WO2021261692A1 - 알칼리 기반 프로모터가 도입된 연료극을 포함하는 고체 산화물 연료전지 - Google Patents

알칼리 기반 프로모터가 도입된 연료극을 포함하는 고체 산화물 연료전지 Download PDF

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정우철
임대광
김진욱
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한국과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell having improved performance by introducing an alkali-based promoter into an anode.
  • a solid oxide fuel cell is an energy conversion device that directly converts chemical energy into electrical energy, and includes an oxygen ion conductive electrolyte and a cathode and an anode positioned on both sides thereof.
  • the solid oxide fuel cell operates at a high temperature
  • research is being conducted to lower the operating temperature, which is generally related to the performance of the cathode and the anode.
  • the cathode various materials having high electron-ion conductivity have been developed, but in the case of the anode, an excellent material to replace Ni has not been developed so far.
  • An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell with improved performance by introducing an alkali-based promoter into an anode.
  • the present invention provides a solid oxide fuel cell comprising an air electrode, an anode, and an electrolyte between the cathode and the anode, and includes a promoter in at least a partial region of pores of the anode, and the promoter provides an alkali metal compound, a solid oxide fuel cell.
  • the solid oxide fuel cell operates at a high temperature, in order to lower the operating temperature, in particular, the performance of the cathode and the anode should be improved, and the present invention is characterized in that the performance of the anode is improved.
  • the performance of the anode is improved by introducing an alkali metal precursor while using the material or shape of the anode as it is.
  • the 'promoter' used in the present invention is used to improve the performance of the anode, and is introduced into the anode to improve the performance without inhibiting the composition or shape of the anode, and from this point of view, in the present invention,
  • the component is referred to as a 'promoter'.
  • the promoter according to the present invention exists in the pores of the anode, so that when the solid oxide fuel cell is operated, a gas injected into the anode, for example, hydrogen or hydrocarbon fuel, comes into contact with the promoter. Therefore, "including the promoter in at least a partial region of the pores of the anode" of the present invention means that the promoter is inserted into at least some regions of the pores of the anode, and the gas injected into the anode when the solid oxide fuel cell operates means that the promoter can be in contact with the pores in the anode. Meanwhile, a method of introducing the promoter into the anode will be described later.
  • the promoter refers to an alkali metal compound.
  • the alkali metal compound means an alkali metal oxide, an alkali metal hydroxide, or a combination thereof.
  • the alkali metal of the alkali metal compound is M
  • the alkali metal oxide may be represented by M 2 O
  • the alkali metal hydroxide may be represented by MOH.
  • the alkali metal (M) include lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), or cesium (Cs).
  • the promoter exists in the pores of the anode and is in contact with the anode at the same time, and partially oxidizes the surface of the anode, and when moisture is injected into the pores of the anode, it has the effect of adsorbing a large amount of moisture to the surface of the anode. indicates. Accordingly, a strong bond between the anode and the hydrogen injected into the anode is relieved to promote the oxidation reaction of hydrogen in the anode, and also serves to improve the performance of the anode by expanding the area where the hydrogen reacts. In addition, deposition of carbon on the anode when the solid oxide fuel cell operates can also be suppressed.
  • the anode is preferably a metal-ceramic composite anode. More preferably, the metal of the metal-ceramic composite is Ni. Most preferably, the anode is a composite of Ni and Gd doped CeO 2 (GDC).
  • the anode of the solid oxide fuel cell according to the present invention has a lower electrode resistance than the anode of the solid oxide fuel cell that does not include the promoter because the promoter is introduced.
  • the comparison of the electrode resistance means that the remaining conditions, for example, the configuration and operating conditions of the solid oxide fuel cell, are the same except for the introduction of the promoter.
  • the electrode resistance of the anode of the solid oxide fuel cell is 10% or less, more preferably 90% or less, 80% or less, 70% compared to the electrode resistance of the anode of the solid oxide fuel cell not including the promoter. % or less, 60% or less, 50% or less, 40% or less, 30% or less, 20% or less, 10% or less, 9% or less, 8% or less, 7% or less, 6% or less, or 5% or less.
  • the present invention provides a method for manufacturing the above-described solid oxide fuel cell. Specifically, injecting an alkali metal precursor into at least a partial region of the pores of the anode (step 1); and generating the promoter from the alkali metal precursor (step 2).
  • a method of generating a promoter from the alkali metal precursor through a chemical reaction after injecting the alkali metal precursor into at least a partial region of the pores of the anode is used.
  • the alkali metal precursor is a carbonate of an alkali metal or a nitrate of an alkali metal.
  • the alkali metal is M
  • examples of the alkali metal (M) include lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), or cesium (Cs), and the alkali metal
  • the carbonate of M 2 CO 3 and the nitrate of the alkali metal may be represented as MNO 3 .
  • the step 1 is performed by applying a solution containing the alkali metal precursor to the surface of the anode or immersing the anode in a solution containing the alkali metal precursor.
  • a solution including the alkali metal precursor may be injected into the pores of the anode.
  • step 1 may be performed by injecting a solution containing the alkali metal precursor into a gas line for injecting fuel into the anode.
  • the solid oxide fuel cell has a gas line for injecting fuel into the anode.
  • the solution containing the alkali metal precursor may be injected into the pores of the anode. .
  • This method has the advantage that the cell of the solid oxide fuel cell can be applied during operation.
  • step 1 may be performed by bonding a current collector including the alkali metal precursor to the surface of the anode.
  • the alkali metal precursor may be included in the current collector, resulting in introduction of the alkali metal precursor into the anode.
  • the precursor of the alkali metal may be applied in a powder form as well as a solvent form. This method has the advantage that it can be applied dryly in the process of manufacturing the solid oxide fuel cell.
  • step 2 is performed by injecting fuel or moisture into a gas line for injecting fuel into the anode.
  • fuel or moisture When fuel or moisture is injected as described above, it reacts with the alkali metal precursor present in the pores of the anode, and accordingly, the alkali metal precursor is converted into the aforementioned promoter.
  • the fuel contains hydrogen.
  • the configuration of the conventionally applied solid oxide fuel cell may be applied to the configuration except for using the anode of the present invention as described above.
  • the performance of the solid oxide fuel cell can be significantly improved without changing the material or shape of the anode.
  • Example 1 shows XPS results according to Example 1 of the present invention.
  • Example 2 shows the shape and sectional drawing of the Half Cell used in Example 2 of this invention.
  • Figure 3 shows the performance evaluation in the half cell according to the second embodiment of the present invention.
  • Figure 4 schematically shows a method of injecting a promoter into Half Cell in Example 3 of the present invention.
  • Figure 5 shows the performance evaluation in the half cell according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG 6 shows the performance evaluation in the Full Cell according to the fourth embodiment of the present invention.
  • GDC (10% Gd doped CeO 2 ) Powder was molded and then sintered at 1450° C. for 5 hours. After that, the surface was flattened using sandpaper to prepare a GDC specimen.
  • the sintered GDC specimen was screened on both sides by screen printing technique. After application, it was sintered at 1400° C. for 10 hours. Finally, reduction heat treatment was performed at 650° C. in a 4% hydrogen atmosphere (4% H 2 + 96% Ar) to finally prepare a porous Ni-GDC electrode (thickness of about 8 um).
  • the microstructure of the prepared half cell was as shown in FIG. 2 .
  • the method of directly injecting 2 mL of an aqueous solution (0.1 M) in which CsNO 3 is dissolved in the half cell (0.1 M) into the gas line is directly injected into the gas line in the process of loading the half cell of step 1 of Example 2 into the measurement system and driving it. It was applied to evaluate the performance.
  • a mixed powder for preparing an anode was prepared by using NiO and GDC in a mass ratio of 6:4 through a ball mill (72 hours, 200 rpm). A small amount (about 0.4 g) of the prepared mixed powder was subdivided to prepare a molded article by uniaxial pressure (2 MPa) using a mold and a compressor. After that, it was pre-sintered by heat treatment at 900°C for 1 hour.
  • GDC powder was mixed with an ethanol-based solvent containing a dispersant and a binder through a ball mill (48 hours, 180 rpm), and then an electrolyte layer was laminated on the electrolyte by drop coating technique. After that, it was heat-treated at 1500° C.
  • the cathode manufacturing material (PrBa 0.5 Sr 0.5 Ce 1.5 Fe 0.5 O 5+ ⁇ ) was made into a cathode layer by screen printing technique, and then sintered at 900°C for 10 hours to produce a cathode with a thickness of about 10 ⁇ m, and finally a full cell was prepared.
  • the performance was improved by about 19% at an operating temperature of 450° C. depending on whether or not a promoter was applied.
  • the performance improvement by the promoter was remarkable.
  • it showed a high performance improvement of 50% or more at 400°C or lower, which is a mid-low temperature region.
  • This method is applicable as a dry method for manufacturing and loading solid oxide fuel cells.

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Abstract

본 발명에 따른 고체 산화물 연료전지는, 연료극에 알칼리 기반 프로모터를 도입함으로써, 성능이 개선된 고체 산화물 연료전지를 제공할 수 있다.

Description

알칼리 기반 프로모터가 도입된 연료극을 포함하는 고체 산화물 연료전지
본 발명은 연료극에 알칼리 기반 프로모터를 도입하여 성능이 개선된 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체 산화물 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell)는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 에너지 변환 장치로서, 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 이루어져 있다.
고체 산화물 연료전지의 각 전극에 공기와 연료를 공급하면, 공기극에서는 산소의 환원 반응이 일어나 산소 이온이 생성되고, 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하고, 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 이 때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 방식으로 작동한다.
고체 산화물 연료전지는 고온에서 작동하기 때문에, 작동 온도를 낮추기 위한 연구가 진행되고 있으며, 이는 일반적으로 공기극과 연료극의 성능과 관련된다. 공기극의 경우 높은 전자-이온 전도도를 가지는 다양한 소재가 개발되고 있으나, 연료극의 경우에는 현재까지 Ni를 대체할 우수한 소재는 개발되지 않고 있다.
따라서, 고체 산화물 연료전지의 작동 온도가 낮아지는 경우에도 높은 성능을 가지는 연료극의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 연료극에 알칼리 기반 프로모터를 도입하여 성능이 개선된 고체 산화물 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 공기극, 연료극 및 상기 공기극과 연료극 사이의 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지에 있어서, 상기 연료극의 기공의 적어도 일부 영역에 프로모터(promoter)를 포함하고, 상기 프로모터는 알칼리 금속 화합물인, 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
고체 산화물 연료전지는 고온에서 작동하기 때문에, 작동 온도를 낮추기 위해서는 특히 공기극과 연료극의 성능이 개선되어야 하며, 본 발명에서는 연료극의 성능을 개선하는 것에 특징이 있다.
종래에는 연료극의 소재나 형상 등을 제어함으로써 연료극의 성능을 개선하고자 하였으나, 이는 성능 향상의 폭이 제한적일 뿐 아니라 기술적 재현성이 어렵다는 단점이 있다. 그러나, 본 발명에서는 기존에 사용되는 연료극의 소재나 형상을 그대로 사용하면서도 알칼리 금속의 전구체를 도입함으로써 연료극의 성능을 개선하는 특징이 있다.
본 발명에서 사용되는 '프로모터'란, 연료극의 성능을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로, 연료극의 성분이나 형상 등의 저해 없이 연료극에 도입하여 성능을 개선하며, 이러한 관점에서, 본 발명에서는 연료극에 도입되는 성분을 '프로모터'라고 지칭한다.
본 발명에 따른 프로모터는 연료극의 기공 내에 존재하여, 고체 산화물 연료전지가 작동될 때 연료극에 주입되는 기체, 예를 들어 수소, 탄화수소 연료 등이 상기 프로모터와 접촉하게 된다. 따라서, 본 발명의 "상기 연료극의 기공의 적어도 일부 영역에 프로모터를 포함"한다는 것은, 상기 연료극의 기공의 적어도 일부 영역에 상기 프로모터가 삽입되어, 고체 산화물 연료전지가 작동할 때 연료극에 주입되는 기체가 연료극 내 기공에서 상기 프로모터와 접촉할 수 있는 것을 의미한다. 한편, 상기 프로모터를 연료극에 도입하는 방법은 후술하기로 한다.
본 발명에서 상기 프로모터는 알칼리 금속 화합물을 의미한다. 바람직하게는, 상기 알칼리 금속 화합물은 알칼리 금속 산화물, 알칼리 금속 수산화물, 또는 이의 조합을 의미한다.
구체적으로, 상기 알칼리 금속 화합물의 알칼리 금속을 M이라고 하였을 때, 상기 알칼리 금속 산화물은 M2O로, 알칼리 금속 수산화물은 MOH로 나타낼 수 있다. 상기 알칼리 금속(M)의 예로, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 또는 세슘(Cs)을 들 수 있다.
이론적으로 제한되는 것은 아니나, 상기 프로모터는 연료극의 기공 내에 존재하면서 동시에 연료극과 접하고 있는데, 연료극의 표면을 부분적으로 산화시키고 또한 수분이 연료극의 기공에 주입되었을 때 수분을 연료극 표면에 다량 흡착하는 효과를 나타낸다. 이에 따라, 연료극과 연료극에 주입된 수소의 강한 결합을 완화하여, 연료극에서 수소의 산화 반응을 촉진하고, 또한 수소가 반응하는 면적을 넓혀 연료극의 성능을 개선하는 역할을 한다. 또한, 고체 산화물 연료전지가 작동할 때 연료극에 탄소가 침적되는 것 또한 억제할 수 있다.
이러한 관점에서, 본 발명에서는 상기 연료극은, 금속-세라믹 복합체 연료극이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 금속-세라믹 복합체의 금속은 Ni이다. 가장 바람직하게는, 상기 연료극은 Ni과 GDC(Gd doped CeO2)의 복합체이다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 고체 산화물 연료전지의 연료극은 프로모터가 도입됨으로써, 상기 프로모터를 포함하지 않는 고체 산화물 연료전지의 연료극에 비하여 전극 저항이 낮다는 특징이 있다. 상기의 전극 저항의 비교는 프로모터의 도입 여부만 제외하고는 나머지 조건, 예를 들어 고체 산화물 연료 전지의 구성, 작동 조건 등이 동일한 것을 의미한다.
바람직하게는, 상기 고체 산화물 연료전지의 연료극의 전극 저항은, 상기 프로모터를 포함하지 않는 고체 산화물 연료전지의 연료극의 전극 저항 대비 10% 이하이고, 보다 바람직하게는 90% 이하, 80% 이하, 70% 이하, 60% 이하, 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하, 10% 이하, 9% 이하, 8% 이하, 7% 이하, 6% 이하, 또는 5% 이하이다.
또한, 후술할 실시예와 같이, 상기 프로모터 도입에 따른 연료극의 전극 저항은, 고체 산화물 연료 전지의 장시간 구동에서 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명은 상술한 고체 산화물 연료전지의 제조 방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 연료극의 기공의 적어도 일부 영역에 알칼리 금속 전구체를 주입하는 단계(단계 1); 및 상기 알칼리 금속 전구체로부터 상기 프로모터를 생성하는 단계(단계 2)를 포함하는, 상술한 고체 산화물 연료전지의 제조 방법을 제공한다.
고체 산화물 연료전지의 연료극의 기공 내에 프로모터를 도입하기 위해서는, 연료극의 기공이 형성되어 있는 상태에서 프로모터가 도입되어야 하므로, 프로모터를 연료극의 기공 내에 직접 도입시키는 것은 어렵다. 이에 본 발명에서는 알칼리 금속 전구체를 연료극의 기공의 적어도 일부 영역에 주입한 다음, 화학 반응을 통하여 상기 알칼리 금속 전구체로부터 프로모터를 생성하는 방법을 사용한다.
바람직하게는, 상기 알칼리 금속의 전구체는 알칼리 금속의 탄산염 또는 알칼리 금속의 질산염이다. 상술한 바와 같이, 알칼리 금속을 M이라고 하였을 때, 상기 알칼리 금속(M)의 예로, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 또는 세슘(Cs)을 들 수 있고, 상기 알칼리 금속의 탄산염은 M2CO3로, 상기 알칼리 금속의 질산염은 MNO3로 나타낼 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 1은 상기 연료극의 표면에 상기 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 용액을 도포하거나, 또는 상기 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 용액에 상기 연료극을 침지하여 수행한다. 이에 따라 연료극의 기공 내로 상기 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 용액이 주입될 수 있다. 이러한 방법은 고체 산화물 연료전지의 연료극 제조 과정에서 적용할 수 있음은 물론, 고체 산화물 연료전지의 구동을 멈추고 상온으로 내려온 경우에 적용 가능하다는 이점이 있다.
바람직하게는, 상기 단계 1은 상기 연료극에 연료를 주입하는 가스라인에 상기 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 용액을 주입하여 수행할 수 있다. 고체 산화물 연료 전지는 연료극에 연료를 주입하는 가스라인이 있는데, 이러한 가스라인에 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 용액을 주입하면, 상기 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 용액이 연료극의 기공 내에 주입될 수 있다. 이러한 방법은 고체 산화물 연료전지의 셀이 구동 중에 적용 가능하다는 이점이 있다.
바람직하게는, 상기 단계 1은 상기 연료극 표면에 상기 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 집전체(current collector)를 접착하여 수행할 수 있다. 고체 산화물 연료전지에서 연료극은 집전체와 접하는 구조로 되어 있기 때문에, 집전체에 알칼리 금속의 전구체를 포함시킴으로써 결과적으로 연료극에 알칼리 금속의 전구체를 도입할 수 있다. 이때 상기 알칼리 금속의 전구체는 용매 형태는 물론 분말 형태도 적용할 수 있다. 이러한 방법은 고체 산화물 연료전지를 제조하는 과정에서 건식으로 적용 가능하다는 이점이 있다.
바람직하게는, 상기 단계 2는 상기 연료극에 연료를 주입하는 가스라인에 연료 또는 수분을 주입하여 수행한다. 상기와 같이 연료 또는 수분이 주입되면 연료극의 기공 내에 존재하는 알칼리 금속의 전구체와 반응하게 되고, 이에 따라 알칼리 금속의 전구체가 상술한 프로모터로 변환된다. 또한, 상기 연료는 수소를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상술한 본 발명의 연료극을 사용하는 것을 제외한 나머지 구성에 대해서는 종래 적용되는 고체 산화물 연료전지의 구성을 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 프로모터를 연료극에 도입하게 되면, 연료극의 소재나 형상의 변화 없이도 고체 산화물 연료전지의 성능을 현저히 개선할 수 있다.
도 1는, 본 발명의 실시예 1에 따른 XPS 결과를 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 실시예 2에서 사용한 Half Cell의 형상 및 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예 2에 따른 Half Cell에서의 성능 평가를 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 실시예 3에서 Half Cell에 프로모터를 주입하는 방법을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 실시예 3에 따른 Half Cell에서의 성능 평가를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 실시예 4에 따른 Full Cell에서의 성능 평가를 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 실시예 5에 따른 Full Cell에서의 성능 평가를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예 및 실험예에 대해 상세히 설명한다. 이들 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 프로모터 도입 확인
본 발명에 따른 프로모터가 연료극에 도입되는지 여부를 확인하고자 이하의 실험을 수행하였다.
CsNO3, NiO, GDC(10% Gd doped CeO2) 혼합 분말(1:5.4:3.6 중량비)을 3% 가습된 10% 수소 분위기(3% H2O + 10% H2 + 87% Ar) 하에 450℃에서 10 시간 열처리한 후의 XPS(Cs3d)를 측정하여 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타난 바와 같이, Cs가 존재함을 확인할 수 있으며, 이로부터 Cs 전구체가 연료극에서 프로모터로 도입됨을 확인할 수 있었다.
실시예 2: Half Cell에서의 성능 평가
단계 1) Half Cell의 제조
GDC(10% Gd doped CeO2) 분말을 성형한 후 1450℃에서 5시간 동안 소결하였다. 그 이후 사포를 이용하여 표면을 평탄하게 하여 GDC 시편을 제조하였다.
NiO와 GDC의 6:4 중량비의 혼합 분말, Ink vehicle(Fuelcellmaterials社), 및 에탄올을 1:1:0.5의 중량비로 혼합하여 페이스트로 만든 후, 상기 소결된 GDC 시편에 Screen Printing 기법으로 양면에 모두 바른 후 1400℃에서 10시간 동안 소결하였다. 마지막으로 4% 수소 분위기(4% H2 + 96% Ar)로 650℃에서 환원 열처리하여 최종적으로 다공성 Ni-GDC 전극(두께 약 8 um)을 제조하였다. 제조된 Half Cell의 미세구조는 도 2와 같았다.
단계 2) Half Cell에서의 성능 평가
상기 제조한 Half Cell에 상온(23℃)에서 CsNO3가 용해된 수용액(0.023 M) 을 피펫으로 10 uL을 다공성 Ni-GDC 전극에 직접 주입한 후, Half Cell을 측정 시스템에 로딩하여 온도에 따른 전극 저항의 변화를 관찰하였다. 이때, 인가된 가스 분위기는 3% 가습된 10% 수소(3% H2O + 10% H2 + 87% Ar)를 사용하였고, 측정 결과를 도 3에 나타내었다. 비교를 위하여 프로모터를 적용하지 않은 Half Cell도 함께 측정하였으며, 프로모터를 적용하지 않은 Half Cell을 'Ni-GDC'로, 프로모터를 적용한 Half Cell을 'p-Ni-GDC'로 명명하였다.
도 3에 나타난 바와 같이, 프로모터가 적용된 전극(p-Ni-GDC)의 경우 일반 Half Cell 대조군(Ni-GDC)에 비하여 저항이 크게 감소함을 확인하였을 뿐 아니라 450℃에서 10시간 동안 안정적인 저항 값을 나타내었다. 이러한 방법은 고체 산화물 연료전지의 셀이 구동 중간에 멈추고 상온으로 내려온 경우 적용 가능하다.
실시예 3: Half Cell에서의 성능 평가
실시예 2의 단계 1의 Half Cell을 측정 시스템에 로딩한 후 이를 구동하는 과정에서 Half Cell에 CsNO3가 용해된 수용액(0.1 M) 2 mL을 Syringe Pump를 이용하여 가스 라인에 직접 주입하는 방식을 적용하여 성능을 평가하였다.
먼저, 도 4에 나타난 바와 같이, 초기에 3% 가습된 10% 수소(3% H2O + 10% H2 + 87% Ar)를 주입하다가 120℃ 이상으로 가열된 가스 라인에 대조군으로서 먼저 증류수 2 mL를 주입하였다.
도 5에 나타난 바와 같이, 물에 의한 저항의 변화(하늘색)는 나타나지 않았다. 그 이후 동일 조건을 만들기 위해 장치 내부를 건조한 후 동일 조건에서 CsNO3가 용해된 수용액(0.1 M) 2 mL를 주입하였고, 전극 저항(파란색)은 급격히 줄어들어 대조군 대비 100배 이상의 저항 감소를 나타내었다.
도 5의 오른쪽의 Nyquist plot의 경우 각각 증류수와 CsNO3가 용해된 수용액을 주입 후 10시간 이후의 값을 나타낸 것으로 급격한 성능 향상(저항 감소)를 확인할 수가 있었다. 이러한 방법은 고체 산화물 연료전지의 셀이 구동 중인 상태에서 적용 가능하다.
실시예 4: Full Cell에서의 성능 평가
단계 1) Full Cell의 제조
NiO와 GDC를 6:4의 질량비로 볼밀(72 시간, 200 rpm)을 통하여 연료극 제조용 혼합 분말을 제조하였다. 제조된 혼합 분말을 소량(약 0.4 g) 소분하여 몰드와 압축기를 이용하여 1축 가압(2 MPa)으로 성형체를 제조하였다. 그 이후 900℃에서 1시간 동안 열처리하여 가소결 하였다. 전해질 제조를 위하여 GDC 분말을 분산제와 바인더가 함유된 에탄올 기반 용매와 볼밀(48시간, 180 rpm)을 통하여 혼합한 후 전해질에 Drop Coating 기법으로 전해질 층을 적층하였다. 그 이후 1500℃에서 5시간 동안 열처리하여 내부에 존재하는 유기물을 제거하고 약 10 um 두께의 치밀한 전해질을 제조하였다. 그 이후 공기극 제조용 물질(PrBa0.5Sr0.5Ce1.5Fe0.5O5+δ)을 Screen Printing 기법으로 공기극 층을 만든 후 900℃에서 10시간 동안 소결하여 약 10 um 두께의 공기극을 제조하여 최종적으로 Full Cell을 제조하였다.
단계 2) Full Cell에서의 성능 평가
SOFC Full Cell의 연료극과 외부에서 연결된 Wire와의 접촉저항을 최소화하기 위하여 집전체로 사용되는 Silver Paste에 소량의 CsNO3 분말을 혼합 전극에 접착하였다. 이를 위하여 CsNO3 30 mg과 Silver Paste를 막자 사발을 이용하여 균일하게 혼합한 후 붓을 이용하여 연료극 표면을 모두 덮을 정도로 발라주었다. Full Cell을 측정 시스템에 로딩하고, 일반적으로 사용되는 가스 조건으로서 공기극에는 공기를 주입하고 연료극에는 3% 가습된 수소(3% H2 + 97% H2)를 공급하고, 작동 온도에 따른 성능을 평가하였으며, 그 결과를 도 6 및 하기 표 1에 나타내었다. 비교를 위하여 CsNO3 분말을 사용하지 않은 Fuel Cell도 함께 측정하였으며, CsNO3 분말을 사용하지 않은 Fuel Cell을 'Fuel Cell'로, CsNO3 분말을 사용한 Fuel Cell을 'Promoted Fuel Cell'로 명명하였다.
온도 대조군 (일반 Full Cell) 최대성능 Promoter 적용 Full Cell 최대성능 성능개선
300℃ 7 mW/cm2 12 mW/cm2 +71%
350℃ 25 mW/cm2 44 mW/cm2 +76%
400℃ 76 mW/cm2 117 mW/cm2 +54%
450℃ 193 mW/cm2 229 mW/cm2 +19%
500℃ 393 mW/cm2 391 mW/cm2 -
도 6 및 상기 표 1에 나타난 바와 같이, 프로모터의 적용 유무에 따라, 작동 온도 450℃에서 약 19%의 성능이 향상되었으며, 특히 온도가 감소함에 따라 프로모터에 의한 성능 향상이 두드러지게 나타났다. 특히, 중저온 영역인 400℃ 이하에서 50% 이상의 높은 성능 향상을 보였다. 이 방법은 고체 산화물 연료전지를 제조하여 로딩할 때 건식으로서 적용 가능하다.
실시예 5: Full Cell에서의 성능 평가
실시예 4에서 제조한 Fuel Celle과 Promoted Fuel Cell에 대하여, 이하와 같이 성능을 평가하였다.
450℃에서 먼저 3% 가습된 수소(3% H2O + 97% H2)에서 성능의 안정을 확인 한 후 3% 가습된 메탄(3% H2O + 97% CH4)로 연료를 변환하여 성능 변화를 확인하였다. 이때 0.8 V의 바이어스를 인가하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에 나타난 바와 같이, 대조군인 Fuel Cell의 경우 5시간 내로 성능이 저하되어 구동이 어려웠으나(초록색), 프로모터가 적용된 Promoted Fuel Cell은 안정적인 성능을 나타내었다(붉은색). 또한, 각 연료극을 관찰한 결과, 대조군인 Fuel Cell의 경우 카본 침적에 의하여 카본 파이버가 많이 생성되었으나, 프로모터가 적용된 Promoted Fuel Cell은 구동 시간 내에 카본 침적이 발생하지 않았다. 이로부터 본 발명에 따른 프로모터에 의하여 연료극 내의 탄소 침적 또한 억제됨을 확인할 수 있었다.

Claims (13)

  1. 공기극, 연료극 및 상기 공기극과 연료극 사이의 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지에 있어서,
    상기 연료극의 기공의 적어도 일부 영역에 프로모터(promoter)를 포함하고,
    상기 프로모터는 알칼리 금속 화합물인,
    고체 산화물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 금속 화합물은 알칼리 금속 산화물, 알칼리 금속 수산화물, 또는 이의 조합인,
    고체 산화물 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 금속은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 또는 세슘(Cs)인,
    고체 산화물 연료전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로모터는 M2O, MOH, 또는 이들의 조합이고,
    상기 M은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 또는 세슘(Cs)인,
    고체 산화물 연료전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료극은 금속-세라믹 복합체 연료극인,
    고체 산화물 연료전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료전지의 연료극은, 상기 프로모터를 포함하지 않는 고체 산화물 연료전지의 연료극에 비하여 전극 저항이 낮은,
    고체 산화물 연료전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 고체 산화물 연료전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 연료극의 기공의 적어도 일부 영역에 알칼리 금속 전구체를 주입하는 단계(단계 1); 및
    상기 알칼리 금속 전구체로부터 상기 프로모터를 생성하는 단계(단계 2)를 포함하는,
    고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 알칼리 금속의 전구체는 알칼리 금속의 탄산염 또는 알칼리 금속의 질산염인,
    고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 알칼리 금속의 전구체는 M2CO3, 또는 MNO3이고,
    상기 M은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 또는 세슘(Cs)인,
    고체 산화물 연료전지의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 단계 1은, 상기 연료극의 표면에 상기 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 용액을 도포하거나, 또는 상기 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 용액에 상기 연료극을 침지하는,
    고체 산화물 연료전지.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 단계 1은, 상기 연료극에 연료를 주입하는 가스라인에 상기 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 용액을 주입하는,
    고체 산화물 연료전지.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 단계 1은, 상기 연료극 표면에 상기 알칼리 금속의 전구체를 포함하는 집전체를 접착하는,
    고체 산화물 연료전지.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 단계 2는, 상기 연료극에 연료를 주입하는 가스라인에 연료 또는 수분을 주입하는,
    고체 산화물 연료전지.
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