싼 세라믹 소재들이 사용되어야 하고, 시스템의 초기 구동 시간이 오래 걸리며, 장시간 운전시 소재의 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 상용화하는데 가장 큰 걸림돌인 전체적인 비용 상승의 문제가 뒤따랐다. 이에 따라, 작동 온도가 800℃ 이하, 예를 들어 약 400 ~ 800℃의 온도에서도 효과적으로 전기를 발생할 수 있는 이른바 중온 고체 산화물 연료전지(IT-SOFC)를 개발하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 작동 온도의 저감은 SOFC 소재의 전기 저항을 급격히 증가시키게 되고 이는 결국 SOFC의 출력 밀도를 감소시키는 주된 원인으로 작용한다. 작동 온도 저감시 문제되는 이러한 전기 저항은 대부분이 캐소드부에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서 OFC의 작동 온도를 낮추는데 있어서 캐소드 저항을 줄이는 것이 중요한 문제가 되었다. 종래에는 Haile 등이 004년에 Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O3 -δ 캐소드 소재를 제시하고 있다. 그러나 이 캐소드 소재를 이용하여 Haile 등이 제시한 성능 수준을 검증하는 유사 연구가 아직 발표된 바 없고 아직 상업화가 이루어지지 않는 것으로 보아 충분한 검증이 필요한 것으로 판단된다.
이처럼 중간 온도에서의 SOFC의 작동을 위해서는 산소의 환원 및 연료 산화 반응이 일어나는 3상 계면에서 신속하게 이온을 수송해 줄 수 있는 전해질과 전해질 물질의 신규한 조합이 필수적인데, 이에 대한 업계의 요구는 아직 충족시키지 못하고 있는 실정이다.
본 발명의 기술적 과제는 800℃ 이하의 온도, 예를 들어 약 400℃ ~ 800℃의 중온에서 사용하기에 적합한 신규 캐소드 소재와 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 한 측면에서는, 화학식 1의 화합물을 포함하는 이중 페로브스카이트 구조를 지니는 고체 산화물 연료전지 캐소드(cathode)용 소재를 제공한다.
[화학식 1]
LnBaaSrbCo2 - xFexO5 +δ
이 때 위 식에서, Ln은 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 또는 이들의 혼합물이고, a와 b는 0 초과 1 미만의 수로서, a+b=1을 만족하며, x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
전술한 측면의 한 실시 형태에서는 a = b = 0.5이다. 전술한 측면의 다른 실시 형태에서는 x가 0.25 이상 0.75 이하이고, 더욱 구체적인 실시 형태에서는 x가 0.25 이상 0.50 이하이다.
본 발명의 다른 측면에서는 전술한 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물 및 유기 바인더를 포함하는 캐소드용 조성물을 제공한다. 이 조성물은 슬러리의 형태일 수 있다. 한 실시 형태에서 상기 산소 이온 전도성 고체 산화물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에서는 전술한 캐소드 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드를 제공한다. 이 캐소드는 산소 이온 전도성 고체 산화물과 화학식 1의 화합물의 복합체일 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에서는 전술한 캐소드, 상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지를 개시한다. 이 연료전지에서 애노드는 특별히 제한되지 않으며 공지의 애노드를 사용할 수 있다.
본 발명의 한 또 다른 측면에서는 상기 화학식 1의 캐소드 소재의 제조 방법을 제공한다. 이 제조 방법은 화학식 1의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 Ln, Ba, Sr, Co 및 Fe 화합물들의 혼합물인 금속 산화물 전구체들을 용매에 용해하여 전구체 용액을 얻는 단계, 상기 전구체 용액에서 용매를 증발시켜 고형물을 얻는 단계, 상기 고형물을 대기중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계와 상기 소성물을 연마하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 면적 비저항을 줄이고 캐소드 반응이 일어나는 삼상계면을 증가시킴으로써 산소 환원 반응 속도(oxygen reduction kinetics)가 향상된 고체 산화물 연료전지를 제공할 수 있다. 이러한 연료전지는 800℃ 이하의 낮은 온도에서도 효과적으로 작동할 수 있다.
도 1은 침입형 산소를 함유하는 정렬 이중 페로브스카이트 결정 구조의 란탄족 산화물로서, 프라세오디뮴, 바륨과 코발트의 한 산화물의 결정 구조를 보여 주는 그림이다.
도 2는 본 발명의 한 실시 형태에서 철 함량별로 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 2에서 x는 화학식 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 의 철의 화학양론 계수를 가리키며 0, 0.25, 0.50, 0.75 또는 1이다.
도 3(a)에서 도 3(f)는 도 1의 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 캐소드 함유 전체 단전지의 캐소드-전해질 계면의 횡단면을 Nova SEM사의 전계 방출형 주사 전자현미경(FESEM)을 이용하여 찍은 사진이다
도 4는 철 함량을 달리하는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ의 캐소드 함유 전체 단전지의 캐소드-전해질 계면의 횡단면을 Nova SEM사의 전계 방출형 주사 전자현미경을 이용하여 찍은 사진이다. 도 4에서 NBSCF25는 상기 화학식에서 x=0.25, NBSCF50은 상기 화학식에서 x=0.50, NBSCF75는 상기 화학식에서 x=0.75, NBSCF10은 상기 화학식에서 x=1.0을 가리킨다.
도 5는 가열시 발생하는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ의 산소 함량의 변화를 온도에 따라 측정한 열중량 분석(TGA) 결과를 철 함량별로 나타낸 그래프이다. 세로축은 가열 전을 기준으로 산소 함량의 감소도를 중량 %로 나타낸 것이며, 가로축은 가열 온도이다.
도 6(a)와 6(b)는 각각 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ와 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 전기 전도도와 온도의 상관 관계를 철 함량별로 나타내는 아레니우스 그래프이다.
도 7(a)와 7(b)는 각각 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ와 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 임피던스의 주파수 스펙트럼을 나타내는 니퀴스트 플롯(Nyquist plot)이다.
도 8(a)와 8(b)는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 각각 500℃와 600℃에서, 도 8(c)는 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 500℃에서 니퀴스트 플롯으로부터 얻은 면적 비저항(area specific resistance)을 철 함량에 따라 나타낸 그래프이다.
도 9(a)와 9(b)는 각각 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ와 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 캐소드 분극 전도도와 온도의 상관 관계를 철 함량별로 나타내는 아레니우스 그래프이다.
도 10(a) 내지 도 10(f)는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 11(a)과 11(b)는 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 12(a)와 12(b)는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 각각 500℃와 600℃에서 I-V 분극 곡선으로부터 얻은 전력 밀도를 철 함량에 따라 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 한 실시 형태에서 철 함량별로 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 2에서 x는 화학식 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 의 철의 화학양론 계수를 가리키며 0, 0.25, 0.50, 0.75 또는 1이다.
도 3(a)에서 도 3(f)는 도 1의 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 캐소드 함유 전체 단전지의 캐소드-전해질 계면의 횡단면을 Nova SEM사의 전계 방출형 주사 전자현미경(FESEM)을 이용하여 찍은 사진이다
도 4는 철 함량을 달리하는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ의 캐소드 함유 전체 단전지의 캐소드-전해질 계면의 횡단면을 Nova SEM사의 전계 방출형 주사 전자현미경을 이용하여 찍은 사진이다. 도 4에서 NBSCF25는 상기 화학식에서 x=0.25, NBSCF50은 상기 화학식에서 x=0.50, NBSCF75는 상기 화학식에서 x=0.75, NBSCF10은 상기 화학식에서 x=1.0을 가리킨다.
도 5는 가열시 발생하는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ의 산소 함량의 변화를 온도에 따라 측정한 열중량 분석(TGA) 결과를 철 함량별로 나타낸 그래프이다. 세로축은 가열 전을 기준으로 산소 함량의 감소도를 중량 %로 나타낸 것이며, 가로축은 가열 온도이다.
도 6(a)와 6(b)는 각각 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ와 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 전기 전도도와 온도의 상관 관계를 철 함량별로 나타내는 아레니우스 그래프이다.
도 7(a)와 7(b)는 각각 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ와 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 임피던스의 주파수 스펙트럼을 나타내는 니퀴스트 플롯(Nyquist plot)이다.
도 8(a)와 8(b)는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 각각 500℃와 600℃에서, 도 8(c)는 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 500℃에서 니퀴스트 플롯으로부터 얻은 면적 비저항(area specific resistance)을 철 함량에 따라 나타낸 그래프이다.
도 9(a)와 9(b)는 각각 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ와 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 캐소드 분극 전도도와 온도의 상관 관계를 철 함량별로 나타내는 아레니우스 그래프이다.
도 10(a) 내지 도 10(f)는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 11(a)과 11(b)는 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 에 대하여 I-V 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 12(a)와 12(b)는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 대하여 각각 500℃와 600℃에서 I-V 분극 곡선으로부터 얻은 전력 밀도를 철 함량에 따라 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명에 대하여 더 상세하게 설명한다. 이하 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어를 해석하는 데 있어서는, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 반드시 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석할 것이 아니며, 본 명세서에서 기재하는 바에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석하여야 한다는 것을 밝혀 둔다.
본 발명자들은 강화된 산소 확산도 및 전도도 특성을 갖는 정렬 이중 페로브스카이트(ordered double perovskite) 구조의 신규한 란탄족 산화물을 캐소드 소재로 사용하면 중온 연료전지에 적합하다는 것을 밝혀내었다.
본 명세서에서 정렬 이중 페로브스카이트란 ABO3 형태의 일반적인 비정렬 단순 페로브스카이트에서 A자리 또는B 자리 이온이 두 원소 이상으로 치환되어 있는 결정 격자 구조를 의미한다. 정렬 이중 페로브스카이트는 도 1에 나타낸 것과 같이 A 자리 이온과 B 자리 이온, 이 경우, 프라세오디뮴(Pr)과 바륨(Ba)이 규칙적으로 배열되어 있는 구조이다. 정렬 이중 페로브스카이트의 다른 예로 NBSCo를 들 수 있다. NBSCo는 도 1의 페로브스카이트에서 프라세오디뮴 대신 네오디뮴(Nd)이, A 자리에 바륨 대신 스트론튬(Sr)이 일부 치환되면서 Nd과 Ba/Sr의 원자 크기의 차이로 인해 Nd 층 위에 Ba/Sr 층이 있으며, 다시 그 위에 Nd가 규칙적으로 배열되어 있다. 하지만 비정렬 페로브스카이트의 경우는 원자가 무질서하게 있기 때문에 정렬 페로브스카이트처럼 층이 규칙적으로 분리되지 않는다. 예를 들면 LaBaCo2O5 +δ의 경우 La와 Ba는 원자 크기가 많이 차이 나지 않기 때문에, La와 Ba이 층을 이루어 규칙적으로 배열되지 못하고 비정렬 페로브스카이트 구조를 형성한다.
본 발명의 한 측면에서는 정렬 이중 페로브스카이트 구조의 화학식 I의 란탄족 산화물을 포함하는 고체 산화물 연료전지 캐소드(cathode)용 소재를 제공한다.
[화학식 1]
LnBaaSrbCo2 - xFexO5 +δ
이 때 위 식에서, Ln은 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 또는 이들의 혼합물이고, a와 b는 0 초과 1 미만의 수로서, a+b=1을 만족하며, x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
위 화학식 1의 정렬 이중 페로브스카이트 란탄족 화합물은 기본적으로 BaO/CoO2/LnOδ/CoO2의 적층 순열이 반복되는 이상적 결정 구조에서 BaO의 일부가 SrO로, CoO2의 일부가 FeO2로 치환된 구조로 이해할 수 있다(δ는 구체적인 결정 구조에 따라 정해짐). 본 발명의 작동 원리에 관하여 어떠한 특정 이론에 얽매이고자 하는 의도는 아니지만, 이해를 돕기 위하여 설명하자면 상기 정렬 이중 페로브스카이트 란탄족 산화물 내의 정돈된 공극(ordered vacancy)으로 인하여, 캐소드를 형성하였을 때 캐소드 벌크 속의 산소 이온의 확산율이 상당히 향상되며, 분자 산소의 산소 이온으로의 환원 반응성이 향상되는 표면 결함 부위를 공급할 수 있는 것으로 사료된다.
상기 화학식 1의 란탄족 산화물은 침입형 산소(interstitial oxygen)를 포함함으로써 산소 이온의 전도성이 향상된다. 상기 산화물에서 δ가 침입형 산소를 나타내는 값에 해당한다. 예를 들어, 한 구체적인 경우에는 0<δ≤0.5일 수 있다. 상기 δ의 값은 상기 Ln의 구체적인 원소 종류 또는 코발트의 철 치환 비율(즉 x의 값)에 따라 달라지게 된다.
상기 화학식 1의 캐소드 소재에서, x의 값은 0 초과 1 미만이며, 구체적으로는 0.25 이상 0.75 이하, 더욱 구체적으로는 0.25 이상 0.50 이하이다. 상기 캐소드 소재의 x 값이 상기 범위 이내이면, 고체 산화물 연료전지의 캐소드, 전해질, 산소 사이의 3상계면을 넓힘으로써 중온에서 상기 소재의 산소 이온 전도성, 산소 환원 반응 속도(oxygen reduction kinetics)를 높이고 캐소드의 저항을 줄일 수 있다. 본 발명의 작동 원리에 관하여 어떠한 특정 이론에 얽매이고자 하는 의도는 아니지만, 이해를 돕기 위하여 설명하자면 x가 0일 경우 정렬 이중 페로브스카이트 구조를 이룰 수 없으며, x가 1 이상일 경우도 비정렬 단순 페로브스카이트 결정 구조로 바뀌기 때문에 전술한 정렬 이중 페로브스카이트 구조에 따른 이점을 얻을 수 없게 되는 것으로 생각된다.
본 발명에 따른 LnBaaSrbCo2 - xFexO5 +δ 화학식의 이중 정렬 페로브스카이트 구조의 캐소드 소재는 철의 적절한 치환으로 인하여 우수한 전기 전도도와 화학적 안정성을 조화시킬 수 있는 이점이 있다. 전기 전도도가 큰 영향을 끼치는 전력 밀도의 경우 종래 기술에서는 섭씨 600도에서 약 1.0 W/cm2 정도가 최고 수준이다. 하지만 본 발명에서는 예를 들어 Ln이 네오디뮴인 경우 똑같이 네오디뮴을 채택하되 Co를 Fe로 치환하지 않은 캐소드 재료보다 600도에서 더 높은 최대 전력 밀도를 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 그리고 본 발명의 캐소드 재료에서 Ln이 사마륨이나 프라세오디뮴인 경우도 상기 종래 기술과 비슷하거나 더 뛰어난 수준의 최대 전력 밀도를 나타낸다.
본 발명의 한 실시 형태에서는 전기량 적정 실험과 전기 전도도 실험을 동시에 수행하여, 상기 캐소드 재료에서 철의 함량을 늘릴수록 전기 전도도는 낮아지고, 캐소드 재료의 화학적 안정성은 산소 분압이 더 낮은 영역까지 향상되는 것을 발견하였다. 또한, 철의 화학양론 계수 x가 1.0인 비정렬 단순 페로브스카이트 구조의 캐소드 재료는 대체로 이중 페로브스카이트 구조에 비해 화학적 안정성이 떨어지는 경향이 있다는 것을 발견하였다. 따라서, 적어도 본 발명 캐소드 재료의 일부 실시 형태에서는 x가 0.5 정도가 되도록 코발트를 철로 치환하면 일정 수준 이상의 전기 전도도를 유지하면서 재료의 화학적 안정성까지 확보할 수 있다. 나아가 본 발명의 캐소드 재료에서는, 스트론튬과 바륨의 치환 비율을 조절함으로써 철 치환에 따라 생길 수 있는 전기 전도도 감소를 보상할 수 있다. 요컨대 본 발명의 캐소드 재료는. 일부 실시 형태에 따라서 기존의 전도도가 우수한 캐소드 재료에 비해 전기 전도도의 손실이 다소 있을 수 있지만, 화학적 안정성이 우수하기 때문에 전반적으로 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 화학식 1의 캐소드 소재에서 바륨과 스트론튬과 치환율인 a와 b는 a+b=1이고 a와 b가 0이 아닌 양수를 만족하는 범위에서 변화할 수 있다. 한 구체적인 실시 형태에서는 a = b = 0.5이다.
본 발명의 한 실시 형태에서는 상기 Ln이 사마륨과 네오디뮴이다. Ln이 이들 원소일 때에는 네오디뮴은 전기 전도도가 높고 사마륨은 열팽창 계수가 낮다는 측면에서 유리하다.
본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 상기 화학식 1의 캐소드 소재가 PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ, SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 또는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ이고, x는 0 초과 1 미만이다. 더욱 구체적인 실시 형태에서는 상기 화학식 1의 캐소드 소재가 PrBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ, SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 또는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 -xFexO5+δ이고, x는 0 초과 0.75 이하이다. 더 한층 구체적인 실시 형태에서는 상기 화학식 1의 캐소드 소재가 PrBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ, SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 또는 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ이고, x는 0.25 이상 0.75 이하이다. 가장 구체적인 실시 형태에서는 상기 화학식 1의 캐소드 소재가 PrBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ, SmBa0 .5Sr0 .5Co2 -xFexO5+δ 또는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ이고, x는 0.25 이상 0.50 이하이다.
본 발명의 한 측면에서는 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재의 제조 방법을 개시한다. 이 제조 방법은 상기 화학식 1의 조성에 맞도록 계량된 각 금속 전구체를 (예를 들어 용매를 이용하여 습식) 혼합하는 단계, 상기 (습식) 혼합물에서 용매를 증발 등으로 제거하여 고형물을 얻는 단계, 상기 고형물을 공기 중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계, 상기 소성물을 연마하는 단계를 포함한다.
상기 금속 전구체는 화학식 1의 화합물을 얻을 수 있는 화학양론적 비율로 혼합한다. 금속 전구체의 예는 화학식 1의 상기 캐소드 소재를 구성하는 각 금속 성분인 Ln, Ba, Sr, Co, Fe는 의 질화물, 산화물, 할로겐화물 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 용매 혼합 단계에서 사용되는 용매로서는 물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속 전구체를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올 등의 총 탄소수가 5 이하의 저급 알코올; 질산, 염산, 황산 등의 산용액; 물; 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 디에틸에테르, 에틸렌 글리콜 등의 유기용매; 등을 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 혼합 공정은 약 100 내지 200℃의 온도에서 수행되며, 각 성분이 충분히 혼합될 수 있도록 교반하에 소정 시간 동안 수행할 수 있다.
상기 혼합 과정과 용매 제거 및 이를 위하여 필요한 첨가제 부가는 예를 들어 글리신-질산염법(glycine nitrate process) 등으로 잘 알려져 있으니 여기서는 상술하지 않는다.
상기 혼합 과정을 거쳐 가열 등으로 용매를 제거하여 고형물을 얻은 후, 소성 공정을 수행하게 되는 바 이와 같은 소성은 대기중에서 약 400 ~ 950℃의 온도 범위로 1 내지 5시간 동안 수행할 수 있다.
필요한 경우 상기 소성 후 제 2의 열 처리(하소, 소결)를 할 수도 있다. 이 제 2 열처리 공정은 공기 중에서소성하는 공정으로서 약 800 ~ 1300℃의 온도에서 약 1 ~ 10시간 동안 수행하여 분말상의 결과물을 얻게 된다.
상기 소성된 결과물은 연마하거나 분쇄하여 일정 크기의 미세 분말상을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서는 전술한 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물 및 유기 바인더를 더 포함하는 캐소드용 조성물을 제공한다. 이 조성물은 슬러리의 형태일 수 있다. 한 실시 형태에서 상기 산소 이온 전도성 고체 산화물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 란탄스트론튬마그네슘 갈레이트(LSGM) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택할 수 있다. 상기 캐소드 형성용 조성물에서 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물의 함량은 상기 캐소드 소재 100중량부에 대하여 예를 들어 20~80중량부일 수 있다.
상기 캐소드용 조성물로부터 캐소드를 제조할 수 있다. 예를 들어 상기 캐소드 형성재용 조성물을 기재 상에 코팅한 후 열처리하여 캐소드를 형성할 수 있다.
상기 캐소드의 두께는 통상 고체 산화물 연료전지에서 약 1 ~ 100 μm일 수 있다. 예를 들어, 상기 캐소드의 두께는 약 5 ~ 50 μm일 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에서는 전술한 캐소드, 상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지를 개시한다. 이 연료전지에서 애노드는 특별히 제한되지 않으며 공지의 애노드를 사용할 수 있다.
이러한 고체 산화물 전해질을 구성하는 소재로는 이 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 고체 산화물 전해질로는 다음과 같은 것들을 사용할 수 있다: 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ) 등의 안정화 지르코니아계; 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등과 같은 희토류 원소가 첨가된 세리리아계; 기타 LSGM ((La, Sr)(Ga, Mg)O3)계 등을 사용할 수 있다. 스트론튬 또는 마그네슘이 도핑된 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate).
상기 고체 산화물 연료전지는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 고체 산화물 연료전지는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다.
상기 고체 산화물 연료전지는 단위 전지의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 공기극, 연료극 및 고체산화물 전해질로 구성되는 단위 전지(MEA, Membrane and Electrode Assembly)가 직렬로 적층되고 상기 단위 전지들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위전지의 스택(stack)이 얻어질 수 있다.
[실시예]
이하 제조예와 실험예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 아래 실시예는 본 발명을 예시로써 상세하게 설명하기 위한 것이며, 어떠한 경우라도 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니다.
캐소드
소재의 합성
철의 화학양론 계수 x를 0, 0.25, 0.50, 0.75 또는 1.0으로 하는 캐소드 소재 SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ(이하 SBSCF로 줄임)을 글리신-질산염법(glycine-nitrate process, GNP)으로 합성하였다.
상기 각 x에 따른 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ에 해당하는 화학양론적 비율로 Sm(NO3)3·6H2O(Aldrich사, 금속 기준으로 99.9%), Ba(NO3)2 (Aldrich사, 99% 이상), Sr(NO3)2(Aldrich사, 99% 이상), Co(NO3)3·6H2O(Aldrich사, 98% 이상) 및 Fe(NO3)3·6H2O(Aldrich사, 98%)을 글리신과 함께 증류수에 용해하였다. 이 용액을 공기 중에서 350℃까지 가열하고, 이어서 연소 반응을 거쳐 고운 분말을 형성하였다. 이 분말을 600℃에서 4시간 동안 하소한 뒤 그 분말을 연마하여 1차 분말을 얻었다. 이 1차 분말을 900℃에서 4시간 동안 다시 하소하였다. 전도도 측정과 전기량법 적정을 위하여 상기 분말을 5 MPa에서 펠릿으로 압축시키고 공기 중에서 24시간 동안 1100℃로 소결하였다.
철의 화학량론 계수 x를 0, 0.25, 0.50, 0.75 또는 1.0으로 하는 캐소드 소재 NdBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ(이하 NBSCF로 줄임)도 Sm(NO3)3·6H2O 대신 Nd(NO3)3·6H2O을 사용한 것을 제외하고는 전술한 바와 마찬가지로 합성하였다.
도 2는 실시예 1에서 제조한 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 의 X선 회절 패턴이다. X선 회절은 일본 Rigaku사의 회절 장치를 써서 Cu Kα 복사의 분말 분산법으로 측정하였다. 도 2의 모든 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ 시료는 공기 중에서 24시간 동안 1100℃로 소결된 후에는 불순물이 없는 단일 상을 형성하였다. X선 회절 결과는 0.75 이하의 낮은 철 함량에서 정렬 이중 페로브스카이트 구조의 특징인 이중 피크(doublet)를 보이며 서로 확연히 분리되는 것을 나타내고 있다. 반면에 높은 철 함량(x=1)의 SBSCF에서는 X선 회절 스펙트럼이 겹치지 않은 단독 피크(singlet)인데 이는 x=1인 SBSCF의 결정 구조가 나머지 SBSCF처럼 질서 있는 이중 정렬 페로브스카이트가 아니고 질서도가 떨어지는 비정렬 단순 페로브스카이트 구조로 바뀐 것을 가리킨다. 여기서 x가 0.75 이하인 정렬 이중 페로브스카이트 구조는 사방정계의 공간군 Pmmm이며 x=1의 질서도가 떨어지는 비정렬 단순 페로브스카이트 결정 구조는 사방정계의 공간군 Pnma였다. 단위 구조 파라미터와 결정 격자내 철의 코발트 치환에 따른 부피 변화는 아래 표 1에 정리하였다,
표 1의 결과로부터 결정 구조내 철 함량이 늘어나면서 반지름이 작은Co3+(r=0.545 Å)나 Co4 +(r=0.530 Å)를 반지름이 큰 Fe3 +(r=0.645 Å)나 Fe4+(r=0.585 Å)가 대체함에 따라 격자의 부피가 커지는 것을 알 수 있다.
NBSCF 캐소드 소재의 경우도 철 함량이 1보다 낮은 경우에는 정렬 이중 페로브스카이트 구조를 나타내었지만 철 함량이 1인 경우는 비정렬 단순 페로브스카이트 구조를 나타내었다(데이터 미도시).
전극의 합성
SBSCF와 산소 이온 전도성 산화물인 Ce0 .9Gd0 .1Gd2 -δ(이하 GDC로 줄임)을 포함하는 복합 캐소드를 제조하였다. GDC는 해당 금속 질산염과 글리신을 써서 전술한 글리신-질산염법(GNP)으로 합성하였다. SBSCF-GDC 복합 캐소드 제조용 슬러리 형성을 위하여 하소하기 전의 캐소드 소재 분말과 GDC 분말을 중량비 6:4로 완전히 혼합하였다. 슬러리 형성을 위하여 모든 전극 분말은 유기 바인더(Heraeus V006)과 함께 혼합하였다.
NBSCF와 GDC의 복합 캐소드도 위와 마찬가지 방법으로 제조하였다.
연료전지의 제조
임피던스 측정을 위하여 전극/GDC/전극 구조의 대칭 반전지(symmetric half cell)를 제조하였다. GDC분말을 펠렛으로 압축하고 공기 중에서 4시간 동안 1350℃로 소결하여 치밀한 전해질을 얻었다. 이 치밀한 GDC 전해질의 양면에 대칭이 되도록 상기 캐소드 슬러리를 도포하고 이어서 공기 중에서 4시간 동안 950℃로 소결하였다.
Ni-GDC의 복합 애노드와 SBSCF와 GDC의 복합 캐소드를 포함하는 NiO-GDC/GDC/SBSCF-GDC 구조의 전체 단전지(full single cell)는 공압축법(co-press method)으로 제작하였다. 애노드의 제조에서는 먼저 NiO 분말, GDC 분말과 전분을 중량비 6:4:1.5으로 에탄올 속에서 24시간 볼 밀링하여 혼합하였다. 이 혼합액을 건조한 뒤 그 NiO-GDC 세메트를 굵기 0.6 mm, 지름 15 mm의 펠렛으로 압축하였다. 이어서 상기 애노드면에 공압축법으로 전해질 분말을 분산시키고 공기 중에서 5시간 동안 1350℃로 소결하였다. SBSCF-GDC 슬러리를 상기 GDC 전해질층 위에 스크린 인쇄한 뒤 공기 중에서 4시간 동안 950℃로 소결하여 약 20 μm 두께의 치밀한 전해질과 다공성 캐소드(지름 0.36 cm이고 약 30 μm 굵기)을 형성하였다.
아울러 NBSCF와 GDC의 복합 캐소드와 NiO-GDC의 복합 애노드를 포함하는 전체 전지를 전술한 것과 마찬가지 방법으로 제조하였다.
도 3(a) 내지 도 3(f)는 철 함량별로 상기 SBSCF 캐소드를 포함하는 전체 단전지의 캐소드-전해질 계면의 횡단면을 Nova SEM사의 전계 방출형 주사 전자현미경(FESEM)을 이용하여 찍은 사진이다. 도 3(a)는 캐소드와 GDC 전해질의 단면을 나타낸 것으로 캐소드와 전해질의 두께는 약 약 20 μm 정도이다. 그리고 도 3(b)~3(f)는 철의 함량별로 SBSCF-GDC 복합체의 단면을 나타낸 SEM 사진이며 철의 함량에 따라서 미세 구조는 큰 차이가 없는 것으로 보인다. 캐소드의 두께는 약 20 μm였고, GDC 전해질의 두께는 약 20 μm였다. 도 3으로부터 제조된 단전지에 구멍이나 공극 또는 균열이 없어 성공적으로 제조가 이루어진 것을 확인할 수 있다. 이 단전지들은 모두 비슷한 미세 구조를 지니고 있어 철 함량이 두드러지게 미세 구조에 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났다.
도 4는 상기 NBSCF 캐소드를 포함하는 전체 단전지의 횡단면을 철 함량별로 찍은 주사 전자현미경 사진이다. 도 4(a)~4(e)에서 NBSCF-GDC 복합체의 미세구조도 SBSCF-GDC 복합체와 같이 철 함량에 따라 미세구조는 큰 차이가 없는 것으로 보인다.
캐소드
소재의 열 안정성
도 5는 합성한 NBSCF의 온도에 따른 산소 함량 변화율을 측정한 열중량 분석(TGA) 그래프이다. 열중량 분석은 미국 TA instruments사의 SDT-Q600 열중량 분석기를 이용하여 분당 2℃의 가열/냉각률로 100℃에서 900℃에 걸쳐 공기 중에서 측정하였다. 최초의 실온 산소 함량은 공기 중에서 간접 요오드 적정(iodometric titration)으로 측정하였다. 도 5의 그래프를 볼 때 산소 함량의 유지 정도로 평가한, 본 발명의 한 실시 형태에 따른 NBSCF 캐소드 소재의 열 안정성은 800℃ 이하의 작동 온도에서 쓰이는데 충분한 수준임을 알 수 있다. 격자내에서 침입형 산소(interstitial oxygen)가 상실되기 때문에 NBSCF 시료들은 200℃부터 산소를 잃기 시작하였다. 침입형 산소의 상실 정도와 철 함량 사이의 관계로부터 산소가 격자 내에서 코발트보다 철과 더 강하게 결합한다는 것을 유추할 수 있다. 이는 Fe3O4의 표준 생성 자유 에너지(-1017.438 kJ/mol)가 Co3O4의 표준 생성 자유 에너지(-794.871 kJ/mol)보다 더 크다는 것과 부합한다.
캐소드
소재의 전기 전도도
실시예 1에서 합성한 NBSCF와 SBSCF 캐소드 소재의 전기 전도도와 온도의 상관 관계를 나타내는 아레니우스 그래프를 도 6a(NBSCF)와 도 6b(SBSCF)에 나타내었다. 전기 전도도는 해당 캐소드 소재로 된 캐소드를 공기 중에서 4단자 직류 배치(four terminal DC arrangement) 하여 측정하였다. 상기 네 개의 단자의 프로브로는 은 전선을 이용하였다. 전류와 전압은 100~900℃의 측정 구간에서 50℃ 간격으로 BioLogic사의 일정 전위 장치(potentiostat)를 써서 측정하였다.
도 6에서 캐소드 소재의 철 함량이 늘어남에 따라, 그리고 온도가 증가함에 따라 전기 전도도가 줄어드는 경향을 볼 수 있다. 단 SBSCF의 경우 x가 0에서 0.75까지는 같은 온도 하에서 철 함량이 커질수록 전기 전도도가 단조 감소하였으나, x=1.0인 비정렬 단순 페로브스카이트 구조의 경우 전기 전도도가 x=0과 x=0.25인 정렬 이중 페로브스카이트 SBSCF들의 사이에 위치하였다. 정렬 이중 페로브스카이트 결정계에서는 300℃를 넘는 온도에서는 온도가 증가함에 따라전기 전도도가줄어드는 금속성의 거동을 나타내었다. 반면에 비정렬 단순 페로브스카이트 결정계에서는 온도가 증가함에 따라 전기 전도도도 커지다가 온도가 350℃를 넘으면서부터는 줄어드는 것을 볼 수 있는데, 이는 반도체에서 금속성 거동으로 전이가 일어난 것이다.
대칭
캐소드
반전지의
면적 비저항
실시예 3에서 합성한 NBSCF-GDC와 SBSCF-GDC 복합 캐소드 소재 대칭 반전지의 600℃에서의 면적 비저항(area specific resistance) 거동을 도7a(NBSCF)와 도 7b(SBSCF)에 나타내었다. 면적 비저항 측정을 위한 반전지에서는 집전기(current collector)로 은 페이스트를 이용하여 양쪽 전극에 은 전선을 연결하였다. 이 반전지를 세라믹 접착제를 써서 알루미나 튜브에 고정하였다. 연료로는 수증기 기포 장치(water bubbler)를 통과시킨 가습 수소 기체(수분 3%)를 분당 100 mL의 유속으로 공급하였고, 산화제로는 공기를 주위 유속(ambient air flow)으로 공급하였다. 임피던스 스펙트로스코피 측정은 BioLogic사의 일정 전위 장치를 써서 700℃에서 교류 섭동(AC perturbation)을 14 mA로 하여 주파수 범위 500 kHz에서 1 MHz에 걸쳐 개방 회로 전압(OCV) 하에서 이루어졌다.
면적 비저항은 전극과 관련된 모든 저항 요소, 즉 기체-캐소드 계면, 캐소드의 벌크내 또는 캐소드-전해질 계면에서 일어나는 저항을 망라한 지표이다. 면적 비저항은 고주파와 저주파 사이에서 니퀴스트 플롯(Nyquist plot)의 실수축에 대한 임피던스 절편값으로 정해진다. 도 7(a)에서 NBSCF 캐소드의 면적 비저항은 600℃에서 철 함량이 증가하는 순서로 각각 0.105 Ω·cm2, 0.066 Ω·cm2, 0.087 Ω·cm2, 0.106 Ω·cm2과 0.179 Ω·cm2였다.
500℃와 550℃에서 더 측정한 면적 비저항 값까지 포함하여 비교할 때 NBSCF-GDC 복합 캐소드는 x=0.25인 소재가 측정 온도에서 가장 면적 비저항이 낮았는데, 500℃에서는 0.441 Ω·cm2, 600℃에서는 0.066 Ω·cm2였다. 이는 현재까지 발표되고 있는 캐소드의 500℃에서의 면적 비저항 중 가장 낮은 값으로 판단된다.
도 8은 니퀴스트 플롯으로 500℃와 600℃에서 측정한 NBSCF와 500℃에서 측정한 SBSCF의 면적 비저항을 철 함량 기준으로 정리한 그래프이다. 500oC에서 철 함량이 늘어남에 따라 면적 비저항이 0.5 Ω·cm2 수준까지 줄어들다가 다시 늘어나는 것을 볼 수 있다. 정렬 이중 페로브스카이트 구조인 캐소드 소재(x≠1)의 면적 비저항이 비정렬 단순 페로브스카이트 구조(x=1)보다 현저하게 낮은 것을 볼 수 있다.
일반적으로 이동성 산소종의 농도가 커질수록 산소 환원 반응 속도가 높아질 수 있다. 본 발명의 작동 원리에 관하여 어떠한 특정 이론에 얽매이고자 하는 의도는 아니지만, 이해를 돕기 위하여 설명하자면 철 함량이 커지면서 Ln-O 층에서 침입형 산소 농도가 늘어나면 산소 환원 반응 속도(oxygen reduction kinetics)도 코발트:철 비율이 3:1에 이를 때(즉 x=0.5)까지는 빨라지는 것으로 생각된다. 하지만 이 지점에서 철 함량을 더 높이면 양이온이 질서 배치를 이루는 정렬 이중 페로브스카이트에서 질서도가 떨어지는 비정렬 단순 페로브스카이트로 산화물의 구조가 바뀌게 된다.
도 7(b)의 SBSCF-GDC 캐소드도 상기 NBSCF-GDC 캐소드와 비슷한 임피던스 거동을 보이는 것을 알 수 있다. SBSCF-GDC의 경우는 NBSCF-GDC와는 약간 다르게 Fe 함량 x가 0.50, 0.75 정도일 때 산소 환원 반응 속도가 가장 빠른것으로 보인다. 하지만 x가 1에 이르도록 철이 도핑되면 정렬 이중 페로브스카이트 구조가 비정렬 단순 페로브스카이트 구조로 바뀌어 산소 환원 반응 속도가 느려지게 된다.
캐소드
분극
전도도
NBSCF와 SBSCF 캐소드 분극 전도도(cathode polarization conductance)의 아레니우스 그래프를 각각 도 9(a)(NBSCF)와 9(b)(SBSCF)에 나타내었다.
도 9(a)의 데이터로부터 NBSCF의 겉보기 활성화 에너지(apparent activation energy)는 철 함량(x) 0, 0.25, 0.50, 0.75와 1.0에 대하여 각각 105.76 kJ/mol, 95.46 kJ/mol, 101.81 kJ/mol, 104.98 kJ/mol과 126.46 kJ/mol이었다. 이 겉보기 활성화 에너지는 질서 있는 정렬 이중 페로브스카이트 구조가 질서도가 떨어지는 비정렬 단순 페로브스카이트 구조보다 활성화 에너지가 더 낮다는 것을 보여 준다.
도 9(b)의 SBSCF-GDC 캐소드도 상기 NBSCF-GDC 캐소드와 비슷한 활성화 에너지를 지닌다는 것을 알 수 있다. 반전지 비저항 측정 결과로부터 SBSCF-GDC 캐소드의 활성화 에너지를 구하면 각각 125.28 kJ/mol, 116.88 kJ/mol, 104.59 kJ/mol, 112.15 kJ/mol과 119.93 kJ/mol이었다. 즉, x=0.5 근처에서 활성화 에너지가 최소임을 보여주고 있으며, 비정렬 페로브스카이트 구조인 x=1.0의 경우와 철이 포함되지 않은 경우(x=0.0)에 활성화 너지가 다소 크게 나타남을 확인할 수 있다.
전체 전지의 전력 밀도
실시예 3에서 얻은 NBSCF와 SBSCF의 복합 캐소드 소재와 GDC 전해질, NiO-GDC 복합 애노드 전체 전지의 전기화학적 성능을 평가하였다. I-V 분극 곡선은 BioLogic사의 일정 전위 장치를 이용하여 500~650℃에서 측정하였다. 500~650℃에서 가습 수소 기체(3% 수분)을 연료로, 정지 상태인 주위 공기를 산화제로 사용하였다. 도 10(a) ~ 도 10(e)는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ-GDC 캐소드 함유 전지에 대하여 측정한 I-V 분극 곡선과 전력 밀도를 x 값이 늘어나는 순서로 나타낸 그래프이다. x=0인 NdBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ 정렬 이중 페로브스카이트 구조의 최대 전력 밀도는 500℃, 550℃, 600℃과 650℃에서 각각 0.246, 0.482, 0.814와 1.152 W/cm2이었다. 반면에 x=1인 NdBa0 .5Sr0 .5CoFeO5 +δ 비정렬 단순 페로브스카이트 구조의 경우는 전력 밀도가 500℃, 550℃, 600℃과 650℃에서 각각 0.215, 0.451, 0.814와 1.225 W/cm2이었다. 이 결과는 질서도가 떨어지는 NdBa0 .5Sr0 .5CoFeO5 +δ의 최대 전력 밀도가 고도로 질서 있는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2O5 +δ보다 고온에서는 상대적으로 높다는 것을 가리킨다. 또한, 온도가 낮아지면 비정렬 단순 페로브스카이트 구조의 산화물 캐소드의 전기화학적 성능이 정렬 이중 페로브스카이트 캐소드보다 상당히 떨어지는 것도 분명하다. 철 함량과 전기화학적 성능의 관계를 살펴보면 NBSCF는 철 함량이 0을 기준으로 x=0.25까지는 철 함량과 전기화학적 성능이 같이 증가하다가, 0.25를 넘어서면 다시 감소하였다. 예를 들어 600℃에서 NBSCF-GDC 캐소드를 가지는 전지는 전력 밀도 1.104 W/cm2로 기존에 보고되고 있는 값 중에 가장 우수한 것으로 판단된다.
도 11은 SmBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ-GDC 캐소드 함유 전지에 대하여 측정한 I-V 분극 곡선과 전력 밀도를 철의 함량(x)이 늘어나는 순서로 나타낸 그래프이다. SmBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ-GDC 캐소드의 경우 Fe의 함량이 0.50일 때 최대 전력 밀도가 600℃에서는 0.964 W/cm2로 가장 높은 전기화학적 성능을 보였다.
도 12에 나타낸 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ-GDC 캐소드 함유 전지의 성능(x=0.25, 0.50과 0.70)은 x=0.5일 때 600℃에서 1 W/cm2을 넘어 가장 우수하였고, 철 함량이 더 커지면 전기화학적 성능이 감소하였다
상기 실시예들로부터 본 발명의 정렬 이중 페로브스카이트 구조 란탄족 산화물 캐소드 소재는 800℃ 이하의 중온에서 우수한 전기화학적 성능을 나타내는 고체 산화물 연료전지를 제조할 수 있게 하여 준다는 점을 확인하였다.
전술한 바와 같이 특정 내용과 일부 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 구체적인 예로써 제시한 설명일 뿐임을 밝혀 둔다. 본 발명은 전술한 실시 형태들로만 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 실시 형태에 대하여 다양한 수정 및 변형을 할 수 있고, 이러한 수정 및 변형도 본 발명의 기술 사상 속에서 망라하고 있다.
따라서 앞에서 설명한 실시 형태들과 후술하는 특허 청구의 범위는 물론, 이 특허 청구 범위의 모든 균등물이나 등가인 변경 실시 형태들도 본 발명 기술 사상의 범주에 속한다.
Claims (13)
- 아래 화학식 1의 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재:
<화학식 1>
LnBaaSrbCo2 - xFexO5 +δ
이 때 위 식에서, Ln은 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 또는 이들의 혼합물이고,
a와 b는 0 초과 1 미만의 수로서, a+b=1을 만족하며,
x는 0 초과 1.0 미만의 수이고,
δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. - 제 1항에 있어서, a = b = 0.5인 것을 특징으로 하는 캐소드 소재.
- 제 1항에 있어서, x는 0.25 이상 0.75 이하인 것을 특징으로 하는 캐소드 소재.
- 제 3항에 있어서, x는 0.25 이상 0.50 이하인 것을 특징으로 하는 캐소드 소재.
- 제 1항에 있어서, 상기 캐소드 소재는PrBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ, SmBa0 .5Sr0 .5Co2 -xFexO5+δ 또는 NdBa0 .5Sr0 .5Co2 - xFexO5 +δ이고, x는 0 초과 0.75 이하인 것을 특징으로 하는 캐소드 소재.
- 제 5항에 있어서, x는 0.25 이상 0.50 이하인 것을 특징으로 하는 캐소드 소재.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 소재와 산소 이온 전도성 고체 산화물 및 유기 바인더를 더 포함하는 캐소드용 조성물.
- 제 7항에 있어서, 상기 산소 이온 전도성 고체 산화물은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 란탄스트론튬마그네슘 갈레이트(LSGM) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택하는 것을 특징으로 하는 캐소드용 조성물.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 캐소드 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드.
- 제 9항에 있어서, 상기 캐소드가 산소 이온 전도성 고체 산화물과 화학식 1의 화합물의 복합체인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드.
- 제 9항에 따른 캐소드;
상기 캐소드를 마주보고 배치되는 애노드; 및
상기 캐소드와 애노드 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지. - 제 11항에 있어서,
상기 고체산화물 연료전지의 작동 온도가 800℃ 이하인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지. - 금속 산화물 전구체들을 용매에 용해하여 전구체 용액을 얻는 단계;
상기 전구체 용액에서 용매를 증발시켜 고형물을 얻는 단계;
상기 고형물을 대기중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계; 및
상기 소성물을 연마하는 단계;를 포함하고,
상기 금속 산화물 전구체들은 아래 화학식 1의 화합물을 생성할 수 있는 화학양론적 비율의 Ln, Ba, Sr, Co 및 Fe 화합물들의 혼합물인 고체 산화물 연료전지용 캐소드 소재의 제조 방법:
<화학식 1>
LnBaaSrbCo2 - xFexO5 +δ
이 때 위 식에서, Ln은 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴 또는 이들의 혼합물이다.
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