KR20230129789A - Single cell for solid oxide fuel cell including a cathode capable of preventing secondary phase formation and solid oxide fuel cell containing thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 하기 화학식 1의 화합물을 함유하는 공기극이 포함된 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
LaNixFeyCu(1-x-y)O3
화학식 1에서, x는 0.4 내지 0.7, y는 0.2 내지 0.4이며, (1-x-y)는 0 초과 0.2 이하이다.The single cell for a solid oxide fuel cell according to the present invention is characterized by including an air electrode containing a compound of the following formula (1).
[Formula 1]
LaNi x Fe y Cu (1-xy) O 3
In Formula 1, x is 0.4 to 0.7, y is 0.2 to 0.4, and (1-xy) is greater than 0 and less than or equal to 0.2.
Description
본 발명은 Sr을 포함하지 않음으로써, Sr에 의한 이차상 생성을 원천적으로 차단할 수 있는 공기극과 부가적인 전기화학반응 기능이 있는 반응 방지막을 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다. The present invention relates to a solid oxide fuel cell that includes a cathode that does not contain Sr and can fundamentally block secondary phase formation by Sr, and a reaction prevention membrane that has an additional electrochemical reaction function.
고온 연료전지 및 고온 수전해에 사용되는 고체 산화물 셀의 경우 공기극 소재로서 LSCF(Sr&Co doped LaFeO3)와 같은 고성능 혼합 전도체(MIEC: Mixed Ionic & Electronic Conductor)를 주로 사용하고 있다. In the case of solid oxide cells used in high-temperature fuel cells and high-temperature water electrolysis, high-performance mixed ionic & electronic conductors (MIEC: Mixed Ionic & Electronic Conductor) such as LSCF (Sr&Co doped LaFeO 3 ) are mainly used as air electrode materials.
그러나 LSCF와 같이 Sr을 포함한 공기극 소재들은 코팅 및 열처리 단계에서 지르코니아 전해질과 반응하여 부도체 특성을 갖는 SrZrO3 이차상을 발생시키는 단점이 있으며, 이러한 SrZrO3는 부도체로서 전지의 성능을 현저히 저하시키는 문제점이 있다. However, cathode materials containing Sr, such as LSCF, have the disadvantage of reacting with zirconia electrolyte during the coating and heat treatment steps to generate a SrZrO 3 secondary phase with insulating properties, and this SrZrO 3 is a non-conducting material that significantly reduces battery performance. there is.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 혼합 전도성 공기극과 전해질 계면사이에 반응 방지막(Gd or Sm doped CeO2)을 추가로 적용하고 있다. 반응 방지막을 적용하여 이차상 생성을 방지하는 효과는 있으나 반응 방지막을 추가로 적용함에 따라 셀의 저항이 증가하여 결국 셀 성능을 저하시키게 되며 성능 저하를 최소화하기 위해서는 반응 방지막의 두께를 최대한 줄이면서 치밀화할 수 있는 기술이 요구된다. Therefore, to solve this problem, an anti-reaction film (Gd or Sm doped CeO 2 ) is additionally applied between the mixed conductive air electrode and the electrolyte interface. Applying an anti-reaction film has the effect of preventing the creation of secondary phases, but as additional anti-reaction films are applied, the resistance of the cell increases, which ultimately reduces cell performance. In order to minimize performance degradation, it is necessary to reduce the thickness of the anti-reaction film as much as possible while densifying it. Skills that can do it are required.
반응 방지막 치밀화를 위해서는 가장 효율적인 방법이 열처리 온도를 높이는 방법이지만 세리아(CeO2)와 지르코니아(ZrO2)는 1250℃ 이상에서 열처리할 경우, 전율 고용체(Solid Solution)를 형성하기 때문에 열처리 온도를 높이는 방법에는 한계가 있다. 이에 따라 저온 소결성을 높이기 위해 첨가제를 적용하는 방법 등이 제안되지만 반응 방지막의 치밀화에는 한계가 있다. The most efficient way to densify the anti-reaction film is to increase the heat treatment temperature, but ceria (CeO 2 ) and zirconia (ZrO 2 ) form a solid solution when heat treated above 1250°C, so it is necessary to increase the heat treatment temperature. There is a limit. Accordingly, methods such as applying additives to increase low-temperature sinterability have been proposed, but there are limits to densification of the reaction prevention film.
결과적으로 반응 방지막 치밀화의 한계 때문에, 고체 산화물 셀을 장시간 구동할 경우, 공기극의 Sr이 반응 방지막을 이동하여 전해질 표면에서 SrZrO3 이차상을 생성하게 된는 문제점이 있다. As a result, due to limitations in densifying the reaction prevention film, there is a problem in that when the solid oxide cell is operated for a long time, the Sr in the air electrode moves the reaction prevention film and creates a SrZrO 3 secondary phase on the electrolyte surface.
본 발명의 목적은 SrZrO3의 이차상 생성을 원천적으로 예방할 수 있는 공기극 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지용 단전지를 제공하는 것이며, 이에 따라 SrZrO3의 이차상 생성에 따른 전지의 내구성 저하를 차단할 수 있는 장점이 있다.The purpose of the present invention is to provide an air electrode that can fundamentally prevent the generation of a secondary phase of SrZrO 3 and a single cell for a solid oxide fuel cell including the same, and thereby prevent the degradation of battery durability due to the generation of a secondary phase of SrZrO 3 There is an advantage.
본 발명에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 하기 화학식 1의 화합물을 함유하는 공기극이 포함된 것을 특징으로 한다. The single cell for a solid oxide fuel cell according to the present invention is characterized by including an air electrode containing a compound of the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
LaNixFeyCu(1-x-y)O3 LaNi x Fe y Cu (1-xy) O 3
화학식 1에서, x는 0.4 내지 0.7, y는 0.2 내지 0.4이며, (1-x-y)는 0 초과 0.2 이하이다.In Formula 1, x is 0.4 to 0.7, y is 0.2 to 0.4, and (1-x-y) is greater than 0 and less than or equal to 0.2.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지에서 상기 공기극은 Sr을 포함하지 않는 것을 특징으로 할 수 있다. In a single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the air electrode may be characterized in that it does not contain Sr.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지에서 상기 고체산화물 연료전지용 단전지는 상기 공기극과 전해질 계면에 Sr을 포함하는 이차상이 생성되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다. In the single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the single cell for a solid oxide fuel cell may be characterized in that a secondary phase containing Sr is not generated at the interface between the air electrode and the electrolyte.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지에서 상기 공기극은 공기극 집전층 및 공기극 기능층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In a single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the air electrode may include an air electrode current collection layer and an air electrode functional layer.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지에서 상기 공기극 기능층은 상기 화학식 1의 화합물 및 하기 화학식 2의 Re 도핑된 세리아를 포함하는 것을 특징으로 한다.In a single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the cathode functional layer is characterized in that it includes a compound of Formula 1 and Re-doped ceria of Formula 2 below.
[화학식 2][Formula 2]
ReaCe(1-a)Ob Re a Ce (1-a) O b
화학식 2에서, Re=Gd, Sm, Y, a는 0.1 내지 0.2이고, b는 1.9 이상 1.95 미만이다.In Formula 2, Re=Gd, Sm, Y, a is 0.1 to 0.2, and b is 1.9 or more and less than 1.95.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지에서 상기 고체산화물 연료전지용 단전지는 공기극 집전층, 공기극 기능층, 반응 방지막, 전해질, 연료극 기능층 및 연료극 지지체가 순차로 적층된 것을 특징으로 할 수 있다. In a single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the single cell for a solid oxide fuel cell may be characterized in that an air electrode current collection layer, an air electrode functional layer, a reaction prevention film, an electrolyte, an anode functional layer, and an anode support are sequentially stacked. You can.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지에서 상기 반응 방지막은 하기 화학식 3의 화합물을 소결 첨가제로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In a single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the reaction prevention film may include a compound of the following formula (3) as a sintering additive.
[화학식 3][Formula 3]
(La(1-m)Srm)nMnO3 (La (1-m) Sr m ) n MnO 3
화학식 3에서, m은 0.1 내지 0.5이며, n은 0 초과 0.98 이하이다.In Formula 3, m is 0.1 to 0.5, and n is greater than 0 and less than or equal to 0.98.
본 발명에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 하기 화학식 1의 화합물을 함유하는 공기극을 포함한다. 본 발명에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지가 하기 화학식 1의 공기극을 포함하며, 공기극이 Sr을 포함하지 않는 특징이 있으므로 SrZrO3의 이차상 생성을 원천적으로 예방할 수 있는 장점이 있으며, 이에 따라 SrZrO3의 이차상 생성으로 인한 전지의 내구도 저하를 차단할 수 있는 장점이 있다. A single cell for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes an air electrode containing a compound of the following formula (1). The single cell for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes an air electrode of the following formula (1), and since the air electrode does not contain Sr, it has the advantage of fundamentally preventing the creation of a secondary phase of SrZrO 3 , and thus the It has the advantage of preventing degradation of battery durability due to secondary phase generation.
[화학식 1][Formula 1]
LaNixFeyCu(1-x-y)O3 LaNi x Fe y Cu (1-xy) O 3
화학식 1에서, x는 0.4 내지 0.7, y는 0.2 내지 0.4이며, (1-x-y)는 0 초과 0.2 이하이다.In Formula 1, x is 0.4 to 0.7, y is 0.2 to 0.4, and (1-x-y) is greater than 0 and less than or equal to 0.2.
도 1은 실시예에 의해 제조된 셀의 전류 밀도에 따른 셀 전압 및 출력밀도를 비교하여 도시한 것이다.
도 2는 0.4 A/㎠의 전류밀도 조건에서 셀의 전압과 출력밀도를 비교하여 도시한 것이다.
도 3은 실시예에 의해 제조된 셀의 구동 후 단면을 주사전자현미경을 통해 관찰하고 이를 도시한 것이다. Figure 1 shows a comparison of cell voltage and power density according to current density of cells manufactured according to an example.
Figure 2 shows a comparison of cell voltage and output density under a current density condition of 0.4 A/cm2.
Figure 3 illustrates a cross-section of a cell manufactured according to an example after operation, observed through a scanning electron microscope.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the embodiments of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are merely provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to be understood by those skilled in the art. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing embodiments of the present invention, if a detailed description of a known function or configuration is judged to unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. The terms described below are terms defined in consideration of functions in the embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.
본 발명에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 하기 화학식 1의 화합물을 함유하는 공기극이 포함된 것을 특징으로 한다. The single cell for a solid oxide fuel cell according to the present invention is characterized by including an air electrode containing a compound of the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
LaNixFeyCu(1-x-y)O3 LaNi x Fe y Cu (1-xy) O 3
화학식 1에서, x는 0.4 내지 0.7, y는 0.2 내지 0.4이며, (1-x-y)는 0 초과 0.2 이하이다.In Formula 1, x is 0.4 to 0.7, y is 0.2 to 0.4, and (1-x-y) is greater than 0 and less than or equal to 0.2.
구체적으로, 상기 화학식 1에서 x는 0.5 내지 0.68, 좋게는 0.55 내지 0.65일 수 있으며, y는 0.22 내지 0.38, 좋게는 0.25 내지 0.35일 수 있다. 상기 x 및 y의 값이 상술한 범위를 벗어나는 경우, 결정상이 불안정해질 여지가 있다.Specifically, in Formula 1, x may be 0.5 to 0.68, preferably 0.55 to 0.65, and y may be 0.22 to 0.38, preferably 0.25 to 0.35. If the values of x and y are outside the above-mentioned range, there is a possibility that the crystal phase may become unstable.
본 발명에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 또한 Sr을 포함하지 않는 것을 특징으로 할 수 있으며, Sr을 포함하지 않음으로써 Sr과 Zr의 반응에 이한 이차상 생성 및 이에 따른 전지 출력 저하를 예방할 수 있는 장점이 있다. The single cell for a solid oxide fuel cell according to the present invention can also be characterized as not containing Sr, and by not containing Sr, it has the advantage of preventing the creation of a secondary phase due to the reaction of Sr and Zr and the resulting decrease in battery output. There is.
종래 Sr과 Zr의 반응에 의한 이차상 생성을 방지하기 위하여 전해질과 공기극의 직접 접촉을 방지하기 위하여 반응 방지막을 추가하는 기술이 개발되었다. 그러나 이러한 반응 방지막을 추가하는 경우 필연적으로 셀 저항을 증가시키고, 이에 따라 셀의 출력밀도 저하를 유발하는 문제점이 있다. Conventionally, in order to prevent secondary phase formation due to the reaction between Sr and Zr, a technology was developed to add a reaction prevention film to prevent direct contact between the electrolyte and the air electrode. However, when adding such a reaction prevention film, there is a problem that the cell resistance inevitably increases, thereby causing a decrease in the output density of the cell.
이러한 문제를 해결하기 위하여 반응 방지막의 치밀도를 높여 저항 증가를 최소화 하고자 하였으나, 반응 방지막의 치밀도를 높이기 위하여 고온으로 열처리 하는 경우 반응 방지막에 포함된 세리아와 전해질의 지르코니아가 전율 고용체를 형성하는 문제점이 발생한다. In order to solve this problem, an attempt was made to minimize the increase in resistance by increasing the density of the reaction prevention film. However, when heat treatment is performed at a high temperature to increase the density of the reaction prevention film, the ceria contained in the reaction prevention film and the zirconia in the electrolyte form an electric solid solution. This happens.
또한 반응 방지막을 도입한다 하더라도, 장시간 연료전지를 운전하는 경우에 Sr이 반응 방지막을 통과하여 전해질 표면에서 Sr과 Zr 반응에 의한 이차상을 형성하는 문제점이 있다. In addition, even if a reaction prevention film is introduced, there is a problem in that when the fuel cell is operated for a long time, Sr passes through the reaction prevention film and forms a secondary phase due to a reaction between Sr and Zr on the electrolyte surface.
이에 본 출원인은 이러한 문제를 원천적으로 예방하기 위하여, Sr을 포함하지 않으면서도 전기화학반응이 우수한 공기극을 생산하기 위한 연구를 계속하였으며, 그 결과 상기 화학식 1의 조성을 포함하며, Sr을 포함하지 않는 공기극을 이용하여 상술한 이차상 형성 문제를 원천적으로 해결하였다. Accordingly, in order to fundamentally prevent this problem, the present applicant continued research to produce an air electrode with excellent electrochemical reaction without containing Sr. As a result, an air electrode containing the composition of Formula 1 above and not containing Sr was produced. The above-mentioned secondary phase formation problem was fundamentally solved by using .
즉, 본 발명에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 Sr을 포함하지 않음으로써, 전해질의 계면에서 Sr을 포함하는 이차상의 발생을 원천 차단할 수 있는 것을 특징으로 한다. That is, the single cell for a solid oxide fuel cell according to the present invention is characterized by not containing Sr, thereby preventing the generation of a secondary phase containing Sr at the interface of the electrolyte.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 공기극 집전층 및 공기극 기능층을 포함한다. 구체적으로, 상기 공기극 집전층은 상기 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있으며, 좋게는 상기 화학식 1의 화합물로 이루어진 층일 수 있다. 상기 공기극 기능층은 상기 화학식 1의 화합물 및 화학식 2의 화합물이 혼합된 층일 수 있다. A single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes an air cathode current collection layer and an air cathode functional layer. Specifically, the air electrode current collection layer may include the compound of Formula 1, and preferably may be a layer composed of the compound of Formula 1. The air cathode functional layer may be a mixed layer of the compound of Formula 1 and the compound of Formula 2.
[화학식 2][Formula 2]
ReaCe(1-a)Ob Re a Ce (1-a) O b
화학식 2에서, Re=Gd, Sm 및 Y에서 선택되는 하나 또는 둘 이상, a는 0.1 내지 0.2이고, b는 1.9 이상 1.95 미만이다. 화학식 2에서, a값이 0.1 미만이거나 0.2를 초과하는 경우 오히려 이온 전도도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. In Formula 2, Re=Gd, one or two or more selected from Sm and Y, a is 0.1 to 0.2, and b is 1.9 or more and less than 1.95. In Formula 2, if the a value is less than 0.1 or more than 0.2, a problem may occur where ionic conductivity is lowered.
구체적으로 상기 공기극 기능층은 상기 화학식 1의 화합물 50 내지 55 중량% 및 잔부의 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다. LNFC는 전자 전도체이고 Re 도핑된 세리아는 이온 전도체로서 이 두 소재가 가장 균일하게 배합되어야 실제 전기화학반응점인 삼상계면(TPB: Triple Phase Boundary) 확보에 유리하며, 이러한 관점에서 화학식 2의 화합물 비율이 상술한 기재범위를 벗어나는 경우 삼상계면 확보에 불리하여 이는 전지의 출력 저하로 이어질 수 있다. Specifically, the air cathode functional layer may include 50 to 55% by weight of the compound of Formula 1 and the balance of the compound of Formula 2. LNFC is an electronic conductor and Re-doped ceria is an ion conductor, so these two materials must be mixed most evenly to secure the triple phase boundary (TPB), which is the actual electrochemical reaction point. From this perspective, the ratio of the compound in Formula 2 is If it is outside the above-described range, it is disadvantageous in securing a three-phase interface, which may lead to a decrease in battery output.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 공기극 집전층, 공기극 기능층, 반응 방지막, 전해질, 연료극 기능층 및 연료극 지지체가 순차로 적층된 것일 수 있으며, 좋게는 상술한 적층 구조를 갖는 연료극 지지체형 단전지일 수 있다. A single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention may be one in which an air electrode current collection layer, an air electrode functional layer, a reaction prevention film, an electrolyte, an anode functional layer, and an anode support are sequentially laminated, preferably having the above-described laminated structure. It may be a fuel electrode support type single cell.
제조방법적인 측면에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 전해질, 연료극 기능층 및 연료극 지지체를 적층하여 연료극-전해질 소결체를 제조한 뒤, 연료극-전해질 소결체의 전해질면 상에 반응 방지막을 코팅 후 소결하여 반응 방지막 층을 형성하고, 반응 방지막층 상에 공기극 기능층 및 공기극 집전층을 연속 코팅하고 열처리하여 최종적으로 고체산화물 연료전지용 단전지를 제조할 수 있다. In terms of manufacturing method, a single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention manufactures an anode-electrolyte sintered body by stacking an electrolyte, an anode functional layer, and an anode support, and then reacts on the electrolyte surface of the anode-electrolyte sintered body. The anti-reaction film is coated and then sintered to form an anti-reaction film layer, and the air electrode functional layer and the air electrode current collection layer are continuously coated on the anti-reaction film layer and heat treated to finally manufacture a single cell for a solid oxide fuel cell.
상기 연료극-전해질 소결체는 전해질 성형 시트(sheet), 연료극 기능층 성형 시트 및 연료극 지지체 성형 시트를 개별로 제작하고, 이를 다시 적층 접합 시트로 제작 후, 1300 내지 1400 ℃에서 3 내지 10 시간 동안 소결하여 제조될 수 있으며, 이때 소결은 대기 중에서 수행될 수 있고, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는 한 소결은 대기 중에서 수행된 것으로 본다. The anode-electrolyte sintered body is manufactured by separately manufacturing an electrolyte molded sheet, an anode functional layer molded sheet, and an anode support molded sheet, which are then fabricated into a laminated bonded sheet, and then sintered at 1300 to 1400° C. for 3 to 10 hours. It can be manufactured, and in this case, sintering can be performed in air, and unless specifically limited in the present invention, sintering is considered to have been performed in air.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지에서 상기 연료극 기능층 및 연료극 지지체는 NiO 및 이트리아 안정화된 지르코니아(이하 YSZ라 함)를 포함할 수 있으며, 이때 이트리아 안정화된 지르코니아는 이트리아를 3 내지 10 몰% 포함할 수 있다. In a single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the anode functional layer and the anode support may include NiO and yttria-stabilized zirconia (hereinafter referred to as YSZ). In this case, yttria-stabilized zirconia is It may contain 3 to 10 mol% of tria.
구체적으로, 상기 연료극 지지체는 NiO 55 내지 70 중량% 및 잔부의 YSZ를 포함할 수 있으며, 상기 연료극 기능층은 NiO 50 내지 65 중량% 및 잔부의 YSZ를 포함할 수 있다. Specifically, the anode support may include 55 to 70% by weight of NiO and the balance of YSZ, and the anode functional layer may include 50 to 65% by weight of NiO and the balance of YSZ.
또한 전해질은 상기 이트리아 안정화된 지르코니아를 이용할 수 있으며, 구체적으로 이트리아를 8 내지 10 몰% 포함하는 이트리아 안정화된 지르코니아를 이용할 수 있다. Additionally, the electrolyte may use the yttria-stabilized zirconia, and specifically, yttria-stabilized zirconia containing 8 to 10 mol% of yttria may be used.
상기 반응 방지막은 상기 연료극-전해질 소결체의 전해질 상에 반응 방지막용 페이스트를 도포한 뒤 소결하여 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 반응 방지막은 하기 화학식 3의 화합물을 소결 첨가제로 포함하는 것을 특징으로 한다.The reaction prevention film can be manufactured by applying a reaction prevention film paste on the electrolyte of the fuel electrode-electrolyte sintered body and then sintering. Specifically, the reaction prevention film is characterized by including a compound of the following formula (3) as a sintering additive.
[화학식 3][Formula 3]
(La(1-m)Srm)nMnO3 (La (1-m) Sr m ) n MnO 3
화학식 3에서, m은 0.1 내지 0.5이며, n은 0 초과 0.98 이하, 좋게는 0.95 내지 0.98일 수 있다. 상기 화학식 3을 만족하는 소결 첨가제를 첨가하여 반응 방지막을 형성하는 경우, 반응 방지막에서도 전기화학 반응이 일어나 전지의 출력을 더욱 높일 수 있는 장점이 있다. In Formula 3, m is 0.1 to 0.5, and n may be greater than 0 and 0.98 or less, preferably 0.95 to 0.98. When an anti-reaction film is formed by adding a sintering additive that satisfies Formula 3 above, an electrochemical reaction occurs in the anti-reaction film, which has the advantage of further increasing the output of the battery.
상세하게는 상기 반응 방지막용 페이스트는 세리아계 복합 산화물을 베이스로 하여 상기 화학식 3의 화합물을 소결 첨가제로 포함할 수 있다. 이때 세리아계 복합 산화물은 하기 화학식 4를 만족할 수 있다.In detail, the paste for the reaction prevention film may be based on a ceria-based composite oxide and may include the compound of Formula 3 as a sintering additive. At this time, the ceria-based composite oxide may satisfy the following Chemical Formula 4.
[화학식 4][Formula 4]
RzCe(1-z)O(2-z/2) R z Ce (1-z) O (2-z/2)
화학식 4에서, R은 Gd, Sm, Y, Yb 및 Bi에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이며, z는 0.1 내지 0.2이다.In Formula 4, R is one or more selected from Gd, Sm, Y, Yb and Bi, and z is 0.1 to 0.2.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지에서 상기 반응 방지막은 세리아계 복합 산화물 : 화학식 3의 소결 첨가제를 100 : 7 내지 15, 좋게는 8 내지 12 중량비로 포함할 수 있으며, 화학식 3의 소결 첨가제 함량이 높아질 경우 반응 방지막은 치밀해지고 반대로 삼상계면 확보는 어려워지며 반대로, 화학식 3의 소결 첨가제 함량이 낮아질 경우도 삼상계면 확보가 어렵기 때문에 반응 방지막에서의 전기 화학반응이 발생하지 않아 전지의 출력이 낮아질 수 있다. 따라서 적정 첨가량과 적정 미세구조가 확보될 수 있는 공정 조건 확보가 매우 중요하다. In a single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the reaction prevention film may include ceria-based composite oxide: a sintering additive of Chemical Formula 3 in a weight ratio of 100:7 to 15, preferably 8 to 12, and Chemical Formula 3 When the sintering additive content of Formula 3 increases, the reaction prevention film becomes denser and, conversely, it becomes difficult to secure a three-phase interface. Conversely, when the sintering additive content of Formula 3 decreases, it is difficult to secure a three-phase interface, so the electrochemical reaction does not occur in the reaction prevention film, so the battery The output may be lowered. Therefore, it is very important to secure process conditions that can ensure an appropriate amount of addition and appropriate microstructure.
상기 반응 방지막용 페이스트는 1050 내지 1180 ℃의 소결온도에서 30분 내지 180분 동안 소결하여 제조될 수 있으며, 소결온도가 지나치게 높을 경우 삼상계면의 확보가 어려워 전기화학반응이 저하됨에 따라 고체산화물 연료전지의 출력 저하를 유발할 수 있다. 반대로 소결온도가 1050 ℃ 미만으로 낮을 경우 전해질 및 반응 방지막 계면의 계면 접합력 확보가 어려운 문제점이 있으며, 최종 공기극 열처리 온도가 1050℃임을 감안하면 그 이상의 소결 온도가 필요하다. The paste for the reaction prevention film can be manufactured by sintering at a sintering temperature of 1050 to 1180 ° C for 30 to 180 minutes. If the sintering temperature is too high, it is difficult to secure a three-phase interface, and the electrochemical reaction deteriorates, resulting in a solid oxide fuel cell. may cause a decrease in output. Conversely, if the sintering temperature is low below 1050°C, there is a problem in securing the interfacial bonding strength between the electrolyte and the anti-reaction film, and considering that the final cathode heat treatment temperature is 1050°C, a higher sintering temperature is required.
즉, 상기 반응 방지막용 페이스트를 1050 내지 1180 ℃의 소결온도에서 30분 내지 180분 동안 소결하는 경우 삼상 계면을 확보하여, 반응 방지막에서도 일부 전기화학 반응이 발생하며, 이는 단전지 전체의 출력 상승으로 이어질 수 있다. 그러나, 반응 방지막용 페이스트의 소결온도가 높을 경우, 이러한 전기화학 반응의 효과가 발생하기 어려운 한계가 있으며, 결과적으로 전기화학 반응에 따른 출력 상승 효과도 도모하기 어려운 한계가 있다. That is, when the paste for the anti-reaction film is sintered at a sintering temperature of 1050 to 1180 ° C. for 30 to 180 minutes, a three-phase interface is secured, and some electrochemical reaction occurs in the anti-reaction film, which increases the overall output of the unit cell. It can lead to However, when the sintering temperature of the anti-reaction film paste is high, there is a limit in which it is difficult for the effect of this electrochemical reaction to occur, and as a result, there is a limit in which it is difficult to achieve the effect of increasing output due to the electrochemical reaction.
상술한 바와 같이 연료극-전해질 소결체 상에 반응 방지막을 형성한 뒤, 상술한 공기극 기능층 및 공기극 집전 층을 연속으로 코팅하고 1000 내지 1100 ℃에서 60 내지 120 분간 열처리하여 최종적으로 고체산화물 연료전지용 단전지를 제조할 수 있다. After forming a reaction prevention film on the anode-electrolyte sintered body as described above, the above-mentioned air electrode functional layer and air electrode current collection layer are successively coated and heat treated at 1000 to 1100° C. for 60 to 120 minutes to finally produce a single cell for a solid oxide fuel cell. It can be manufactured.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 상술한 바와 같이 공기극이 Sr을 포함하지 않음으로써, 공기극에 포함된 Sr과 전해질에 포함된 Zr의 반응에 의한 이차상 생성을 원천적으로 차단할 수 있으며, 이에 따라 이차상 생성에 의한 출력 저하를 예방할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 상기 반응 방지막에 포함된 소결 첨가제에 의하여 반응 방지막에서도 추가적인 전기화학 반응이 발생함으로써, 본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지가 우수한 출력밀도를 갖는 특징이 있다. As described above, the unit cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention does not contain Sr in the air electrode, thereby fundamentally blocking the creation of secondary phases due to the reaction between Sr contained in the air electrode and Zr contained in the electrolyte. This has the advantage of preventing a decrease in output due to secondary phase generation. Furthermore, an additional electrochemical reaction occurs in the reaction prevention film due to the sintering additive included in the reaction prevention film, so that the single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention has the characteristic of having excellent power density.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 0.4 A/㎠의 전류밀도 조건에서 전압이 0.860 V이상, 좋게는 0.860 내지 0.900 V의 전압을 나타낼 수 있으며, 출력밀도가 0.350 W/cm2이상, 좋게는 0.350 내지 0.370 W/cm2의 출력밀도를 나타내는 특징이 있다. Specifically, the single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention can exhibit a voltage of 0.860 V or more, preferably 0.860 to 0.900 V, under a current density condition of 0.4 A/cm2, and has a power density of 0.350 W. It has the characteristic of exhibiting a power density of more than /cm 2 , preferably 0.350 to 0.370 W/cm 2 .
본 발명은 또한 고체산화물 연료전지를 제공하며, 본 발명에 의한 고체산화물 연료전지는 본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지를 적층 스택으로 제조된 것일 수 있다. 상기 고체산화물 연료전지용 단전지가 높은 출력을 나타냄으로써, 이를 상용 고체산화물 연료전지에 적용할 경우 상대적으로 적은 수의 단전지를 이용할 수 있으며, 이는 고체산화물 연료전지 생산 시 생산 단가를 현저히 낮추는 결과로 이어질 수 있다. The present invention also provides a solid oxide fuel cell, and the solid oxide fuel cell according to the present invention may be manufactured by stacking a single cell for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. Since the single cell for the solid oxide fuel cell exhibits high output, when applied to a commercial solid oxide fuel cell, a relatively small number of single cells can be used, which can lead to a significant reduction in the production cost when producing a solid oxide fuel cell. there is.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples and comparative examples. The examples below are only intended to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the examples below.
[실시예 1][Example 1]
아래 표 1과 같은 구성 요소 및 소재를 포함하는 연료극 지지체형 셀(ASC: Anode Supported Cell)로 제작하였다. It was manufactured as an anode supported cell (ASC) containing the components and materials shown in Table 1 below.
표 1의 전해질, 연료극 기능층, 연료극 지지체 성형 시트를 적층 접합 시트로 제작한 뒤, 이를 1350 ℃에서 6시간 동안 대기중에서 소결하여 동시 소결체로 제작한 후, 지름 20 ㎜의 원판형 시편으로 가공하였다. The electrolyte, anode functional layer, and anode support molded sheets in Table 1 were manufactured into laminated bonded sheets, which were then sintered in air at 1350°C for 6 hours to produce a co-sintered body, which was then processed into a disk-shaped specimen with a diameter of 20 mm. .
반응 방지막은 2종의 소재를 사용하였으며, ASC-1은 GYBC(Gd0.135Yb0.015Bi0.02Ce0.83O1.915) : Cobalt nitrate를 100:1의 중량비로 균일하게 혼합 한 후, 600 ℃에서 30 분간 열처리하여 제조된 복합 분말을 이용하였으며, ASC-2~3는 GYBC : LSM((La0.7Sr0.3)0.95MnO3)이 100 : 10의 중량비로 혼합된 복합 분말을 이용하였다. Two types of materials were used for the reaction prevention film, and ASC-1 was mixed uniformly with GYBC (Gd 0.135 Yb 0.015 Bi 0.02 Ce 0.83 O 1.915 ) and Cobalt nitrate at a weight ratio of 100:1 and then heat treated at 600 ° C for 30 minutes. The composite powder prepared was used, and ASC-2~3 used a composite powder in which GYBC:LSM ((La 0.7 Sr 0.3 ) 0.95 MnO 3 ) was mixed at a weight ratio of 100:10.
준비된 2종의 반응 방지막은 각각 스크린 프린팅용 페이스트로 제조한 후, 각각 전해질 표면에 코팅하였으며, ASC-1은 1250 ℃에서 2시간 동안 대기중에서 열처리 하였고, ASC-2는 1100 ℃, ASC-3은 1200 ℃에서 각각 2시간 동안 대기중에서 열처리 하였다. The two types of reaction prevention films prepared were each made with screen printing paste and then coated on the electrolyte surface. ASC-1 was heat treated in air at 1250 ℃ for 2 hours, ASC-2 was heat treated at 1100 ℃, and ASC-3 was heat treated at 1250 ℃ for 2 hours. Each was heat treated in air at 1200°C for 2 hours.
이후, 소결된 ASC 상에 표 1의 조성을 갖는 공기극 기능층 및 공기극 집전층을 연속 코팅하고 1050 ℃에서 90분간 대기 중에서 열처리하여 연료극 지지체형 셀을 제조하였다. 이때 공기극 기능층에 적용된 GDC20의 조성은 Gd0.2Ce0.8O1.9이다. Afterwards, an air electrode functional layer and an air electrode current collection layer having the compositions shown in Table 1 were continuously coated on the sintered ASC and heat treated in air at 1050° C. for 90 minutes to manufacture an anode support type cell. At this time, the composition of GDC20 applied to the air cathode functional layer is Gd 0.2 Ce 0.8 O 1.9 .
전지의 성능 확인Check battery performance
실시예 1에서 제조된 ASC-1 내지 ASC-3의 전지 성능을 비교평가하기 위하여 전지를 구동하였다. 구체적으로 작동 온도는 750 ℃이며, 수소는 분당 100 cc, 공기는 분당 200 cc로 공급하였으며, 전류밀도 증가에 따른 전압을 측정하여 출력밀도를 계산하였다. In order to compare and evaluate the battery performance of ASC-1 to ASC-3 prepared in Example 1, the batteries were operated. Specifically, the operating temperature was 750°C, hydrogen was supplied at 100 cc per minute, and air was supplied at 200 cc per minute, and the power density was calculated by measuring the voltage according to the increase in current density.
도 1은 전류밀도에 따른 셀 전압 및 출력밀도를 비교하여 도시한 결과이며, 하기 표 2 및 도 2는 0.4 A/㎠의 전류밀도 조건에서 셀의 전압과 출력밀도를 비교하고 이를 정리한 것이다. Figure 1 shows the results of comparing cell voltage and output density according to current density, and Table 2 and Figure 2 below compare and summarize the cell voltage and output density under a current density condition of 0.4 A/cm2.
도 1, 2 및 표 2를 참고하면, ASC-2가 가장 높은 성능을 나타내며, ASC-3가 가장 낮은 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 이는 ASC-2의 반응 방지막에서 추가적인 계면반응이 일어난 것으로 볼 수 있으며, ASC-3의 경우 열처리 온도로 인하여 반응 방지막에서의 추가적인 계면반응이 저하된 결과로 볼 수 있다. Referring to Figures 1, 2 and Table 2, it can be seen that ASC-2 shows the highest performance and ASC-3 shows the lowest performance. This can be seen as an additional interfacial reaction occurring in the reaction prevention film of ASC-2, and in the case of ASC-3, it can be seen as a result of a decrease in additional interfacial reaction in the reaction prevention film due to the heat treatment temperature.
위 실험 결과를 바탕으로 볼 때, 공기극 면적이 100㎠인 스택 제작용 셀을 이용하여 1MW급의 고체산화물 연료전지를 제조한다고 가정하면, ASC-2의 경우에는 셀 출력이 35.3W(0.353W/cm2×100㎠)로서 1MW급의 고체산화물 연료전지를 제조하는 경우 28,330 장의 셀이 필요하다. 같은 방법으로 ASC-3으로 1MW급의 고체산화물 연료전지를 제조하는 경우 필요한 셀은 30,030 장으로, ASC-2 대비 약 1,700 장의 셀이 더 필요한 것을 확인할 수 있다. 셀 1장당 가격을 10만원으로 가정한다면, ASC-2가 ASC-3 대비 고체산화물 연료전지의 제작단가를 약 1.7억원 절감할 수 있는 장점이 있다. Based on the above experimental results, assuming that a 1MW solid oxide fuel cell is manufactured using a stack manufacturing cell with an air electrode area of 100㎠, in the case of ASC-2, the cell output is 35.3W (0.353W/ When manufacturing a 1MW solid oxide fuel cell (cm 2 × 100㎠), 28,330 cells are required. In the same way, when manufacturing a 1MW solid oxide fuel cell with ASC-3, the required number of cells is 30,030, which means that about 1,700 more cells are needed compared to ASC-2. Assuming the price per cell is 100,000 won, ASC-2 has the advantage of reducing the manufacturing cost of solid oxide fuel cells by about 170 million won compared to ASC-3.
도 3은 평가를 마친 3종의 셀의 단면을 주사전자현미경을 이용하여 미세구조를 분석하고 이를 도시한 것이다. 도 3을 참고하면 동일한 조건에서 열처리를 수행한 공기극 기능층과 전해질은 비슷한 미세구조를 보임을 확인할 수 있다. 반면 반응방지막의 경우 더욱 높은 온도에서 열처리한 ASC-3의 치밀도가 ASC-2보다 높은 것을 확인할 수 있다. Figure 3 shows the microstructure of the cross-sections of the three types of cells that were evaluated using a scanning electron microscope. Referring to Figure 3, it can be seen that the air cathode functional layer and electrolyte that were heat treated under the same conditions showed similar microstructures. On the other hand, in the case of the reaction prevention film, it can be seen that the density of ASC-3, which was heat-treated at a higher temperature, is higher than that of ASC-2.
반응 방지막의 치밀도가 높을수록 셀 저항은 감소하여 높은 출력밀도를 나타내야 하지만, ASC-2 및 ASC-3의 경우 반대의 결과를 나타내며, ASC-2의 경우 상대적으로 반응 방지막의 치밀도가 낮지만 반응 방지막에서 삼상계면 확보에 유리하여 반응 방지막에서도 추가적인 전기화학 반응이 발생하여 높은 출력 밀도를 나타낸 것으로 볼 수 있다. The higher the density of the anti-reaction film, the lower the cell resistance should be, resulting in higher power density. However, in the case of ASC-2 and ASC-3, the opposite result is shown, and in the case of ASC-2, the density of the anti-reaction film is relatively low. It can be seen that it is advantageous to secure a three-phase interface in the anti-reaction film, so additional electrochemical reactions occur in the anti-reaction film, resulting in high power density.
Claims (8)
[화학식 1]
LaNixFeyCu(1-x-y)O3
(화학식 1에서, x는 0.4 내지 0.7, y는 0.2 내지 0.4이며, (1-x-y)는 0 초과 0.2 이하이다.)A single cell for a solid oxide fuel cell including an air electrode containing a compound of the following formula (1).
[Formula 1]
LaNi x Fe y Cu (1-xy) O 3
(In Formula 1, x is 0.4 to 0.7, y is 0.2 to 0.4, and (1-xy) is greater than 0 and less than or equal to 0.2.)
상기 공기극은 Sr을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단전지. According to clause 1,
A single cell for a solid oxide fuel cell, characterized in that the air electrode does not contain Sr.
상기 고체산화물 연료전지용 단전지는 상기 공기극과 전해질 계면에 Sr을 포함하는 이차상이 생성되지 않는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단전지.According to clause 2,
The single cell for a solid oxide fuel cell is characterized in that a secondary phase containing Sr is not generated at the interface between the air electrode and the electrolyte.
상기 공기극은 공기극 집전층 및 공기극 기능층을 포함하는 고체산화물 연료전지용 단전지. According to clause 1,
The air electrode is a single cell for a solid oxide fuel cell including an air electrode current collection layer and an air electrode functional layer.
상기 공기극 기능층은 상기 화학식 1의 화합물 및 하기 화학식 2의 Re 도핑된 세리아를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단전지.
[화학식 2]
ReaCe(1-a)Ob
(화학식 2에서, Re=Gd, Sm 및 Y에서 선택되는 하나 또는 둘 이상, a는 0.1 내지 0.2이고, b는 1.9 이상 1.95 미만이다.)According to clause 4,
A single cell for a solid oxide fuel cell, wherein the cathode functional layer includes the compound of Formula 1 and Re-doped ceria of Formula 2 below.
[Formula 2]
Re a Ce (1-a) O b
(In Formula 2, Re=Gd, one or two or more selected from Sm and Y, a is 0.1 to 0.2, and b is 1.9 or more and less than 1.95.)
상기 고체산화물 연료전지용 단전지는 공기극 집전층, 공기극 기능층, 반응 방지막, 전해질, 연료극 기능층 및 연료극 지지체가 순차로 적층된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단전지.According to clause 4,
The single cell for a solid oxide fuel cell is characterized in that an air electrode current collection layer, an air electrode functional layer, a reaction prevention film, an electrolyte, an anode functional layer, and an anode support are sequentially stacked.
상기 반응 방지막은 하기 화학식 3의 화합물을 소결 첨가제로 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 단전지.
[화학식 3]
(La(1-m)Srm)nMnO3
(화학식 3에서, m은 0.1 내지 0.5이며, n은 0 초과 0.98 이하이다.)According to clause 5,
A single cell for a solid oxide fuel cell, characterized in that the reaction prevention film includes a compound of the following formula (3) as a sintering additive.
[Formula 3]
(La (1-m) Sr m ) n MnO 3
(In Formula 3, m is 0.1 to 0.5, and n is greater than 0 and less than or equal to 0.98.)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20220302 |
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| PA0201 | Request for examination | ||
| PG1501 | Laying open of application | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20240919 Patent event code: PE09021S01D |
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| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20250512 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D |