KR102073948B1 - Cathode of solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체산화물 연료전지 공기극, 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 공기극은, 계면 안정성이 우수하고, 높은 전기전도도 및 높은 산소 환원 반응이 가능하여, 이를 포함한 고체산화물 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다는 특징이 있다. The present invention relates to a solid oxide fuel cell cathode, and a solid oxide fuel cell including the same. The solid oxide fuel cell cathode according to the present invention has excellent interfacial stability, high electrical conductivity and high oxygen reduction reaction, There is a characteristic that can improve the performance of the solid oxide fuel cell including this.
Description
본 발명은 계면 안정성, 높은 전기전도도 및 높은 산소 환원 반응이 가능한 고체산화물 연료전지 공기극, 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다. The present invention relates to a solid oxide fuel cell cathode capable of interfacial stability, high electrical conductivity and high oxygen reduction reaction, and a solid oxide fuel cell including the same.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)란, 산소 이온 전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 이루어져있는 단위전지를 의미한다. 상기 각 전극에 공기와 연료를 공급하면 공기극에서는 산소의 환원 반응이 일어나 산소 이온이 생성되고, 전해질을 통해 연료극으로 이동한 산소 이온은 다시 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물을 생성하게 되며, 이때 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되어 전기가 흐르게 된다. A solid oxide fuel cell (SOFC) refers to a unit cell including an oxygen ion conductive electrolyte, a cathode and an anode disposed on both sides thereof. When air and fuel are supplied to each electrode, oxygen reduction reaction occurs in the cathode to produce oxygen ions, and oxygen ions moved to the anode through the electrolyte react with hydrogen supplied to the anode to generate water. Electrons are generated at the anode, and electrons are consumed at the cathode to allow electricity to flow.
고체산화물 연료전지는 고온(약 600 내지 1,000℃)에서 작동하며, 연료전지 중 가장 전력 변환 효율이 높은 것으로 알려져 있다. 따라서, 상기와 같은 고온에서 작동할 수 있도록, 고체산화물 연료전지의 전해질, 공기극, 연료극은 세라믹 성분으로 이루어져 있으며, 이러한 성분에 따라 전력 변환 효율이 달라지게 된다. Solid oxide fuel cells operate at high temperatures (about 600 to 1,000 ° C.) and are known to have the highest power conversion efficiency among fuel cells. Therefore, in order to operate at the high temperature as described above, the electrolyte, the cathode, and the anode of the solid oxide fuel cell are made of ceramic components, and the power conversion efficiency varies according to these components.
공기극은 전해질과의 계면 안정성, 높은 전기전도도 및 높은 산소 환원 반응이 가능하여야 하며, 이를 위하여 종래에는 활성층과 기능층의 복합층을 포함하는 공기극이 사용되어 왔다. 활성층은 높은 전기전도도 및 높은 산소 환원 반응을 가능하게 하며, 기능층은 활성층과 전해질과의 계면 안정성을 높이는 역할을 한다.The cathode has to be capable of interfacial stability with the electrolyte, high electrical conductivity, and high oxygen reduction reaction. For this purpose, a cathode including a composite layer of an active layer and a functional layer has been used. The active layer enables high electrical conductivity and high oxygen reduction reaction, and the functional layer serves to increase the interfacial stability between the active layer and the electrolyte.
일반적으로 기능층은 란탄-스트론튬-코발트-페라이트(LSCF) 및 가돌리움 첨가 세리아(GDC)의 복합체를 주로 사용하며, 상기 복합체는 전해질과의 계면 안정성이 높다. In general, the functional layer mainly uses a complex of lanthanum-strontium-cobalt-ferrite (LSCF) and gadolium-added ceria (GDC), and the complex has high interface stability with an electrolyte.
활성층으로는 다양한 물질이 사용되어 왔는데, 최근에는 상기 기능층의 LSCF와 성분적으로 유사한 란탄-스트론튬-코발트(LSC; La1 - xSrxCoO3)가 사용되고 있다. LSC는 높은 전기 전도도와 높은 산소 환원 반응을 가능하게 하지만, 높은 열팽창 계수로 인하여 제조상의 문제 및 고체산화물 연료전지 작동시 점차적으로 전력 변환 효율이 낮아지는 문제가 있다. Various materials have been used as the active layer, and recently, lanthanum-strontium-cobalt (LSC; La 1 - x Sr x CoO 3 ), which is similar in composition to the LSCF of the functional layer, has been used. Although LSC enables high electrical conductivity and high oxygen reduction reaction, there are problems in manufacturing due to the high coefficient of thermal expansion and in gradually reducing the power conversion efficiency when operating a solid oxide fuel cell.
이에 본 발명에서는, 고체산화물 연료전지의 공기극을 예의 연구한 결과, 기LSCF와 GDC의 복합체로 이루어진 기능층과 란탄-스트론튬-코발트-페라이트를 활성층으로 사용할 경우, 기존의 LSC를 활성층으로 사용하는 것에 비하여 계면 안정성, 높은 전기전도도 및 높은 산소 환원 반응이 가능함을 확인하여 본 발명을 완성하였다. Accordingly, in the present invention, as a result of intensive studies on the cathode of a solid oxide fuel cell, when using a functional layer composed of a composite of the base LSCF and GDC and lanthanum-strontium-cobalt-ferrite as the active layer, the conventional LSC is used as the active layer. Comparing to the interfacial stability, high electrical conductivity and high oxygen reduction reaction possible to complete the present invention.
본 발명은 계면 안정성, 높은 전기전도도 및 높은 산소 환원 반응이 가능한 고체산화물 연료전지 공기극을 제공하기 위한 것이다. The present invention is to provide a solid oxide fuel cell cathode capable of interfacial stability, high electrical conductivity and high oxygen reduction reaction.
또한, 본 발명은 상기 고체산화물 연료전지 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is to provide a solid oxide fuel cell comprising the solid oxide fuel cell cathode.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 활성층, 및 상기 활성층의 일면에 형성되고, 란탄-스트론튬-코발트-페라이트(LSCF) 및 가돌리움 첨가 세리아(GDC)를 포함하는 기능층을 포함하는, 고체산화물 연료전지 공기극을 제공한다:In order to solve the above problems, the present invention is formed on one surface of the active layer, and the active layer comprising a compound represented by the formula (1), lanthanum-strontium-cobalt-ferrite (LSCF) and gadolium-added ceria (GDC) Provided is a solid oxide fuel cell cathode comprising a functional layer comprising:
[화학식 1][Formula 1]
LaxSr1 - xCoyFe1 - yO3 -δ La x Sr 1 - x Co y Fe 1 - y O 3 -δ
상기 화학식 1에서, In Chemical Formula 1,
x는 0 초과 0.3 이하이고, x is greater than 0 and less than or equal to 0.3,
y는 0.7 이상 1.0 미만이고, y is 0.7 or more and less than 1.0,
δ는 산소 공공의 값(oxygen vacancy value)이며, 0.1 이상 0.5 이하이다. (delta) is an oxygen vacancy value and is 0.1 or more and 0.5 or less.
본 발명에서 사용하는 용어 '고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)'란, 산소 이온 전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 이루어져있는 단위전지를 의미한다.The term 'Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)' used in the present invention refers to a unit cell including an oxygen ion conductive electrolyte and a cathode and an anode disposed on both sides thereof.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 공기극은, 활성층 및 기능층으로 구성되며, 활성층은 높은 전기전도도 및 높은 산소 환원 반응을 가능하게 하며, 기능층은 활성층과 전해질과의 계면 안정성을 높이는 역할을 한다.The solid oxide fuel cell cathode according to the present invention is composed of an active layer and a functional layer, the active layer enables high electrical conductivity and high oxygen reduction reaction, and the functional layer serves to enhance the interfacial stability between the active layer and the electrolyte.
특히, 본 발명에서는 상기 활성층은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 기능층은 란탄-스트론튬-코발트-페라이트(LSCF) 및 가돌리움 첨가 세리아(GDC)를 포함한다. 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 높은 전기전도도 및 높은 산소 환원 반응을 가능하게 할 뿐만 아니라, 상기 기능층에 포함된 성분과 유사한 조성을 가지고 있어 계면 안정성이 높다는 특징이 있다. In particular, in the present invention, the active layer includes the compound represented by Chemical Formula 1, and the functional layer includes lanthanum-strontium-cobalt-ferrite (LSCF) and gadolium added ceria (GDC). The compound represented by Formula 1 not only enables high electrical conductivity and high oxygen reduction reaction, but also has a similar composition to the components included in the functional layer, so that the interface stability is high.
본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 공기극을 사용할 경우, LSC를 활성층으로 사용한 경우나 또는 활성층이 없는 경우에 비하여 고체산화물 연료전지의 성능이 현저히 개선됨을 확인할 수 있었다. According to one embodiment of the present invention, when using the solid oxide fuel cell cathode according to the present invention, it was confirmed that the performance of the solid oxide fuel cell is significantly improved compared to the case of using the LSC as the active layer or the absence of the active layer.
바람직하게는, 상기 화학식 1에서, x는 0.1 이상 0.3 이하이고, y는 0.8 이상 0.9 이하이다. 보다 바람직하게는, 상기 화학식 1에서, x는 0.2이고, y는 0.8이며, 이 경우 화학식 1은 La0.2Sr0.8Co0.8Fe0.2O3-δ이다.Preferably, in Chemical Formula 1, x is 0.1 or more and 0.3 or less, and y is 0.8 or more and 0.9 or less. More preferably, in Formula 1, x is 0.2, y is 0.8, in which case Formula 1 is La 0.2 Sr 0.8 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-δ .
또한 바람직하게는, 상기 활성층의 두께는 20 내지 50 ㎛이다. 상기 두께가 20 ㎛ 미만인 경우에는 전극의 산소 환원 방응에 관계하는 촉매 활성점이 적다는 단점이 있고, 상기 상기 두께가 50 ㎛ 초과인 경우에는 반응 가스의 확산이 어렵고 전기 전도도 측면에서 저항이 높아지며, 또한 두께가 너무 두꺼워져 전극이 박리될 가능성이 높아지는 단점이 있다. Also preferably, the active layer has a thickness of 20 to 50 μm. When the thickness is less than 20 μm, there is a disadvantage in that the catalytic activity point related to the oxygen reduction response of the electrode is small. When the thickness is more than 50 μm, the diffusion of the reaction gas is difficult and the resistance is high in terms of electrical conductivity. The thickness is so thick that there is a disadvantage that the possibility of peeling the electrode increases.
상기 기능층은 란탄-스트론튬-코발트-페라이트(LSCF) 및 가돌리움 첨가 세리아(GDC)를 포함하며, 이의 중량비는 바람직하게는 5:5 내지 6:4이다. The functional layer comprises lanthanum-strontium-cobalt-ferrite (LSCF) and gadolium added ceria (GDC), and the weight ratio thereof is preferably 5: 5 to 6: 4.
상기 란탄-스트론튬-코발트-페라이트(LSCF)는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다:The lanthanum-strontium-cobalt-ferrite (LSCF) may be represented by the following Chemical Formula 2:
[화학식 2][Formula 2]
La1 - x'Srx'Co1 - y'Fey'O3 -δ La 1 - x ' Sr x' Co 1 - y ' Fe y' O 3 -δ
상기 화학식 2에서, In Chemical Formula 2,
x'는 0.3 초과 0.5 이하이고, x 'is greater than 0.3 and less than or equal to 0.5,
y'는 0.7 이상 0.9 미만이고, y 'is 0.7 or more and less than 0.9,
δ는 산소 공공의 값(oxygen vacancy value)이며, 0.1 이상 0.5 이하이다. (delta) is an oxygen vacancy value and is 0.1 or more and 0.5 or less.
바람직하게는, 상기 란탄-스트론튬-코발트-페라이트(LSCF)는 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ이다. Preferably, the lanthanum-strontium-cobalt-ferrite (LSCF) is La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ .
상기 기능층에 포함되는 가돌리움 첨가 세리아(GDC)는 Gd:CeO2의 화학식으로 표시할 수 있다. 또한, 상기 활성층의 입자 크기는 기능층의 입자 크기 보다 큰 것이 바람직하다. Gadolium-containing ceria (GDC) included in the functional layer may be represented by the chemical formula of Gd: CeO 2 . In addition, the particle size of the active layer is preferably larger than the particle size of the functional layer.
바람직하게는, 상기 기능층의 두께는 5 내지 10 ㎛이다. 상기 두께가 5 ㎛ 미만인 경우에는 스크린 프린팅법과 같은 습식 공정으로 제조하기 어려운 단점이 있고, 상기 두께가 10 ㎛ 초과인 경우에는 산소 이온의 이동 거리가 길어져 저항이 높아지는 단점이 있다. Preferably, the thickness of the functional layer is 5 to 10 μm. If the thickness is less than 5 μm, there is a disadvantage in that it is difficult to manufacture by a wet process such as a screen printing method, and if the thickness is more than 10 μm, there is a disadvantage in that the resistance of oxygen ions is increased by increasing the moving distance of oxygen ions.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 공기극은 하기의 단계를 포함하는 방법으로 제조할 수 있다:The cathode of the solid oxide fuel cell according to the present invention may be manufactured by a method comprising the following steps:
1) 전해질 층의 일면에, 란탄-스트론튬-코발트-페라이트(LSCF) 및 가돌리움 첨가 세리아(GDC)를 포함하는 페이스트를 도포 및 건조하여 기능층을 제조하는 단계;1) applying and drying a paste comprising lanthanum-strontium-cobalt-ferrite (LSCF) and gadolium added ceria (GDC) to one side of the electrolyte layer to prepare a functional layer;
2) 상기 기능층 상에, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 페이스트를 도포 및 건조하여 활성층을 제조하는 단계, 및2) preparing an active layer by applying and drying a paste containing a compound represented by Formula 1 on the functional layer;
3) 상기 기능층 및 활성층을 소결하는 단계.3) sintering the functional layer and the active layer.
상기 단계 1 및 2에서 각 페이스트의 도포량은 앞서 설명한 기능층의 활성층의 두께에 맞추어 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 단계 3의 소결은 1300℃ 내지 1500℃에서 수행하는 것이 바람직하다. The coating amount of each paste in the
또한, 본 발명은 상술한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다. In addition, the present invention provides a solid oxide fuel cell including the solid oxide fuel cell cathode according to the present invention described above.
상기 고체산화물 연료전지는, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 공기극을 사용하는 것을 제외하고는 종래의 고체산화물 연료전지의 구성을 가질 수 있다. 일례로, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 공기극, 연료극, 및 상기 공기극과 연료극 사이에 포함된 전해질을 포함할 수 있다. 이때 상기 공기극의 기능층이 전해질과 접촉하게 된다. The solid oxide fuel cell may have a configuration of a conventional solid oxide fuel cell except for using the solid oxide fuel cell cathode according to the present invention. For example, the solid oxide fuel cell according to the present invention may include an anode, a fuel electrode, and an electrolyte included between the cathode and the anode according to the present invention. At this time, the functional layer of the cathode comes into contact with the electrolyte.
상기 전해질의 예로는, 기체가 투과하지 못할 정도의 치밀도를 갖는 세라믹 재료로 이루어지며 가돌리늄이 첨가된 세리아(CexGd1 - xO2, GDC) 또는 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia; YSZ) 등이 사용될 수 있으나, 고체산화물 연료전지에 사용될 수 있는 전해질이면 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 전해질의 두께는 5 내지 50 ㎛가 바람직하다. Examples of the electrolyte include a ceramic material having a density that is not permeable to gas, and gadolinium-added ceria (Ce x Gd 1 - x O 2 , GDC) or yttria stabilized zirconia (Yttria-stabilized zirconia); YSZ) and the like can be used, but is not particularly limited so long as it is an electrolyte that can be used in a solid oxide fuel cell. In addition, the thickness of the electrolyte is preferably 5 to 50 ㎛.
상기 연료극의 예로는, YSZ와 같은 세라믹 재료로 이루어지며, 고온의 환원 분위기에서 안정적인 NiO-GDC, NiO-8YSZ, Ni-GDC, Ni-8YSZ 등과 같은 금속세라믹 복합체(cermet)가 사용될 수 있으나, 고체산화물 연료전지에 사용될 수 있는 연료극이면 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 연료극의 두께는 350 내지 600 ㎛가 바람직하다.Examples of the anode include a ceramic material such as YSZ, and a metal ceramic composite such as NiO-GDC, NiO-8YSZ, Ni-GDC, and Ni-8YSZ, which is stable in a high-temperature reducing atmosphere, may be used. The anode is not particularly limited as long as it can be used in an oxide fuel cell. In addition, the thickness of the anode is preferably 350 to 600 µm.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 공기극은, 계면 안정성이 우수하고, 높은 전기전도도 및 높은 산소 환원 반응이 가능하여, 이를 포함한 고체산화물 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다는 특징이 있다. As described above, the solid oxide fuel cell cathode according to the present invention has excellent interfacial stability, high electrical conductivity and high oxygen reduction reaction, and can improve performance of the solid oxide fuel cell including the same. .
도 1은, 본 발명의 제조예에서 제조한 분말의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 제조예에서 제조한 LSCF 2882의 SEM 이미지 및 EDS 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예 및 비교예의 고체산화물 연료전지의 구조를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 3(a)는 실시예를, 도 3(b)는 비교예 1을, 도 3(c)는 비교예 2를 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 실시예 및 비교예의 고체산화물 연료전지의 성능을 나타낸 것이다.
도 5은, 본 발명의 실시예 및 비교예의 고체산화물 연료전지의 공기극의 측면을 SEM 이미지로 나타낸 것이다. 도 5(a) 및 도 5(c)는 비교예 2를, 도 5(b) 및 도 5(d)는 실시예를 나타낸 것이다. Figure 1 shows the results of XRD analysis of the powder prepared in Preparation Example of the present invention.
Figure 2 shows the SEM image and EDS analysis of the
3 schematically shows the structure of the solid oxide fuel cell of Examples and Comparative Examples of the present invention. 3 (a) shows an example, FIG. 3 (b) shows a comparative example 1, and FIG. 3 (c) shows a comparative example 2. FIG.
Figure 4 shows the performance of the solid oxide fuel cell of the examples and comparative examples of the present invention.
5 is a SEM image showing the side surface of the cathode of the solid oxide fuel cell of the examples and comparative examples of the present invention. 5 (a) and 5 (c) show Comparative Example 2, and FIGS. 5 (b) and 5 (d) show Examples.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid in understanding the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited thereto.
제조예Production Example
La2O3, Sr(CO3), Co3O4, 및 Fe2O3 원료 분말들을 화학양론에 맞게 칭량한 다음, 습식 볼 밀링을 진행하고 고온 고상 반응을 수행하였다. 이때, La:Sr:Co:Fe의 원소비가 0.6:0.4:0.2:0.8인 경우(이하, 'LSCF 6428')와, La:Sr:Co:Fe의 원소비가 0.2:0.8:0.8:0.2인 경우(이하, 'LSCF 2882')를 각각 제조하였다. 또한, 상기 고상 반응은 전기로에서 승온 속도 5℃/min으로 1000℃에서 3시간 동안 수행하였다.La 2 O 3 , Sr (CO 3 ), Co 3 O 4 , and Fe 2 O 3 raw powders were weighed according to the stoichiometry, followed by wet ball milling and high temperature solid state reaction. At this time, when the element ratio of La: Sr: Co: Fe is 0.6: 0.4: 0.2: 0.8 (hereinafter 'LSCF 6428'), and the element ratio of La: Sr: Co: Fe is 0.2: 0.8: 0.8: 0.2 In the following (hereinafter 'LSCF 2882') were prepared respectively. In addition, the solid phase reaction was carried out for 3 hours at 1000 ℃ at a heating rate of 5 ℃ / min in an electric furnace.
하소 이후 phase 형성 여부를 X선 회절 분석으로 확인하였고, 도 1에 그 결과를 나타내었다. 또한, 제조된 LSCF 2882 분말의 SEM 이미지는 도 2에 나타내었으며, 입자의 크기는 직경 약 2 ㎛이었다(도 2a). 또한, EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 정성 분석 결과(도 2b), 각 원소의 성분비가 의도한 대로 구성되어 있음을 확인하였다. Phase formation after calcination was confirmed by X-ray diffraction analysis, and the results are shown in FIG. 1. In addition, the SEM image of the
실시예Example
도 3(a)와 같은 구조를 가지는 고체산화물 연료전지를 제조하였다.A solid oxide fuel cell having a structure as shown in FIG. 3 (a) was manufactured.
먼저, 공기극을 제외한 ASL/AFL/EL로 구성되는 고체산화물 연료전지를 제조하였다. ASL(Anode Support Layer; 연료극 지지층) 슬러리는 GDC, NiO 및 carbon black을 함유하며, GDC와 NiO는 50:50 vol%로 구성되고, carbon black이 10 wt%로 구성되며, 그 외 슬러리 형성을 위한 분산제, 가교제 및 바인더 수지가 용매와 함께 첨가하였다. Tape casting 방법으로 ASL 그린 시트를 제조하였다. 여기서, 그린 시트란, 슬러리를 도포하여 건조시킨 것을 의미하며, 약간의 용매를 포함하면서 시트 형태를 유지할 수 있는 시트를 의미한다. AFL(Anode Functional Layer: 연료극 기능층) 슬러리는 상기 ASL 슬러리와 동일하지만 GDC와 NiO가 60:40 vol%이고, carbon black을 포함하지 않는다. 이를 Tape casting 방법으로 ASL 그린 시트보다 얇은 AFL 그린 시트를 제조하였다. EL(Electrolyte Layer: 전해질 층) 슬러리는 상기 ASL 슬러리와 동일하지만 NiO와 carbon black을 포함하지 않는다. 이를 Tape casting 방법으로 EL 그린 시트를 제조하였다. 상기 각각 제조된 그린 시트를 ASL/AFL/EL의 순으로 적층하였으며, 이때 각 층의 두께를 조절하여 그린 시트의 적층수를 조절하였다. 적층된 그린 시트를 1300℃ 내지 1500℃로 소결하여 공기극을 제외한 Half Cell을 제조하였다. First, a solid oxide fuel cell composed of ASL / AFL / EL except for the cathode was manufactured. ASL (Anode Support Layer) slurry contains GDC, NiO and carbon black, GDC and NiO is composed of 50:50 vol%, carbon black is composed of 10 wt%, and other slurry formation Dispersant, crosslinker and binder resin were added together with the solvent. An ASL green sheet was prepared by a tape casting method. Here, the green sheet means that the slurry is applied and dried, and means a sheet that can maintain a sheet form while containing a little solvent. AFL (Anode Functional Layer) slurry is the same as the ASL slurry, but 60:40 vol% of GDC and NiO, and does not include carbon black. The AFL green sheet thinner than the ASL green sheet was manufactured by tape casting. Electrolyte Layer (EL) slurry is the same as ASL slurry but does not contain NiO and carbon black. EL green sheet was manufactured by the tape casting method. Each of the prepared green sheets was laminated in the order of ASL / AFL / EL, wherein the thickness of each layer was adjusted to control the number of stacked green sheets. The laminated green sheet was sintered at 1300 ° C. to 1500 ° C. to produce a half cell except for the cathode.
이어, 기능층의 페이스트는 에틸 셀롤로오스(ethyl cellulose)와 알파-터피네올(α-terpineol)을 혼합하여 binder solution을 제조한 다음, 여기에 부틸 카비톨 아세테이트를 첨가하고, 제조예에서 합성한 분말(LSCF 6428) 및 GDC를 6:4로 첨가하고 3-roll mill로 제조하였다. 이때, 페이스트의 고형분 함량은 약 50 내지 70 wt%이었다. 제조된 페이스트를 앞서 제조한 Half Cell의 전해질 층 상에 적층하였다. 이어, 활성층의 페이스트는 상기 기능층의 페이스트 조성과 동일하되, 제조예에서 합성한 분말(LSCF 6428) 및 GDC 대신 제조예에서 합성한 분말(LSCF 2882)만 넣어 제조하였다. 이를 상기 기능층 상에 스크린 인쇄하고 건조시켰다. 상기 활성층과 기능층을 900 내지 1100℃에서 소결하여 고체산화물 연료전지를 제조하였다.Subsequently, the functional layer paste was prepared by mixing ethyl cellulose and alpha-terpineol to prepare a binder solution, and adding butyl carbitol acetate thereto, One powder (LSCF 6428) and GDC were added at 6: 4 and prepared in a 3-roll mill. At this time, the solids content of the paste was about 50 to 70 wt%. The prepared paste was laminated on the electrolyte layer of Half Cell prepared previously. Subsequently, the paste of the active layer was prepared in the same manner as the paste composition of the functional layer, except for the powder synthesized in Preparation Example (LSCF 6428) and the powder synthesized in Preparation Example (LSCF 2882) instead of GDC. It was screen printed on the functional layer and dried. The active layer and the functional layer were sintered at 900 to 1100 ° C. to manufacture a solid oxide fuel cell.
상기 제조된 고체산화물 연료전지에서, 기능층의 두께는 5 내지 10 ㎛이었고, 활성층의 두께는 20 내지 30 ㎛이었다. 또한, 활성층에서 공극률은 30 내지 60 이하일 수 있다. In the solid oxide fuel cell prepared above, the thickness of the functional layer was 5 to 10 μm, and the thickness of the active layer was 20 to 30 μm. In addition, the porosity in the active layer may be 30 to 60 or less.
비교예Comparative example 1 One
기능층을 제조하는 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일한 방법으로, 도 3(b)와 같은 구조를 가지는 고체산화물 연료전지를 제조하였다.A solid oxide fuel cell having the structure as shown in FIG. 3 (b) was manufactured in the same manner as in the above embodiment except that the functional layer was prepared.
비교예Comparative example 2 2
활성층의 페이스트에서 La0 . 2Sr0 . 8Co0 . 8Fe0 . 2O3 -δ 대신 La0 . 6Sr0 . 4CoO3 -δ를 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일한 방법으로, 도 3(c)와 같은 구조를 가지는 고체산화물 연료전지를 제조하였다.La 0 in the paste of the active layer . 2 Sr 0 . 8 Co 0 . 8 Fe 0 . La 0 instead of 2 O 3 -δ . 6 Sr 0 . Except for using 4 CoO 3 -δ , a solid oxide fuel cell having a structure as shown in FIG.
실험예Experimental Example
1) 고체산화물 연료전지의 성능 평가1) Performance Evaluation of Solid Oxide Fuel Cells
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고체산화물 연료전지의 성능을 평가하였다. 구체적으로, 연료극과 공기극에 각각 Pt wire current collect line을 연결하여 이를 potentiostat 장비와 연결하였다. 장비에 장착된 cell을 600℃로 승온하고 유지한 후, 공기극으로 500 cc의 air를 흘리고, 연료극으로 200 cc의 수소를 흘려 current sweep을 실시하여 I-V curve를 측정하였다. The performances of the solid oxide fuel cells prepared in Examples and Comparative Examples were evaluated. Specifically, Pt wire current collect lines were connected to the anode and the cathode, respectively, and then connected to the potentiostat equipment. After the temperature of the cell mounted on the equipment was maintained at 600 ° C, 500 cc of air was flowed into the cathode, and 200 cc of hydrogen was flowed into the anode to conduct a current sweep to measure the I-V curve.
상기 측정 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와 같이, 비교예에 비하여 실시예의 성능이 현저히 향상됨을 확인할 수 있었다. The measurement results are shown in FIG. 4. As shown in Figure 4, it was confirmed that the performance of the example is significantly improved compared to the comparative example.
2) 2) 공기극Air cathode 구조 관찰 Structure observation
상기 비교예 2 및 실시예에서 제조한 고체산화물 연료전지의 공기극을 SEM 이미지로 관찰하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다. The cathodes of the solid oxide fuel cells prepared in Comparative Example 2 and Example were observed by SEM images, and the results are shown in FIG. 5.
도 5에 나타난 바와 같이, 같은 온도로 소결하여 제조하였음에도 비교예 2에 비하여 실시예의 활성층의 입자 연결성이 보다 우수함을 확인할 수 있었다.As shown in Figure 5, even when prepared by sintering at the same temperature it was confirmed that the particle connectivity of the active layer of the Example is superior to Comparative Example 2.
따라서, 상기 실험예를 통하여, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 공기극은 활성층의 조성을 적절히 조절함으로서, 고체산화물 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.Therefore, the experimental example, it can be seen that the cathode of the solid oxide fuel cell according to the present invention can improve the performance of the solid oxide fuel cell by appropriately adjusting the composition of the active layer.
Claims (8)
상기 활성층의 일면에 형성되고, 하기 화학식 2로 표시되는 란탄-스트론튬-코발트-페라이트(LSCF) 및 가돌리움 첨가 세리아(GDC)를 포함하는 기능층을 포함하는,
고체산화물 연료전지 공기극:
[화학식 1]
LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ
상기 화학식 1에서,
x는 0 초과 0.3 이하이고,
y는 0.7 이상 1.0 미만이고,
δ는 산소 공공의 값(oxygen vacancy value)이며, 0.1 이상 0.5 이하이고,
[화학식 2]
La1-x'Srx'Co1-y'Fey'O3-δ
상기 화학식 2에서,
x'는 0.3 초과 0.5 이하이고,
y'는 0.7 이상 0.9 미만이고,
δ는 산소 공공의 값(oxygen vacancy value)이며, 0.1 이상 0.5 이하이다.
An active layer comprising a compound represented by Formula 1, and
Formed on one surface of the active layer, comprising a functional layer comprising lanthanum-strontium-cobalt-ferrite (LSCF) and gadolium-added ceria (GDC) represented by the following formula (2),
Solid oxide fuel cell cathode:
[Formula 1]
La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3-δ
In Chemical Formula 1,
x is greater than 0 and less than or equal to 0.3,
y is 0.7 or more and less than 1.0,
δ is an oxygen vacancy value, 0.1 or more and 0.5 or less,
[Formula 2]
La 1-x ' Sr x' Co 1-y ' Fe y' O 3-δ
In Chemical Formula 2,
x 'is greater than 0.3 and less than or equal to 0.5,
y 'is 0.7 or more and less than 0.9,
δ is an oxygen vacancy value and is 0.1 or more and 0.5 or less.
x는 0.1 이상 0.3 이하이고,
y는 0.8 이상 0.9 이하인,
고체산화물 연료전지 공기극.
The method of claim 1,
x is 0.1 or more and 0.3 or less,
y is 0.8 or more and 0.9 or less,
Solid oxide fuel cell cathode.
x는 0.2이고, y는 0.8인,
고체산화물 연료전지 공기극.
The method of claim 1,
x is 0.2, y is 0.8,
Solid oxide fuel cell cathode.
상기 활성층의 두께는 20 내지 30 ㎛인,
고체산화물 연료전지 공기극.
The method of claim 1,
The thickness of the active layer is 20 to 30 ㎛,
Solid oxide fuel cell cathode.
상기 란탄-스트론튬-코발트-페라이트(LSCF) 및 가돌리움 첨가 세리아(GDC)의 중량비는 5:5 내지 6:4인,
고체산화물 연료전지 공기극.
The method of claim 1,
The weight ratio of the lanthanum-strontium-cobalt-ferrite (LSCF) and gadolium added ceria (GDC) is 5: 5 to 6: 4,
Solid oxide fuel cell cathode.
상기 기능층의 두께는 5 내지 10 ㎛인,
고체산화물 연료전지 공기극.
The method of claim 1,
The thickness of the functional layer is 5 to 10 ㎛,
Solid oxide fuel cell cathode.
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|---|---|---|---|
| KR1020160058258A KR102073948B1 (en) | 2016-05-12 | 2016-05-12 | Cathode of solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell comprising the same |
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