KR20210050098A - 페로브스카이트계 공기극 소재, 이를 포함하는 공기극, 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 - Google Patents

페로브스카이트계 공기극 소재, 이를 포함하는 공기극, 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 공기극 소재는 하기 화학식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
LaNiaFebCucO3
화학식 1에서 a+b+c=1을 만족하며, a는 0.55 내지 0.75이고, c는 0.05 내지 0.2이다.

Description

페로브스카이트계 공기극 소재, 이를 포함하는 공기극, 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지{Perobskite based cathode material, cathode containing the same, and solid oxide fuel cell containing the same}
본 발명은 고체산화물 전해 셀 또는 고체산화물 연료전지용에 사용가능한 페로브스카이트계 공기극 소재에 관한 것이다.
체산화물 전해셀(Solid Oxide Electrolysis Cell, 이하 SOEC라고 한다)용 고 전도성 공기극 소재에 관한 것으로, 현재 개발이 진행되고 있는 SOEC용 세라믹 셀들은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC라고 한다)용 세라믹 셀과 동일한 소재로 구성된 것이 일반적이다.
따라서 SOFC 및 SOEC용 세라믹 셀을 위한 공기극 소재로서는 대부분 LSM(La1 - xSrxMnO3) 또는 LSCF(La1-xSrxCo1-yFeyO3) 페로브스카이트계 공기극 소재가 적용되고 있다. 이와 같은 공기극 소재들은 스트론튬(Sr)을 핵심 구성원소로 하고 있으며 Sr이 A-site에 치환 고용됨에 따라 공기극 소재로서 사용이 가능한 전기 및 이온전도도를 확보한다.
그러나 LSM(La1 - xSrxMnO3) 또는 LSCF(La1-xSrxCo1-yFeyO3)와 같은 공기극 소재를 이용하는 경우, 셀이 장시간 구동됨에 따라 공기극과 전해질 계면에서 SrZrO3와 같은 부도체 불순물이 형성되어 전도도의 현저한 저하를 일으키며, 이는 셀의 출력 저하를 일으키고, 더 나아가 공기극의 박리와 같은 심각한 현상을 초래하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, Sr을 포함하지 않는 LNF(LaNi1 - xFexO3) 소재에 관한 연구 개발이 이루어지고 있으나, 전기전도도가 낮은 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0124819호
본 발명의 목적은 고체산화물 전해 셀 또는 고체산화물 연료전지에 적용 시 내구성이 우수한 공기극 소재 및 공기극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고체산화물 전해 셀 또는 고체산화물 연료전지의 장시간 구동에 따른 부도체 불순물의 생성을 예방할 수 있는 공기극 소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 전기전도도를 갖는 공기극 소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 소결 밀도를 갖는 공기극 소재를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재는 하기 화학식 1을 만족한다.
[화학식 1]
LaNiaFebCucO3
화학식 1에서 a+b+c=1을 만족하며, a는 0.55 내지 0.75이고, c는 0.05 내지 0.2이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재에서 상기 화학식 1에서 a는 0.55 내지 0.65이며, c는 0.1 내지 0.2인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 또한 공기극을 제공하며, 본 발명에 의한 공기극은 본 발명의 일 실시예에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재를 포함하는 공기극 집전층; 및
본 발명의 일 실시예에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재 및 이온 전도성 소재를 포함하는 공기극 기능층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 공기극에서 상기 이온 전도성 소재는 가돌리늄이 도핑된 세리아인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 공기극에서 상기 이온 전도성 소재는 Gd1 - yCeyO2을 만족하며, y는 0.6 내지 0.9일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 공기극에서 상기 공기극 기능층은 페로브스카이트계 화합물 50 내지 60 중량% 및 잔량의 이온 전도성 소재를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 단전지를 제공하며, 본 발명에 의한 단전지는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기극, 연료극 및 상기 공기극과 연료극 사이에 개재된 전해질을 포함한다.
본 발명은 또한 상기 단전지를 포함하는 고체산화물 연료전지 또는 고체산화물 전해 셀을 제공한다.
본 발명에 의한 공기극 소재는 하기 화학식 1을 만족하는 조성을 포함함으로써, 스트론튬을 포함하지 않아 스트론튬에 의한 SrZrO3와 같은 부도체 불순물의 생성을 원천적으로 차단하여 내구성을 현저히 향상시킬 수 있으며, 기존 LNF(LaNi1 - xFexO3,x=0.1 내지 0.4) 소재 대비 현저히 향상된 전기전도도를 나타내는 장점이 있다. 또한, 구리의 치환 고용으로 소결밀도를 높일 수 있고 반대로 낮은 온도에서 공기극을 열처리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 페로브스카이트계 공기극 소재를 X선 회절 분석한 결과를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제조예에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재의 소결에 따른 소결 수축률을 측정하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제조예에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재의 소결에 따른 소결 후 미세구조를 관찰하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제조예에 의해 제조된 페로브스카이트계 공기극 소재의 온도에 따른 전기 전도도를 측정하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 페로브스카이트계 공기극 소재를 적용하여 제조되는 셀의 구조를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 셀의 출력밀도를 측정하고 그 결과를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재는 하기 화학식 1을 만족한다.
[화학식 1]
LaNiaFebCucO3
화학식 1에서 a+b+c=1을 만족하며, a는 0.55 내지 0.75이고, c는 0.05 내지 0.2이다.
종래 고체산화물 전해 셀 또는 고체산화물 연료전지용의 공기극 소재는 통상적으로 스트론튬을 포함하는 LSM(La1 - xSrxMnO3) 또는 LSCF(La1-xSrxCo1-yFeyO3)을 이용하였다. 그러나, 스트론튬을 포함하는 이러한 공기극 소재를 이용하는 경우 장기간 사용 시 SrZrO3와 같은 부도체 불순물이 생성되어 이온 및 전기 전도성의 현저한 저하를 유발하며, 내구성 저하의 원인이 되는 문제점이 있다.
이에, 상술한 스트론튬을 포함하는 공기극 소재의 문제점을 해결하여 부도체 불순물의 생성을 원천적으로 차단할 수 있는 LNF(LaNi1 - xFexO3) 소재를 이용하면서도, LNF(LaNi1 - xFexO3) 소재의 한계를 극복하여 우수한 전기전도성을 가지며, 나아가 고체산화물 연료전지에 적용 시 우수한 출력밀도를 나타낼 수 있는 공기극의 개발을 위하여 연구를 수행한 결과, 상기 LNF(LaNi1 - xFexO3) 소재에서 철(Fe)의 일부를 구리(Cu)로 치환하는 경우 높은 전기전도성 및 출력밀도는 나타내는 것을 확인하였으며, 이에 따라 본 발명은 하기 하기 화학식 1을 만족하는 페로브스카이트계 공기극 소재를 제공한다.
[화학식 1]
LaNiaFebCucO3
화학식 1에서 a+b+c=1을 만족하며, a는 0.55 내지 0.75이고, c는 0.05 내지 0.2이다.
본 발명에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재는 상기 화학식 1을 만족하는 화합물을 공기극 소재로 이용함으로써 전기전도도의 현저한 향상을 도모할 수 있다. 구체적으로, 상기 화학식 1의 페로브스카이트계 화합물은 동일한 비율의 니켈을 포함하며, 구리를 포함하지 않는 화합물 대비 600℃기준 전기전도도가 1.4배 이상 높은 장점이 있다.
상기 화학식 1에서 니켈의 함량이 높은 경우 전기 전도도의 현저한 저하를 일으킬 수 있고, 니켈의 함량이 낮은 경우 내구성 저하를 유발할 수 있으며, 구리가 소량 포함되는 경우 구리 첨가에 의한 전기전도도 향상효과를 도모하기 어려우며, 구리가 다량 포함되는 경우 철 및 니켈의 비율변화로 전체적인 전기전도도가 낮아질 뿐만 아니라, 온도 상승에 따른 전기 전도도 저하가 급격하게 일어나는 문제점이 있다.
나아가, 구리의 치환 고용을 통하여 페로브스카이트계 공기극 소재의 제조과정 중 소결단계의 수축률을 향상시키고 치밀화 효과를 높일 수 있으며, 결과적으로 동일 조건의 소결을 수행하더라도 구리의 치환 고용을 통해 치밀도가 높은 페로브스카이트계 공기극 소재의 제조가 가능한 장점이 있다.
더욱 좋게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재는 상기 화학식 1에서 a가 0.55 내지 0.65이며, c가 0.1 내지 0.2일 수 있다. 이러한 범위를 만족하는 페로브스카이트계 공기극 소재를 이용함으로써, 600 내지 850 ℃ 범위에서 전기전도도가 400 S/cm 이상, 좋게는 500 S/cm 이상, 더욱 좋게는 550 S/cm 이상일 수 있으며, 이는 동일한 니켈 함량을 가지며, 구리를 포함하지 않는 페로브스카이트계 공기극 소재 대비 1.5배, 좋게는 1.7배 이상 향상된 수치로, 구리의 첨가에 따라 상기 페로브스카이트계 공기극 소재의 전기전도도를 현저히 향상시킬 수 있으며, 결과적으로 고체산화물 연료전지 등에 적용 시 출력밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
나아가, 화학식 1에서 a가 0.55 내지 0.65이며, c가 0.1 내지 0.2를 만족하는 경우, 기존 LNF(LaNi1-xFexO3) 소재 뿐만 아니라 LSM(La1 - xSrxMnO3) 또는 LSCF(La1 - xSrxCo1 - yFeyO3) 소재와 대비하여서도 고체산화물 전해 셀 또는 고체산화물 연료전지에 적용 시 출력밀도의 현저한 향상을 도모할 수 있으며, 구체적으로 동일한 조건에서 종래 통상적으로 사용되던 LSM(La1 - xSrxMnO3) 소재를 공기극으로 이용한 경우 대비 최대 출력 밀도가 1.4배 이상 향상될 수 있는 장점이 있다.
또한 화학식 1에서 a가 0.55 내지 0.65이며, c가 0.1 내지 0.2를 만족하는 경우, 소결 시 20% 이상의 소결 수축률을 나타낼 수 있으며, 이에 따라 치밀한 구조의 공기극 제조가 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재의 제조방법은 La, Ni, Fe, Cu 등 금속의 산화물 분말을 목적하는 조성에 맞게 칭량하고, 볼밀을 통해 혼합하여 슬러리를 제조하고, 이를 건조한 뒤 열처리하고 미분하여 본 발명의 일 실시예에 의한 페로브스카이트 공기극 소재의 제조가 가능하다.
본 발명은 또한 공기극을 제공하며, 본 발명에 의한 공기극은 본 발명의 일 실시예에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재를 포함하는 공기극 집전층; 및 본 발명의 일 실시예에 의한 페로브스카이트계 공기극 소재 및 이온 전도성 소재를 포함하는 공기극 기능층;을 포함한다. 즉, 본 발명에 의한 공기극은 층상구조로 이루어져 있으며, 좋게는 상기 공기극 기능층이 반응 방지막을 통하여 전해질과 접하는 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 의한 공기극은 상기 공기극 집전층 및 공기극 기능층의 층상 구조를 포함함으로써 페로브스카이트계 공기극 소재의 낮은 이온 전도도를 극복하고, 페로브스카이트계 공기극 소재의 높은 전기 전도성에 의한 효과를 극대화 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 공기극에서 상기 이온 전도성 소재는 가돌리늄이 도핑된 세리아 일 수 있으며, 더욱 구체적으로 상기 이온 전도성 소재는 Gd1 - yCeyO2의 화학식을 만족하며, y는 0.6 내지 0.9인 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 이온 전도성 소재를 페로브스카이트계 공기극 소재와 혼합함으로써, 높은 이온 전도성으로 출력밀도 저하를 방지하여 높은 출력밀도를 나타내는 장점이 있다.
더욱 구체적으로 상기 공기극 집전층은 페로브스카이트계 공기극 소재로 이루어진 것일 수 있으며, 상기 공기극 기능층은 페로브스카이트계 공기극 소재 50 내지 60 중량% 및 잔량의 이온 전도성 소재를 포함할 수 있다. 상기 공기극 기능층에서 페로브스카이트계 공기극 소재가 소량 포함되는 경우 공기극 전체의 전기 전도성 저하를 유발할 수 있으며, 페로브스카이트계 공기극 소재가 다량 포함되는 경우 이온 전도도의 저하를 유발하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 공기극은 전해질 또는 전해질위에 형성된 반응 방지막 상에 공기극 기능층용 페이스트 및 공기극 집전층용 페이스트를 도포한 뒤, 열처리를 통해 제조될 수 있다. 상기 도포는 통상의 페이스트 도포 방법인 경우 제한없이 이용이 가능하며, 좋게는 스크린프린팅을 이용할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 열처리는 950 내지 1100 ℃에서 1 내지 4시간 동안 수행될 수 있으며, 열처리 온도 및 시간은 공기극 기능층용 페이스트 및 공기극 집전층용 페이스트의 두께 등에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 공기극은 고체 산화물 전해 셀에 적용되거나, 고체 산화물 연료전지에 적용될 수 있으며, 이러한 고체산화물 전해 셀 또는 고체산화물 연료전지에 적용 시 장기간 출력의 저하 없이 이용이 가능한 장점이 있다.
본 발명은 또한 고체 산화물 연료전지 또는 고체 산화물 전해 셀용 단전지를 제공하며, 본 발명에 의한 단전지는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기극; 연료극; 및 상기 공기극 및 연료극 사이에 개재되는 전해질을 포함한다. 이때 연료극 및 전해질은 통상적으로 이용되는 물질을 이용하여 제조된 것일 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 단전지는 상기 공기극과 전해질의 반응을 방지하기 위하여, 공기극과 전해질 사이에 개재되는 반응방지막을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
1. 페로브스카이트계 공기극 소재의 물성 확인
공기극 시편 준비를 위한 출발 물질로서는 산화물 원료인 La2O3, NiO, Fe2O3, CuO를 적용하였고 표 1 및 표 2에 나타낸 조성에 맞도록 산화물 분말들을 칭량하고 에탄올 용매와 지르코니아(ZrO2) 볼을 이용한 볼밀 공정을 통해 혼합하였다. 혼합 슬러리(slurry)는 건조 후 950℃, 3시간 동안 대기 중에서 1차 하소한 후 다시 습식 볼밀 공정으로 미분화하였다. 건조 후 1200℃, 3시간 동안 대기 중에서 2차 하소한 후 다시 습식 볼밀 공정으로 미분화하고 건조하여 분말 합성을 완료하였다. 합성 분말들은 일축가압성형 공정을 이용하여 가로, 세로 및 두께가 각각 40mm×40mm×4mm의 크기의 성형체로 제조하였다.
최종 소결체로 제조하기 위해서 각각의 공기극 성형체들은 상압의 대기 분위기에서 1250℃의 온도에서 3시간 동안 소결 열처리하였다.
공기극 소결체들의 결정구조 분석을 위한 시편은 표면이 연마 처리된 공기극 시편들이 이용되었고 전기 전도성 평가를 위한 전해질 시편들은 기계적 가공을 통해 가로, 세로 및 길이가 각각 2mm×2mm×25mm의 크기를 갖는 전도도 시편으로 가공되었다.
공기극 시편들의 전기 전도도 측정은 직류 4단자법을 이용하였고 전류 인가에 따른 전압을 측정하고 시편의 단면적과 길이를 적용하여 저항과 전도도를 계산하였다. 측정 분위기는 공기분위기에서 측정하였고 측정 온도는 SOEC의 구동온도 영역인 600-850℃의 온도영역에서 측정하였다.
제조예 명명 화학식
1-0 LNF-73-0 LaNi0 . 7Fe0 . 3O3
1-1 LNF-73-1 LaNi0.7Fe0.25Cu0.05O3
1-2 LNF-73-2 LaNi0 . 7Fe0 . 2Cu0 . 1O3
1-3 LNF-73-3 LaNi0.7Fe0.15Cu0.15O3
1-4 LNF-73-4 LaNi0 . 7Fe0 . 1Cu0 . 2O3
제조예 명명 화학식
2-0 LNF-64-0 LaNi0 . 6Fe0 . 4O3
2-1 LNF-64-1 LaNi0.6Fe0.35Cu0.05O3
2-2 LNF-64-2 LaNi0 . 6Fe0 . 3Cu0 . 1O3
2-3 LNF-64-3 LaNi0.6Fe0.25Cu0.15O3
2-4 LNF-64-4 LaNi0 . 6Fe0 . 2Cu0 . 2O3
합성된 분말의 이차상 형성 확인
제조예 1-0 내지 2-4에서 제조된 합성 분말을 X-선 회절을 통해 분석하고 그 결과를 도 1로 나타내었다.
도 1의 X-선 회절 분석 결과를 살펴보면, 란타늄 1몰 대비 니켈이 0.7몰로 포함된 경우에는 구리가 0.1 몰 이상으로 고용되면서 이차상이 형성되고, 란타늄 1몰 대비 니켈이 0.6 몰로 포함된 경우 구리가 0.2 몰 이상 고용되면서 이차상이 형성됨을 확인할 수 있다.
소결 수축율 확인
제조예 1-0 내지 2-4에서 1250℃의 온도에서 3시간 동안 소결 열처리에 따른 소결 수축률을 측정하고 그 결과를 도 2에 도시하였으며, 각 제조예의 소결 후 미세구조를 관찰하고 도 3으로 나타내었다.
도 2를 참고하면, 구리의 비율이 높아질수록 소결에 의한 수축률이 높아지는 것을 확인할 수 있으며, 전체적인 소결 수축률은 란타늄 1몰 대비 니켈이 0.6 몰 포함된 경우 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 란타늄 1몰 대비 니켈이 0.6 몰 포함되며, 구리가 0.05몰 이상 고용된 경우 20% 이상의 소결 수축률을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.
도 3을 참고하면, 구리의 비율이 증가할수록 미세구조로 관찰되는 소결체의 치밀화 효과가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 니켈의 함량이 낮은 경우 구리 비율 증가에 따른 치밀화 효과가 더욱 우수한 것을 확인할 수 있다.
전기 전도도 확인
제조예 1-0 내지 2-4에서 제조된 각 전도도 시편의 전기 전도도를 직류 4단자법을 이용해 측정하고 그 결과를 도 4 및 도 5로 나타내었다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 란타늄 1몰 대비 니켈이 0.6 몰로 포함된 경우의 전기전도도가 니켈이 0.7몰 포함된 경우 전기 전도도 보다 현저히 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 니켈의 함량과 관계없이 구리의 함량이 0.15몰인 경우 가장 높은 전기전도도를 나타내며, 구리의 함량이 낮거나 높은 경우 전기전도도가 낮아짐을 확인할 수 있다. 특히 구리가 가장 다량 포함된 LNF-73-4 및 LNF-64-4의 경우, 온도 상승에 따른 전기 전도도 저하 폭이 큰 것을 확인할 수 있다. 아울러 니켈 함량이 0.6 af이며, 구리 함량이 0.05 내지 0.15인 범위에서 500 S/cm 이상의 현저히 높은 전기전도도를 나타냄을 확인할 수 있으며, 더 나아가 구리 함량이 0.1 및 0.15인 범위에서 600 S/cm이상의 전기 전도도를 나타냄을 확인할 수 있다.
2. 페로브스카이트계 공기극 소재의 적용
[실시예 1]
LNFC-64-3 공기극 소재를 연료극 지지체형 단전지(ASC : Anode Supported Cell)에 적용하였다. 공기극 적용을 위해서 우선 전해질(Electrolyte), 연료극 기능층(AFL : Anode Functional Layer), 연료극 지지체(AS : Anode Supporter)가 동시 소결된 기판을 직경 20mm, 두께 700um으로 가공하였다. LNFC-64-3 소재는 지르코니아 전해질과 반응성이 있기 때문에 공기극 코팅 이전에 전해질 표면에 반응 방지막(Buffer Layer) 소재로서 GYBC(Gd0 . 135Yb0 . 015Bi0 . 02Ce0 . 83O1 .915) 페이스트를 스크린프린팅 공정으로 코팅 후 1250℃에서 2시간 열처리하여 반응방지막을 제조하였다.
반응 방지막 상에 공기극 기능층(CFL : Cathode Functional Layer)을 형성하기 위하여 LNFC-64-3 : 이온 전도성 소재인 GDC (Gd0 . 2Ce0 . 8O2)를 53 : 47의 중량비로 혼합하여 페이스트를 제조한 뒤, 스크린 프린팅으로 2회 도포하고, 스크린 프린팅 공정 후 공기극 집전층(CCC : Cathode Current Collector) 제조를 위해 순수한 LNFC-64-3 페이스트를 스크린 프린팅으로 1회 도포한 뒤, 1050 ℃에서 2시간 동안 열처리하여 최종적으로 공기극 기능층 및 공기극 집전층을 형성하였다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일한 동시 소결체 표면에 공기극 기능층으로 LSM-73(La0.7Sr0.3MnO3) : 8YSZ(8mol% Y2O3 stabilized ZrO2)를 중량비 60 : 40으로 배합한 소재를 도포하고, 여기에 공기극 집전층으로 LSM-73 소재를 동일한 스크린프린팅 공정 및 열처리를 통해 세라믹 셀을 제조하였다.
출력밀도의 평가
실시예 1 및 비교예 1에서 완성된 세라믹 셀은 650~800℃에서 구동하였으며 공기 및 수소의 공급량은 분당 200cc로 제어하였다. 작동온도 및 전류밀도에 따른 전압 및 출력밀도를 평가하고 그 결과를 도 7로 나타내었다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 공기극 소재가 적용된 세라믹 셀을 동일한 750℃에서 구동 평가한 결과이며 비교예인 LSM-73 공기극이 적용된 셀은 0.4A/cm2의 전류밀도 조건에서 0.819V의 전압을 보였고 이에 따른 출력밀도는 약 0.33W/cm2로 계산되었다. 반면에 실시예인 LNFC-64-3 공기극이 적용된 셀은 0.4A/cm2의 전류밀도 조건에서 0.922V의 전압을 보였고 이에 따른 출력밀도는 약 0.37W/cm2로 계산되어 GYBC 반응 방지막 도입으로 셀의 저항이 증가하더라도 공기극의 성능이 향상됨에 따라 오히려 출력밀도는 향상되었음을 확인할 수 있다. 비교예인 LSM-73 공기극이 적용된 셀의 최대 출력밀도는 약 0.64W/cm2를 기록한 반면에 실시예인 LNFC-64-3 공기극이 적용된 셀의 최대 출력밀도는 약 0.93W/cm2를 보여주어 최대 출력밀도에는 큰 차이를 나타냄을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  1. 하기 화학식 1을 만족하는 페로브스카이트계 공기극 소재.
    [화학식 1]
    LaNiaFebCucO3
    (화학식 1에서 a+b+c=1을 만족하며,
    a는 0.55 내지 0.75이고,
    c는 0.05 내지 0.2이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 a는 0.55 내지 0.65이며, c는 0.1 내지 0.2인 것을 특징으로 하는 공기극 소재.
  3. 제 1항 또는 제 2항의 페로브스카이트계 공기극 소재를 포함하는 공기극 집전층; 및
    제 1항 또는 제 2항의 페로브스카이트계 공기극 소재 및 이온 전도성 소재를 포함하는 공기극 기능층;을 포함하는 공기극.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 이온 전도성 소재는 가돌리늄이 도핑된 세리아인 것을 특징으로 하는 공기극.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 이온 전도성 소재는 Gd1 - yCeyO2을 만족하며, y는 0.6 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 공기극.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 공기극 기능층은 페로브스카이트계 화합물 50 내지 60 중량% 및 잔량의 이온 전도성 소재를 포함하는 공기극.
  7. 제 3 항의 공기극;
    연료극; 및
    상기 공기극 및 연료극 사이에 개재되는 전해질을 포함하는 단전지.
  8. 제 7 항의 단전지를 포함하는 고체산화물 연료전지.
  9. 제 7 항의 단전지를 포함하는 고체산화물 전해셀.
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