KR20240082133A - Solid oxide cell and composition for air electrode thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시형태는 연료극과, 공기극 및 상기 연료극 및 공기극 사이에 배치된 전해질을 포함하며, 상기 공기극은 이온-전자 전도체 및 이온 전도체를 포함하며, 상기 이온-전자 전도체는 ABO3의 식으로 표현되며, 여기서 상기 A는 La를 포함하며, 상기 B는 Fe, Mn, Co 중 적어도 하나와 Sc를 포함하는 고체산화물 셀을 제공한다.One embodiment of the present invention includes a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte disposed between the fuel electrode and the air electrode, wherein the air electrode includes an ion-electron conductor and an ion conductor, and the ion-electron conductor has the formula ABO 3 Expressed, where A includes La, and B includes at least one of Fe, Mn, Co, and Sc, providing a solid oxide cell.
Description
본 발명은 고체산화물 셀 및 고체산화물 셀의 공기극용 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide cell and a composition for an air electrode of the solid oxide cell.
고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)와 고체산화물 수전해전지(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)는 공기극, 연료극, 이온 전도성을 갖는 고체전해질로 구성된 셀을 포함하며, 여기서 상기 셀은 고체산화물 셀로 칭할 수 있다. 고체산화물 셀은 전기화학반응으로 전기 에너지를 생산하거나 고체산화물 연료전지의 역반응으로 물을 전기분해하여 수소를 생산한다. 고체산화물 셀은 다른 종류의 연료전지나 수전해전지, 예컨대, 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC) 등과 비교하여 낮은 활성화 분극을 바탕으로 하여 과전압이 낮고, 비가역적 손실이 적으므로 효율이 높다. 또한, 수소뿐만 아니라 탄소 또는 하이드로 카본계의 연료로 사용할 수 있어 연료 선택 폭이 넓으며, 전극에서의 반응속도가 높기 때문에 전극 촉매로서 값비싼 귀금속을 필요로 하지 않는 장점이 있다.A solid oxide fuel cell (SOFC) and a solid oxide electrolysis cell (SOEC) include a cell composed of an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte with ion conductivity, where the cell contains solid oxide. It can be called a cell. Solid oxide cells produce electrical energy through an electrochemical reaction or produce hydrogen by electrolyzing water through the reverse reaction of a solid oxide fuel cell. Solid oxide cells are compared to other types of fuel cells or water electrolytic cells, such as phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), and direct methanol fuel cells (DMFC). Based on low activation polarization, overvoltage is low and irreversible loss is low, so efficiency is high. In addition, it can be used as a carbon or hydrocarbon-based fuel in addition to hydrogen, giving a wide range of fuel choices, and has the advantage of not requiring expensive precious metals as an electrode catalyst because the reaction rate at the electrode is high.
고체산화물 셀의 전극층은 이온과 전자의 전도성 물질을 포함할 수 있으며, 고체산화물 셀의 성능 향상을 위해서는 전극층의 전체적인 전도성을 높일 필요가 있다.The electrode layer of a solid oxide cell may contain a conductive material for ions and electrons, and in order to improve the performance of the solid oxide cell, it is necessary to increase the overall conductivity of the electrode layer.
본 발명의 목적 중 하나는 이온 전도성이 높은 전극층을 포함함으로써 성능이 향상된 고체산화물 셀을 구현하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적 중 다른 하나는 이온-전자 전도체로서 기능하는 높은 효율의 고체산화물 셀의 공기극용 조성물을 제공하는 것이다.One of the purposes of the present invention is to implement a solid oxide cell with improved performance by including an electrode layer with high ion conductivity. Additionally, another object of the present invention is to provide a composition for a cathode of a high-efficiency solid oxide cell that functions as an ion-electron conductor.
상술한 과제를 해결하기 위한 방법으로, 본 발명은 일 예를 통하여 고체산화물 셀의 신규한 구조를 제안하고자 하며, 구체적으로, 연료극과, 공기극 및 상기 연료극 및 공기극 사이에 배치된 전해질을 포함하며, 상기 공기극은 이온-전자 전도체 및 이온 전도체를 포함하며, 상기 이온-전자 전도체는 ABO3의 식으로 표현되며, 여기서 상기 A는 La를 포함하며, 상기 B는 Fe, Mn, Co 중 적어도 하나와 Sc를 포함한다.As a method for solving the above-described problems, the present invention seeks to propose a novel structure of a solid oxide cell through an example, specifically comprising a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte disposed between the fuel electrode and the air electrode, The air electrode includes an ion-electron conductor and an ion conductor, and the ion-electron conductor is expressed by the formula ABO 3 , where A includes La, and B includes at least one of Fe, Mn, Co, and Sc. Includes.
일 실시 예에서, 상기 A는 Sr 및 Ca 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, A may further include at least one of Sr and Ca.
일 실시 예에서, 상기 Sr 및 Ca 중 적어도 하나의 함량은 상기 A의 총 함량 100몰 대비 40몰 이하일 수 있다.In one embodiment, the content of at least one of Sr and Ca may be 40 mol or less compared to 100 mol of the total content of A.
일 실시 예에서, 상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 10몰 미만일 수 있다.In one embodiment, the content of Sc may be less than 10 moles based on 100 moles of the total content of B.
일 실시 예에서, 상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 5몰 이상일 수 있다.In one embodiment, the content of Sc may be 5 mol or more compared to 100 mol of the total content of B.
일 실시 예에서, 상기 이온 전도체는 스칸디아 안정화 지르코니아(SSZ), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 세리아 안정화 지르코니아(SCSZ), 스칸디아세리아 이트리아 안정화 지르코니아(SCYSZ), 스칸디아 세리아이테르비아 안정화 지르코니아(SCYbSZ) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the ion conductor is Scandia stabilized zirconia (SSZ), yttria stabilized zirconia (YSZ), Scandia ceria stabilized zirconia (SCSZ), Scandia ceria yttria stabilized zirconia (SCYSZ), and Scandia ceria ytterbia stabilized zirconia (SCYbSZ). ) may include at least one of
일 실시 예에서, 상기 공기극에서 상기 이온-전자 전도체와 상기 이온 전도체의 중량비는 30:70 내지 70:30일 수 있다.In one embodiment, the weight ratio of the ion-electron conductor to the ion conductor in the air electrode may be 30:70 to 70:30.
한편, 본 발명의 다른 측면은,Meanwhile, another aspect of the present invention is,
연료극과, 공기극 및 상기 연료극 및 공기극 사이에 배치된 전해질을 포함하며, 상기 공기극은 이온-전자 전도체를 포함하며, 상기 이온-전자 전도체는 ABO3의 식으로 표현되며, 여기서 상기 A는 La를 포함하며, 상기 B는 Fe, Mn, Co 중 적어도 하나와 Sc를 포함하며, 상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 10몰 미만인 고체산화물 셀을 제공한다.It includes a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte disposed between the fuel electrode and the air electrode, wherein the air electrode includes an ion-electron conductor, and the ion-electron conductor is expressed by the formula ABO 3 , where A includes La. In addition, the B includes at least one of Fe, Mn, and Co and Sc, and the content of the Sc is less than 10 moles based on the total content of 100 moles of the B. It provides a solid oxide cell.
일 실시 예에서, 상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 5몰 이상일 수 있다.In one embodiment, the content of Sc may be 5 mol or more compared to 100 mol of the total content of B.
본 발명의 또 다른 측면은,Another aspect of the present invention is,
ABO3의 식으로 표현되며, 여기서 상기 A는 La를 포함하며, 상기 B는 Fe, Mn, Co 중 적어도 하나와 Sc를 포함하며, 상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 10몰 미만인 고체산화물 셀의 공기극용 조성물을 제공한다.ABO 3 is expressed in the formula, where A includes La, B includes at least one of Fe, Mn, and Co and Sc, and the content of Sc is less than 10 moles relative to 100 moles of the total content of B. A composition for an air electrode of a solid oxide cell is provided.
일 실시 예에서, 상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 5몰 이상일 수 있다.In one embodiment, the content of Sc may be 5 mol or more compared to 100 mol of the total content of B.
본 발명의 일 예에 따른 고체산화물 셀의 공기극용 조성물을 사용하여 고체산화물 셀을 구현할 경우, 공기극의 이온 전도성이 향상될 수 있다. 이러한 고체산화물 셀을 연료전지나 수전해전지로 사용 시 성능이 향상될 수 있다.When a solid oxide cell is implemented using the composition for the air electrode of the solid oxide cell according to an example of the present invention, the ionic conductivity of the air electrode can be improved. Performance can be improved when these solid oxide cells are used as fuel cells or water electrolysis cells.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체산화물 셀을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 고체산화물 셀을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 연료극의 일 영역(A 영역)을 확대하여 나타낸 것이다.
도 4는 공기극의 일 영역(B 영역)을 확대하여 나타낸 것이다.
도 5는 Sc의 첨가량을 달리한 조성물로부터 얻어진 공기극에서 온도에 따른 전기 전도도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 Sc의 첨가량을 달리한 조성물로부터 얻어진 공기극에서 산소 환원 반응에 대한 분극 저항을 측정한 그래프이다.
도 7은 H2-TPR (Temperature Programmed Reduction) 분석 결과를 나타낸다.
도 8은 Sc의 첨가량을 달리한 조성물로부터 얻어진 공기극을 포함하는 고체산화물 셀에서 전류 밀도와 전압의 관계, 그리고 이에 따른 출력 밀도(Power Density)를 나타낸다.
도 9는 LSFSc05 (Sc: 5몰%)과 이온 전도체(YSZ)를 혼합한 복합체로 형성된 공기극에서 전류 밀도와 전압의 관계, 그리고 이에 따른 출력 밀도를 나타낸다.1 is a cross-sectional view schematically showing a solid oxide cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view schematically showing a solid oxide cell according to another embodiment of the present invention.
Figure 3 shows an enlarged view of one area (area A) of the anode.
Figure 4 shows an enlarged view of one area (area B) of the air electrode.
Figure 5 is a graph showing the results of measuring the change in electrical conductivity according to temperature in air electrodes obtained from compositions with different amounts of Sc added.
Figure 6 is a graph measuring the polarization resistance to oxygen reduction reaction in air electrodes obtained from compositions with different amounts of Sc added.
Figure 7 shows the results of H 2 -TPR (Temperature Programmed Reduction) analysis.
Figure 8 shows the relationship between current density and voltage and the resulting power density in a solid oxide cell including an air electrode obtained from compositions with different amounts of Sc added.
Figure 9 shows the relationship between current density and voltage, and the resulting power density, in an air electrode formed from a composite of LSFSc05 (Sc: 5 mol%) and an ion conductor (YSZ).
이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to specific embodiments and attached drawings. However, the embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Additionally, embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same symbol in the drawings are the same element.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다. 나아가, 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.In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not relevant to the description are omitted, and the thickness is enlarged to clearly express various layers and regions, and components with the same function within the scope of the same idea are referred to by the same reference. Explain using symbols. Furthermore, throughout the specification, when a part is said to “include” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체산화물 셀을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 고체산화물 셀을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 그리고 도 3은 연료극의 일 영역(A 영역)을 확대하여 나타낸 것이고, 도 4는 공기극의 일 영역(B 영역)을 확대하여 나타낸 것이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a solid oxide cell according to an embodiment of the present invention. Figure 2 is a cross-sectional view schematically showing a solid oxide cell according to another embodiment of the present invention. Figure 3 shows an enlarged view of one area (area A) of the anode, and Figure 4 shows an enlarged view of one area (area B) of the air electrode.
도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체산화물 셀(100)은 주요 구성 요소로서 연료극(110), 공기극(120) 및 이들 사이에 배치된 전해질(130)을 포함한다. 여기서, 공기극(120)은 이온-전자 전도체(121) 및 이온 전도체(122)를 포함한다. 그리고 이온-전자 전도체(121)는 ABO3의 식으로 표현되며, 여기서 상기 A는 La를 포함하며, 상기 B는 Fe, Mn, Co 중 적어도 하나와 Sc를 포함한다. 본 실시 형태의 경우, 공기극(120)은 높은 이온 전도도를 갖는 이온-전자 전도체(121)를 포함함으로써 공기극(120)에서의 반응성이 향상될 수 있으며 이로부터 고체산화물 셀(100)의 성능이 향상될 수 있다. 이하, 고체산화물 셀(100)의 구성 요소들은 구체적으로 설명하며, 고체산화물 셀(100)이 연료전지로 사용되는 경우를 주로 설명한다. 다만, 고체산화물 셀(100)은 수전해전지로도 사용될 수 있으며 이 경우, 고체산화물 셀(120)의 연료극(110)과 공기극(120)에서는 연료전지일 경우와 반대되는 반응이 일어날 것이다. Referring to FIGS. 1 to 4, the solid oxide cell 100 according to an embodiment of the present invention includes a fuel electrode 110, an air electrode 120, and an electrolyte 130 disposed between them as main components. Here, the air electrode 120 includes an ion-electron conductor 121 and an ion conductor 122. And the ion-electron conductor 121 is expressed by the formula ABO 3 , where A includes La, and B includes at least one of Fe, Mn, Co, and Sc. In the case of this embodiment, the air electrode 120 includes an ion-electron conductor 121 with high ionic conductivity, so that the reactivity in the air electrode 120 can be improved, thereby improving the performance of the solid oxide cell 100. It can be. Hereinafter, the components of the solid oxide cell 100 will be described in detail, and the case where the solid oxide cell 100 is used as a fuel cell will mainly be described. However, the solid oxide cell 100 can also be used as a water electrolysis cell, and in this case, a reaction opposite to that in the case of a fuel cell will occur at the anode 110 and the air electrode 120 of the solid oxide cell 120.
연료극(110) 및 공기극(120)은 고체산화물 셀(100)에서 주요한 반응이 일어나는 전극층에 해당한다. 구체적으로, 고체산화물 셀(100)이 연료전지일 경우, 예컨대 연료극(110)에서는 수소의 산화로 인한 물 생성 또는 탄소화합물의 산화 반응이 일어날 수 있으며, 공기극(120)에서는 산소의 분해에 따른 산소 이온 발생 반응이 일어날 수 있다. 수전해전지일 경우에는 이와 반대되는 반응이 일어날 수 있으며, 예컨대, 연료극(110)에서는 물의 환원 반응에 따라 수소 기체가 발생할 수 있으며, 공기극(120)에서는 산소가 발생할 수 있다. 또한 다른 예로서, 연료전지일 경우, 연료극(110)에서는 수소의 분해(수소 이온 발생) 반응이 일어나며 공기극(120)에서는 산소와 수소 이온이 결합되어 물이 발생될 수 있으며, 수전해전지일 경우, 연료극(110)에서 물의 분해(수소 및 산소 이온 발생) 반응이 일어나며 공기극(120)에서 산소가 발생될 수 있다. The anode 110 and the air electrode 120 correspond to electrode layers where major reactions occur in the solid oxide cell 100. Specifically, when the solid oxide cell 100 is a fuel cell, for example, water production or an oxidation reaction of a carbon compound may occur due to oxidation of hydrogen in the anode 110, and oxygen may occur due to decomposition of oxygen in the air electrode 120. An ion generating reaction may occur. In the case of a water electrolysis cell, the opposite reaction may occur. For example, hydrogen gas may be generated in the anode 110 due to a reduction reaction of water, and oxygen may be generated in the air electrode 120. As another example, in the case of a fuel cell, a reaction of hydrogen decomposition (generating hydrogen ions) occurs in the anode 110, and oxygen and hydrogen ions combine to generate water in the air electrode 120. In the case of a water electrolysis cell, , a reaction of water decomposition (generating hydrogen and oxygen ions) occurs in the anode 110, and oxygen may be generated in the air electrode 120.
한편, 도 1의 고체산화물 셀(100)의 경우, 연료극(110) 및 공기극(120)은 전해질(130)에 의하여 지지되는 소위, 전해질(130) 지지형 고체산화물 셀(100)에 해당할 수 있으며, 이 경우, 전해질(130)의 폭이 가장 넓을 수 있다. 이러한 전해질(130) 지지형 고체산화물 셀(100)에서는 신뢰성이 우수할 수 있으며 다만 지지 기능을 수행하기 위해 전해질(130)을 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. 다만, 전해질(130) 지지형 외에도 다른 구조도 채용될 수 있다. 예컨대, 도 2의 실시 형태와 같이 연료극(110) 지지형으로 구현될 수도 있으며 이 경우, 연료극(110)이 가장 두꺼울 수 있다.Meanwhile, in the case of the solid oxide cell 100 of FIG. 1, the anode 110 and the air electrode 120 may correspond to the so-called electrolyte 130-supported solid oxide cell 100 supported by the electrolyte 130. In this case, the width of the electrolyte 130 may be the widest. In such an electrolyte 130-supported solid oxide cell 100, reliability may be excellent, but the electrolyte 130 may be formed relatively thick to perform the support function. However, in addition to the electrolyte 130-supported structure, other structures may also be employed. For example, as in the embodiment of FIG. 2, it may be implemented as a support type for the anode 110, and in this case, the anode 110 may be the thickest.
도 3에 도시된 형태와 같이, 연료극(110)은 전자 전도체(111)와 이온 전도체(112)를 포함할 수 있으며 이들은 입자들의 소결체일 수 있다. 전자 전도체(111)는 전기전도 기능과 촉매 기능 등을 수행할 수 있으며, 예컨대 Ni계, 란타늄 크로마이트계(La1-xSrxCrO3, 여기서, 0≤x<1) 물질 등을 포함할 수 있다. 그리고 이온전도체(111)는 이트리아 안정화 지르코니아계(YSZ), 세리아계(CeO2), 비스무스 산화물계(Bi2O3), 란타늄 갈레이트계(LaGaO3) 물질 등을 포함할 수 있다. 또한, 연료극(110)은 기공(H1)을 포함하는 다공체일 수 있으며 기공(H1)을 통해 기체, 유체 등이 드나들 수 있다.As shown in FIG. 3, the fuel electrode 110 may include an electronic conductor 111 and an ion conductor 112, which may be sintered bodies of particles. The electronic conductor 111 may perform electrical conduction functions and catalytic functions, and may include, for example, Ni-based or lanthanum chromite-based (La 1-x Sr x CrO 3 , where 0≤x<1) materials. You can. And the ion conductor 111 may include yttria-stabilized zirconia-based (YSZ), ceria-based (CeO 2 ), bismuth oxide-based (Bi 2 O 3 ), and lanthanum gallate-based (LaGaO 3 ) materials. Additionally, the anode 110 may be a porous body including pores H1, and gases, fluids, etc. may pass in and out through the pores H1.
전해질(130)은 연료극(110)과 공기극(120) 사이에 배치되며 연료극(110)이나 공기극(120)으로 이온들이 이동할 수 있다. 전해질(130)을 구성하는 물질의 예로서, 연료극(110)과 공기극(120)의 이온전도체(112, 122)를 구성하는 물질을 사용할 수 있다. 대표적인 예로서, 전해질(130)은 안정화된 지르코니아를 포함할 수 있다. 구체적으로 전해질(130)은 스칸디아 안정화 지르코니아(SSZ), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 세리아 안정화 지르코니아(SCSZ), 스칸디아 세리아 이트리아 안정화 지르코니아(SCYSZ), 스칸디아 세리아 이테르비아 안정화 지르코니아(SCYbSZ) 등을 포함할 수 있다.The electrolyte 130 is disposed between the fuel electrode 110 and the air electrode 120, and ions can move to the fuel electrode 110 or the air electrode 120. As an example of the material constituting the electrolyte 130, the material constituting the ion conductors 112 and 122 of the anode 110 and the air electrode 120 can be used. As a representative example, electrolyte 130 may include stabilized zirconia. Specifically, the electrolyte 130 includes Scandia stabilized zirconia (SSZ), yttria stabilized zirconia (YSZ), Scandia ceria stabilized zirconia (SCSZ), Scandia ceria yttria stabilized zirconia (SCYSZ), and Scandia ceria ytterbia stabilized zirconia (SCYbSZ). It may include etc.
도 4에 도시된 형태와 같이, 공기극(120)은 이온-전자 전도체(121)와 이온 전도체(122)를 포함하며 이들은 입자들의 소결체일 수 있다. 공기극(120)은 기공(H2)을 포함하는 다공체일 수 있으며 기공(H2)을 통해 기체, 유체 등이 드나들 수 있다. 상술한 바와 같이, 이온-전자 전도체(121)는 ABO3의 식으로 표현되며, 여기서 상기 A는 La를 포함하며, 상기 B는 Fe, Mn, Co 중 적어도 하나와 Sc를 포함하는 공기극용 조성물로부터 얻어질 수 있으며, 이로부터 공기극(120)의 이온 전도도가 높아지질 수 있다. 또한, 전자 전도체만 사용하는 경우보다 이온-전자 전도체(121)의 복합 물질을 사용함으로써 이온 전도체과 전자 전도체의 계면이 증가될 수 있으며, 이에 따라 공기극(120) 내의 유효한 반응 영역이 증가될 수 있다. 종래에 공기극(120) 물질로서 사용되는 La계 산화물, 예컨대 La0.8Sr0.2MnO3의 경우, 이온 전도성이 낮은 전자 전도체에 가까우며 이를 사용하는 경우 반응 영역이 공기극(120)과 전해질(130)의 계면이나 공기극(120) 내에서 전자 전도체와 이온 전도체의 계면으로 국한될 수 있다. 본 실시 형태에서는 Sc이 B 사이트에 일부 치환된 조성의 이온-전자 전도체(121)를 사용함으로써 공기극(120)의 반응도를 높일 수 있다. As shown in Figure 4, the air electrode 120 includes an ion-electron conductor 121 and an ion conductor 122, which may be sintered bodies of particles. The air electrode 120 may be a porous body including pores H2, and gases, fluids, etc. may pass in and out through the pores H2. As described above, the ion-electron conductor 121 is expressed by the formula ABO 3 , where A contains La, and B is obtained from a composition for an air electrode containing at least one of Fe, Mn, Co and Sc. This can be obtained, and as a result, the ionic conductivity of the air electrode 120 can be increased. Additionally, by using a composite material of the ion-electron conductor 121 compared to using only the electronic conductor, the interface between the ion conductor and the electronic conductor can be increased, and thus the effective reaction area within the air electrode 120 can be increased. In the case of La-based oxide, such as La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , which is conventionally used as a material for the air electrode 120, it is close to an electronic conductor with low ionic conductivity, and when used, the reaction area is at the interface between the air electrode 120 and the electrolyte 130. However, it may be limited to the interface between the electronic conductor and the ion conductor within the air electrode 120. In this embodiment, the reactivity of the cathode 120 can be increased by using the ion-electron conductor 121 with a composition in which Sc is partially substituted at the B site.
한편, 이온 전도체(122)는 스칸디아 안정화 지르코니아(SSZ), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 세리아 안정화 지르코니아(SCSZ), 스칸디아세리아 이트리아 안정화 지르코니아(SCYSZ), 스칸디아 세리아이테르비아 안정화 지르코니아(SCYbSZ) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이온 전도체(122)을 포함함으로써 공기극(120) 내에서 이온 전도도가 더욱 높아질 수 있으며 반응 영역이 증가될 수 있다. 공기극(120)에서 이온-전자 전도체(121)와 이온 전도체(122)의 중량비는 30:70 내지 70:30일 수 있다. 공기극(120) 내에서 이온-전자 전도체(121)의 상대적인 비중이 30% 미만 수준으로 줄어드는 경우 전자 전도 경로가 충분히 확보되지 못할 수 있다. 또한, 이온 전도체(122)의 상대적인 비중이 30% 미만 수준으로 줄어드는 경우 공기극(120) 내에서 반응 영역으로 제공될 수 있는 3상 계면이 충분히 확보되지 못할 수 있다.Meanwhile, the ion conductor 122 is made of Scandia stabilized zirconia (SSZ), Yttria stabilized zirconia (YSZ), Scandia ceria stabilized zirconia (SCSZ), Scandia ceria yttria stabilized zirconia (SCYSZ), and Scandia ceria ytterbia stabilized zirconia (SCYbSZ). It may include at least one of: By including the ion conductor 122, ion conductivity within the air electrode 120 can be further increased and the reaction area can be increased. The weight ratio of the ion-electron conductor 121 and the ion conductor 122 in the air electrode 120 may be 30:70 to 70:30. If the relative proportion of the ion-electron conductor 121 within the air electrode 120 is reduced to less than 30%, an electron conduction path may not be sufficiently secured. Additionally, if the relative proportion of the ion conductor 122 is reduced to less than 30%, a three-phase interface that can serve as a reaction region within the air electrode 120 may not be sufficiently secured.
다만, 본 실시 형태와 같이 Sc에 의하여 B 사이트가 일부 치환된 이온-전자 전도체(121)를 사용하는 경우 공기극(120)은 높은 이온전도도를 가질 수 있으며 이 경우 공기극(120)은 이온 전도체(122)를 포함하지 않을 수도 있을 것이다.However, when using the ion-electron conductor 121 in which the B site is partially replaced by Sc as in this embodiment, the air electrode 120 may have high ionic conductivity, and in this case, the air electrode 120 has the ion conductor 122. ) may not be included.
이온-전자 전도체(121)의 조성을 구체적인으로 설명하면, 이온-전자 전도체(121)는 기본적으로 ABO3의 식으로 표현되는 페로브스카이트 구조를 갖고, 여기서 상기 A는 La를 포함하는 란탄계 산화물이다. 이 경우, 상기 A는 Sr 및 Ca 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 즉, 이온-전자 전도체(121)의 상기 조성에는 Sr 및 Ca 중 적어도 하나가 첨가되어 상기 A 사이트는 La의 일부가 Sr 및 Ca 중 적어도 하나로 치환될 수 있다. 이 경우, 상기 Sr 및 Ca 중 적어도 하나의 함량은 A의 총 함량 100몰 대비 40몰(40몰%) 이하일 수 있다.Describing the composition of the ion-electron conductor 121 in detail, the ion-electron conductor 121 basically has a perovskite structure expressed by the formula ABO 3 , where A is a lanthanide oxide containing La. am. In this case, A may further include at least one of Sr and Ca. That is, at least one of Sr and Ca may be added to the composition of the ion-electron conductor 121, so that a portion of La in the A site may be replaced with at least one of Sr and Ca. In this case, the content of at least one of Sr and Ca may be 40 mol (40 mol%) or less compared to 100 mol of the total content of A.
상기 B는 Fe, Mn, Co 중 적어도 하나와 Sc를 포함한다. 즉, 이온-전자 전도체(121)의 상기 조성에는 Fe, Mn, Co와 같은 다산화수 원소 외에 Sc가 첨가, 즉, 도핑(doping)되며 상기 다산화수 원소 중 일부가 Sc로 치환된다. Sc는 고정 산화수(+3)를 갖는데 Fe, Mn, Co와 같은 다산화수 원소의 일부를 치환함으로써 산소 공공(vacancy)를 유도할 수 있으며, 이에 따라 이온 전도도가 높아지는 것으로 이해된다. 이 경우, 전기 전도도와 이온 전도도 등의 특성을 모두 고려하여 Sc의 함량은 보다 적절한 범위로 설정될 수 있다. 구체적으로, 이온-전자 전도체(121)에서 상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 10몰(10몰%) 미만일 수 있으며, 더욱 구체적으로, 이온-전자 전도체(121)에서 상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 5몰(5몰%) 이상일 수 있다.The B includes at least one of Fe, Mn, Co, and Sc. That is, in the composition of the ion-electron conductor 121, Sc is added, that is, doped, in addition to polyoxidation elements such as Fe, Mn, and Co, and some of the polyoxidation elements are replaced with Sc. Sc has a fixed oxidation number (+3), and it is understood that oxygen vacancies can be induced by substituting part of polyoxidation number elements such as Fe, Mn, and Co, thereby increasing ionic conductivity. In this case, the Sc content can be set to a more appropriate range by considering all characteristics such as electrical conductivity and ionic conductivity. Specifically, the content of Sc in the ion-electron conductor 121 may be less than 10 mol (10 mol%) compared to 100 moles of the total content of B, and more specifically, the content of Sc in the ion-electron conductor 121 The content may be more than 5 moles (5 mol%) based on 100 moles of the total content of B.
본 발명자들은 상술한 조성 조건을 갖는 조성물을 이용하여 공기극(121)을 제조하여 다양한 특성을 측정하였으며 이를 비교 예(Sc 미 첨가)와 비교하였다. 또한, Sc가 첨가된 이온-전자 전도체(121)를 단독으로 사용한 경우와 이온 전도체(122)를 함께 사용한 경우로 나누어서 특성을 살펴보았다.The present inventors manufactured the air electrode 121 using a composition having the above-mentioned composition conditions, measured various characteristics, and compared it with a comparative example (without Sc added). In addition, the characteristics were examined in two cases: when the Sc-added ion-electron conductor (121) was used alone and when the ion conductor (122) was used together.
우선, 도 5는 Sc의 첨가량을 달리한 조성물로부터 얻어진 공기극에서 온도에 따른 전기 전도도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, LSF (Sc: 0몰%)는 La0.6Sr0.4FeO3, LSFSc05 (Sc: 5몰%)는 La0.6Sr0.4Fe0.95Sc0.05O3, LSFSc10 (Sc: 10몰%)는 La0.6Sr0.4Fe0.9Sc0.1O3, LSFSc20 (Sc: 20몰%)는 La0.6Sr0.4Fe0.8Sc0.2O3를 나타낸다. 도 5의 실험 결과를 참조하면, Sc가 첨가되는 경우 LSF 조성물에 비하여 전기 전도도가 낮아지며 Sc의 첨가량이 증가될수록 전기 전도도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 고정 산화수를 갖는 Sc이 B 사이트에 첨가되는 경우 제너 이중교환 메커니즘(Zener Double-Exchange Mechanism)에 의하여 전기 전도도가 감소되는 것으로 이해된다. 다만 본 발명자들의 연구에 의하면, Sc의 첨가에 의하여 전기 전도도가 다소 저하되더라도 공기극(120)으로서 기능하는데 문제가 없었으며 이에 비하여 후술할 바와 같이 이온 전도도 상승에 의한 성능 향상 효과가 현저함을 확인하였다.First, Figure 5 is a graph showing the results of measuring the change in electrical conductivity according to temperature in air electrodes obtained from compositions with different amounts of Sc added. Here, LSF (Sc: 0 mol%) is La 0.6 Sr 0.4 FeO 3 , LSFSc05 (Sc: 5 mol%) is La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.95 Sc 0.05 O 3 , and LSFSc10 (Sc: 10 mol%) is La 0.6 Sr. 0.4 Fe 0.9 Sc 0.1 O 3 , LSFSc20 (Sc: 20 mol%) represents La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Sc 0.2 O 3 . Referring to the experimental results in FIG. 5, it can be seen that when Sc is added, the electrical conductivity decreases compared to the LSF composition, and as the amount of Sc added increases, the electrical conductivity decreases. This is understood to mean that when Sc, which has a fixed oxidation number, is added to the B site, the electrical conductivity is reduced by the Zener Double-Exchange Mechanism. However, according to the present inventors' research, even though the electrical conductivity was slightly lowered due to the addition of Sc, there was no problem in functioning as the air electrode 120. In contrast, as will be described later, it was confirmed that the performance improvement effect due to the increase in ionic conductivity was significant. .
다음으로, 도 6은 Sc의 첨가량을 달리한 조성물로부터 얻어진 공기극에서 산소 환원 반응에 대한 분극 저항을 측정한 그래프이다. 도 6의 그래프에서, 가로축은 임피던스의 실수부, 세로축은 임피던스의 허수부를 나타내며, 각 곡선에서 두 개의 X 절편들 사이의 거리의 절반 값이 분극 저항에 해당한다. 실험 결과를 참조하면, LSFSc20 (Sc: 20몰%) 외에는 Sc가 첨가되는 경우에 LSF 조성물에 비하여 분극 저항이 감소하는 경향을 보임을 확인할 수 있다. Sc이 첨가되어 전기 전도도가 감소하였음에도, 오히려 전극의 분극 저항이 감소한 이유는 재료 내 산소 공공의 농도가 증가하여 전체적인 산소 이온 전도성이 향상되었기 때문으로 이해된다. 이를 도 7의 H2-TPR (Temperature Programmed Reduction) 분석 결과를 통해서 살펴보면, Sc 첨가에 따라서 Fe3+ 이온이 낮은 온도에서 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해서 산소 공공이 더 쉽게 형성됨을 예측할 수 있다. 또한, 산소 분압에 따른 전극의 분극 저항을 측정할 경우 해당 전극의 반응 결정 단계가 어디임을 유추할 수 있는데 반응 속도 결정 값(m value)가 1에 가까울수록 가스 확산 단계가 반응 속도 결정 단계로 알려져 있다. 다음의 표 1은 Sc 첨가량과 온도에 따라 반응 속도 결정 값(m value)을 측정한 것이며 Sc의 첨가량이 증가할수록 m value (1050℃ 하소)가 증가함을 알 수 있다. 또한 순수한 이온 전도체인 YSZ를 50wt% 혼합한 복합 전극에서 급격히 m value가 증가하였으며 이를 통해 Sc의 첨가 효과가 이온 전도체를 혼합한 효과와 실질적으로 동일함을 확인할 수 있다.Next, Figure 6 is a graph measuring the polarization resistance against the oxygen reduction reaction in the air electrode obtained from compositions with different amounts of Sc added. In the graph of FIG. 6, the horizontal axis represents the real part of the impedance, the vertical axis represents the imaginary part of the impedance, and half the distance between the two X-intercepts in each curve corresponds to the polarization resistance. Referring to the experimental results, it can be seen that when Sc other than LSFSc20 (Sc: 20 mol%) is added, polarization resistance tends to decrease compared to the LSF composition. Although the electrical conductivity decreased due to the addition of Sc, it is understood that the reason why the polarization resistance of the electrode decreased was because the concentration of oxygen vacancies in the material increased, thereby improving the overall oxygen ion conductivity. Looking at this through the H 2 -TPR (Temperature Programmed Reduction) analysis results in FIG. 7, it can be seen that Fe 3+ ions are formed at a low temperature according to the addition of Sc, and through this, it can be predicted that oxygen vacancies are formed more easily. . In addition, when measuring the polarization resistance of an electrode according to oxygen partial pressure, it can be inferred that the reaction determining step of the electrode is. The closer the reaction rate determining value (m value) is to 1, the gas diffusion step is known as the reaction rate determining step. there is. Table 1 below measures the reaction rate determination value (m value) according to the amount of Sc added and temperature. It can be seen that as the amount of Sc added increases, the m value (calcination at 1050°C) increases. In addition, the m value increased rapidly in the composite electrode mixed with 50 wt% of YSZ, a pure ion conductor, and this confirms that the effect of adding Sc is substantially the same as the effect of mixing ion conductors.
다음으로, 도 8은 Sc의 첨가량을 달리한 조성물로부터 얻어진 공기극을 포함하는 고체산화물 셀에서 전류 밀도와 전압의 관계, 그리고 이에 따른 출력 밀도(Power Density)를 나타낸다. 도 8의 그래프에 표시한 바와 같이 다수의 라인들 중 실질적으로 직선인 라인들은 전압(좌측 세로축)을, 포물선 라인들은 출력 밀도(우측 세로축)를 나타내며, 여기서, 출력 밀도는 전류 밀도와 전압의 곱에 해당한다. 실험 결과를 참조하면, Sc가 5몰% 수준으로 첨가된 조성의 이온-전자 전도체를 포함하는 공기극에서 출력 밀도가 가장 높은 수준을 나타냄을 확인할 수 있다. Next, Figure 8 shows the relationship between current density and voltage in a solid oxide cell including an air electrode obtained from a composition with different amounts of Sc added, and the resulting power density (Power Density). As shown in the graph of FIG. 8, among the multiple lines, substantially straight lines represent voltage (left vertical axis), and parabolic lines represent power density (right vertical axis), where power density is the product of current density and voltage. corresponds to Referring to the experimental results, it can be confirmed that the power density is the highest in the air electrode containing an ion-electron conductor with a composition in which Sc is added at a level of 5 mol%.
다음으로, 도 9는 LSFSc05 (Sc: 5몰%)과 이온 전도체(YSZ)를 혼합한 복합체로 형성된 공기극에서 전류 밀도와 전압의 관계, 그리고 이에 따른 출력 밀도를 나타낸다. 여기서, 상기 복합체에 포함된 이온-전자 전도체와 이온 전도체는 중량 비율이 각각 50%이다. 도 9의 실험 결과에서 볼 수 있듯이, 이온-전자 전도체 외에 이온 전도체를 추가한 경우 출력이 30% 이상 상승함을 확인할 수 있다. 또한, 표 1의 실험 결과에서 설명한 바와 같이, YSZ와 같은 이온 전도체를 첨가하는 경우 Sc 첨가와 유사하게 급격한 반응 차수 개선 결과가 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.Next, Figure 9 shows the relationship between current density and voltage in an air electrode formed of a composite of LSFSc05 (Sc: 5 mol%) and an ion conductor (YSZ), and the resulting power density. Here, the weight ratio of the ion-electron conductor and the ion conductor included in the composite is each 50%. As can be seen from the experimental results in FIG. 9, it can be seen that the output increases by more than 30% when an ion conductor is added in addition to the ion-electron conductor. In addition, as explained in the experimental results in Table 1, it can be confirmed that when an ion conductor such as YSZ is added, a rapid improvement in the reaction order can be obtained, similar to the addition of Sc.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and attached drawings, but is limited by the attached claims. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that various forms of substitution, modification, and change are possible without departing from the technical spirit of the present invention as set forth in the claims, and this is also subject to the appended claims. It may be said to belong to the technical idea described in .
100: 고체산화물 셀
110: 연료극
120: 전해질
130: 공기극100: solid oxide cell
110: fuel electrode
120: electrolyte
130: air electrode
Claims (11)
공기극; 및
상기 연료극 및 공기극 사이에 배치된 전해질;을 포함하며,
상기 공기극은 이온-전자 전도체 및 이온 전도체를 포함하며,
상기 이온-전자 전도체는 ABO3의 식으로 표현되며, 여기서 상기 A는 La를 포함하며, 상기 B는 Fe, Mn, Co 중 적어도 하나와 Sc를 포함하는 고체산화물 셀.
fuel electrode;
air pole; and
It includes an electrolyte disposed between the fuel electrode and the air electrode,
The air electrode includes an ion-electron conductor and an ion conductor,
The ion-electron conductor is expressed by the formula ABO 3 , where A includes La, and B includes at least one of Fe, Mn, Co, and Sc. A solid oxide cell.
상기 A는 Sr 및 Ca 중 적어도 하나를 더 포함하는 고체산화물 셀.
According to paragraph 1,
The A is a solid oxide cell further containing at least one of Sr and Ca.
상기 Sr 및 Ca 중 적어도 하나의 함량은 상기 A의 총 함량 100몰 대비 40몰 이하인 고체산화물 셀.
According to paragraph 2,
A solid oxide cell in which the content of at least one of Sr and Ca is 40 mol or less based on 100 mol of the total content of A.
상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 10몰 미만인 고체산화물 셀.
According to paragraph 1,
A solid oxide cell in which the content of Sc is less than 10 moles compared to 100 moles of the total content of B.
상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 5몰 이상인 고체산화물 셀.
According to clause 4,
A solid oxide cell in which the content of Sc is 5 mol or more compared to the total content of 100 mol of B.
상기 이온 전도체는 스칸디아 안정화 지르코니아(SSZ), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 세리아 안정화 지르코니아(SCSZ), 스칸디아세리아 이트리아 안정화 지르코니아(SCYSZ), 스칸디아 세리아이테르비아 안정화 지르코니아(SCYbSZ) 중 적어도 하나를 포함하는 고체산화물 셀.
According to paragraph 1,
The ion conductor is at least one of Scandia stabilized zirconia (SSZ), yttria stabilized zirconia (YSZ), Scandia ceria stabilized zirconia (SCSZ), Scandia ceria yttria stabilized zirconia (SCYSZ), and Scandia ceria ytterbia stabilized zirconia (SCYbSZ). A solid oxide cell containing.
상기 공기극에서 상기 이온-전자 전도체와 상기 이온 전도체의 중량비는 30:70 내지 70:30인 고체산화물 셀.
According to paragraph 1,
A solid oxide cell wherein the weight ratio of the ion-electron conductor to the ion conductor in the air electrode is 30:70 to 70:30.
공기극; 및
상기 연료극 및 공기극 사이에 배치된 전해질;을 포함하며,
상기 공기극은 이온-전자 전도체를 포함하며,
상기 이온-전자 전도체는 ABO3의 식으로 표현되며, 여기서 상기 A는 La를 포함하며, 상기 B는 Fe, Mn, Co 중 적어도 하나와 Sc를 포함하며,
상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 10몰 미만인 고체산화물 셀.
fuel electrode;
air pole; and
It includes an electrolyte disposed between the fuel electrode and the air electrode,
The air electrode includes an ion-electron conductor,
The ion-electron conductor is expressed by the formula ABO 3 , wherein A includes La, and B includes at least one of Fe, Mn, Co and Sc,
A solid oxide cell in which the content of Sc is less than 10 moles compared to 100 moles of the total content of B.
상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 5몰 이상인 고체산화물 셀.
According to clause 8,
A solid oxide cell in which the content of Sc is 5 mol or more compared to the total content of 100 mol of B.
상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 10몰 미만인 고체산화물 셀의 공기극용 조성물.
ABO 3 is expressed in the formula, where A includes La, and B includes at least one of Fe, Mn, Co and Sc,
A composition for an air electrode of a solid oxide cell wherein the content of Sc is less than 10 moles based on 100 moles of the total content of B.
상기 Sc의 함량은 상기 B의 총 함량 100몰 대비 5몰 이상인 고체산화물 셀의 공기극용 조성물.According to clause 10,
A composition for an air electrode of a solid oxide cell wherein the content of Sc is 5 mol or more compared to 100 mol of the total content of B.
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