KR20200017685A - Cathode composition for solid oxide fuel cell, cathode, manufacturing method thereof and solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물, 이를 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드, 이의 제조방법 및 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다. The present specification relates to a cathode composition for a solid oxide fuel cell, a cathode for a solid oxide fuel cell including the same, a method for manufacturing the same, and a solid oxide fuel cell.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of the alternative energy sources, the fuel cell has received particular attention due to its advantages such as high efficiency, no pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of fuel and oxidant into electrical energy. Hydrogen, hydrocarbons such as methanol, butane, and the like are typically used as fuel, and oxygen is used as the oxidant.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuels. Batteries (SOFC) and the like.
한편, 연료전지의 공기극의 원리를 응용하여 금속 이차 전지의 캐소드를 공기극으로 제조하는 금속 공기 이차 전지에 대한 연구도 필요하다.On the other hand, it is also necessary to study the metal air secondary battery for manufacturing the cathode of the metal secondary battery as the cathode by applying the principle of the cathode of the fuel cell.
본 명세서는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물, 캐소드, 이를 포함하는 연료전지용 캐소드 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. The present specification provides a cathode composition for a solid oxide fuel cell, a cathode, a cathode for a fuel cell including the same, and a method of manufacturing the same.
본 명세서의 일 실시상태는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 제공한다. An exemplary embodiment of the present specification provides a cathode composition for a solid oxide fuel cell comprising a compound represented by Formula 1 and a compound represented by Formula 2.
[화학식 1][Formula 1]
BaCo0.4Fe0.4Zr0.2-x1Yx1O3-δ BaCo 0.4 Fe 0.4 Zr 0.2-x1 Y x1 O 3-δ
[화학식 2][Formula 2]
La1-x2Srx2CoO3-δ La 1-x2 Sr x2 CoO 3-δ
상기 화학식 1 및 화학식 2에 있어서, In Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2,
0≤x1≤0.2, 0≤x2<1 이고, δ는 0 이상 0.3 이하이다. 0 ≦ x1 ≦ 0.2, 0 ≦ x2 <1, and δ is 0 or more and 0.3 or less.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드를 제공한다. An exemplary embodiment of the present specification provides a cathode for a solid oxide fuel cell including the cathode composition for the solid oxide fuel cell.
본 명세서의 일 실시상태는 고상합성법을 이용하여 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 각각 합성하는 단계; 및 상기 합성하는 단계에 의해 합성된 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 혼합하여 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 제조하는 단계를 포함하는, 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물의 제조방법을 제공한다. An exemplary embodiment of the present specification comprises the steps of synthesizing the compound represented by the formula (1) and the compound represented by the formula (2) by using a solid phase synthesis method; And preparing a cathode composition for a solid oxide fuel cell by mixing the compound represented by the following Chemical Formula 1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2 synthesized by the synthesizing step: Provide a method.
[화학식 1][Formula 1]
BaCo0.4Fe0.4Zr0.2-x1Yx1O3-δ BaCo 0.4 Fe 0.4 Zr 0.2-x1 Y x1 O 3-δ
[화학식 2][Formula 2]
La1-x2Srx2CoO3-δ La 1-x2 Sr x2 CoO 3-δ
상기 화학식 1 및 화학식 2에 있어서, In Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2,
0≤x1≤2, 0≤x2<1 이고, δ는 0 이상 0.3이하이다. 0 ≦ x1 ≦ 2, 0 ≦ x2 <1, and δ is 0 or more and 0.3 or less.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드 및 에노드 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 고체 산화물 연료전지를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification is the cathode; Anode; And it provides a solid oxide fuel cell comprising an electrolyte layer provided between the cathode and the anode.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 포함하여 고체 산화물 연료 전지를 제조하여 중저온(600 내지 700℃)에서 구동시, 고체 산화물 연료전지의 실 성능 및 내구성을 높일 수 있다. By manufacturing a solid oxide fuel cell including a cathode composition for a solid oxide fuel cell according to one embodiment of the present specification and operating at a low temperature (600 to 700 ° C.), it is possible to increase the actual performance and durability of the solid oxide fuel cell.
도 1은 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지 셀의 주사전자현미경(SEM)의 측정된 이미지이다.
도 3은 본 명세서의 실시예에 따른 캐소드의 EDX 분석 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 2에 따른 캐소드의 EDX 분석 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 본 명세서의 실시예에 따른 캐소드의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 비교예 2에 따른 캐소드의 SEM 사진을 나타낸 것이다.1 schematically shows the electricity generation principle of a solid oxide fuel cell.
2 is a measured image of a scanning electron microscope (SEM) of a solid oxide fuel cell according to one embodiment of the present specification.
3 shows an EDX analysis image of a cathode according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 4 shows an EDX analysis image of the cathode according to Comparative Example 2.
5 shows an SEM image of a cathode according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 6 shows a SEM picture of the cathode according to Comparative Example 2.
이하, 본 출원의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 출원의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 출원의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 출원의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 출원을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present application will be described. However, embodiments of the present application may be modified in various other forms, and the scope of the present application is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present application are provided to more completely describe the present application to those skilled in the art.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components, without excluding other components, unless specifically stated otherwise.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In this specification, when a member is located "on" another member, this includes not only when one member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.
본 명세서에 있어서, "약"은 정확한 수량을 의미할 수 있다. 예컨대, "약 5 퍼센트"는 "약 5 퍼센트" 및/또한 "5 퍼센트"를 의미한다. "약"은 응용 또는 의도된 목적에 대한 통상적인 실험 오류 이내를 의미한다. In the present specification, "about" may mean an exact quantity. For example, "about 5 percent" means "about 5 percent" and / or "5 percent." "About" means within the usual experimental error for the application or intended purpose.
일반적으로 고체 산화물 연료전지의 캐소드는 ABO3 구조의 페로브스카이트(perovskite) 물질이 사용된다. 양이온으로서 크기가 큰 쪽이 A, 작은 쪽이 B로 표시된다. 상기 A와 산소 O는 면심입방 구조를 이루며, B는 그 안의 8면체 자리(octahedral site)를 차지한다. 페로브스카이트 물질 중 BCFZY0.1(BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-x)는 고체 산화물 연료전지의 캐소드 조성물로 사용되는 통상적으로 알려진 물질과 비교하여, 낮은 활성화 에너지를 가진다. 이에 따라, 상기 BCFZY0.1를 고체 산화물 연료전지에 적용하는 경우, 저온에서 분극 손실에 따른 전지 성능 감소의 문제를 해결할 수 있기 때문에, 600℃ 이하의 구동 온도에서도 높은 성능을 기대할 수 있다. 그러나 상기 BCFZY0.1를 포함한 고체 산화물 연료전지를 600 초과 700℃ 이하, 구체적으로 650℃에서 구동하는 경우, 연료전지의 실 성능이 매우 낮으며, 이는 낮은 전기전도도로 인한 것일 수 있다. In general, the cathode of the solid oxide fuel cell is a perovskite material of ABO 3 structure is used. As the cation, the larger one is represented by A, and the smaller one is represented by B. The A and the oxygen O form a face centered cubic structure, and B occupies an octahedral site therein. BCFZY0.1 (BaCo 0.4 Fe 0.4 Zr 0.1 Y 0.1 O 3-x ) in the perovskite material has a low activation energy compared to commonly known materials used as the cathode composition of solid oxide fuel cells. Accordingly, when the BCFZY0.1 is applied to a solid oxide fuel cell, it is possible to solve the problem of battery performance reduction due to polarization loss at low temperature, and thus high performance can be expected even at a driving temperature of 600 ° C. or lower. However, when the solid oxide fuel cell including the BCFZY0.1 is operated at more than 600 and less than 700 ℃, specifically 650 ℃, the actual performance of the fuel cell is very low, which may be due to low electrical conductivity.
본 명세서에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 고체 산화물 연료전지에 사용함으로써, 600 초과 700℃ 이하의 온도 범위, 구체적으로는 650℃에서 고체 산화물 연료전지를 구동하는 경우, 연료 전지의 실 성능을 적절히 유지하면서도, 장기간 구동시 내구성이 유지되는 장점이 있다.According to the present specification, a solid oxide fuel cell cathode composition comprising a compound represented by the following formula (1) and a compound represented by the following formula (2) is used in a solid oxide fuel cell, so that a temperature range of more than 600 and 700 ° C or less, specifically, When the solid oxide fuel cell is driven at 650 ° C., while maintaining the actual performance of the fuel cell properly, durability is maintained when driving for a long time.
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 경우, 안정한 큐빅(cubic) 구조를 가지며 스트론튬을 포함하지 않는(Sr free) 조성이기 때문에 혼합 조성물로 적용할 경우 스트론튬(Sr) 함량을 낮추어주므로 내구성 면에서 유리하다. 이는, ABO3 구조의 페로브스카이트(perovskite) 물질에 있어서, A 자리에 스트론튬(Sr)을 포함하는 캐소드 조성물의 경우, 스트론튬(Sr) 분리(segregation)에 의한 이차상 생성의 문제점이 있으며, 이는 연료전지를 장기 구동하는 경우, 성능 저하의 원인이 되기 때문이다. In the case of including the compound represented by the following formula (1), it has a stable cubic (cubic) structure and does not contain strontium (Sr free) composition because when applied to the mixed composition lowers the content of strontium (Sr) in terms of durability Do. This is a perovskite material of ABO 3 structure, in the case of the cathode composition containing strontium (Sr) at the A site, there is a problem of the generation of secondary phase by strontium (Sr) segregation, This is because when the fuel cell is driven for a long time, it causes a decrease in performance.
또한, 연료전지의 장기 구동시 하기 화학식 2로 표시되는 화합물의 입자 조대화 현상에 따른 연료 전지의 실 성능 저하를 완화시킬 수 있다.In addition, the long-term operation of the fuel cell can alleviate the decrease in the actual performance of the fuel cell due to the coarsening phenomenon of the compound represented by the formula (2).
덧붙여, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물은 전기전도도가 높은 캐소드 물질로, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물에 포함하는 경우, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물의 낮은 전기전도도 특성을 보완해 줄 수 있기 때문에 연료 전지의 실 성능이 비교적 높게 유지될 수 있다. In addition, the compound represented by the following Chemical Formula 2 is a cathode material having high electrical conductivity, and when the compound represented by the following Chemical Formula 2 is included in the cathode composition for a solid oxide fuel cell, the low electrical conductivity characteristics of the compound represented by the following Chemical Formula 1 As a result, the actual performance of the fuel cell can be maintained relatively high.
본 명세서의 일 실시상태는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 제공한다.An exemplary embodiment of the present specification provides a cathode composition for a solid oxide fuel cell comprising a compound represented by Formula 1 and a compound represented by Formula 2.
[화학식 1][Formula 1]
BaCo0.4Fe0.4Zr0.2-x1Yx1O3-δ BaCo 0.4 Fe 0.4 Zr 0.2-x1 Y x1 O 3-δ
[화학식 2][Formula 2]
La1-x2Srx2CoO3-δ La 1-x2 Sr x2 CoO 3-δ
상기 화학식 1 및 화학식 2에 있어서, In Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2,
0≤x1≤0.2, 0≤x2<1 이고, δ는 0 이상 0.3이하이다. 0 ≦ x1 ≦ 0.2, 0 ≦ x2 <1, and δ is 0 or more and 0.3 or less.
본 명세서의 일 실시상태는, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 중량비가 10:1 내지 1:10인 것인 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 제공한다. An exemplary embodiment of the present specification provides a cathode composition for a solid oxide fuel cell in which the weight ratio of the compound represented by Chemical Formula 1 and the compound represented by Chemical Formula 2 is 10: 1 to 1:10.
구체적으로 상기 중량비는 2:1 내지 1:2일 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 중량비는 1:1일 수 있다. 상기 중량비가 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 포함하는 연료전지용 캐소드가 우수한 실 성능을 가질 수 있다. Specifically, the weight ratio may be 2: 1 to 1: 2. More specifically, the weight ratio may be 1: 1. When the weight ratio satisfies the above range, the fuel cell cathode including the solid oxide fuel cell cathode composition may have excellent seal performance.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물에 포함되는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 균일하게 혼합된 복합재(composite) 형태로 존재할 수 있다In one embodiment of the present specification, the compound represented by Chemical Formula 1 and the compound represented by Chemical Formula 2 included in the cathode composition for a solid oxide fuel cell may exist in a uniformly mixed composite form.
본 명세서의 일 실시상태는 OPD(Operation Power Density) 값이 0.28 W/cm2 이상인 것인 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 제공한다. One embodiment of the present specification provides a cathode composition for a solid oxide fuel cell having an OPD (Operation Power Density) value of 0.28 W / cm 2 or more.
상기 OPD 값이란, 전지의 실 성능을 평가하는 척도를 의미한다. 상기 OPD 값은 높으면 높을수록 좋으므로, OPD 값의 상한치는 한정하지 않는다. The OPD value means a measure for evaluating the actual performance of the battery. The higher the OPD value is, the better it is, so the upper limit of the OPD value is not limited.
상기 OPD 값이 0.28 W/cm2 이상인 경우, 연료전지의 실 성능이 높아 연료전지의 스택 제조시 목표하는 출력 성능을 내기 위해 많은 양의 셀이 필요하지 않으므로, 비용 측면에서 경제적이라는 장점이 있다. When the OPD value is 0.28 W / cm 2 or more, since the actual performance of the fuel cell is high, a large amount of cells are not required to produce a target output performance when manufacturing a stack of the fuel cell, and thus there is an advantage in terms of cost.
상기 OPD 값은 후술하는 방법으로 측정할 수 있다. 3 X 3 cm2 크기의 셀을 제조하여, 연료전지 평가 시스템에서 전류-전압(Current-Voltage) 분석을 수행한다. 구체적으로, 셀의 연료극에 산화니켈(NiO) 페이스트(Anode Contact paste)를 도포하고, 셀을 고정시킬 메탈 지그의 연료극과 공기극 립(rib)에는 집전체(current collector)로 각각 니켈 메쉬(Ni mesh) 와 은 메쉬(Ag mesh)를 부착한다. 유리 분말을 포함하는 실런트 소재를 사용하여 상기 고체 산화물 연료전지를 가압하여 밀봉한다. 전류-전압(Current-Voltage) 분석은 각각 운전 온도에서 연료극에 3 내지 4 wt%의 수분을 함유한 수소를 125 ㎖/min, 공기극에 공기를 500 ㎖/min의 유량으로 흘려 보내며 650℃ 에서 측정할 수 있다. 이후, 집전체(Current collector)와 voltage 선을 메탈 지그에 연결하고 Electric loader(모델명: PLZ70UA, KIKUSUI, Japan)를 사용하여 전류-전압(Current-Voltage)을 측정할 수 있다. The OPD value can be measured by the method described later. A 3 x 3 cm 2 size cell is fabricated and current-voltage analysis is performed in a fuel cell evaluation system. Specifically, a nickel oxide (NiO) paste is applied to the fuel electrode of the cell, and a nickel mesh is used as a current collector to the anode and the air electrode rib of the metal jig to fix the cell. ) And silver mesh. The solid oxide fuel cell is pressurized and sealed using a sealant material containing glass powder. Current-Voltage analysis is performed at 650 ° C with 125 ml / min of hydrogen containing 3 to 4 wt% of moisture at the anode and 500 ml / min of air at the cathode, respectively, at operating temperature. can do. Thereafter, a current collector and a voltage wire may be connected to a metal jig, and current-voltage may be measured using an electric loader (model name: PLZ70UA, KIKUSUI, Japan).
본 명세서의 일 실시상태는 EDX(Energy dispersive x-ray) 분석에 의하여 상기 캐소드의 표면에서 검출되는 란타늄(La) 및 스트론튬(Sr)의 평균 원자 퍼센트(at %) 비는 3:1 내지 6:1인 것인 고체 산화물 연료전지용 캐소드를 제공한다. According to an exemplary embodiment of the present specification, the ratio of the average atomic percent (at%) of lanthanum (La) and strontium (Sr) detected at the surface of the cathode by energy dispersive x-ray (EDX) analysis is 3: 1 to 6: Provided is a cathode for a solid oxide fuel cell.
바람직하게 상기 란타늄(La) 및 스트론튬(Sr)의 평균 원자 퍼센트(at %) 비는 3:1 내지 4:1 일 수 있다.Preferably, the ratio of the average atomic percent (at%) of the lanthanum (La) and strontium (Sr) may be 3: 1 to 4: 1.
더욱 바람직하게 상기 상기 란타늄(La) 및 스트론튬(Sr)의 평균 원자 퍼센트(at %) 비는 3:1 내지 3.04:1 일 수 있다.More preferably, the average atomic percent (at%) ratio of the lanthanum (La) and strontium (Sr) may be 3: 1 to 3.04: 1.
상기 평균 원자 퍼센트 비의 범위를 만족함으로써, 연료 전지를 장기 구동하는 경우, 성능 저하의 원인이 되는 스트론튬(Sr)의 함량을 적절히 유지하여 연료 전지의 내구성을 유지할 수 있다. 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물에 스트론튬을 다량 포함하는 경우, 연료전지를 장기간 구동하였을 때, 스트론튬의 분리(segregation) 현상으로 부도체인 스트론튬 화합물이 생성될 수 있다. 이로 인해 캐소드의 기공율(porosity)가 감소하며, 결정립계(grain boundary)에서 이차상 석출이 유발되어 고체 산화물 연료전지 성능 저하의 원인이 될 수 있다. 그러나 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물은 스트론튬 함량을 적절히 포함하여, 연료 전지의 실 성능 유지 및 내구성 향상의 효과가 있다. When the fuel cell is driven for a long time by satisfying the range of the above average atomic percentage ratio, the durability of the fuel cell can be maintained by appropriately maintaining the content of strontium (Sr) that causes performance degradation. When a large amount of strontium is included in the cathode composition for a solid oxide fuel cell, a non-conductor strontium compound may be generated due to segregation of strontium when the fuel cell is driven for a long time. As a result, the porosity of the cathode is reduced, and secondary phase precipitation may occur at grain boundaries, which may cause degradation of a solid oxide fuel cell. However, the cathode composition for a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present specification includes a strontium content as appropriate, thereby maintaining the actual performance of the fuel cell and improving durability.
상기 EDX(Energy dispersive x-ray) 분석이란, X선을 시료에 비추었을 때, 튀어나온 전자들의 에너지 스펙트럼을 분석하여 물질의 특성을 알아내는 방법을 일컫는다. 본 명세서에 있어서, 상기 EDX 분석을 이용하여, 상기 캐소드의 표면에서 검출되는 원자의 평균 함량, 예컨대, 란타늄(La) 및 스트론튬(Sr)의 평균 함량을 측정할 수 있다. The energy dispersive x-ray (EDX) analysis refers to a method of characterizing a material by analyzing energy spectra of protruding electrons when X-rays are reflected on a sample. In the present specification, the EDX analysis may be used to determine an average content of atoms detected on the surface of the cathode, for example, an average content of lanthanum (La) and strontium (Sr).
상기 EDX 분석을 위한 SEM 장비로는 Hitachi 사의 TM3030Plus, EDX detector로는 Oxford instruments의 SwiftED3000을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로 본 명세서의 일 실시상태에 따른 캐소드의 셀을 50 시간 구동하여, 상기 캐소드 셀의 무작위 영역을 6000 배율로 확대한 영역을 분석한다. SEM equipment for the EDX analysis may be used Hitachi TM3030Plus, EDX detector SwiftED3000 of Oxford instruments, but is not limited thereto. Specifically, the cell of the cathode according to the exemplary embodiment of the present specification is driven for 50 hours to analyze an area in which the random area of the cathode cell is enlarged at 6000 magnification.
상기 “평균”이란, 상기 EDX 분석을 이용하여 전술한 조건에서 1번 내지 10번, 바람직하게는 5번 구동한 후, 그 평균을 계산한 값을 의미한다.The “average” means a value obtained by driving 1 to 10 times, preferably 5 times, under the above-described conditions using the EDX analysis.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 캐소드를 제공한다. An exemplary embodiment of the present specification provides a cathode for a solid oxide fuel cell including the cathode composition for the solid oxide fuel cell.
상기 캐소드는 다공성(porous)의 구조를 가지며 두께는 10 내지 60 ㎛ 일 수 있다. 바람직하게 상기 두께는 30 내지 40 ㎛ 일 수 있다.The cathode has a porous structure and may have a thickness of about 10 μm to about 60 μm. Preferably the thickness may be 30 to 40 ㎛.
상기 두께가 상기 범위를 만족하는 경우 스크린 프린팅법과 같은 습식 공정으로 제조가 용이하고 산소 환원에 필요한 반응 면적을 확보할 수 있다. 또한 산소 이온의 이동 거리가 짧아지므로, 공기극의 면저항이 높아지는 것을 방지할 수 있다.When the thickness satisfies the above range, it is easy to manufacture by a wet process such as a screen printing method and a reaction area required for oxygen reduction can be secured. In addition, since the movement distance of the oxygen ions is shortened, it is possible to prevent the surface resistance of the air electrode from increasing.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물은 분말(power) 상태인 것인 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 제공한다. An exemplary embodiment of the present specification provides a cathode composition for a solid oxide fuel cell, wherein the cathode composition for a solid oxide fuel cell is in a powder state.
본 명세서의 일 실시상태는 고상합성법을 이용하여 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 각각 합성하는 단계; 및 상기 합성하는 단계에 의해 합성된 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 혼합하여 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 제조하는 단계를 포함하는, 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물의 제조방법을 제공한다. An exemplary embodiment of the present specification comprises the steps of synthesizing the compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2, respectively, using a solid phase synthesis method; And preparing a cathode composition for a solid oxide fuel cell by mixing the compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2 synthesized by the synthesizing step. Provide a method.
본 명세서의 또 다른 일 실시상태는 고상합성법을 이용하여 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 각각 합성하는 단계; 및 상기 합성하는 단계에 의해 합성된 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 혼합하여 분말 상태의 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 제조하는 단계를 포함하는, 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물의 제조방법을 제공한다. Another embodiment of the present specification comprises the steps of synthesizing the compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2, respectively, using a solid phase synthesis method; And preparing a cathode composition for a solid oxide fuel cell in a powder state by mixing the compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2 synthesized by the synthesizing step. Provided are methods for preparing the composition.
상기 고상합성법(solid state reaction)이란, 기계적 분쇄법으로 금속 분말을 미세하게 분쇄한 후, 고상 반응에 의해 순수한 고체 상태로 혼합된 물질들이 온도나 압력 등에 의한 고상 반응에 의해서 새로운 화합물이 합성되는 방법이다. The solid state reaction is a method in which a new compound is synthesized by a solid phase reaction by a temperature or pressure after the finely pulverized metal powder by a mechanical grinding method, the material mixed in a pure solid state by a solid phase reaction to be.
상기 고상합성법을 이용하여 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 합성하는 단계는 BaCO3, Co3O4, Fe2O3, ZrO2 및 Y2O3의 원료 분말들을 화학양론에 맞게 칭량한 다음, 습식-볼-밀링을 진행하고 고온에서의 고상 반응을 수행하여 입자 분말을 제조하는 것을 의미할 수 있다. 상기 고온이란 900 내지 1,100℃를 의미한다. 상기 화학식 1에 표시되는 화합물에 포함되는 Ba:Co:Fe:Zr:Y의 원소비는 1.0:0.4:0.4:0.1:0.1 일 수 있다.Synthesizing the compound represented by Chemical Formula 1 using the solid phase synthesis method weighs the raw powders of BaCO 3 , Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , ZrO 2 and Y 2 O 3 according to stoichiometry, The wet-ball-milling may be performed and the solid phase reaction may be performed at a high temperature to prepare a particle powder. The high temperature means 900 to 1,100 ℃. An element ratio of Ba: Co: Fe: Zr: Y included in the compound represented by Chemical Formula 1 may be 1.0: 0.4: 0.4: 0.1: 0.1.
상기 고상합성법을 이용하여 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 합성하는 단계는 La2O3, Sr(CO3) 및 Co3O4 원료 분말들을 화학양론에 맞게 칭량한 다음, 습식-볼-밀링을 진행하고 고온에서의 고상 반응을 수행하여 입자 분말을 제조하는 것을 의미할 수 있다. 상기 화학식 2에 표시되는 화합물에 포함되는 La:Sr:Co의 원소비는 0.6:0.4:1이거나, 0.8:0.2:1인 것을 의미할 수 있다. 바람직하게, 상기 화학식 2에 표시되는 화합물에 포함되는 La:Sr:Co의 원소비는 0.8:0.2:1일 수 있다. Synthesizing the compound represented by Chemical Formula 2 by using the solid phase synthesis method weighs La 2 O 3 , Sr (CO 3 ) and Co 3 O 4 raw powders in accordance with stoichiometry, and then wet-ball-milling. It may mean that the particle powder is produced by performing a solid phase reaction at a high temperature. An element ratio of La: Sr: Co included in the compound represented by Formula 2 may mean 0.6: 0.4: 1 or 0.8: 0.2: 1. Preferably, the element ratio of La: Sr: Co included in the compound represented by Formula 2 may be 0.8: 0.2: 1.
상기 고상합성법을 이용하여 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 각각 합성하는 단계는 원료 분말을 혼합하는 단계, 밀링하는 단계, 건조하는 단계 및 하소하는 단계를 포함할 수 있다.Synthesizing the compound represented by Chemical Formula 1 and the compound represented by Chemical Formula 2 by using the solid phase synthesis method may include mixing raw materials, milling, drying and calcining. .
상기 원료 분말을 혼합하는 단계는 상기 원료 분말을 용매에서 혼합할 수 있다.In the mixing of the raw material powder, the raw material powder may be mixed in a solvent.
상기 원료 분말을 혼합하는 단계에 있어서, 상기 원료 분말 및 용매를 볼밀(ball mill) 용기에 투입할 수 있다. 상기 볼밀 용기의 재료나 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 폴리에틸렌(PE: poly ethyelene) 재질의 용기일 수 있다.In the step of mixing the raw material powder, the raw material powder and the solvent may be added to a ball mill (ball mill) container. The material or type of the ball mill container is not particularly limited, and may be, for example, a container made of polyethylene (PE).
상기 용매는 상기 원료 분말을 분산시키고, 건조시켜 제거하기 용이한 물질이면 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다. The solvent is not particularly limited as long as the material is easy to disperse, dry and remove the raw material powder, and conventional materials known in the art may be used.
예를 들면, 상기 용매는 물, 이소프로판올(iso propanol), 톨루엔, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 부틸 카비톨 및 부틸카비톨아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 물 또는 에탄올을 사용할 수 있다.For example, the solvent may be at least one selected from the group consisting of water, iso propanol, toluene, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, butyl carbitol and butyl carbitol acetate. It can be used, preferably water or ethanol can be used.
상기 밀링하는 단계는 상기 원료 분말을 혼합하는 단계에서 혼합된 상기 원료 분말 및 상기 용매를 물리적으로 섞어주기 위한 공정으로, 100rpm 내지 500rpm으로 5시간 내지 30시간 혼합할 수 있다. 이때, 3mm, 5mm, 10mm 또는 15mm의 직경을 갖는 지르코니아 볼을 사용할 수 있다.The milling step is a process for physically mixing the raw material powder and the solvent mixed in the step of mixing the raw material powder, it may be mixed for 5 hours to 30 hours at 100rpm to 500rpm. At this time, zirconia balls having a diameter of 3 mm, 5 mm, 10 mm or 15 mm may be used.
또한, 상기 건조하는 단계는 상기 원료 분말을 밀링하는 단계 이후 수행될 수 있다. 상기 건조 단계는 상기 용매와 함께 액체 상태가 된 상기 원료 분말을 건조시켜 고체 상태로 만들어주기 위한 공정으로, 순환 건조기에서 90℃ 내지 200℃의 온도로 5 내지 24시간 동안 수행될 수 있다.In addition, the drying may be performed after milling the raw powder. The drying step is a process for drying the raw material powder in a liquid state together with the solvent to make a solid state, it may be performed for 5 to 24 hours at a temperature of 90 ℃ to 200 ℃ in a circulation dryer.
그리고, 상기 하소하는 단계는 상기 건조하는 단계 이후에 수행될 수 있다. 상기 하소하는 단계는, 상기 건조하는 단계에서 얻어진 고체 상태가 된 것을, 유기 물질을 태우고, 고상 반응을 일으키게 하기 위한 열처리 공정을 수행하는 것이다. 승하온 속도를 3℃/min 내지 5℃/min으로 하여 900℃ 내지 1200℃에서 1 시간 내지 20 시간 또는 3시간 이상 10시간 동안 유지하며 하소할 수 있다. 이로써, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 합성할 수 있다.In addition, the calcining may be performed after the drying. The calcining step is to carry out a heat treatment process for burning the organic material and causing a solid phase reaction to become the solid state obtained in the drying step. The rate of temperature increase and decrease may be calcined while maintaining for 1 hour to 20 hours or 3 hours to 10 hours at 900 ° C to 1200 ° C at a temperature of 3 ° C / min to 5 ° C / min. Thus, the compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2 can be synthesized.
필요에 따라, 상기 상기 고상합성법을 이용하여 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 각각 합성하는 단계는 재밀링하는 단계를 더 포함할 수 있다. If necessary, the step of synthesizing the compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2 using the solid phase synthesis method may further include remilling.
상기 재밀링하는 단계는 상기 분말의 입자 사이즈를 더 미세하게 조절하기 위한 공정이다. 그 방법으로는, 특별히 제한되는 것은 아니나, 볼밀(Ball mill), 제트밀(Jet mill), 비드밀(Bead mill) 또는 어트리션 밀(attrition mill) 공정이 있다.The remilling is a process for further controlling the particle size of the powder. The method is not particularly limited, but may include a ball mill, jet mill, bead mill, or attrition mill process.
상기 재밀링하는 단계를 거친 후의 상기 분말의 입자사이즈는 0.1 내지 5㎛일 수 있으며, 공정의 종류에 따라 얻어지는 분말의 입자 사이즈는 상이할 수 있다. 상기 분말의 입자사이즈가 상기 범위 내인 경우, 후술할 고체 산화물 연료 전지용 캐소드 조성물을 포함하는 페이스트 제조에 용이하며 산소 환원 반응에 필요한 반응 면적을 확보하는 효과가 있다. The particle size of the powder after the re-milling step may be 0.1 to 5㎛, the particle size of the powder obtained according to the type of the process may be different. When the particle size of the powder is in the above range, it is easy to manufacture a paste including a cathode composition for a solid oxide fuel cell to be described later, and there is an effect of securing a reaction area necessary for an oxygen reduction reaction.
상기 볼밀은 원료 분말을 혼합하는 방법과 같다.The ball mill is the same as the method for mixing the raw powder.
상기 제트밀은 압축 공기의 압력으로 디스크를 회전시켜 분말을 분쇄하는 방법이다.The jet mill is a method of grinding the powder by rotating the disk at the pressure of the compressed air.
상기 비드밀은 챔버 내에 비드(bead)를 넣고 회전력 및 원심력에 의해 분쇄하는 방법으로, 제트밀에 비해 더 작은 입자를 얻을 수 있다. 이 때, 비드밀 챔버의 속도나 펌프 주입 속도를 조절하면 더 작은 사이즈의 분말 입자를 얻을 수 있다.The bead mill is a method of pulverizing the beads (bead) in the chamber by the rotational force and centrifugal force, it is possible to obtain smaller particles than the jet mill. At this time, by adjusting the speed of the bead mill chamber or the pump injection speed, it is possible to obtain powder particles of a smaller size.
상기 재밀링하는 단계는 상기 분말을 물 또는 에탄올에 분산시킨 후 밀링하는 것일 수 있다.The remilling step may be milling after dispersing the powder in water or ethanol.
상기 합성하는 단계에 의해 합성된 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 혼합하여 분말 상태의 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 제조하는 단계에 있어서, 상기 "혼합"은 블렌더 혼합기(blender mixer)를 이용하여 건식 상태에서 수행될 수 있다. In the step of preparing a cathode composition for a solid oxide fuel cell in a powder state by mixing the compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2 synthesized by the synthesizing step, the "mixing" is a blender mixer ( may be performed in a dry state using a blender mixer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물의 제조방법을 이용하여 캐소드 조성물을 제조할 수 있다. In an exemplary embodiment of the present specification, the cathode composition may be prepared using the method for preparing a cathode composition for a solid oxide fuel cell.
상기 제조된 캐소드 조성물을 이용하여, 고체 산화물 연료전지용 캐소드를 제조할 수 있다.By using the prepared cathode composition, a cathode for a solid oxide fuel cell may be manufactured.
상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드를 제조하기 위해, 상기 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 제조한 후, 제조된 캐소드 조성물을 포함하는 페이스트(paste)를 제조하는 단계; 평판형 셀 상부에 상기 페이스트를 증착하는 단계; 및 열처리하는 단계를 수행할 수 있다. Preparing a cathode composition for the solid oxide fuel cell, and then preparing a paste including the prepared cathode composition to manufacture the cathode for the solid oxide fuel cell; Depositing the paste over the planar cell; And heat treatment.
상기 평편형 셀이란, 애노드 및 전해질층을 포함하는 것을 의미한다.The flat cell means an anode and an electrolyte layer.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제조된 캐소드 조성물을 포함하는 페이스트를 제조하는 단계는, 분산제가 첨가된 분산 용매에 상기 분말을 분산시켜 혼합시킨 후, 바인더 및 가소제를 더 첨가하여 혼합하여 제조되는 것일 수 있다. According to the exemplary embodiment of the present specification, the preparing of the paste including the prepared cathode composition may be performed by dispersing and mixing the powder in a dispersion solvent to which a dispersant is added, and then adding and mixing a binder and a plasticizer. It may be.
상기 페이스트를 제조하는 단계는 상기 분말을 평판형 셀 상부에 코팅하기 전의 전처리로 각종 첨가제를 섞어주기 위한 공정이다.The preparing of the paste is a process for mixing various additives by pretreatment before coating the powder on the flat cell.
상기 첨가제는 바인더, 가소제, 분산제 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더, 가소제 및 분산제는 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 잘 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The additive may further include at least one of a binder, a plasticizer, and a dispersant. The binder, plasticizer and dispersant are not particularly limited, and conventional materials well known in the art may be used.
상기 바인더는 Poly(butyl methacrylate)-poly(2-ethylhexyl methacrylate) (PBMA-PEHMA)의 공중합체, Ethyl cellulose(EC), PViB (Poly vinylisobutyral) 및 PEHA (Poly 2-ethylhexylacrylate) 중 적어도 하나일 수 있다.The binder may be at least one of a copolymer of poly (butyl methacrylate) -poly (2-ethylhexyl methacrylate) (PBMA-PEHMA), ethyl cellulose (EC), polyvinylisobutyral (PViB), and poly 2-ethylhexylacrylate (PEHA). .
상기 바인더의 함량은 상기 페이스트의 총 중량을 기준으로 20 중량% 이상 35 중량% 이하이다.The binder content is 20% by weight to 35% by weight based on the total weight of the paste.
상기 바인더의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 스크린 프린팅에 용이한 점도의 페이스트를 제조할 수 있으며 셀 소결시 박리 방지, 충분한 기공율 확보 등의 효과가 있다. When the content of the binder satisfies the above range, a paste having an easy viscosity for screen printing may be manufactured and effects such as peeling off during cell sintering and securing sufficient porosity may be obtained.
상기 가소제는 DBP(Di-butyl-phthalate), DOP(Di-2-ethylhexyl phthalate), DINP(Di-isononyl phthalate), DIDP(Di-isodecyl phthalate) 및 BBP(Butyl benzyl phthalate) 중 적어도 하나일 수 있다.The plasticizer may be at least one of DBP (Di-butyl-phthalate), DOP (Di-2-ethylhexyl phthalate), DINP (Di-isononyl phthalate), DIDP (Di-isodecyl phthalate) and BBP (Butyl benzyl phthalate). .
상기 가소제의 함량은 상기 페이스트의 총 중량을 기준으로 3 중량% 이상 7 중량%이하일 수 있다.The amount of the plasticizer may be 3 wt% or more and 7 wt% or less based on the total weight of the paste.
상기 분산제는 당 기술 분야에 알려진 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 디부틸프탈레이트(Di-butyl-phthalate: DBP) 일 수 있다.The dispersant is not particularly limited as long as it is known in the art, and may be, for example, di-butyl-phthalate (DBP).
상기 분산제의 함량은 상기 페이스트의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 이상 2중량% 이하일 수 있다. 상기 분산제가 상기 범위 내인 경우, 상기 캐소드 조성물을 포함하는 페이스트 제조가 용이할 수 있다. The content of the dispersant may be 0.5% by weight or more and 2% by weight or less based on the total weight of the paste. When the dispersant is within the above range, it may be easy to manufacture a paste comprising the cathode composition.
상기 분산 용매는 원료 분말을 분산시키고, 페이스트를 제조한 후 제거하기 용이한 물질이면 크게 제한되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다. The dispersion solvent is not particularly limited as long as it is a material that disperses the raw material powder and is easy to remove after preparing the paste, and conventional materials known in the art may be used.
예를 들면, 상기 분산 용매는 물, 이소프로판올(iso propanol), 톨루엔, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 부틸 카비톨 및 부틸카비톨아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 부틸 카비톨을 사용할 수 있다.For example, the dispersion solvent may be at least one selected from the group consisting of water, iso propanol, toluene, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, butyl carbitol and butyl carbitol acetate. May be used, and preferably butyl carbitol may be used.
상기 분산 용매의 함량은 상기 페이스트의 총 중량을 기준으로 5 중량% 이상 15 중량% 이하일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 원료 분말이 잘 분산될 수 있으며, 용매를 건조시키는 공정에서 용매의 건조가 원활히 이루어질 수 있다.The content of the dispersion solvent may be 5 wt% or more and 15 wt% or less based on the total weight of the paste. When the above range is satisfied, the raw material powder may be well dispersed, and the solvent may be smoothly dried in the process of drying the solvent.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 평판형 셀 상부에 상기 페이스트를 증착하는 단계는, 상기 페이스트를 스크린 프린팅법(Screen printing)을 이용하여 상기 평판형 셀 상부에 코팅하는 것일 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present specification, the depositing of the paste on the flat cell may include coating the paste on the flat cell by using screen printing.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 열처리하는 단계는 800℃ 내지 1100 ℃의 수행 온도에서 1 시간 내지 10 시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 코팅된 페이스트의 치밀도가 우수하고 내구성이 높아질 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the heat treatment may be performed for 1 hour to 10 hours at an execution temperature of 800 ° C to 1100 ° C. When the above range is satisfied, the density of the coated paste may be excellent and durability may be increased.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드 및 에노드 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 고체 산화물 연료전지를 제공한다. One embodiment of the present specification is the cathode; Anode; And it provides a solid oxide fuel cell comprising an electrolyte layer provided between the cathode and the anode.
도 1은 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 고체 산화물형 연료전지는 전해질층(Electrolyte)과 이 전해질층의 양면에 형성되는 연료극(Anode) 및 공기극(Cathode)으로 구성된다. 고체 산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 캐소드에서 공기가 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질층을 통해 애노드로 전달된다. 애노드에서는 수소, 메탄올, 부탄 등과 같은 연료가 주입되고 연료가 산소이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고 물을 생성한다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.FIG. 1 schematically illustrates the principle of electricity generation of a solid oxide fuel cell. The solid oxide fuel cell includes an electrolyte layer, an anode, and a cathode formed on both surfaces of the electrolyte layer. do. Referring to FIG. 1, which illustrates electricity generation principle of a solid oxide fuel cell, oxygen ions are generated as air is electrochemically reduced in a cathode, and the generated oxygen ions are transferred to an anode through an electrolyte layer. In the anode, fuels such as hydrogen, methanol, butane, etc. are injected, and the fuel combines with oxygen ions to oxidize electrochemically, producing electrons and producing water. This reaction causes the movement of electrons in the external circuit.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지용 캐소드의 모습을 나타낸 것이며, 10 내지 60㎛ 두께를 갖는 캐소드를 확인할 수 있다. Figure 2 shows a state of the cathode for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present specification, it can be confirmed that the cathode having a thickness of 10 to 60㎛.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료 전지용 캐소드의 평가 셀을 50 시간 동안 구동한 후의 표면 사진으로, EDX(Energy dispersive x-ray) 분석 이미지를 나타낸 것이다. EDX(Energy dispersive x-ray) 분석에 의하여 본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 캐소드의 표면에서 검출되는 란타늄(La) 및 스트론튬(Sr)의 평균 원자 퍼센트(at %) 비는 3:1 내지 6:1이며, 상기 범위를 만족함으로써, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료 전지용 캐소드 조성물에 스트론튬의 함량을 적절히 포함하여, 연료 전지의 실 성능 유지 및 내구성 향상의 장점이 있다. FIG. 3 is a surface photograph after driving an evaluation cell of a cathode for a solid oxide fuel cell according to one embodiment of the present specification for 50 hours, and shows an image of an energy dispersive x-ray (EDX) analysis. The average atomic percent (at%) ratio of lanthanum (La) and strontium (Sr) detected on the surface of the cathode according to one embodiment of the present specification by EDX analysis is 3: 1 to 6 : 1, by satisfying the above range, the content of strontium is properly included in the cathode composition for a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present specification, there is an advantage of maintaining the actual performance and durability of the fuel cell.
도 4는 비교예 2에 따른 고체 산화물 연료 전지용 캐소드 평가 셀을 50시간 동안 구동한 후의 표면 사진으로, EDX 분석 이미지를 나타낸 것이다. EDX(Energy dispersive x-ray) 분석 결과, 비교예 2에 따른 캐소드의 표면에서 검출되는 란타늄(La) 및 스트론튬(Sr)의 평균 원자 퍼센트(at %) 비는 6:4 내지 6:5의 범위이며, 상기 범위에 해당함으로써, 스트론튬(Sr) 분리(segregation)에 의한 이차상 생성을 관찰할 수 있다. FIG. 4 is an EDX analysis image as a surface photograph after driving a cathode evaluation cell for a solid oxide fuel cell according to Comparative Example 2 for 50 hours. Energy dispersive x-ray (EDX) analysis showed that the average atomic percent (at%) ratio of lanthanum (La) and strontium (Sr) detected on the surface of the cathode according to Comparative Example 2 ranges from 6: 4 to 6: 5 By being in the above range, secondary phase generation by strontium (Sr) segregation can be observed.
도 5는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료 전지용 캐소드의 평가 셀을 50 시간 동안 구동한 후의 주사전자 현미경(SEM) 사진으로, 스트론튬(Sr)이 분리(segregation)되는 것은 관찰할 수 없다. 5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph after driving an evaluation cell of a cathode for a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present specification for 50 hours, and it cannot be observed that strontium (Sr) is segregated. .
도 6은 비교예 2에 따른 고체 산화물 연료 전지용 캐소드의 평가 셀을 50 시간 동안 구동한 후의 주사전자 현미경(SEM) 사진으로, 상기 평가 셀 전 영역에 걸쳐 스트론튬(Sr)이 분리(segregation)되어 이차상이 형성되는 것을 확인할 수 있다. FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph after driving an evaluation cell of a cathode for a solid oxide fuel cell according to Comparative Example 2 for 50 hours, in which strontium (Sr) is segregated over the entire area of the evaluation cell and is secondary. It can be seen that a phase is formed.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 캐소드를 이외에, 애노드, 전해질층을 제조하는 방법은 당 기술분야에 알려진 재료와 방법을 이용할 수 있다. In an exemplary embodiment of the present specification, in addition to the cathode, a method of manufacturing an anode and an electrolyte layer may use materials and methods known in the art.
상기 애노드는 고체 산화물 연료전지용 애노드에 적용될 수 있도록, 산소이온 전도성을 갖는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 무기물의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 상기 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 및 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The anode may include an inorganic material having oxygen ion conductivity, so that the anode may be applied to the anode for a solid oxide fuel cell. The type of the inorganic material is not particularly limited, but the inorganic material is yttria stabilized zirconium oxide (zirconia) (YSZ: (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 to 0.15), Scandia Stabilized zirconium oxide (ScSZ: (Sc 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 to 0.15), samarium dope ceria (SDC: (Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1- x , x = 0.02 to 0.4) and gadolinium dope ceria (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 to 0.4).
상기 애노드의 두께는 10 ㎛ 내지 1,000 ㎛ 일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드의 두께는 100 ㎛ 내지 800 ㎛ 일 수 있다.The thickness of the anode may be 10 ㎛ to 1,000 ㎛. Specifically, the thickness of the anode may be 100 ㎛ to 800 ㎛.
상기 애노드의 기공율은 10% 내지 50% 일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드의 기공율은 10% 내지 30% 일 수 있다.The porosity of the anode may be 10% to 50%. Specifically, the porosity of the anode may be 10% to 30%.
상기 애노드의 기공의 직경은 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드의 기공의 직경은 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛ 일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 애노드의 기공의 직경은 0.5 ㎛ 내지 2 ㎛ 일 수 있다.The pore diameter of the anode may be 0.1 ㎛ to 10 ㎛. Specifically, the diameter of the pores of the anode may be 0.5 ㎛ to 5 ㎛. More specifically, the diameter of the pores of the anode may be 0.5 ㎛ to 2 ㎛.
상기 애노드의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 애노드용 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 애노드 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 애노드용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 애노드용 그린시트 단독 또는 이웃한 층의 그린시트와 함께 소성되어 애노드를 제조할 수 있다.The manufacturing method of the anode is not particularly limited, for example, by coating the slurry for the anode and drying and baking it, or coating the anode slurry on a separate release paper and dried to prepare a green sheet for the anode, at least one anode The green sheet may be calcined alone or with the green sheet of a neighboring layer to produce an anode.
상기 애노드용 그린시트의 두께는 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 일 수 있다.The anode green sheet may have a thickness of about 10 μm to about 500 μm.
상기 애노드용 슬러리는 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 애노드용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The anode slurry includes inorganic particles having oxygen ion conductivity, and if necessary, the anode slurry may further include at least one of a binder resin, a plasticizer, a dispersant, and a solvent, and the binder resin, a plasticizer, a dispersant, and The solvent is not particularly limited, and conventional materials known in the art may be used.
상기 애노드용 슬러리의 총 중량을 기준으로, 상기 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%이며, 용매의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%이고, 분산제의 함량이 5 중량% 내지 10 중량%이고, 가소제의 함량이 0.5 중량% 내지 3 중량%이고, 바인더의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%일 수 있다.Based on the total weight of the slurry for the anode, the content of the inorganic particles having the oxygen ion conductivity is 10% to 30% by weight, the content of the solvent is 10% to 30% by weight, the content of the dispersant is 5% by weight % To 10% by weight, a plasticizer content of 0.5% to 3% by weight, and a binder content of 10% to 30% by weight.
상기 애노드용 슬러리는 NiO를 더 포함할 수 있다. 상기 애노드용 슬러리의 총중량을 기준으로, 상기 NiO의 함량은 10 중량% 내지 30 중량%일 수 있다.The anode slurry may further include NiO. Based on the total weight of the slurry for the anode, the content of NiO may be 10% by weight to 30% by weight.
상기 애노드는 별도의 다공성 세라믹 지지체 또는 다공성 금속 지지체 상에 구비되거나, 애노드 지지체와 애노드 기능층을 포함할 수 있다. 이 때, 애노드 지지체는 애노드 기능층과 동일한 무기물을 포함하되 애노드 기능층보다 기공율이 높고 상대적으로 두께가 두꺼워 다른 층을 지지하는 층이며, 상기 애노드 기능층은 상기 애노드 지지체와 전해질층 사이에 구비되어 실제 애노드로서의 주된 역할을 주행하는 층일 수 있다.The anode may be provided on a separate porous ceramic support or a porous metal support, or may include an anode support and an anode functional layer. In this case, the anode support is a layer including the same inorganic material as the anode functional layer but having a higher porosity and relatively thicker thickness than the anode functional layer to support another layer, and the anode functional layer is provided between the anode support and the electrolyte layer. It may be a floor that plays a major role as an actual anode.
상기 애노드가 다공성 세라믹 지지체 또는 다공성 금속 지지체 상에 구비되는 경우, 제조된 애노드용 그린시트를 소성된 다공성 세라믹 지지체 또는 다공성 금속 지지체 상에 라미네이트한 후 이를 소성하여 애노드를 제조할 수 있다.When the anode is provided on the porous ceramic support or the porous metal support, the anode may be manufactured by laminating the manufactured green sheet for the anode on the fired porous ceramic support or the porous metal support and then firing it.
상기 애노드가 애노드 지지체와 애노드 기능층을 포함하는 경우, 제조된 애노드 기능층용 그린시트를 소성된 애노드 지지체 상에 라미네이트한 후 이를 소성하여 애노드를 제조할 수 있다.When the anode includes an anode support and an anode functional layer, an anode may be manufactured by laminating the manufactured green sheet for the anode functional layer on the fired anode support and then firing it.
상기 애노드가 애노드 지지체와 애노드 기능층을 포함하는 경우, 상기 애노드 지지체의 두께는 350 ㎛ 내지 1,000 ㎛ 일 수 있으며, 애노드 기능층의 두께는 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 일 수 있다.When the anode includes an anode support and an anode functional layer, the thickness of the anode support may be 350 μm to 1,000 μm, and the thickness of the anode function layer may be 5 μm to 50 μm.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질층은 산소 이온 전도성 무기물을 포함할 수 있으며, 산소 이온 전도성을 가진다면 특별히 한정하지 않는다. In addition, in an exemplary embodiment of the present specification, the electrolyte layer may include an oxygen ion conductive inorganic material, and is not particularly limited as long as it has oxygen ion conductivity.
구체적으로, 상기 전해질층의 산소 이온 전도성 무기물은 산화 지르코늄계, 산화 세륨계, 산화 란탄계, 산화 티타늄계 및 산화 비스무스계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상을 포함하는 복합 금속 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전해질층의 산소 이온 전도성 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 및 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Specifically, the oxygen ion conductive inorganic material of the electrolyte layer may include a composite metal oxide including one or more selected from the group consisting of zirconium oxide based, cerium oxide based, lanthanum oxide based, titanium oxide based and bismuth oxide based materials. Can be. More specifically, the oxygen ion conductive inorganic material of the electrolyte layer is yttria stabilized zirconium oxide (zirconia) (YSZ: (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 ~ 0.15), Scandia Stabilized zirconium oxide (ScSZ: (Sc 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 to 0.15), samarium dope ceria (SDC: (Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1- x, x = 0.02 to 0.4) and gadolinium dope ceria (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x, x = 0.02 to 0.4).
상기 전해질층의 두께는 10 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층의 두께는 20 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다.The electrolyte layer may have a thickness of about 10 μm to about 100 μm. Specifically, the thickness of the electrolyte layer may be 20 ㎛ to 50 ㎛.
상기 전해질층의 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 전해질층용 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소성하거나, 전해질층용 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 전해질층용 그린시트를 제조하고, 전해질층용 그린시트 단독 또는 이웃한 층의 그린시트와 함께 소성되어 전해질층을 제조할 수 있다.The manufacturing method of the electrolyte layer is not particularly limited, for example, by coating the slurry for the electrolyte layer and drying and baking it, or by coating and drying the electrolyte layer slurry on a separate release paper to prepare an electrolyte layer green sheet, the electrolyte The layer green sheet may be calcined alone or with the green sheet of the neighboring layer to prepare an electrolyte layer.
상기 전해질층용 그린시트의 두께는 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 일 수 있다.The electrolyte sheet green sheet may have a thickness of about 10 μm to about 100 μm.
상기 전해질층용 슬러리는 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자를 포함하며, 필요에 따라 상기 전해질층용 슬러리는 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 바인더 수지, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The slurry for the electrolyte layer includes inorganic particles having oxygen ion conductivity, and the electrolyte layer slurry may further include at least one of a binder resin, a plasticizer, a dispersant, and a solvent, if necessary, and the binder resin, a plasticizer, a dispersant, and The solvent is not particularly limited, and conventional materials known in the art may be used.
상기 전해질층용 슬러리의 총중량을 기준으로, 상기 산소 이온 전도성을 갖는 무기물 입자의 함량은 40 중량% 내지 70 중량%일 수 있다.Based on the total weight of the slurry for the electrolyte layer, the content of the inorganic particles having oxygen ion conductivity may be 40 wt% to 70 wt%.
상기 전해질층용 슬러리의 총중량을 기준으로, 용매의 함량이 10 중량% 내지 30 중량%이고, 분산제의 함량이 5 중량% 내지 10 중량%이고, 가소제의 함량이 0.5 중량% 내지 3 중량%이고, 바인더의 함량이 10 중량% 내지 30 중량% 일 수 있다.Based on the total weight of the slurry for the electrolyte layer, the solvent content is 10 wt% to 30 wt%, the dispersant content is 5 wt% to 10 wt%, the plasticizer content is 0.5 wt% to 3 wt%, and the binder The content of may be 10% to 30% by weight.
본 명세서에서, 상기 그린시트는 완전한 최종 제품이 아닌 다음 단계에서 가공을 할 수 있는 상태의 필름 형태의 막을 의미한다. 다시 말하면, 상기 그린시트는 무기물 입자 및 용매를 포함하는 코팅 조성물로 도포하여 시트형으로 건조시킨 것이며, 상기 그린시트는 약간의 용매를 포함하면서 시트형태를 유지할 수 있는 반건조 상태의 시트를 말한다.In the present specification, the green sheet refers to a film in the form of a film that can be processed in the next step, not a complete final product. In other words, the green sheet is coated with a coating composition containing inorganic particles and a solvent and dried in a sheet form, and the green sheet refers to a sheet in a semi-dried state that can maintain a sheet form while containing some solvent.
상기 연료전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.The shape of the fuel cell is not limited, and may be, for example, coin, flat, cylindrical, horn, button, sheet or stacked.
상기 연료전지는 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.Specifically, the fuel cell may be used as a power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, or a power storage device.
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are merely to illustrate the present specification, but not to limit the present specification.
<실시예><Example>
1. 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물의 제조 1. Preparation of cathode composition for solid oxide fuel cell
(실시예 1) 분말 조성물 1Example 1 Powder Composition 1
BaCO3, Co3O4, Fe2O3, ZrO2 및 Y2O3의 원료 분말들을 화학양론에 맞게 칭량한 다음, 습식-볼-밀링을 진행하고 고온(1,000℃)에서의 고상 반응을 수행하여 하기 화학식 1로 표시되는 화합물의 입자 분말을 제조하였다. 하기 화학식 1에 표시되는 화합물에 포함되는 Ba:Co:Fe:Zr:Y의 원소비는 1.0:0.4:0.4:0.1:0.1 이었다. Storing powders of BaCO 3 , Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , ZrO 2 and Y 2 O 3 were stoichiometrically followed by wet-ball-milling and solid phase reaction at high temperature (1,000 ° C.). It was carried out to prepare a particle powder of the compound represented by the formula (1). The element ratio of Ba: Co: Fe: Zr: Y included in the compound represented by Formula 1 was 1.0: 0.4: 0.4: 0.1: 0.1.
이후, La2O3, Sr(CO3) 및 Co3O4 원료 분말들을 화학양론에 맞게 칭량한 다음, 습식-볼-밀링을 진행하고 고온(1,000℃)에서의 고상 반응을 수행하여 하기 화학식 2로 표시되는 화합물의 입자 분말을 제조하였다. 하기 화학식 2에 표시되는 화합물에 포함되는 La:Sr:Co의 원소비는 0.8:0.2:1이었다. Thereafter, La 2 O 3 , Sr (CO 3 ) and Co 3 O 4 raw powders were weighed according to stoichiometry, followed by wet-ball-milling, and a solid phase reaction at a high temperature (1,000 ° C.). Particle powder of the compound represented by 2 was prepared. The element ratio of La: Sr: Co contained in the compound represented by the following formula (2) was 0.8: 0.2: 1.
제조한 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 입자 분말 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 입자 분말의 중량비를 1:1로 하여, 블렌더 혼합기(Blender mixer)의 스테인리스 스틸(Stainless Steel) 용기에 투입 후, 1 분간 교반하였다. After the weight ratio of the prepared particle powder of the compound represented by the formula (1) and the particle powder of the compound represented by the formula (2) is 1: 1, and added to a stainless steel container of the blender mixer (Blender mixer), Stirred for 1 minute.
[화학식 1][Formula 1]
BaCo0.4Fe0.4Zr0.2-x1Yx1O3-δ BaCo 0.4 Fe 0.4 Zr 0.2-x1 Y x1 O 3-δ
[화학식 2][Formula 2]
La1-x2Srx2CoO3-δ La 1-x2 Sr x2 CoO 3-δ
상기 화학식 1 및 화학식 2에 있어서, In Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2,
0≤x1≤0.2, 0≤x2<1 이고, δ는 0 이상 0.3 이하이다. 0 ≦ x1 ≦ 0.2, 0 ≦ x2 <1, and δ is 0 or more and 0.3 or less.
이로써, 분말 상태의 고체 산화물 연료저지용 캐소드 조성물 1을 제조하였다. Thus, the cathode composition 1 for the solid oxide fuel blocking in the powder state was prepared.
2. 고체 산화물 연료전지용 캐소드 조성물을 포함하는 페이스트의 제조 2. Preparation of Paste Containing Cathode Composition for Solid Oxide Fuel Cell
(실시예 1) 페이스트 조성물 1Example 1 Paste Composition 1
상기 제조된 고체 산화물 연료 전지용 캐소드 조성물 1, 바인더로서 에틸셀룰로오스(Ethyl cellulose) 및 분산 용매로서 부틸카비톨(Butyl carbitol)을 혼합하고, 가소제 디부틸프탈레이트(Di-butyl-phthalate: DBP)를 첨가한 뒤, 페이스트 믹서를 이용하여 2000 rpm의 속도로 혼합물을 섞어 1차적으로 페이스트를 형성시켰다. Cathode composition 1 for the solid oxide fuel cell prepared above, ethyl cellulose (Ethyl cellulose) as a binder and butyl carbitol as a dispersion solvent was mixed, and the plasticizer dibutyl phthalate (DBP) was added After that, the mixture was mixed at a speed of 2000 rpm using a paste mixer to form a paste primarily.
상기 1차적으로 형성된 페이스트를 다시 3 roll milling 장비를 이용하여 3 회 혼합 분쇄를 실시하여, 산화물 분말 1을 포함하는 페이스트 조성물 1을 최종 제조하였다. The first formed paste was mixed and pulverized three times using a 3 roll milling equipment to finally prepare a paste composition 1 including the oxide powder 1.
상기 제조된 페이스트 조성물 1 전체 중량에 대한 상기 분말 조성물 1, 바인더, 분산 용매 및 가소제의 중량%는 하기 [표 1]과 같다. The weight% of the powder composition 1, the binder, the dispersion solvent, and the plasticizer to the total weight of the prepared paste composition 1 are shown in Table 1 below.
3. 고체 산화물 연료전지용 캐소드의 제조 3. Fabrication of cathode for solid oxide fuel cell
상기 페이스트 조성물 1을 평판형 셀(애노드 및 전해질층을 포함) 상부에 스크린 프린팅의 방법을 이용하여 코팅하였다. The paste composition 1 was coated on the flat plate cell (including the anode and the electrolyte layer) by using screen printing.
이후, 100℃ 온도의 순환 건조기에서 용매를 제거하였다. 이후, 1100℃의 온도에서 2시간 동안 열처리하여 35 ㎛ 두께를 갖는 캐소드를 제조하였으며, 상기 캐소드가 형성된 모습을 도 2에 나타내었다. Thereafter, the solvent was removed in a circulation dryer at a temperature of 100 ° C. Thereafter, a cathode having a thickness of 35 μm was prepared by heat treatment at a temperature of 1100 ° C. for 2 hours, and the appearance of the cathode is shown in FIG. 2.
4. 평가 셀(Cell)제조 4. Manufacturing of evaluation cell
상기 제조된 3 X 3 cm2 크기의 셀을 연료전지 평가 시스템에서 I-V 특성을 시험하였다. The prepared 3 × 3 cm 2 size cells were tested for IV characteristics in a fuel cell evaluation system.
셀의 애노드에 NiO paste(Anode Contact paste)를 도포하였으며, 셀을 고정시킬 메탈 지그의 애노드과 캐소드 립(rib)에는 집전체(current collector)로 각각 니켈 메쉬(Ni mesh)와 은 메쉬(Ag mesh)를 부착하였다. 이후, 유리 분말을 포함하는 실런트 소재를 사용하여 상기 고체 산화물 연료전지를 가압하여 밀봉하였고, 이를 통해 평가 셀을 제조하였다. NiO paste (Anode Contact paste) was applied to the cell's anode, and nickel mesh and silver mesh were used as current collectors on the anode and cathode rib of the metal jig to fix the cell. Was attached. Thereafter, the solid oxide fuel cell was pressurized and sealed using a sealant material including glass powder, thereby preparing an evaluation cell.
<비교예>Comparative Example
(비교예 1) (Comparative Example 1)
상기 실시예 1에서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 입자 분말 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 입자 분말 대신하여, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 입자 분말만을 캐소드 조성물로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고체 산화물 연료 전지용 캐소드 및 평가 셀을 제조하였다. In Example 1, except for the particle powder of the compound represented by Formula 1 and the particle powder of the compound represented by Formula 2, except that only the particle powder of the compound represented by Formula 1 as a cathode composition In the same manner as in Example 1, a cathode and an evaluation cell for a solid oxide fuel cell were manufactured.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
상기 실시예 1에서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 입자 분말 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 입자 분말 대신하여, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 입자 분말만을 캐소드 조성물로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고체 산화물 연료 전지용 캐소드 및 평가 셀을 제조하였다. 상기 화학식 2에 표시되는 화합물에 포함되는 La:Sr:Co의 원소비는 0.8:0.2:1이었다. In Example 1, except that the particle powder of the compound represented by the formula (2) instead of the particle powder of the compound represented by the formula (1) and the particle powder of the compound represented by the formula (2) as the cathode composition In the same manner as in Example 1, a cathode and an evaluation cell for a solid oxide fuel cell were manufactured. The element ratio of La: Sr: Co included in the compound represented by Formula 2 was 0.8: 0.2: 1.
<실험예>Experimental Example
1. One. 셀 성능 측정Cell performance measurement
실시예 및 비교예의 평가 셀을 3 X 3 cm2 크기로 하여, 연료전지 평가 시스템에서 I-V 특성을 시험하였다. IV characteristics were tested in a fuel cell evaluation system with the evaluation cells of the examples and comparative examples being 3 × 3 cm 2 .
전류-전압(Current-Voltage) 분석은 각각 운전온도에서 애노드에 3 내지 4 %의 수분을 함유한 수소(H2)를 125 ㎖/min, 캐소드에는 공기를 500 ㎖/min의 유량으로 흘려 보내며 650℃ 구동 온도에서 측정하였다. Current-Voltage analysis provides 650 mL / min of hydrogen (H 2 ) containing 3-4% moisture at the anode and 500 mL / min of air at the cathode, respectively, at operating temperature. Measurement was made at the driving temperature.
집전체(Current collector)와 voltage 선을 메탈 지그에 연결하고 Electric loader(모델명: PLZ70UA, KIKUSUI, Japan)를 사용하여 전류-전압(Current-Voltage)을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.The current collector and the voltage line were connected to the metal jig, and the current-voltage was measured using an electric loader (Model: PLZ70UA, KIKUSUI, Japan), and the results are shown in Table 2 below. .
OPD(W/cmOPD (W / cm
22
))
상기 표 2에 따르면, 실시예 1의 OPD 값은 비교예 1의 OPD 값보다 높아, 실시예 1에 따른 고체 산화물 연료 전지 실 성능이 우수함을 확인할 수 있었다. According to Table 2, the OPD value of Example 1 was higher than the OPD value of Comparative Example 1, it was confirmed that the solid oxide fuel cell seal performance according to Example 1 is excellent.
2. 2. 내구성 평가Durability rating
상기 실시예 및 비교예에 따른 연료 전지의 평가 셀을 650℃ 구동 온도에서 50 시간동안 열처리한 후, EDX(Energy dispersive x-ray) 분석에 의하여 캐소드의 표면에서 검출되는 란타늄(La) 및 스트론튬(Sr)의 평균 원자 퍼센트(at %)를 측정하였다. After the heat treatment of the evaluation cell of the fuel cell according to the Examples and Comparative Examples for 50 hours at 650 ℃ driving temperature, the lanthanum (La) and strontium (La) detected on the surface of the cathode by the energy dispersive x-ray (EDX) analysis The average atomic percent (at%) of Sr) was measured.
구체적으로, EDX 분석을 위한 SEM 장비로 Hitachi 사의 TM3030Plus, EDX detector로는 Oxford instruments의 SwiftED3000 시스템을 사용하여, 상기 캐소드 셀의 무작위 영역을 6000 배율로 확대한 영역을 분석하였다. Specifically, the
그 결과를 하기 표 3에 기재하였다. The results are shown in Table 3 below.
(캐소드 조성물 100 중량% 기준)Cathode composition
(Based on 100 wt% of the cathode composition)
상기 표 3에 따르면, 실시예 1에 따른 캐소드 조성물로 제조한 캐소드의 표면에서 검출되는 란타늄(La) 및 스트론튬(Sr)의 평균 원자 퍼센트(at %) 비는 약 3:1로서, 비교예 2에 따른 캐소드 조성물로 제조한 캐소드 표면에서 검출되는 란타늄(La) 및 스트론튬(Sr)의 평균 원자 퍼센트(at %) 비가 약 6:4인 바, 실시예 1에 따른 캐소드 표면에서 검출되는 스트론튬의 양이 비교예 1의 것보다 적으며, 이론적 비율인 4:1에 가까운 것을 확인할 수 있었다. According to Table 3, the ratio of the average atomic percent (at%) of lanthanum (La) and strontium (Sr) detected on the surface of the cathode prepared from the cathode composition according to Example 1 is about 3: 1, Comparative Example 2 The average atomic percent (at%) ratio of lanthanum (La) and strontium (Sr) detected on the cathode surface prepared with the cathode composition according to Example 6 was about 6: 4, and thus the amount of strontium detected on the cathode surface according to Example 1 It was confirmed that it was less than the thing of this comparative example 1, and was close to 4: 1 which is a theoretical ratio.
이로써, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 캐소드 조성물로 제조한 캐소드를 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 장기 구동시 스트론튬의 과량 함유로 인한 이차상 생성 문제를 억제할 수 있어, 내구성이 향상됨을 확인할 수 있었다. As a result, the long-term operation of the solid oxide fuel cell including the cathode prepared by using the cathode composition according to an exemplary embodiment of the present disclosure can suppress the secondary phase generation problem due to excessive content of strontium, it was confirmed that the durability is improved. .
상기 표 2 및 표 3에서 확인한 바와 같이 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료 전지용 캐소드를 포함하는 연료 전지를 중저온(600℃ 초과 700℃미만)에서 구동하는 경우 실 성능을 유지함과 동시에 우수한 내구성으로 인하여 안정적인 전지 구동을 할 수 있음을 확인할 수 있었다. As confirmed in Table 2 and Table 3, when the fuel cell including the solid oxide fuel cell cathode according to one embodiment of the present specification is operated at low to low temperatures (above 600 ° C. and less than 700 ° C.), excellent performance is maintained while maintaining actual performance. It was confirmed that stable battery operation was possible due to the durability.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 발명의 범주에 속한다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention, which also belong to the scope of the invention. .
Claims (8)
[화학식 1]
BaCo0.4Fe0.4Zr0.2-x1Yx1O3-δ
[화학식 2]
La1-x2Srx2CoO3-δ
상기 화학식 1 및 화학식 2에 있어서,
0≤x1≤0.2, 0≤x2<1 이고, δ는 0 이상 0.3 이하이다.A cathode composition for a solid oxide fuel cell comprising a compound represented by Formula 1 and a compound represented by Formula 2 below:
[Formula 1]
BaCo 0.4 Fe 0.4 Zr 0.2-x1 Y x1 O 3-δ
[Formula 2]
La 1-x2 Sr x2 CoO 3-δ
In Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2,
0 ≦ x1 ≦ 0.2, 0 ≦ x2 <1, and δ is 0 or more and 0.3 or less.
[화학식 1]
BaCo0.4Fe0.4Zr0.2-x1Yx1O3-δ
[화학식 2]
La1-x2Srx2CoO3-δ
상기 화학식 1 및 화학식 2에 있어서,
0≤x1≤0.2, 0≤x2<1 이고, δ는 0 이상 0.3이하이다. Synthesizing the compound represented by the following Chemical Formula 1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2 using the solid phase synthesis method; And preparing a cathode composition for a solid oxide fuel cell by mixing the compound represented by the following Chemical Formula 1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2 synthesized by the synthesizing step: Method for producing a cathode composition for a solid oxide fuel cell according to:
[Formula 1]
BaCo 0.4 Fe 0.4 Zr 0.2-x1 Y x1 O 3-δ
[Formula 2]
La 1-x2 Sr x2 CoO 3-δ
In Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2,
0 ≦ x1 ≦ 0.2, 0 ≦ x2 <1, and δ is 0 or more and 0.3 or less.
A cathode for a solid oxide fuel cell according to claim 5; Anode; And an electrolyte layer provided between the cathode and the anode.
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KR20120110787A (en) | 2011-03-30 | 2012-10-10 | 쌍용머티리얼 주식회사 | Flat tube type solid oxide fuel cell module with inclined flow channel |
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