KR20240078578A - 고체산화물 셀 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

고체산화물 전해질, 그리고 고체산화물 전해질 한쪽에 배치되는 연료극과 다른 한쪽에 배치되는 공기극을 포함하며, 연료극은 코어가 빈 공간을 가지며 쉘이 니켈 산화물(NiO) 입자를 포함하는 코어-쉘 형태의 중공 입자들을 포함하는, 고체산화물 셀을 개시한다.

Description

고체산화물 셀 및 이의 제조 방법{SOLID OXIDE CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 기재는 고체산화물 셀 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)와 고체산화물 수전해 셀(SOEC; Solid Oxide Electrolyzer Cell)은 공기극, 연료극, 및 산소 이온전도성을 갖는 고체산화물 전해질로 구성된 셀을 통하여 전기화학반응으로 전기 에너지를 생산하거나 고체산화물 연료전지의 역반응으로 물을 전기분해하여 수소를 생산한다. 셀은 산소 이온 전도성을 가지는 고체산화물 전해질의 양쪽에 각각 공기극과 연료극이 배치되는 구성을 가지며, 분리판에 형성된 가스 유로를 통하여 공기와 수소가 공기극과 연료극에 각각 공급되어 전기화학 반응이 일어나 전기를 생산하거나 전기분해할 수 있다.
특히, 고체산화물 수전해 셀은 800 °C 이상의 온도에서 구동하기 때문에 고온에서의 산화 환원 반응에 안정적인 재료특성이 요구된다. 또한, 연료극에서의 물이 잘 확산 이동할 수 있는 기공 구조가 필요하다.
본 개시의 일 측면은 기공 형성제(pore former) 없이도 다공성 구조의 연료극을 형성하여 물이 원활하게 전기 화학 반응에 의해 분해될 수 있는 삼상 계면 확보가 가능하고, 소성시 구조 유지 가능하며, 고온에서 산화 환원 반응에 안정적인 고체산화물 셀을 제공할 수 있다.
일 측면에 따른 고체산화물 셀은 고체산화물 전해질, 그리고 고체산화물 전해질 한쪽에 배치되는 연료극과 다른 한쪽에 배치되는 공기극을 포함하며, 연료극은 코어가 빈 공간을 가지며 쉘이 니켈 산화물(NiO) 입자를 포함하는 코어-쉘 형태의 중공 입자들을 포함한다.
중공 입자들은 구(sphere) 형상을 가질 수 있다.
중공 입자들은 평균 입경이 1 μm 내지 10 μm일 수 있다.
연료극은 고체산화물 전해질 물질을 더 포함할 수 있다.
고체산화물 전해질 물질은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트(LSGM), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 지르코네이트(BaZrO3), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 세레이트(BaCeO3), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
고체산화물 전해질 물질은 평균 입경이 3 μm 내지 20 μm인 입자 형태일 수 있다.
연료극은 고체산화물 전해질 물질 100 중량부에 대하여 중공 입자를 30 중량부 내지 70 중량부로 포함할 수 있다.
연료극은 니켈(Ni), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이들의 산화물, 또는 이들의 조합을 포함하는 연료극 물질을 더 포함할 수 있다.
연료극 물질은 평균 입경이 0.1 μm 내지 5 μm인 입자 형태일 수 있다.
연료극은 고체산화물 전해질 물질 100 중량부에 대하여 연료극 물질을 30 중량부 내지 70 중량부로 포함할 수 있다.
고체산화물 전해질은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트(LSGM), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 지르코네이트(BaZrO3), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 세레이트(BaCeO3), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
공기극은 란탄-스트론튬 망간 산화물(LSM), 란탄-스트론튬 철 산화물(LSF), 란탄-스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란탄-스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 사마륨-스트론튬 코발트 산화물(SSC), 바륨-스트론튬 코발트 철 산화물(BSCF), 비스무스-루테늄 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
공기극은 고체산화물 전해질 물질을 더 포함할 수 있다.
고체산화물 셀은 고체산화물 연료전지(SOFC), 고체산화물 수전해 셀(SOEC), 또는 이 둘 모두일 수 있다.
다른 측면에 따른 고체산화물 셀의 제조 방법은 코어가 빈 공간을 가지며 쉘이 니켈 산화물(NiO) 입자를 포함하는 코어-쉘 형태의 중공 입자들을 포함하는 연료극 형성용 조성물을 이용하여 연료극을 형성하는 단계를 포함한다.
연료극 형성용 조성물은 고체산화물 전해질 물질을 더 포함할 수 있다.
연료극 형성용 조성물은 연료극 물질을 더 포함할 수 있다.
연료극 형성용 조성물은 고체산화물 전해질 물질 100 중량부에 대하여 중공 입자를 30 중량부 내지 70 중량부로 포함할 수 있다.
연료극 형성용 조성물은 고체산화물 전해질 물질 100 중량부에 대하여 연료극 물질을 30 중량부 내지 70 중량부로 포함할 수 있다.
연료극을 형성하는 단계는 연료극 형성용 조성물을 캐스팅(casting)한 후, 소성하는 것일 수 있다.
일 측면에 따른 고체산화물 셀에 의하면, 기공 형성제 없이도 다공성 구조의 연료극을 형성하여 물이 원활하게 전기 화학 반응에 의해 분해될 수 있는 삼상 계면 확보가 가능하고, 소성시 구조 유지 가능하며, 고온에서 산화 환원 반응에 안정적이다.
도 1은 일 측면에 따른 고체산화물 셀의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 중공 입자들의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 중공 입자의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 4는 일 측면의 변형예에 따른 고체산화물 연료전지를 설명하는 개략도이다.
도 5는 일 측면의 다른 변형예에 따른 고체산화물 수전해 셀을 설명하는 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아울러 첨부 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 측면에 따른 고체산화물 셀의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 고체산화물 셀(100)은 고체산화물 전해질(130), 그리고 고체산화물 전해질(130) 한쪽에 배치되는 연료극(110)과 다른 한쪽에 배치되는 공기극(120)을 포함한다.
연료극(110)은 연료의 전기화학적 산화와 전하 전달 역할을 한다. 따라서, 연료극(110)에서는 연료의 확산 이동이 잘 진행될 수 있도록 하는 기공 구조가 필요하다.
연료극(110)에 기공을 확보하기 위해 구형 고분자 또는 탄소 재료와 같은 기공 형성제(pore former)를 혼합하고, 성형 및 인쇄한 후, 열처리하여 기공 형성제를 분해하는 방식으로 기공 구조를 형성하는 경우, 성형 및 인쇄를 위한 슬러리(Slurry) 또는 페이스트(Paste) 제조시 기공 형성제들의 균일한 분산 및 경시 변화에 따라 기공 제어가 쉽지 않고, 열처리에 의한 기공 형성제의 분해시 다공성 구조가 무너질 가능성이 있다.
일 측면에 따른 고체산화물 셀(100)은 연료극(110)이 코어가 빈 공간을 가지며 쉘이 니켈 산화물(NiO) 입자를 포함하는 코어-쉘 형태의 중공 입자(111)들을 포함한다. 예를 들어, 중공 입자(111)는 1차 입자인 니켈 산화물 입자들이 응집되어 이루어진 2 차 입자로서, 내부에 빈 공간을 포함할 수 있다. 즉, 중공 입자(111)는 코어가 빈 공간을 가지며 쉘이 니켈 산화물 입자를 포함하는 코어-쉘 형태를 가질 수 있다.
즉, 연료극(110)이 중공 구조를 가지는 니켈 산화물 입자를 포함함에 따라, 기공 형성제(pore former) 없이도 다공성 구조의 연료극(110)을 형성할 수 있고, 이에 따라 연료가 원활하게 전기 화학 반응에 의해 분해될 수 있는 삼상 계면 확보가 가능하다. 또한, 니켈 산화물은 고온에서 안정한 물질로서, 소성시 다공성 구조의 유지가 가능하고, 고온에서 산화 환원 반응에 안정적이다.
도 2는 중공 입자(111)들의 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 3은 중공 입자(111)의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 중공 입자(111)들은 실질적으로 구(sphere) 형상을 가질 수 있다. 그러나, 본 측면에 따른 고체산화물 셀(100)이 이에 한정되는 것은 아니고, 중공 입자(111)들은 예를 들어 단면이 타원형인 구 형상, 또는 다면체 형상 등을 가질 수 있다.
중공 입자(111)들은 평균 입경이 1 μm 내지 10 μm일 수 있다. 중공 입자(111)들의 평균 입경이 1 μm 미만인 경우 기공이 너무 작아 원활한 기공구조 확보가 어려울 수 있고, 10 μm를 초과하는 경우 과도한 기공으로 인하여 기계적 강도가 취약해질 수 있다.
연료극(110)은 고체산화물 전해질 물질(113)을 더 포함할 수 있다.
고체산화물 전해질 물질(113)은 산소 이온 전도도가 높고 전자 전도도가 낮아야 한다.
일 예로, 고체산화물 전해질 물질(113)은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트(LSGM), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 지르코네이트(BaZrO3), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 세레이트(BaCeO3), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
고체산화물 전해질 물질(113)은 평균 입경이 3 μm 내지 20 μm인 입자 형태일 수 있다. 고체산화물 전해질 물질(113)의 평균 입경이 3 μm 미만인 경우 소결후 그레인 크기(Grain size)가 작아서 이온전도 특성이 저하될 수 있고, 20 μm를 초과하는 경우 소결성이 낮아져 치밀도가 저하될 수 있다.
연료극(110)은 고체산화물 전해질 물질(113) 100 중량부에 대하여 중공 입자(111)를 30 중량부 내지 70 중량부로 포함할 수 있다. 중공 입자(111)의 함량이 30 중량부 미만인 경우 연료극 물질의 함량 부족으로 인하여 전기적 특성이 저하될 수 있고, 70 중량부를 초과하는 경우 고체산화물 전해질 물질의 함량이 부족하여 이온전도도가 저하될 수 있다.
연료극(110)은 연료극 물질(112)을 더 포함할 수 있다. 연료극 물질(112)은 연료를 전기화학적으로 산화시키고 전하를 전달하는 역할을 한다.
일 예로, 연료극 물질(112)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 또는 백금(Pt) 등의 순수 금속, 또는 이들의 산화물을 포함할 수 있다.
이 경우, 연료극(110)은 연료극 물질(112)과 고체산화물 전해질 물질(113)이 복합된 서머트(cermet)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고체산화물 전해질 물질(113)이 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)이고 연료극 물질(112)이 니켈(Ni)인 경우, 다공성 고체산화물 복합체는 Ni/YSZ 서머트일 수 있고, 연료극 물질(112)이 루테늄(Ru)인 경우 Ru/YSZ 서머트일 수 있다.
연료극 물질(112)은 평균 입경이 0.1 μm 내지 5 μm, 또는 0.5 μm 내지 5 μm 일 수 있다. 연료극 물질(112)의 평균 입경이 0.1 μm 미만인 경우 연료극 물질간 연결이 어려워 전자전도도가 저하될 수 있고, 5 μm를 초과하는 경우 활성 비표면적 이 낮아져 전기적 특성이 저하될 수 있다.
연료극(110)은 고체산화물 전해질 물질(113) 100 중량부에 대하여 연료극 물질(112)을 30 중량부 내지 70 중량부로 포함할 수 있다. 연료극 물질(112)의 함량이 30 중량부 미만인 경우 이온전도도가 저하될 수 있고, 70 중량부를 초과하는 경우 전자전도도가 저하될 수 있다.
일 예로, 연료극(110)의 두께는 예를 들어, 1 μm 내지 1000 μm, 또는 5 μm 내지 100 μm일 수 있다.
연료극(110)의 기공율은 20 % 내지 60 %일 수 있다. 연료극(110)의 기공율이 20 % 미만인 경우 원료 및 생성 기체의 물질 흐름(mass flow) 저항이 높아질 수 있고, 60 %를 초과하는 경우 기계적 강도가 저하될 수 있다.
공기극(120)은 공기극 물질을 포함한다. 공기극 물질은 산소 가스를 산소 이온으로 환원시키는 물질일 수 있다.
일 예로, 공기극 물질은 페로브스카이트형의 결정 구조를 가지는 금속 산화물 입자를 사용할 수 있다. 페로스브카이트형 금속 산화물은 이온 전도성과 전자 전도성을 동시에 가지는 혼합 전도체(MIEC: mixed inonic and electronic conductor) 물질로서, 높은 산소 확산계수와 전하 교환반응 속도계수를 가지고 있어, 삼상 계면뿐만 아니라 전극 전체의 표면에서 산소의 환원 반응이 일어날 수 있도록 할 수 있다.
페로브스카이트형 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
ABO3±γ
화학식 1에서, A는 La, Ba, Sr, Sm, Gd, Ca, 또는 이들의 조합을 포함하는 원소이고, B는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, Nb, Cr, Sc, 또는 이들의 조합을 포함하는 원소이고, γ는 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다. γ는 예를 들어, 0 ≤ γ ≤ 0.3의 범위를 가질 수 있다.
예를 들어, 페로브스카이트형 금속 산화물은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
A'1-xA"xB'O3±γ
화학식 2에서, A'는 Ba, La, Sm, 또는 이들의 조합을 포함하는 원소이고, A"는 Sr, Ca, Ba, 또는 이들의 조합을 포함하는 원소로서, A'와 다르고, B'는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ti, Nb, Cr, Sc, 또는 이들의 조합을 포함하는 원소이고, 0 ≤ x < 1 이고, γ는 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다.
예를 들어, 공기극 물질은 란탄-스트론튬 망간 산화물(LSM), 란탄-스트론튬 철 산화물(LSF), 란탄-스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란탄-스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 사마륨-스트론튬 코발트 산화물(SSC), 바륨-스트론튬 코발트 철 산화물(BSCF), 비스무스-루테늄 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
이 경우, 고체산화물 전해질 물질이 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)이고 공기극 물질이 란탄-스트론튬 망간 산화물(LSM)인 경우, 다공성 고체산화물 복합체는 LSM-YSZ 복합체일 수 있다.
공기극(120)의 두께는 예를 들어, 1 μm 내지 100 μm, 또는 5 μm 내지 50 μm일 수 있다.
고체산화물 전해질(130)은 공기극(120)에서 생성된 산소 이온을 이온 전도를 통해 연료극(110)으로 이송하는 역할을 한다. 고체산화물 전해질(130)은 가스 불투과성을 가져 공기와 연료극(110)의 접촉을 차단할 수 있으며, 산소 이온 전도도가 높고, 전자전도도가 낮아(높은 전기저항, 높은 절연성) 연료극(110)에서 생성된 전자가 직접 공기극(120)으로 이동하는 것을 차단할 수 있다.
또한, 고체산화물 전해질(130)은 양쪽에 산소 분압차가 매우 큰 공기극(120)과 연료극(110)이 위치하므로 넓은 산소분압 영역에서 위의 물성을 유지할 필요가 있다.
이러한 고체산화물 전해질(130)을 구성하는 재료로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트(LSGM), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 지르코네이트(BaZrO3), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 세레이트(BaCeO3), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
고체산화물 전해질(130)의 두께는 예를 들어, 10 nm 내지 100 μm, 또는 100 nm 내지 50 μm일 수 있다.
선택적으로, 고체산화물 셀(100)은 공기극(120)의 적어도 한 측면, 예를 들어 공기극(120)의 바깥 측면에 전자전도체를 포함하는 전기집전층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 전기집전층은 공기극(120) 구성에 있어서 전기를 모으는 집전체(current collector) 역할을 할 수 있다.
전기집전층은, 예를 들어 란탄 코발트 산화물(LaCoO3), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 란탄 스트론튬 코발트 망간 산화물(LSCM), 란탄 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란탄 스트론튬 철 산화물(LSF), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전기집전층은 위에서 열거한 재료들을 단독으로 사용하거나, 2 이상 혼합하여 사용할 수 있고, 이들 재료를 이용하여 단일층으로 구성하거나 2 이상 복수개의 적층 구조로 구성하는 것도 가능하다.
고체산화물 셀(100)은 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다.
또한, 고체산화물 셀(100)은 단위 전지의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 공기극(120), 연료극(110), 및 고체산화물 전해질(130)로 구성되는 단위 전지(MEA, Membrane and Electrode Assembly)가 직렬로 적층되고, 단위전지들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위 전지의 스택(stack)이 얻어질 수 있다.
일 예로, 고체산화물 셀(100)은 고체산화물 연료전지(SOFC), 고체산화물 수전해 셀(SOEC), 또는 이 둘 모두일 수 있다.
도 4는 고체산화물 셀(100)이 고체산화물 연료전지인 경우를 설명하는 개략도이다.
도 4를 참조하면, 고체산화물 연료전지(200)는 연료극(210), 연료극(210)을 마주보고 배치되는 공기극(220), 및 연료극(210)과 공기극(220) 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체산화물 전해질(230)을 포함한다.
고체산화물 연료전지(200)의 전기화학반응은 아래 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 공기극(220)의 산소 가스 O2가 산소 이온 O2 -으로 변하는 공기극 반응과 연료극(210)의 연료(H2 또는 탄화수소)와 전해질을 통해 이동해 온 산소 이온이 반응하는 연료극 반응으로 이루어진다.
[반응식 1]
공기극 반응: 1/2 O2 + 2e- → O2 -
연료극 반응: H2 + O2 - → H2O + 2e-
고체산화물 연료전지(200)의 공기극(220)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리 및 표면 확산을 거쳐 고체산화물 전해질(230), 공기극(220), 기공(미도시)이 만나는 삼상 계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소 이온으로 되고 생성된 산소 이온은 고체산화물 전해질(230)을 통해 연료극(210)으로 이동하게 된다.
고체산화물 연료전지(200)의 연료극(210)에서는 이동한 산소 이온이 연료 내에 포함된 수소와 결합하여 물을 생성한다. 이때 수소는 전자를 배출하여 수소 이온(H+)으로 변화하여 산소 이온과 결합한다. 배출된 전자는 배선(미도시)를 통하여 공기극(220)로 이동하여 산소를 산소 이온으로 변화시킨다. 이러한 전자 이동을 통하여, 고체산화물 연료전지(200)는 전지 기능을 수행할 수 있다.
도 5는 고체산화물 셀(100)이 고체산화물 수전해 셀인 경우를 설명하는 개략도이다.
도 5를 참조하면, 고체산화물 수전해 셀(300)은 공기극(310), 공기극(310)을 마주보고 배치되는 연료극(320), 및 공기극(310)과 연료극(320) 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체산화물 전해질(330)을 포함한다.
고체산화물 수전해 셀(300)의 전기화학반응은 아래 반응식 2에 나타낸 바와 같이, 연료극(320)의 물(H2O)이 수소 가스(H2)와 산소 이온(O2 -)으로 변하는 연료극 반응과 고체산화물 전해질(330)을 통해 이동해 온 산소 이온이 산소 가스(O2)로 변하는 공기극 반응으로 이루어진다. 이러한 반응은 통상적인 연료 전지의 반응 원리와는 반대이다.
[반응식 2]
연료극 반응: H2O + 2e- → O2 - + H2
공기극 반응: O2 - → 1/2 O2 + 2e-
고체산화물 수전해 셀(300)에 외부 전원(340)으로부터 전력이 인가되면, 외부 전원(340)으로부터 고체산화물 수전해 셀(300)에 전자가 제공된다. 전자는 연료극(320)에 제공되는 물과 반응하여 수소 가스와 산소 이온을 생성한다. 수소 가스는 외부로 배출되고, 산소 이온은 전해질(330)을 통과하여 공기극(310)으로 이동된다. 공기극(310)으로 이동된 산소 이온은 전자를 잃고 산소 가스로 변환하여 외부로 배출된다. 전자는 외부 전원(340)으로 흐르게 된다. 이러한 전자 이동을 통하여, 고체산화물 수전해 셀(300)은 물을 전기분해하여, 연료극(320)에서 수소 가스를 형성하고, 공기극(310)에서 산소 가스를 형성할 수 있다.
다른 측면에 따른 고체산화물 셀의 제조 방법은 연료극을 형성하고, 연료극 위에 고체산화물 전해질을 형성하고, 고체산화물 전해질 위에 공기극을 형성하는 것을 포함한다.
연료극은 연료극 형성용 조성물을 이용하여 예를 들어 시트 형상으로 캐스팅(casting)한 후, 소성하여 제조될 수 있다.
연료극 형성용 조성물은 코어가 빈 공간을 가지며 쉘이 니켈 산화물(NiO) 입자를 포함하는 코어-쉘 형태의 중공 입자들을 포함하고, 선택적으로 고체산화물 전해질 물질, 연료극 물질, 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다. 중공 입자, 고체산화물 전해질 물질, 및 연료극 물질에 대한 설명은 상술한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.
다만, 중공 입자는 주형합성법(Templated synthesis)으로 제조될 수 있다. 주형은 고분자, 실리카(SiO2), 또는 탄소(Carbon) 등의 구형 입자를 통해 제조할 수 있다.
또한, 연료극 형성용 조성물은 선택적으로 분산제, 가소제, 결합체, 또는 용매 등을 더 포함할 수 있고, 슬러리, 페이스트, 또는 분산액 형태일 수 있다.
연료극 형성용 조성물은 습식법, 예를 들어 디핑법, 코팅법, 프린팅법, 또는 스프레이법 등을 이용하여 시트 형상으로 캐스팅될 수 있다.
연료극 형성용 조성물은 고체산화물 전해질 물질 100 중량부에 대하여 중공 입자를 30 중량부 내지 70 중량부로 포함할 수 있다. 중공 입자의 함량이 30 중량부 미만인 경우 연료극 물질의 함량 부족으로 인하여 전기적 특성이 저하될 수 있고, 70 중량부를 초과하는 경우 고체산화물 전해질 물질의 함량이 부족하여 이온전도도가 저하될 수 있다.
연료극 형성용 조성물은 고체산화물 전해질 물질 100 중량부에 대하여 연료극 물질을 30 중량부 내지 70 중량부로 포함할 수 있다. 연료극 물질의 함량이 30 중량부 미만인 경우 이온전도도가 저하될 수 있고, 70 중량부를 초과하는 경우 전자전도도가 저하될 수 있다.
일 예로, 소성은 1000 °C 내지 1500 °C, 예를 들어 1300 °C 내지 1500 °C, 또는 1400 °C 내지 1450 °C의 온도, 공기 분위기에서 수행될 수 있다. 다만, 본 측면에 따른 고체산화물 셀의 제조 방법이 이에 한정되는 것은 아니고, 연료극의 소성은 고체산화물 전해질을 형성한 후 고체산화물 전해질과 함께 소성될 수도 있다.
고체산화물 전해질은, 예를 들어 고체산화물 전해질 형성용 조성물을 연료극 위에 시트 형상으로 캐스팅(casting)한 후, 소성하여 제조될 수 있다.
고체산화물 전해질 형성용 조성물은 고체산화물 전해질 물질을 포함할 수 있다. 고체산화물 전해질 물질에 대한 설명은 상술한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다. 또한, 고체산화물 전해질 형성용 조성물은 선택적으로 분산제, 가소제, 결합체, 또는 용매 등을 더 포함할 수 있고, 슬러리, 페이스트, 또는 분산액 형태일 수 있다.
고체산화물 전해질 형성용 조성물은 습식법, 예를 들어 디핑법, 코팅법, 프린팅법, 또는 스프레이법 등을 이용하여 시트 형상으로 캐스팅될 수 있다. 일 예로, 고체산화물 전해질 형성용 조성물은 형성된 연료극 위에 캐스팅될 수 있다.
일 예로, 소성은 1000 °C 내지 1500 °C, 예를 들어 1300 °C 내지 1500 °C, 또는 1400 °C 내지 1450 °C의 온도, 공기 분위기에서 수행될 수 있다.
공기극은 공기극 형성용 조성물을 이용하여 예를 들어 시트 형상으로 캐스팅(casting)한 후, 소성하여 제조될 수 있다.
공기극 형성용 조성물은 공기극 물질 및 고체산화물 전해질 물질을 포함할 수 있다. 공기극 물질 및 고체산화물 전해질 물질에 대한 설명은 상술한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다. 또한, 공기극 형성용 조성물은 선택적으로 분산제, 가소제, 결합체, 또는 용매 등을 더 포함할 수 있고, 슬러리, 페이스트, 또는 분산액 형태일 수 있다.
공기극 형성용 조성물은 습식법, 예를 들어 디핑법, 코팅법, 프린팅법, 또는 스프레이법 등을 이용하여 고체산화물 전해질 위에 시트 형상으로 캐스팅(casting)될 수 있다.
일 예로, 소성은 1000 °C 내지 1500 °C, 예를 들어 1300 °C 내지 1500 °C, 또는 1400 °C 내지 1450 °C의 온도, 공기 분위기에서 수행될 수 있다.
위에서는 연료극 위에 고체산화물 전해질이 형성되고 고체산화물 전해질 위에 공기극이 순차적으로 형성되는 것으로 설명하였으나, 본 측면에 따른 고체산화물 셀의 제조 방법이 이에 한정되는 것은 아니고, 연료극, 공기극, 및 고체산화물 전해질은 각각 별도로 제조된 후 적층되거나, 또는 공기극 위에 고체산화물 전해질이 형성되고 고체산화물 전해질 위에 연료극이 순차적으로 형성될 수 있다.
또한, 연료극 형성 이후, 고체산화물 전해질 형성 이후, 및 공기극 형성 이후에 각각 소성 단계를 포함하는 것으로 설명하였으나, 본 측면에 따른 고체산화물 셀의 제조 방법이 이에 한정되는 것은 아니고, 연료극 위에 고체산화물 전해질을 형성하고 고체산화물 전해질 위에 공기극을 형성한 후 일괄 소성하거나, 연료극 위에 고체산화물 전해질을 형성하고 소성한 후 공기극을 형성한 후 소성할 수도 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 고체산화물 셀
110: 연료극
111: 중공 입자
112: 연료극 물질
113: 고체산화물 전해질 물질
120: 공기극
130: 고체산화물 전해질
200: 고체산화물 연료전지
210: 연료극
220: 공기극
230: 고체산화물 전해질
300: 고체산화물 수전해 셀
310: 공기극
320: 연료극
330: 고체산화물 전해질
340: 외부 전원

Claims (19)

  1. 고체산화물 전해질, 그리고
    상기 고체산화물 전해질 한쪽에 배치되는 연료극과 다른 한쪽에 배치되는 공기극을 포함하며,
    상기 연료극은 코어가 빈 공간을 가지며 쉘이 니켈 산화물(NiO) 입자를 포함하는 코어-쉘 형태의 중공 입자들을 포함하는,
    고체산화물 셀.
  2. 제1항에서,
    상기 중공 입자들은 구(sphere) 형상을 가지는, 고체산화물 셀.
  3. 제1항에서,
    상기 중공 입자들은 평균 입경이 1 μm 내지 10 μm인, 고체산화물 셀.
  4. 제1항에서,
    상기 연료극은 고체산화물 전해질 물질을 더 포함하는, 고체산화물 셀.
  5. 제4항에서,
    상기 고체산화물 전해질 물질은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트(LSGM), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 지르코네이트(BaZrO3), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 세레이트(BaCeO3), 또는 이들의 조합을 포함하는, 고체산화물 셀.
  6. 제4항에서,
    상기 고체산화물 전해질 물질은 평균 입경이 3 μm 내지 20 μm인 입자 형태인, 고체산화물 셀.
  7. 제4항에서,
    상기 연료극은 상기 고체산화물 전해질 물질 100 중량부에 대하여 상기 중공 입자를 30 중량부 내지 70 중량부로 포함하는, 고체산화물 셀.
  8. 제4항에서,
    상기 연료극은 니켈(Ni), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이들의 산화물, 또는 이들의 조합을 포함하는 연료극 물질을 더 포함하는, 고체산화물 셀.
  9. 제8항에서,
    상기 연료극 물질은 평균 입경이 0.1 μm 내지 5 μm인 입자 형태인, 고체산화물 셀.
  10. 제8항에서,
    상기 연료극은 상기 고체산화물 전해질 물질 100 중량부에 대하여 상기 연료극 물질을 30 중량부 내지 70 중량부로 포함하는, 고체산화물 셀.
  11. 제1항에서,
    상기 고체산화물 전해질은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 스트론튬 및 마그네슘 도핑된 란탄 갈레이트(LSGM), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 지르코네이트(BaZrO3), 사마리아 및 세리아 도핑된 바륨 세레이트(BaCeO3), 또는 이들의 조합을 포함하는, 고체산화물 셀.
  12. 제1항에서,
    상기 공기극은 란탄-스트론튬 망간 산화물(LSM), 란탄-스트론튬 철 산화물(LSF), 란탄-스트론튬 코발트 산화물(LSC), 란탄-스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 사마륨-스트론튬 코발트 산화물(SSC), 바륨-스트론튬 코발트 철 산화물(BSCF), 비스무스-루테늄 산화물, 또는 이들의 조합을 포함하는, 고체산화물 셀.
  13. 제12항에서,
    상기 공기극은 고체산화물 전해질 물질을 더 포함하는, 고체산화물 셀.
  14. 제1항에서,
    상기 고체산화물 셀은 고체산화물 연료전지(SOFC), 고체산화물 수전해 셀(SOEC), 또는 이 둘 모두인, 고체산화물 셀.
  15. 코어가 빈 공간을 가지며 쉘이 니켈 산화물(NiO) 입자를 포함하는 코어-쉘 형태의 중공 입자들을 포함하는 연료극 형성용 조성물을 이용하여 연료극을 형성하는 단계를 포함하는, 고체산화물 셀의 제조 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 연료극 형성용 조성물은 고체산화물 전해질 물질을 더 포함하는, 고체산화물 셀의 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 연료극 형성용 조성물은 연료극 물질을 더 포함하는, 고체산화물 셀의 제조 방법.
  18. 제16항에서,
    상기 연료극 형성용 조성물은 상기 고체산화물 전해질 물질 100 중량부에 대하여 상기 중공 입자를 30 중량부 내지 70 중량부로 포함하고,
    상기 연료극 물질을 30 중량부 내지 70 중량부로 포함하는, 고체산화물 셀의 제조 방법.
  19. 제15항에서,
    상기 연료극을 형성하는 단계는 상기 연료극 형성용 조성물을 캐스팅(casting)한 후, 소성하는 것인, 고체산화물 셀의 제조 방법.
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