KR101217787B1 - 고체산화물 연료전지용 확산방지물질과 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 확산방지물질과 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 확산방지 물질과 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질은 CeO2에 YST(yttrium-doped strontium titanate, YxSr1 - xTiO3, 0.01≤x≤0.1)와 LST(lanthanum-doped strontium titanate, LaxSr1 - xTiO3, 0.01≤x≤0.5)에서 선택된 1종 이상을 복합화한 복합체를 포함한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법은 CeO2에 YST와 LST에서 선택된 1종 이상을 정해진 비율로 혼합하고, 결합제와 용매 및 가소제를 혼합하여 혼합물을 만드는 혼합 단계, 상기 혼합물로부터 제조된 슬러리를 테이프 형태로 성형하는 성형 단계 및 상기 테이프를 소성하는 소성 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 고체산화물 연료전지를 구성하는 연료극과 금속지지체 사이의 상호 확산을 효율적으로 방지하는 동시에, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 확산방지물질과 그 제조방법 및 고체산화물 연료전지가 제공되는 효과가 있다.

Description

고체산화물 연료전지용 확산방지물질과 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법{DIFFUSION PREVENTING MATERIAL FOR SOLID OXIDE FUEL CELL, SOLID OXIDE FUEL CELL COMPRISING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 확산방지물질과 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고체산화물 연료전지를 구성하는 연료극과 금속지지체 사이의 상호 확산을 효율적으로 방지하는 동시에, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 확산방지물질과 그 제조방법 및 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학반응을 통하여 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다.
고체산화물 연료전지는 고분자 전해질 연료전지나 용융탄산염 연료전지 등의 다른 연료전지에 비해 에너지 변환 효율이 높고 고온에서도 작동하기 때문에, 다양한 연료 사용 시에도 연료 개질기 없이 발전이 가능하다.
최근에는 금속지지체형 고체산화물 연료전지에 대한 연구에 관심이 집중되고 있다. 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 금속지지체의 높은 전기전도도 및 열전도도, 금속의 연성으로 인해 열 충격과 기계적 충격에 강한 저항성을 가지게 되어 소형 휴대용 및 이동용 전원으로 활용될 수 있다. 따라서 현재 여러 연구기관에서 페라이트계 스테인리스 스틸(ferritic FeCr)을 지지체로 사용한 금속지지체형 고체산화물 연료전지에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.
도 1은 종래의 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 나타낸 도면이고, 도 2는 종래의 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 구성하는 금속지지체와 연료극 사이의 상호 확산 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 종래의 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 제조 및 작동 중 Ni이 포함된 연료극(30)과 페라이트계 스테인리스 스틸로 이루어진 금속지지체(10) 사이에 Fe, Cr, Ni의 확산이 발생하는 문제점이 있다.
Ni이 금속지지체(10)로 확산하면 금속지지체(10)가 부분적으로 오스테나이트 구조(austenitic structure)로 변하게 되어 금속지지체(10)의 열팽창계수가 증가되기 때문에 금속지지체(10) 표면의 보호 피막층이 파괴된다. 이에 따라, 금속지지체(10)의 내산화 특성이 저하된다는 문제점이 발생한다. 이 때문에 전지의 제조 및 작동 중 금속지지체의 구조적인 변형이 심하게 발생하고 되고 결국 단위전지의 성능과 수명이 급격히 저하된다는 문제점이 발생한다.
또한, Fe, Cr이 연료극(30)으로 확산되면 새로운 Ni 합금이 형성되어 연료극(30)의 전기화학적 활성을 저하시키기 때문에 단위전지의 출력 성능이 감소하게 되는 문제점도 발생한다.
따라서 위와 같은 문제를 해결하기 위해서는 확산방지층의 사용이 필수적이며, 현재까지 확산방지층 물질로 CeO2가 시험되었다. 하지만 CeO2는 고온의 환원분위기에서 Ce의 양이온 가수의 변화 및 부피 변화로 인해 기계적 강도가 저하되는 특성이 있다. 이로 인해 CeO2를 환원분위기에서 확산방지층 물질로 사용하면 단위전지의 구조적 안정성이 저하되어 금속지지체(10)와 연료극(30) 사이에서 균열(crack)과 박리(delamination) 등이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 고체산화물 연료전지를 구성하는 연료극과 금속지지체 사이의 상호 확산을 효율적으로 방지하는 동시에, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 확산방지물질과 그 제조방법 및 고체산화물 연료전지를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 종래의 확산방지층 물질인 CeO2를 기반으로 환원분위기에서 안정성을 가지는 물질을 혼합 적용하여 확산방지층이 가지는 구조적 문제점을 해소하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한 연료 공급 분위기에서 전자전도도를 향상시키고 확산방지층과 금속지지체 사이의 접착성을 향상시켜 금속지지체형 고체산화물 연료전지에서 우수한 확산방지 특성과 높은 구조적 안정성을 고루 갖춘 확산방지물질과 그 제조방법 및 고체산화물 연료전지를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질은 금속지지체와 연료극 사이의 상호 확산을 방지하기 위한 것으로서, CeO2에 YST(yttrium-doped strontium titanate, YxSr1 - xTiO3, 0.01≤x≤0.1)와 LST(lanthanum-doped strontium titanate, LaxSr1 - xTiO3, 0.01≤x≤0.5)에서 선택된 1종 이상을 복합화한 복합체를 포함한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질에 있어서, 상기 CeO2에 상기 YST와 상기 LST에서 선택된 1종 이상이 복합화되는 비율에 의해 확산방지물질의 전자전도도가 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질에 있어서, 상기 복합체의 전체 중량에서, 상기 CeO2가 30~70 중량%를 갖고, 상기 YST와 상기 LST에서 선택된 1종 이상이 30~70 중량%를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질에 있어서, 상기 복합체에는 다수의 기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법은 CeO2에 YST(yttrium-doped strontium titanate, YxSr1 - xTiO3, 0.01≤x≤0.1)와 LST(lanthanum-doped strontium titanate, LaxSr1 - xTiO3, 0.01≤x≤0.5)에서 선택된 1종 이상을 정해진 비율로 혼합하고, 결합제와 용매 및 가소제를 혼합하여 혼합물을 만드는 혼합 단계, 상기 혼합물로부터 제조된 슬러리를 테이프 형태로 성형하는 성형 단계 및 상기 테이프를 소성하는 소성 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법에 있어서, 상기 혼합 단계에서, 상기 CeO2 및 상기 YST와 상기 LST에서 선택된 1종 이상의 혼합 비율을 조절하여 제조되는 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 전자전도도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법에 있어서, 상기 CeO2 및 상기 YST와 상기 LST에서 선택된 1종 이상의 전체 중량에서, 상기 CeO2가 30~70 중량%를 갖고, 상기 YST와 상기 LST에서 선택된 1종 이상이 30~70 중량%를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법에 있어서, 상기 혼합 단계에서, 추가로 기공전구체를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법에 있어서, 상기 기공전구체는 흑연분말 또는 전분인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법에 있어서, 상기 기공전구체의 첨가량을 조절함으로써 상기 CeO2에 상기 YST와 상기 LST에서 선택된 1종 이상이 복합화되어 생성되는 복합체 내부의 기공도와 기공 크기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법에 있어서, 상기 기공전구체는 상기 혼합물의 전체 중량에서, 10~20 중량% 첨가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 금속지지체, 상기 금속지지체상에 형성된 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 기재된 확산방지물질로 이루어진 확산방지층, 상기 확산방지층 상에 형성된 연료극, 상기 연료극 상에 형성된 전해질층 및 상기 전해질층 상에 형성된 공기극을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지에 있어서, 상기 연료극은 Ni 또는 Ni 합금으로 이루어지고, 상기 금속지지체는 페라이트계 스테인리스 스틸로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지에 있어서, 상기 확산방지층은 상기 Ni와 상기 페라이트계 스테인리스 스틸에 포함된 Fe와 Cr의 확산을 방지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고체산화물 연료전지를 구성하는 연료극과 금속지지체 사이의 상호 확산을 효율적으로 방지하는 동시에, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 확산방지물질과 그 제조방법 및 고체산화물 연료전지가 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 종래의 확산방지층 물질인 CeO2를 기반으로 환원분위기에서 안정성을 가지는 물질을 혼합 적용함으로써, 확산방지층이 가지는 구조적 안정성이 향상되는 효과가 있다.
또한 연료 공급 분위기에서 전자전도도가 향상되고 확산방지층과 금속지지체사이의 접착성이 향상되어 금속지지체형 고체산화물 연료전지에서 우수한 확산방지 특성과 높은 구조적 안정성을 고루 갖춘 확산방지물질과 그 제조방법 및 고체산화물 연료전지가 제공되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 고체산화물 연료전지를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 구성하는 금속지지체와 연료극 사이의 상호 확산 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면을 에너지 분광기로 분석한 사진이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명은 고체산화물 연료전지를 구성하는 금속지지체와 연료극 사이에 형성되어 금속지지체와 연료극 간의 상호 확산을 방지하기 위한 고체산화물 연료전지용 확산방지물질에 관한 것이다. 편의상 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지를 나타낸 도 4를 참조하여 설명한다.
이러한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질은 CeO2에 YST(yttrium-doped strontium titanate, YxSr1 - xTiO3, 0.01≤x≤0.1)와 LST(lanthanum-doped strontium titanate, LaxSr1 - xTiO3, 0.01≤x≤0.5)에서 선택된 1종 이상을 복합화한 복합체를 포함하여 구성된다. 즉, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질은 CeO2에 YST를 복합화한 복합체 또는 CeO2에 LST를 복합화한 복합체 또는 CeO2에 YST와 LST를 복합화한 복합체를 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서는 고체산화물 연료전지를 구성하는 금속지지체(10)가 페라이트계 스테인리스 스틸(ferritic FeCr)로 이루어지고, 연료극(30)이 Ni 또는 Ni 합금으로 이루어진 경우, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 기능 및 작용을 설명한다.
CeO2는 금속과의 접착력과 확산방지 특성은 우수하지만 환원분위기에서 화학적 안정성이 떨어진다.
반면 YST와 LST는 환원분위기에서 높은 전자전도도와 화학적 안정성을 갖지만 금속지지체(10)와의 접착력은 떨어진다.
본 발명은 이 점에 착안한 것이며, 이 물질들을 복합화한 복합체를 확산방지물질로 채택함으로써, 접착력과 확산방지 특성을 향상시키는 동시에, 환원분위기에서의 전자전도도와 화학적 안정성을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 확산방지물질을 금속지지체(10)와 연료극(30) 사이에 형성하면, 연료극(30)을 구성하는 Ni와 금속지지체(10)를 구성하는 Fe, Cr의 확산을 억제되기 때문에 연료극(30)의 촉매 활성 및 금속지지체(10)의 구조적인 안정성 저하가 방지된다.
CeO2에 YST 또는 LST에서 선택된 1종 이상이 복합화되는 비율에 의해 확산방지물질의 전자전도도를 조절할 수 있다.
예를 들어, CeO2에 YST 또는 LST에서 선택된 1종 이상이 복합화된 복합체의 전체 중량에서, CeO2가 30~70 중량%를 갖고, YST와 LST에서 선택된 1종 이상이 30~70 중량%를 갖도록 구성할 수 있다. 이와 같이 하면, CeO2의 접착성과 확산방지 특성과 YST와 LST의 화학적 안정성을 유지하는 동시에, 중량비 조절을 통해 확산방지물질의 전자전도도를 조절할 수 있다.
CeO2에 YST 또는 LST에서 선택된 1종 이상이 복합화된 복합체에는 다수의 기공이 형성되어 있다. 이와 같이, 복합체에 다수의 기공을 형성하면, 연료극(30)을 통한 연료 공급 효율이 향상된다. 이 기공을 형성하기 위한 방법의 예는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법을 설명하는 과정에서 후술한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법을 나타낸 도면이다. 편의상 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지를 나타낸 도 4를 추가적으로 참조하여 설명한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법은 혼합 단계(S10), 슬러리 제조단계(S20), 성형 단계(S30), 건조 단계(S40), 소성 및 소결 단계(S50)를 포함하여 구성된다.
<혼합 단계(S10)>
혼합 단계(S10)에서는, CeO2에 YST(yttrium-doped strontium titanate, YxSr1-xTiO3, 0.01≤x≤0.1)와 LST(lanthanum-doped strontium titanate, LaxSr1 -xTiO3, 0.01≤x≤0.5)에서 선택된 1종 이상을 정해진 비율로 혼합하고, 결합제와 용매 및 가소제를 혼합하여 혼합물을 만든다.
이 혼합 단계(S10)에서, CeO2 및 YST와 LST에서 선택된 1종 이상의 혼합 비율을 조절함으로써, 최종적으로 제조되는 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 전자전도도를 조절할 수 있다.
예를 들어, CeO2 및 YST와 LST에서 선택된 1종 이상의 전체 중량에서, CeO2가 30~70 중량%를 갖고, YST와 LST에서 선택된 1종 이상이 30~70 중량%를 갖도록 구성할 수 있다. 이와 같이 하면, CeO2의 접착성과 확산방지 특성과 YST와 LST의 화학적 안정성을 유지하는 동시에, 중량비 조절을 통해 확산방지물질의 전자전도도를 조절할 수 있다.
한편 이 혼합 단계(S10)에서, 흑연 분말 또는 전분으로 이루어진 기공전구체를 추가적으로 첨가할 수 있다. 이 기공전구체는 후술하는 소성 단계에서 제거되며, 기공전구체가 위치해 있던 공간에는 기공이 형성된다.
또한 이 기공전구체의 첨가량을 조절함으로써 CeO2에 YST와 LST에서 선택된 1종 이상이 복합화되어 생성되는 복합체 내부의 기공도와 기공 크기를 조절할 수 있다.
예를 들어, 기공전구체는 혼합물의 전체 중량에서, 10~20 중량% 첨가되도록 구성될 수 있다. 이와 같이 하면, 확산방지물질 복합체의 구조적인 안정성을 확보하는 동시에, 연료극(30)을 통한 연료 공급 효율을 향상시킬 수 있다.
본 실시 예에서는, CeO2와 Y0 .08Sr0 .86TiO3를 중량비 5:5로 혼합하고, 결합제로 Polyvinyl butyral을 사용하고, 용매로 Toluene/Ethanol을 사용하고, 가소제로 dioctyl phthalate를 사용하여 슬러리(slurry)를 제조하였다. 또한 세라믹 분말 즉, CeO2와 Y0 .08Sr0 .86TiO3의 혼합물에 흑연(Graphite) 분말, 전분(Starch)과 같은 기공전구체(Pore Former)를 적당량 첨가하였다.
<슬러리 제조단계(S20)>
슬러리 제조단계(S20)에서는, 예를 들어, 혼합 단계(S10)에서 혼합된 혼합물에 대하여 볼 밀링(ball milling) 공정을 수행하고, 필터링, 용매제거 공정 등을 수행한다. 이를 통해, 적절한 점도와 입자분포를 갖는 슬러리가 제조된다.
<성형 단계(S30)>
성형 단계(S30)에서는, 슬러리 제조단계(S20)에서 제조된 슬러리를 테이프 캐스터(Tape Caster)를 이용하여 테이프 형태로 성형한다. 테이프 캐스터는 일반적으로 알려진 장비이기 때문에 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
<건조 단계(S40)>
건조 단계(S40)에서는, 성형 단계(S30)에서 성형된 테이프를 건조시킨다. 예를 들어, 이 건조 단계(S40)는 테이프를 일정 온도의 건조용 에어가 공급되는 건조실을 통과시키는 방식으로 수행될 수 있다.
<소성 및 소결 단계(S50)>
소성 및 소결 단계(S50)에서는, 건조 단계(S40)에서 건조된 테이프에 고온의 열을 가해 소성한 후, 이를 가압하여 소결한다. 최종적으로, 이 소성 및 소결 단계(S50)를 통해 CeO2 및 YST와 LST에서 선택된 1종 이상이 복합화된 복합체를 포함하는 고체산화물 연료전지용 확산방지물질이 테이프 형태로 제조된다.
또한, 이 소성 및 소결 단계(S50)에서, CeO2 및 YST와 LST에서 선택된 1종 이상을 제외한 성분들이 제거되고, 테이프 즉, 확산방지물질을 이루는 복합체에 다수의 기공이 형성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지는 금속지지체(10), 확산방지층(20), 연료극(30), 전해질층(40) 및 공기극(50)을 포함하여 구성된다.
금속지지체(10)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지를 구조적으로 지지하는 지지수단이며, 페라이트계 스테인리스 스틸(ferritic FeCr)로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 지지수단으로 금속지지체(10)를 이용하면, 전해질 지지형, 연료극 지지형 및 공기극 지지형과 비교하여, 두께를 현저히 줄일 수 있어 연료전지의 소형화 및 경량화에 유리하다.
확산방지층(20)은 금속지지체(10)상에 형성되어 있으며 앞서 상세히 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 확산방지물질로 이루어진다.
이 확산방지층(20)은 연료극(30)에 포함된 Ni와 페라이트계 스테인리스 스틸 즉, 금속지지체(10)에 포함된 Fe와 Cr의 상호 확산을 방지하는 기능을 수행한다.
앞서, 본 발명의 고체산화물 연료전지용 확산방지물질에 대하여 상세히 설명하였으므로, 이 물질로 이루어진 확산방지층(20)에 대한 설명은 고체산화물 연료전지용 확산방지물질에 대한 설명으로 대체한다.
연료극(30)은 Ni 또는 Ni 합금으로 이루어질 수 있고, 확산방지층(20) 상에 형성되어 있으며, 연료를 공급하기 위한 수단이다.
전해질층(40)은 연료극(30) 상에 형성되어 있으며, 연료극(30)과 공기극(50) 간의 전하 이동을 매개하기 위한 수단이다.
공기극(50)은 전해질층(40) 상에 형성되어 있으며, 공기를 공급하기 위한 수단이다.
이하에서는 연료극(30)으로 공급되는 연료가 수소인 경우를 예로 들어 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지의 동작 원리를 설명한다.
전해질층(40)을 사이에 두고 공기극(50)에 산소를 공급하고 연료극(30)에 수소를 공급하면 공기극(50)과 연료극(30) 간에 산소 분압 차이가 발생하여 산소가 공기극(50)으로부터 전해질층(40)을 통해 연료극(30)으로 이동한다. 즉, 공기극(50)에서는 산소가 전자를 받아 산소이온으로 되어 전해질층(40)을 통과하여 연료극(30)으로 이동하고, 연료극(30)에서는 산소이온이 전자를 방출하고 수소가스와 반응하여 수증기로 된다. 이렇게 방출된 전자를 통해 전기에너지가 발생하게 되며 이 전기에너지를 인출하여 전력을 생산하게 된다.
이와 같이, 금속지지체(10)와 연료극(30) 사이에 앞서 상세히 설명한 확산방비물질로 이루어진 확산방지층(20)을 형성시키면, Ni이 포함된 연료극(30)과 페라이트계 스테인리스 스틸로 이루어진 금속지지체(10) 사이의 Fe, Cr, Ni의 확산을 방지할 수 있다. 이에 따라, 금속지지체(10)의 상변화 및 열팽창 계수의 변화를 방지할 수 있고, 연료극(30)에서 새로운 Ni 합금의 형성이 억제되어 연료극(30)의 전기화학적 활성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 확산방지층(20)의 구성성분인 CeO2와 YST 및 LST의 열팽창 계수는 단위전지를 구성하는 전해질층(40), 연료극(30), 금속지지체(10)와의 열팽창 계수와 비슷하다. 따라서, 확산방지층(20)으로 CeO2-YST 또는 CeO2-LST 또는 CeO2-YST-LST 복합체을 사용하여도, 단위전지를 구성하는 요소들 간의 열팽창 계수의 변화가 거의 없다. 이에 따르면, 단위전지의 제조효율이 향상되고 단위전지의 동작 중에 열팽창 계수의 차이로 인한 구조적인 변형이 발생하지 않기 때문에 단위전지의 수명이 늘어나고 및 동작 효율이 향상된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체산화물 연료전지의 단면을 에너지 분광기(Energy Dispersive Spectroscopy)로 분석한 사진이다.
도 5의 좌측 영역은 Ni-YSZ은 연료극(30)이고, YST-CeO2는 확산방지층(20)이고 STS는 금속지지체(10)이다.
주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)을 사용하여 연료극/확산방지층/금속지지체의 형태를 관찰한 결과, 확산방지층과 금속지지체가 안정적으로 접착되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한 에너지 분광기를 사용하여 성분 분석을 한 결과, 확산방지층을 사이에 두고 Fe, Cr, Ni이 확산이 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 고체산화물 연료전지를 구성하는 연료극과 금속지지체 사이의 상호 확산을 효율적으로 방지하는 동시에, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 확산방지물질과 그 제조방법 및 고체산화물 연료전지가 제공되는 효과가 있다.
또한 종래의 확산방지층 물질인 CeO2를 기반으로 환원분위기에서 안정성을 가지는 물질을 혼합 적용함으로써, 확산방지층이 가지는 구조적 안정성이 향상되는 효과가 있다.
또한 연료 공급 분위기에서 전자전도도가 향상되고 확산방지층과 금속지지체사이의 접착성이 향상되어 금속지지체형 고체산화물 연료전지에서 우수한 확산방지 특성과 높은 구조적 안정성을 고루 갖춘 확산방지물질과 그 제조방법 및 고체산화물 연료전지가 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 CeO2 기반의 확산방지층(YST 또는 LST와 CeO2의 혼합물이 복합화된 복합체)은 금속지지체형 고체산화물 연료전지 작동 중 연료극과 금속지지체 사이의 Fe, Cr, Ni의 확산을 방지하여, 원소들의 확산에 의한 연료극과 금속지지체의 변형을 막음으로써 전지의 안정성을 확보하게 된다. 또한 확산방지층과 전지의 다른 요소들은 열팽창 계수가 서로 비슷하고 환원분위기에서 화학적 안정성과 높은 전자 전도도를 가지기 때문에 적용에 문제가 없으며, 확산방지층과 금속지지체 사이의 접착력이 우수하다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 공기극 20: 확산방지층
30: 연료극 40: 전해질층
50: 공기극 S10: 혼합 단계
S20: 슬러리 제조단계 S30: 성형 단계
S40: 건조 단계 S50: 소성 및 소결 단계

Claims (14)

  1. 금속지지체와 연료극 사이의 상호 확산을 방지하기 위한 고체산화물 연료전지용 확산방지물질로서,
    CeO2에 YST(yttrium-doped strontium titanate, YxSr1-xTiO3, 0.01≤x≤0.1) 또는 상기 YST와 LST(lanthanum-doped strontium titanate, LaxSr1-xTiO3, 0.01≤x≤0.5)를 복합화한 복합체를 포함하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 CeO2에 상기 YST가 복합화되는 비율 또는 상기 CeO2에 상기 YST와 상기 LST가 복합화되는 비율에 의해 전자전도도가 조절되는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 CeO2에 상기 YST가 복합화되는 경우, 복합체의 전체 중량에서, 상기 CeO2가 30~70 중량%이고, 상기 YST가 30~70 중량%이며,
    상기 CeO2에 상기 YST와 상기 LST가 복합화되는 경우, 복합체의 전체 중량에서, 상기 CeO2가 30~70 중량%이고, 상기 YST와 상기 LST가 30~70 중량%인 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복합체에는 다수의 기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질.
  5. 금속지지체와 연료극 사이의 상호 확산을 방지하기 위한 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법으로서,
    CeO2에 YST(yttrium-doped strontium titanate, YxSr1 - xTiO3, 0.01≤x≤0.1)와 LST(lanthanum-doped strontium titanate, LaxSr1 - xTiO3, 0.01≤x≤0.5)에서 선택된 1종 이상을 정해진 비율로 혼합하고, 결합제와 용매 및 가소제를 혼합하여 혼합물을 만드는 혼합 단계;
    상기 혼합물로부터 제조된 슬러리를 테이프 형태로 성형하는 성형 단계; 및
    상기 테이프를 소성하는 소성 단계를 포함하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 혼합 단계에서, 상기 CeO2 및 상기 YST와 상기 LST에서 선택된 1종 이상의 혼합 비율을 조절하여 제조되는 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 전자전도도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 CeO2 및 상기 YST와 상기 LST에서 선택된 1종 이상의 전체 중량에서, 상기 CeO2가 30~70 중량%를 갖고, 상기 YST와 상기 LST에서 선택된 1종 이상이 30~70 중량%를 갖는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 혼합 단계에서, 추가로 기공전구체를 첨가하는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 기공전구체는 흑연분말 또는 전분인 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 기공전구체의 첨가량을 조절함으로써 상기 CeO2에 상기 YST와 상기 LST에서 선택된 1종 이상이 복합화되어 생성되는 복합체 내부의 기공도와 기공 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 기공전구체는 상기 혼합물의 전체 중량에서, 10~20 중량% 첨가되는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 확산방지물질의 제조방법.
  12. 금속지지체;
    상기 금속지지체상에 형성된 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 기재된 확산방지물질로 이루어진 확산방지층;
    상기 확산방지층 상에 형성된 연료극;
    상기 연료극 상에 형성된 전해질층; 및
    상기 전해질층 상에 형성된 공기극을 포함하는, 고체산화물 연료전지.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 연료극은 Ni 또는 Ni 합금으로 이루어지고,
    상기 금속지지체는 페라이트계 스테인리스 스틸로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 확산방지층은 상기 Ni와 상기 페라이트계 스테인리스 스틸에 포함된 Fe와 Cr의 확산을 방지하는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지.
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