KR100898219B1 - Porous nano composite powder, method of fabricating thereof, solid oxide fuel electrode and fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다공성 나노 복합분말, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 고체산화물 연료극 및 연료전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말은 세라믹 분말 표면에 나노 결정립 금속 산화물이 다공성 코팅된 것으로서, 상기 다공성 나노 복합분말을 이용하여 제조한 전극은 기공 형성제를 사용하지 않아도 충분한 기공율을 확보할 수 있으며, 구성 성분의 분포가 균질하고 전극 비표면적 및 삼상계면의 확장으로 전기전도도 및 가스투과도가 우수하여 전지 성능의 향상 및 재현성이 우수하다.The present invention relates to a porous nano composite powder, a method of manufacturing the same, and a solid oxide anode and a fuel cell using the same. Porous nanocomposite powder according to the present invention is a nano-coated metal oxide coated on the surface of the ceramic powder, the electrode prepared using the porous nanocomposite powder can secure sufficient porosity without using a pore former, The homogeneous distribution of components and the expansion of the electrode specific surface area and three-phase interface provide excellent electrical conductivity and gas permeability, resulting in improved battery performance and reproducibility.
Description
도 1은 본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.1 is a flow chart showing a method of manufacturing a porous nanocomposite powder according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말의 구조를 개략적으로 나타낸 도이다((a) 단일 복합분말(single composite powder, (b) 이종 복합분말(dual composite powder)).Figure 2 is a schematic view showing the structure of the porous nano composite powder according to the present invention ((a) single composite powder, (b) hetero composite powder).
도 3은 본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 도이다.3 is a view of the porous nano-composite powder according to the present invention with a scanning electron microscope (SEM).
도 4는 본 발명에 따른 고체산화물 Ni-YSZ 연료극(anode)의 미세구조를 광학현미경(Optical microscope) 및 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 도이다4 is a view illustrating the microstructure of the solid oxide Ni-YSZ anode according to the present invention with an optical microscope and a scanning electron microscope (SEM).
((a) : 광학 이미지 (금속 : 흰색, 세라믹 분말 : 회색, 기공 : 검정색),((a): optical image (metal: white, ceramic powder: gray, pore: black),
(b) : 주사전자현미경 이미지).(b): scanning electron microscope image).
도 5a는 본 발명에 따른 고체산화물 연료극을 박편으로 가공한 후 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 도이고,Figure 5a is a diagram observed after transmission of a solid oxide fuel electrode according to the invention with a thin film, the transmission electron microscope (TEM),
도 5b는 도 5a의 EDX point 부위를 에너지분포엑스레이로 분석한 도이다(니 켈 및 YSZ가 유사한 비율로 존재함).FIG. 5B is a diagram of an energy distribution X-ray of the EDX point region of FIG. 5A (nickel and YSZ are present in a similar ratio).
도 6은 본 발명에 따른 고체산화물 연료극의 소결 온도에 따른 기공율과 선수축율을 나타낸 도이다.Figure 6 is a view showing the porosity and the shrinkage rate according to the sintering temperature of the solid oxide fuel electrode according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 고체산화물 연료극의 열주기 및 산화/환원 주기에 따른 전기전도도의 변화를 나타낸 도로서,7 is a view showing a change in electrical conductivity according to the heat cycle and oxidation / reduction cycle of the solid oxide fuel electrode according to the present invention,
도 7a는 열주기 시험 및 산화환원 시험 조건을 나타낸 도이고,Figure 7a is a diagram showing the heat cycle test and redox test conditions,
도 7b는 열주기 및 산화환원 시험에 의한 전극의 전기전도도 변화를 나타낸 도이다.Figure 7b is a diagram showing the electrical conductivity change of the electrode by the heat cycle and redox test.
도 8은 800℃의 운전조건에서 100시간 이상의 유지시간에 따른 본 발명의 고체산화물 연료전지의 I-V 커브 상의 0.7V 기전력 값에 해당하는 전류밀도 값과 임피던스 분석을 통해 측정한 저항 값을 나타낸 도이다.FIG. 8 is a diagram illustrating current density values corresponding to 0.7 V electromotive force values on an IV curve of a solid oxide fuel cell of the present invention according to a holding time of 100 hours or more at 800 ° C., and resistance values measured through impedance analysis. .
도 9는 온도에 따른 본 발명의 고체산화물 연료전지(구성요소 : 양극 (LSM+YSZ) / 전해질 (YSZ) / 전극 (EDC: 본 발명의 복합분말을 이용하여 제조한 전극))의 I-V 커브를 나타낸 도이다.9 is an IV curve of a solid oxide fuel cell of the present invention (components: anode (LSM + YSZ) / electrolyte (YSZ) / electrode (EDC: electrode prepared using the composite powder of the present invention) according to the temperature. The figure shown.
도 10은 800℃에서 1.0 A/㎠의 전자 부하 조건에서 본 발명의 고체산화물 연료전지의 550 시간 이상 장기 성능 안정성을 평가한 도이다.FIG. 10 is a diagram evaluating long-term performance stability of the solid oxide fuel cell of the present invention at 800 ° C. under an electronic load condition of 1.0 A /
본 발명은 다공성 나노 복합분말, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 고체산화 물 연료극 및 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a porous nano composite powder, a method for manufacturing the same, and a solid oxide anode and a fuel cell using the same.
고체산화물 연료전지는 600~1000℃ 범위의 고온에서 작동되는 연료전지로서 기존의 연료전지 가운데 효율이 가장 높고 공해가 가장 적으며, 연료개질기를 필요로 하지 않고, 복합발전이 가능하다는 여러 장점을 지니고 있다.A solid oxide fuel cell is a fuel cell operating at a high temperature in the range of 600 to 1000 ° C. It has the advantages of being the most efficient, the least polluting, without the need for a fuel reformer, and the combined power generation. have.
고체산화물 연료전지의 대표적인 연료극 물질로 사용되는 니켈(nickel)과 이트리아 안정화 지르코니아(Y2O3-stabilized ZrO2, 이하 'YSZ'라 함)는 고온의 환원 분위기에서 안정한 것으로 알려져 있다. 그러나, 고온에서 장기간 사용할 경우 니켈의 표면확산에 의한 응집 및 구조적인 변이가 일어날 수 있으며, 열주기에 취약하여 산화·환원 분위기에 반복적으로 노출될 경우 전극 구조가 손상되는 문제가 발생한다. 또한, YSZ 망상구조가 효율적으로 연결되지 않을 경우 이러한 문제는 더욱 심각하게 발생할 수 있다. 이러한 전극구조는 성형 방법이나 전극 물질에 따라 큰 차이를 보일 수 있으며, 일반적으로 50 wt% 이상의 YSZ를 첨가할 경우 니켈-YSZ (cermet) 전극 내에 YSZ 망상구조가 효율적으로 형성된다.Nickel and yttria stabilized zirconia (Y 2 O 3 -stabilized ZrO 2 , hereinafter referred to as YSZ), which are used as representative anode materials of solid oxide fuel cells, are known to be stable in a high temperature reducing atmosphere. However, long-term use at high temperature may cause coagulation and structural variation due to surface diffusion of nickel, and may be vulnerable to heat cycles, and thus, the electrode structure may be damaged when repeatedly exposed to an oxidizing / reducing atmosphere. In addition, this problem may occur more seriously if the YSZ network is not connected efficiently. The electrode structure may show a great difference depending on the molding method and the electrode material. In general, when YSZ or more is added in an amount of 50 wt% or more, the YSZ network structure is efficiently formed in the nickel-YSZ (cermet) electrode.
고온의 고체산화물 연료전지 작동 분위기 하에서 장기간 운전할 경우 전극 내 니켈 입자의 구조적 변이는 삼상계 면적을 축소하여 전지 성능을 감소시키게 된다. 이러한 니켈입자의 소결 현상은 니켈 및 YSZ 입자 크기/분포 및 상호 젖음성(wettability)에 의해 영향을 받게 되며, 일반적으로 니켈 함량이 많을 경우 소결이 많이 진행된다. 이러한 니켈과 YSZ의 망상구조에 의해, 전극반응을 통해 생성된 전자와 이온의 전도가 이루어진다. 따라서 전극의 성능은 다공성 미세구조에 큰 영향을 받게 된다.When operating for a long time in a high temperature solid oxide fuel cell operating atmosphere, the structural variation of nickel particles in the electrode reduces the three-phase system area to reduce battery performance. The sintering phenomenon of the nickel particles is affected by the nickel and YSZ particle size / distribution and mutual wettability, and in general, when the nickel content is high, the sintering proceeds a lot. Due to the network structure of nickel and YSZ, electrons and ions generated through the electrode reaction are conducted. Therefore, the performance of the electrode is greatly affected by the porous microstructure.
고체산화물 연료전지에서 지지체로 사용되는 연료극은 구조적인 물성과 함께 전기 화학적인 물성을 만족시켜야 하는 매우 중요한 요소 부품이다. 상기한 연료극에서 요구되는 물성을 살펴보면, 기계적 강도, 전기전도도, 기체투과도, 전기 화학적 활성 등을 들 수 있다. 따라서, 이와 같은 물성들을 동시에 만족시키기 위하여, 연료극은 이온 전도성 산화물과 전기 화학적 활성을 가지면서도 전기전도도가 우수한 금속, 및 기체의 전달을 위한 기공으로 이루어진 삼상 복합재료이어야 한다.The anode used as a support in a solid oxide fuel cell is a very important component that must satisfy the electrochemical properties along with structural properties. Looking at the physical properties required in the fuel electrode, mechanical strength, electrical conductivity, gas permeability, electrochemical activity and the like can be mentioned. Therefore, in order to satisfy these properties simultaneously, the anode must be a three-phase composite material consisting of an ion conductive oxide, a metal having electrochemical activity and excellent electrical conductivity, and pores for gas delivery.
가장 대표적인 연료극 조성의 예는 다공성 Ni-YSZ(Yttria Stabilized Zirconia) 금속-세라믹 복합체(cermet)에서 찾을 수 있다. 이 경우 NiO와 YSZ의 혼합 분말을 성형하거나, 추가적인 기공을 확보하기 위하여 기공형성제로서 고상 전구체 분말을 첨가하는 것이 널리 알려져 있다.An example of the most representative anode composition can be found in the porous Yttria Stabilized Zirconia (Ni-YSZ) metal-ceramic composite (cermet). In this case, it is widely known to form a mixed powder of NiO and YSZ, or to add a solid precursor powder as a pore forming agent to secure additional pores.
일반적으로, 고체산화물 연료전지의 연료극은 압출 성형법(미국특허 6,248,468호와 대한민국등록특허 제 10-0344936호) 및 테이프 캐스팅법(미국특허 5,922,486호)으로 제조하는 것이 알려져 있다. 상기 압출 성형법과 테이프 캐스팅 법은 대면적화 및 양산이 용이하다는 장점이 있으며, 일반적으로 다른 기능성 층 및 구성요소(예를 들어, 전해질)의 형성이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 캐스팅용 슬러리 및 압출용 반죽 제조를 위해 많은 유기물이 첨가되어야 하며, 다공성 Ni-YSZ 전극을 제조하기 위하여 거대 입자를 첨가하거나 기공형성제(예를 들어, 카본, 그라파이트, 전분, 수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등)를 첨가해야 하므로, 전극의 기공형상, 분포 및 연결도에 대한 조절이 어려우며 불순물 혼입에 대한 문제가 발생하고 균질한 미세구조를 구현하기 어렵다는 단점이 있다.In general, it is known that the anode of a solid oxide fuel cell is manufactured by extrusion molding (US Pat. No. 6,248,468 and Korean Patent No. 10-0344936) and tape casting (US Pat. No. 5,922,486). The extrusion method and the tape casting method have the advantage of easy large area and mass production, and generally have the advantage of easily forming other functional layers and components (for example, electrolytes). However, many organics have to be added for the production of casting slurry and extrusion dough, and large particles or pore-forming agents (e.g. carbon, graphite, starch, resin, polymethyl) can be added to produce porous Ni-YSZ electrodes. Since methacrylate (PMMA), etc. must be added, it is difficult to control the pore shape, distribution, and connectivity of the electrode, and there are problems in that impurities are mixed and it is difficult to realize a homogeneous microstructure.
또한, 미국특허 4,023,979호 및 대한민국등록특허 제 10-0534764호에는 연료극 분말의 과립을 제조하여 이를 열간 압축 성형하여 전극을 제조하는 방법이 기재되어 있다. 상기 분말 과립화 및 압축성형을 이용하여 제조한 전극은 기공연결도 및 전기전도도가 높고 대면적화가 가능하다는 장점이 있으나, 분말 합성시 페놀 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리비닐알콜 수지 및 아크릴계 수지와 같은 독성이 매우 강한 발암 물질을 다량 사용해야 한다는 단점을 가지고 있다.In addition, US Patent No. 4,023,979 and Republic of Korea Patent No. 10-0534764 describes a method for producing an electrode by producing granules of anode powder and hot compression molding it. The electrode manufactured by using the powder granulation and compression molding has the advantage that the pore connection and the electrical conductivity are high and the large area is possible, but when synthesizing the powder, such as phenol resin, polyester resin, polyvinyl alcohol resin and acrylic resin It has the disadvantage of using a large amount of highly toxic carcinogens.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결한, 균질하게 미세구조를 구현할 수 있는 고체산화물 연료전지용 연료극에 대한 필요성이 요구되고 있다.Accordingly, there is a need for a solid oxide fuel cell anode capable of realizing a homogeneous microstructure that solves the above problems.
이에, 본 발명자들은 균질하게 미세구조를 구현할 수 있는 고체산화물 연료전지용 연료극에 대하여 연구하던 중, 간단하면서도 적은 시간과 적은 비용으로 환경 친화적인 수계 공정을 이용하여 YSZ 입자에 나노 결정립의 금속 산화물을 다공성 코팅함으로써 다공성 나노 복합분말을 제조하였으며, 상기 다공성 나노 복합분말을 이용하여 제조한 고체산화물 연료극 및 연료전지가 기공형성제를 사용하지 않고서도 높은 기공율, 균질도, 전기전도도 및 기체투과도를 나타내어 성능 및 내구성이 우수함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.Therefore, while the present inventors are studying the anode for a solid oxide fuel cell that can realize a homogeneous microstructure, the porous metal oxide of the nano-crystal grains in the YSZ particles by using an environmentally friendly water-based process for a simple, low time and low cost A porous nanocomposite powder was prepared by coating, and the solid oxide fuel electrode and the fuel cell prepared by using the porous nanocomposite powder exhibit high porosity, homogeneity, electrical conductivity and gas permeability without using a pore-forming agent. It confirmed that the durability is excellent and completed the present invention.
본 발명은 다공성 나노 복합분말 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention is to provide a porous nano-composite powder and a preparation method thereof.
또한, 본 발명은 상기 다공성 나노 복합분말을 이용하여 제조한 고체산화물 연료극을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a solid oxide anode prepared by using the porous nano-composite powder.
또한, 본 발명은 상기 고체산화물 연료극을 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a fuel cell comprising the solid oxide fuel electrode.
본 발명은 세라믹 분말 표면에 나노 결정립 금속 산화물이 다공성 코팅되어 있는 다공성 나노 복합분말을 제공한다.The present invention provides a porous nanocomposite powder having a nanocrystalline metal oxide porous coated on the surface of a ceramic powder.
또한, 본 발명은In addition, the present invention
1) 증류수에 금속염을 녹여 분산시키는 단계;1) dissolving and dispersing a metal salt in distilled water;
2) 상기 금속염이 분산된 수계 용액에 유기산 및 다가 알콜을 첨가하는 단계;2) adding an organic acid and a polyhydric alcohol to the aqueous solution in which the metal salt is dispersed;
3) 상기 2)단계에서 제조된 용액에 세라믹 분말을 첨가하는 단계;3) adding a ceramic powder to the solution prepared in step 2);
4) 상기 3)단계에서 제조된 용액을 열처리하여 레진을 형성하고 탄화시키는 단계;4) heat-treating the solution prepared in step 3) to form a resin and carbonize it;
5) 상기 탄화된 레진을 하소하는 단계; 및5) calcining the carbonized resin; And
6) 상기 하소된 분말을 밀링 및 건조하는 단계를 포함하는 다공성 나노 복합분말의 제조방법을 제공한다.6) provides a method for producing a porous nanocomposite powder comprising milling and drying the calcined powder.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말은 금속염이 분산된 수계 용액에 유기산 및 다가 알콜을 첨가하여 폴리머 레진을 형성한 후, 여기에 세라믹 분말을 첨가/분산하여 세라믹 분말 표면에 상기 금속염으로부터 결정화된 나노 결정립 금속 산화물이 다공성 코팅되도록 하여 제조된 것을 특징으로 한다.In the porous nanocomposite powder according to the present invention, a polymer resin is formed by adding an organic acid and a polyhydric alcohol to an aqueous solution in which a metal salt is dispersed, and then ceramic powder is added / dispersed to the nanocrystal grains crystallized from the metal salt on the surface of the ceramic powder. It is characterized in that the metal oxide is prepared by the porous coating.
상기 금속염은 니켈, 구리, 지르코늄, 이트륨, 세륨, 가돌리늄 등 당해 분야에서 고체연료전지의 전극 제조에 사용되는 다양한 금속의 염을 포함하며, 단일 금속염 또는 2 이상의 다종 금속염을 사용할 수 있다. 바람직한 다종 금속염으로는 니켈-니트레이트·헥사하이드레이트(nickel-nitrate·hexahydrate), 지르코닐-니트레이트·하이드레이트(zirconyl-nitrate·hydrate) 및 이트리움-니트레이트·헥사하이드레이트(yttrium-nitrate·hexahydrate); 니켈-니트레이트·헥사하이드레이트(nickel-nitrate·hexahydrate), 가돌리늄-니트레이트·하이드레이트(gadolinium-nitrate·hydrate) 및 세륨-니트레이트·헥사하이드레이트(cerium-nitrate·hexahydrate); 및 구리-니트레이트·헥사하이드레이트(copper-nitrate·hexahydrate), 가돌리늄-니트레이트·하이드레이트(gadolinium-nitrate·hydrate) 및 세륨-니트레이트·헥사하이드레이트(cerium-nitrate·hexahydrate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 다종 금속염의 조합을 사용할 수 있으며, 본 발명은 이들 특정 그룹의 다종 금속염의 사용에만 제한되는 것은 아니다.The metal salt includes nickel, copper, zirconium, yttrium, cerium, gadolinium and the like, and salts of various metals used in the production of electrodes for solid fuel cells in the art, and a single metal salt or two or more metal salts may be used. Preferred multi-metal salts include nickel-nitrate hexahydrate, zirconyl-nitrate hydrate and yttrium-nitrate hexahydrate. ; Nickel-nitrate hexahydrate, gadolinium-nitrate hydrate, and cerium-nitrate hexahydrate; And copper-nitrate hexahydrate, gadolinium-nitrate hydrate, and cerium-nitrate hexahydrate. Combinations of multiple metal salts can be used and the invention is not limited to the use of these specific groups of multi-metal salts.
상기 유기산은 구연산, 아세트산, 부티르산, 팔미트산, 옥살산 및 타르타르산 등이 있으며, 바람직하게는 구연산이다.The organic acid includes citric acid, acetic acid, butyric acid, palmitic acid, oxalic acid and tartaric acid, and preferably citric acid.
상기 다가 알콜은 글린세린, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜, 소르비톨, 디프로필렌글리콜 등이 있으며, 바람직하게는 에틸렌글리콜이다.The polyhydric alcohols include glycerin, ethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, sorbitol, dipropylene glycol, and the like, and preferably ethylene glycol.
상기 세라믹 분말 또한 당해 분야에서 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 또는 가돌리늄이 도포된 세리아(GDC) 등이 특히 바람직하게 사용될 수 있다.The ceramic powder may also be used in the art, and yttria stabilized zirconia (YSZ) or gerialin coated ceria (GDC) may be particularly preferably used in the present invention.
본 발명의 다공성 나노 복합분말의 제조방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the method for preparing the porous nanocomposite powder of the present invention will be described in detail.
상기 2)단계 및 3)단계는 각각 50~90℃, 바람직하게는 60℃에서 1시간 동안 교반하여 이루어질 수 있다.Steps 2) and 3) may be performed by stirring at 50 ° C. to 90 ° C., preferably at 60 ° C. for 1 hour.
상기 4)단계는 180~250℃에서 2~6시간, 바람직하게는 4시간 동안 열처리하여 폴리머 레진을 형성하고, 탄화처리하는 단계로 이루어진다.Step 4) is a step of heat-treating at 180 ~ 250 ℃ for 2-6 hours, preferably 4 hours to form a polymer resin, and carbonization.
상기 5)단계는 400~800℃에서, 바람직하게는 600℃에서 1시간 동안 하소처리하여 이루어진다.Step 5) is performed by calcination for 1 hour at 400 ~ 800 ℃, preferably at 600 ℃.
본 발명에 따른 상기 폴리머 레진을 이용한 복합분말의 제조방법은 (1) 킬레이트화(chelation) 반응과, (2) 폴리에스테르화(polyesterification) 반응을 기본적인 화학반응으로 이용한다. 킬레이트화 반응은 금속염 수용액 상의 금속 양이온과 유기산 간의 결합으로 이루어지며, 폴리에스테르화 반응은 유기산과 다가 알콜 간의 에스테르화 반응 및 축·중합 반응을 이용한 공정이다. 유기산과 다가 알콜의 몰비에 따라 폴리머 레진이 180~250℃에서 형성되어 탄화하며, 400~800℃에서 하소한다. 이때, 유기산으로는 구연산, 다가 알콜로는 에틸렌 글리콜을 사용하며, 유기산 : 다가 알콜의 몰비는 약 1:3~6, 바람직하게는 약 1:4 정도가 적당하다. 레진이 겔화영역에 도달하면 발열 피크가 나타나는데, 이는 폴리머 겔(polymeric gel)의 격렬한 연소를 의미하며, 대략 400℃에서 일어난다. 이 같은 현상으로 180℃로 건조 후 크게 부풀어 오르고 다공성 미세조직을 갖는 폴리머 레진이 형성된다. 이때, 반응액에 존재하던 기타 유기물들은 탄화반응(charring; 차르화 반응) 및 하소 단 계에서 태워져 분해된다. 따라서, 유기물이 분해되고 다공성 미세조직을 갖는 금속염의 결정립들만이 세라믹 분말 표면상에 접합된다.In the method for producing a composite powder using the polymer resin according to the present invention, (1) chelation reaction and (2) polyesterification reaction are used as basic chemical reactions. The chelation reaction consists of a bond between a metal cation on an aqueous metal salt solution and an organic acid, and the polyesterification reaction is a process using an esterification reaction between a organic acid and a polyhydric alcohol and a condensation polymerization reaction. According to the molar ratio of organic acid and polyhydric alcohol, polymer resin is formed and carbonized at 180-250 ° C, and calcined at 400-800 ° C. At this time, citric acid is used as the organic acid and ethylene glycol is used as the polyhydric alcohol, and a molar ratio of organic acid: polyhydric alcohol is about 1: 3 to 6, preferably about 1: 4. When the resin reaches the gelation zone, an exothermic peak appears, which means vigorous burning of the polymeric gel, which occurs at approximately 400 ° C. As a result of this phenomenon, a polymer resin having a large swelling and porous microstructure after drying at 180 ° C. is formed. At this time, other organic substances present in the reaction solution are burned and decomposed at the charring and calcination stages. Thus, only the crystal grains of the metal salt with organic matter decomposed and having a porous microstructure are bonded onto the ceramic powder surface.
탄화된 후 잔량의 유기물은 분말의 하소단계에서 불꽃을 일으키며 타서 없어지게 되는데, 이 과정에서 부분적으로 응집이 발생하기도 한다. 적정 양의 물은 초기에 금속 양이온과 유기산이 균질하게 혼합되는 것을 도와주며, 대략 1 mol의 폴리머 겔에 75~200cc의 물이 적당하며, 바람직하게는 150cc의 물이 적당하다. 만약 초기에 과량의 물이 함유되면 오븐이 예열되기 전에 탄화 온도에서 수용액 상태의 혼합물이 급격하게 가열되어 격렬하게 물이 증발된다. 또한 초기에 소량의 물이 함유되면 (75 cc/mol 이하) 반응물이 불균질하게 혼합되어 응집체가 형성될 수 있다.After carbonization, the remaining amount of organic matter is burned away by ignition in the calcination step of the powder, and in this process, partial aggregation occurs. The appropriate amount of water initially helps to homogeneously mix the metal cation with the organic acid, 75-200 cc of water is suitable for approximately 1 mol of polymer gel, preferably 150 cc of water. If initially containing excess water, the mixture in aqueous solution is heated rapidly at the carbonization temperature before the oven is preheated, causing the water to evaporate violently. In addition, when a small amount of water is initially contained (75 cc / mol or less), the reactants may be mixed heterogeneously to form aggregates.
상기와 같이 형성된 다공성 나노 결정립 금속 산화물이 코팅/접합된 세라믹 분말을 상기 6)단계에서와 같이 밀링 및 건조 단계를 거침으로써, 본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말로 제조된다.The ceramic powder coated / bonded with the porous nanocrystalline metal oxide formed as described above is subjected to milling and drying as in step 6), thereby preparing a porous nanocomposite powder according to the present invention.
본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말은 첨가된 산화물과 금속염의 종류 및 조성에 따라 다양하게 제조될 수 있다. 예를 들어, (1) 단일 금속염, (2) 원자특성(전기음성도, 원자크기, 전자가 등)이 유사한 원소를 함유하는 다종 금속염, 및 (3) 원자특성이 상이한 다종 금속염을 각각 출발물질로 사용하여, (1') 나노 크기의 단일 금속 산화물이 세라믹 분말 표면에 접합된 복합분말, (2') 나노 크기의 고용체(solid solution)가 세라믹 분말 표면에 접합된 복합분말, 및 (3') 나노 크기의 여러 금속 산화물이 혼합물 형태로 세라믹 분말 표면에 접합된 복합분말을 제조할 수 있다. 상기 고용체란 원자특성(전기음성도, 원자크기, 전자가 등)이 유사한 원소를 함유하는 다종 금속 산화물을 고온에서 열처리하면, 유사한 특성을 갖는 다종 금속 산화물이 고상반응(solid-state reaction)에 의하여 분자 또는 원자 범위에서 균질화된 하나의 금속 산화물 형태를 형성한 것을 의미한다.Porous nanocomposite powder according to the present invention can be prepared in various ways depending on the type and composition of the added oxide and metal salt. For example, (1) a single metal salt, (2) a multi-metal salt containing elements with similar atomic characteristics (electronegativeness, atomic size, electron valence, etc.), and (3) a multi-metal salt with different atomic characteristics may be used as starting materials. Composite powder wherein (1 ') nano size single metal oxide is bonded to ceramic powder surface, (2') nano powder solid solution is bonded to ceramic powder surface, and (3 ' ) It is possible to prepare a composite powder in which several nano-sized metal oxides are bonded to the ceramic powder surface in the form of a mixture. When the solid solution is heat treated at a high temperature of a multi-metal oxide containing an element having similar atomic characteristics (electronegativity, atomic size, electron valence, etc.), the multi-metal oxide having similar characteristics may be formed by a solid-state reaction. It means the formation of one metal oxide form homogenized in the molecular or atomic range.
따라서, 본 발명의 구체적 실시예에서 제조한 바와 같이, 단일 금속염으로 니켈 산화물만을 사용한 경우 세라믹 분말 표면에 니켈 산화물의 나노 입자가 다공성 형태로 접합된다. 또한 다종 금속염으로 니켈-니트레이트·헥사하이드레이트, 지르코닐-니트레이트·하이드레이트, 및 이트리움-니트레이트·헥사하이드레이트를 사용한 경우 세라믹 분말 표면에 니켈산화물(NiO)과 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ)의 비정질 형태의 나노 입자들이 다공성 형태로 접합된다.Therefore, as prepared in the specific example of the present invention, when only nickel oxide is used as the single metal salt, nanoparticles of nickel oxide are bonded to the ceramic powder surface in a porous form. In addition, amorphous metals of nickel oxide (NiO) and yttrium stabilized zirconia (YSZ) on the surface of ceramic powder when nickel-nitrate hexahydrate, zirconyl-nitrate hydrate, and yttrium-nitrate hexahydrate were used as the multi-metal salts. The nanoparticles in the form are bonded in a porous form.
본 발명에 따라 제조된 다공성 나노 복합분말의 입자 크기는 약 0.3~0.6㎛, 바람직하게는 약 0.4㎛이며, 표면적은 약 20~30㎡/g, 바람직하게는 약 22~25㎡/g이다. 또한, 상기 다공성 나노 복합분말의 입자 상에 코팅된 금속 산화물의 나노 크기는 대략 10~30 ㎚ 범위의 크기를 갖는다.The particle size of the porous nanocomposite powder prepared according to the present invention is about 0.3 to 0.6 m, preferably about 0.4 m, and the surface area is about 20 to 30
또한, 본 발명은 상기 다공성 나노 복합분말을 이용하여 제조된 고체산화물 연료극을 제공한다.The present invention also provides a solid oxide fuel electrode prepared using the porous nanocomposite powder.
본 발명에 따른 고체산화물 연료극은,The solid oxide fuel electrode according to the present invention,
1) 본 발명의 다공성 나노 복합분말을 몰드에 충진한 후 일축가압하여 성형체를 제조하는 단계,1) preparing a molded body by filling the porous nanocomposite powder of the present invention into a mold and then uniaxially pressurizing it;
2) 상기 성형체를 소결하는 단계, 및2) sintering the molded body, and
3) 상기 소결된 다공성 산화물 지지체를 수소 분위기에서 환원하는 단계를 포함하여 제조될 수 있으며, 이와 같은 전극의 제조방법은 당업자에게 일반적으로 공지되어 있는 방법이다.3) It can be prepared including the step of reducing the sintered porous oxide support in a hydrogen atmosphere, the production method of such an electrode is a method generally known to those skilled in the art.
구체적으로는, 상기 1)단계에서 가압단계는 60~80 ㎏/㎠에서 행하는 것이 바람직하다. 또한 상기 2)단계에서 소결단계는 1300~1500℃에서 행하는 것이 바람직하며, 상기 3)단계에서 환원 단계는 500~800℃의 수소 분위기(20㎤·min-1)에서 행하는 것이 바람직하다.Specifically, the pressing step in the step 1) is preferably carried out at 60 ~ 80 kg / ㎠. In addition, the sintering step in the step 2) is preferably performed at 1300 ~ 1500 ℃, the reduction step in the 3) is preferably carried out in a hydrogen atmosphere (20
본 발명에 따른 고체산화물 연료극은 다공성 나노 복합분말을 이용함으로써 금속-세라믹(YSZ)-기공 삼상의 분포가 매우 균질하고, 기공형성제를 사용하지 않아도 충분한 기공율을 확보할 수 있어, 기존의 방법으로 제조한 전극보다 기체투과도, 기계적 강도 및 전기전도도가 우수하며, 성형 전극의 표면조도가 매우 낮아 코팅법에 의해 얇고 치밀한 전해질을 합성할 수 있다. 본 발명의 구체적 실시예에서는 Ni-YSZ 전극을 제조하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 산화물을 대체하여 Ni-ScSZ, Ni-GDC 및 Ni-SDC와 같은 다양한 복합 전극을 제조할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료극은 소결온도 1400℃에서 40%의 기공율과 22%의 선수축율을 나타내고, 열주기 및 산화/환원 주기에 따른 전기전도도의 변화가 거의 없다(도 6 내지 도 7 참조).The solid oxide fuel electrode according to the present invention has a very homogeneous distribution of metal-ceramic (YSZ) -pore three phases by using porous nano composite powder, and can secure sufficient porosity even without using a pore-forming agent. Gas permeability, mechanical strength and electrical conductivity are superior to the prepared electrode, and the surface roughness of the molded electrode is very low, and thus a thin and dense electrolyte can be synthesized by the coating method. In a specific embodiment of the present invention, the Ni-YSZ electrode was manufactured, but the present invention is not limited thereto, and various composite electrodes such as Ni-ScSZ, Ni-GDC, and Ni-SDC may be manufactured by replacing the oxide. The solid oxide fuel electrode according to the preferred embodiment of the present invention exhibits a porosity of 40% and a contraction rate of 22% at a sintering temperature of 1400 ° C., and shows little change in electrical conductivity according to heat cycle and oxidation / reduction cycle (FIGS. 6 to 6). 7).
또한, 본 발명은 상기 연료극을 포함하는 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a fuel cell including the fuel electrode.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는, YSZ 등으로 전해질 슬러리를 만들어 연료극 지지체 위에 코팅하고, 상기 전해질 슬러리가 코팅된 연료극 지지체를 소성하며, 상기 연료극 지지체 상단에 스크린 프린팅법으로 공기극을 코팅한 다음, 상기 코팅된 공기극을 소성하여 제조될 수 있으며, 이와 같은 연료전지의 제조방법은 당업자에게 일반적으로 공지되어 있는 방법이다.In the solid oxide fuel cell according to the present invention, an electrolyte slurry is made of YSZ or the like and coated on the anode support, the anode support coated with the electrolyte slurry is calcined, and the cathode is coated on the top of the anode support by screen printing. The coated cathode may be manufactured by firing, and a method of manufacturing such a fuel cell is a method generally known to those skilled in the art.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 800℃의 운전조건에서 100시간의 유지시간에 따른 0.7V에서의 전류밀도가 0.9 A/㎠ 정도로 고르게 나타나고, 비면저항의 시간에 따른 변화도 0.8 Ω/㎠로 고르게 나타나며, 800℃에서 전류밀도에 따른 최대 출력밀도가 1.2 W/㎠로 기존의 전지에 비해 최대 출력밀도가 매우 높게 나타나 전지 성능이 우수하며, 800℃에서 1.0 A/㎠의 전자 부하 조건에서 550 시간 이상 장기 성능 안정성도 일정하게 나타난다(도 8 내지 도 10 참조).In the solid oxide fuel cell according to the preferred embodiment of the present invention, the current density at 0.7V according to the holding time of 100 hours is uniformly about 0.9 A /
따라서, 본 발명에 따른 고체산화물 연료극 및 연료전지는 다공성 나노 복합분말을 이용함으로써 기공 형성제를 사용하지 않아도 충분한 기공율을 확보할 수 있으며, 구성 성분(금속, 세라믹 분말, 기공)의 분포가 균질하고 전극 비표면적 및 삼상계면의 확장으로 전기전도도 및 가스투과도가 우수하여 전지의 성능이 향상되고, 재현성이 우수하다. 특히, 니켈 지르코니아 나노 복합분말의 불균질(이종) 소결에 의해 생성된 미세한 YSZ 골격과 니켈 입자간의 상호 속박된 구조(constrained structure)에 의하여 니켈의 고온 표면 확산 및 응집이 억제되어 연료전지의 장기 성능 안정성, 열주기 안정성 및 산화 환원에 대한 안정성이 현저하게 향상된다.Therefore, the solid oxide anode and the fuel cell according to the present invention can ensure a sufficient porosity without using a pore-forming agent by using a porous nano composite powder, homogeneous distribution of constituents (metal, ceramic powder, pores) The expansion of the electrode specific surface area and the three-phase interface provides excellent electrical conductivity and gas permeability, improving battery performance and reproducibility. In particular, long-term performance of fuel cells is suppressed by high temperature surface diffusion and aggregation of nickel by the constrained structure between the fine YSZ skeleton and the nickel particles produced by heterogeneous (heterogeneous) sintering of nickel zirconia nano composite powder. Stability, heat cycle stability and redox stability are significantly improved.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 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 by the examples.
실시예Example 1 One : 단일 금속염을 사용한 다공성 나노 복합분말의 제조 : Preparation of Porous Nanocomposite Powder Using Single Metal Salt
본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말은 페치니법을 변형하여 제조하였다.Porous nanocomposite powder according to the present invention was prepared by modifying the Pechini method.
금속염인 니켈-니트레이트·헥사하이드레이트(nickel-nitrate·hexahydrate; Ni(NO3)2·6H20) 60g을 증류수 150cc에 분산시킨 후, 여기에 구연산(citric acid) 및 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 1:4의 몰비로 첨가하여 60℃에서 1시간 동안 교반하였다. 상기 금속염을 함유한 폴리머 레진에 YSZ 분말을 첨가한 후 180℃에서 4시간 이상 열처리하여 수분을 모두 제거한 후 격렬하게 교반하여 탄화시켰다. 그러면 니켈산화물의 핵이 세라믹 분말인 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ) 입자 표면에 응결(solidification)된다. 금속염을 함유한 비정질 형태의 핵을 산화(공기 또는 산소) 분위기에서 600℃ 이상의 온도에서 열처리하여 이트륨 안정화 지르코니아 표면에 결정화시켜 전극용 나노 복합분말을 제조하였다. 상기 제조된 복합분말은 에탄올에서 3시간 동안 밀링 및 건조한 후, 분쇄 및 채 거름하여 사용하였다.60 g of a metal salt of nickel-nitrate hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 0) was dispersed in 150 cc of distilled water, followed by citric acid and ethylene glycol. Was added at a molar ratio of 1: 4 and stirred at 60 ° C. for 1 hour. After YSZ powder was added to the polymer resin containing the metal salt, heat treatment was performed at 180 ° C. for at least 4 hours to remove all moisture, followed by vigorous stirring to carbonize. The core of the nickel oxide then solidifies on the surface of the yttrium stabilized zirconia (YSZ) particles, which are ceramic powders. A nanocomposite powder for electrodes was prepared by heat-treating an amorphous core containing a metal salt in an oxidizing (air or oxygen) atmosphere at a temperature of 600 ° C. or higher to crystallize the surface of yttrium stabilized zirconia. The prepared composite powder was milled and dried in ethanol for 3 hours, and then used by grinding and filtering.
실시예Example 2 2 : 다종 금속염을 사용한 다공성 나노 복합분말의 제조 : Preparation of Porous Nanocomposite Powder Using Multi-Metal Salt
상기 실시예 1에서 단일 금속염인 니켈-니트레이트·헥사하이드레이트 대신 다종 금속염인 니켈-니트레이트·헥사하이드레이트(Nickel-nitrate·hexahydrate) 60g, 지르코닐-니트레이트·하이드레이트(zirconyl-nitrate·hydrate) 2g, 및 이트 리움-니트레이트·헥사하이드레이트(yttrium-nitrate·hexahydrate) 0.45g의 조합을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 다공성 나노 복합분말을 제조하였다.In Example 1, 60 g of nickel-nitrate hexahydrate, and zirconyl-nitrate hydrate (2 g), instead of a single metal salt, nickel-nitrate hexahydrate, was used. Porous nanocomposite powder was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.45 g of yttrium-nitrate and hexahydrate was used.
상기 제조된 다공성 나노 복합분말은 니켈산화물과 이트륨 안정화 지르코니아의 비정질 형태의 나노 입자들이 세라믹 분말(YSZ 분말) 표면에 다공성 형태로 접합되어 있다.In the prepared porous nanocomposite powder, amorphous nanoparticles of nickel oxide and yttrium stabilized zirconia are bonded to the surface of ceramic powder (YSZ powder) in a porous form.
본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말의 제조방법을 나타낸 흐름도는 도 1에 나타내었고, 본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말의 개략적인 구조는 도 2에 나타내었으며, 본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진은 도 3에 나타내었다.A flow chart illustrating a method of preparing a porous nanocomposite powder according to the present invention is shown in FIG. 1, and a schematic structure of the porous nanocomposite powder according to the present invention is shown in FIG. 2, and the porous nanocomposite powder according to the present invention is injected. The photograph observed with an electron microscope (SEM) is shown in FIG. 3.
실시예Example 3 3 : 본 발명에 따른 고체산화물 연료극 : Solid oxide fuel electrode according to the present invention 의of 제조 Produce
상기 실시예 2에서 제조한 다공성 나노 복합분말을 몰드에 충진한 후 70 ㎏/㎠에서 일축가압(uniaxial press)하여 성형체를 제조하였다. 이때 성형체의 직경은 38㎜, 두께는 1.2㎜이었다. 상기 성형체를 1400℃에서 소결한 다음, 800℃의 수소 분위기(20㎤·min-1)에서 환원하여 연료극을 제조하였다.After filling the porous nanocomposite powder prepared in Example 2 into a mold, a molded article was prepared by uniaxial press at 70 kg /
본 발명에 따른 고체산화물 Ni-YSZ 연료극(anode)의 미세구조를 광학현미경(Optical microscope) 및 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 도 4에 나타내었 다((a) : 광학이미지 (금속 : 흰색, 세라믹 분말 : 회색, 기공 : 검정색), (b) : 주사전자현미경 이미지).The microstructure of the solid oxide Ni-YSZ anode according to the present invention is shown in FIG. 4 observed with an optical microscope and a scanning electron microscope (SEM): an optical image (metal: white) , Ceramic powder: gray, pore: black), (b): scanning electron microscope image).
도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 다공성 복합분말을 이용하여 제조한 고체산화물 연료극은 금속(니켈)-세라믹(YSZ)-기공 삼상의 분포가 매우 균질하며(도 4a), 기공형성제를 사용하지 않고도 충분한 기공율을 나타내었다(도 4b).As shown in FIG. 4, the solid oxide fuel electrode manufactured using the porous composite powder according to the present invention has a very homogeneous distribution of metal (nickel) -ceramic (YSZ) -pore three phases (FIG. 4A), and a pore-forming agent. Sufficient porosity was shown without using (FIG. 4B).
상기 제조한 연료극을 박편으로 성형한 후 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하여 Ni-YSZ 환원전극내 소결된 복합분말 미세구조와, 복합분말 표면에 형성된 니켈 소결체 및 나노 이트리아 안정화 지르코니아의 동시 접합된 부위의 미세구조는 도 5a에, 도 5a의 EDX point 부위를 에너지분포엑스레이(EDX)로 분석한 것은 도 5b에 나타내었다.The prepared anode was formed into flakes and observed by transmission electron microscopy (TEM) to simultaneously bond the composite microstructure sintered in the Ni-YSZ cathode, and the nickel sintered body and nano yttria stabilized zirconia formed on the surface of the composite powder. The microstructure of the site is shown in Figure 5a, the analysis of the EDX point site of Figure 5a by energy distribution x-ray (EDX) is shown in Figure 5b.
본 발명에 따른 고체산화물 연료극의 소결 온도에 따른 기공율과 선수축율은 도 6에 나타내었다.The porosity and bowing rate according to the sintering temperature of the solid oxide fuel electrode according to the present invention are shown in FIG. 6.
도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 고체산화물 연료극은 소결온도 1400℃에서 40%의 기공율과 22%의 선수축율을 나타내었다. 일반전극의 경우는 소결온도 1400℃에서 20% 정도의 기공율을 나타내는데 이는 소결에 영향을 받은 것으로 판단된다.As shown in FIG. 6, the solid oxide fuel electrode according to the present invention exhibited a porosity of 40% and a contraction rate of 22% at a sintering temperature of 1400 ° C. FIG. In the case of the general electrode, porosity of about 20% is shown at the sintering temperature of 1400 ° C., which is considered to be affected by the sintering.
본 발명에 따른 고체산화물 연료극의 열주기 및 산화/환원 주기에 따른 전기전도도의 변화는 도 7에 나타내었다.The change in electrical conductivity according to the heat cycle and the oxidation / reduction cycle of the solid oxide fuel electrode according to the present invention is shown in FIG. 7.
도 7에 나타난 바와 같이, Praxair(미국) 연료전지용 분말을 이용하여 제조 한 전극은 열주기 50회 후 전기전도도가 1208.8 S·㎝-1에서 522.7 S·㎝-1로 56.8% 정도 감소하여 빠르게 분해되었으나, 본 발명에 따른 고체산화물 연료극은 열주기 50회 후 전기전도도가 11.4% 정도 감소하여 전기전도도의 변화가 거의 없음을 알 수 있다.As shown in Figure 7, Praxair (USA) electrodes manufactured using the fuel cell, powder
실시예Example 4 4 : 고체산화물 연료전지의 제조 : Fabrication of solid oxide fuel cell
상기 실시예 3에서 제조한 연료극을 이용하여 YSZ 전해질 슬러리를 만들고, 침지-인상법으로 연료극 지지체 위에 코팅하였다. 상기 YSZ 전해질 슬러리가 코팅된 연료극 지지체를 1400℃에서 소성하였다. 란탄계 페로브스카이트 (LSM: (La,Sr)MnO3) 분말로 공기극 페이스트를 제조하여 상기 연료극 지지형 전해질 상단에 스크린프린팅 법으로 코팅하였다. 상기 코팅된 공기극을 1100℃에서 소성하여 연료전지를 제조하였다.An YSZ electrolyte slurry was prepared using the anode prepared in Example 3, and coated on the anode support by immersion-impression. The anode support coated with the YSZ electrolyte slurry was calcined at 1400 ° C. A cathode paste was prepared from lanthanum perovskite (LSM: (La, Sr) MnO 3 ) powder and coated on the top of the anode supported electrolyte by screen printing. The coated cathode was calcined at 1100 ° C. to manufacture a fuel cell.
800℃의 운전조건에서 100시간 이상의 유지시간에 따른 본 발명의 고체산화물 연료전지의 I-V 커브 상의 0.7V 기전력 값에 해당하는 전류밀도 값과 임피던스 분석을 통해 측정한 저항 값을 도 8에 나타내었으며, 온도에 따른 본 발명의 고체산화물 연료전지(구성요소 : 양극 (LSM+YSZ) / 전해질 (YSZ) / 전극 (EDC: 본 발명의 복합분말을 이용하여 제조한 전극))의 I-V 커브는 도 9에 나타내었다. 또한, 800℃에서 1.0 A/㎠의 전자 부하 조건에서 본 발명의 고체산화물 연료전지의 550 시간 이상 장기 성능 안정성 평가는 도 10에 나타내었다.8 shows current density values corresponding to 0.7 V electromotive force values on the IV curve of the solid oxide fuel cell of the present invention according to the holding time of at least 100 hours at 800 ° C. and resistance values measured through impedance analysis. The IV curve of the solid oxide fuel cell of the present invention (components: anode (LSM + YSZ) / electrolyte (YSZ) / electrode (EDC: electrode prepared using the composite powder of the present invention) according to the temperature is shown in FIG. Indicated. In addition, the long-term performance stability evaluation of the solid oxide fuel cell of the present invention at 800 ° C. under 1.0 A /
도 8 내지 도 10에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 800℃의 운전조건에서 100시간의 유지시간에 따른 0.7V에서의 전류밀도가 0.9 A/㎠ 정도로 고르게 나타났고, 비면저항의 시간에 따른 변화도 0.8 Ω/㎠로 고르게 나타났다. 또한, 본 발명의 고체산화물 연료전지는 800℃에서 전류밀도에 따른 최대 출력밀도가 1.2 W/㎠로 기존의 전지에 비해 최대 출력밀도가 매우 높게 나타났다. 또한, 800℃에서 1.0 A/㎠의 전자 부하 조건에서 본 발명의 고체산화물 연료전지의 550 시간 장기 성능 안정성도 일정하게 나타났다.As shown in FIGS. 8 to 10, the solid oxide fuel cell according to the present invention showed a current density at about 0.7 A /
따라서, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 전지 성능 및 장기 성능 안정성이 매우 우수함을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the solid oxide fuel cell according to the present invention has excellent cell performance and long-term performance stability.
본 발명에 따른 다공성 나노 복합분말은 간단하면서도 적은 시간과 적은 비용으로 환경 친화적인 수계 공정을 이용하여 제조가 가능하다. 따라서, 본 발명의 다공성 나노 복합분말을 이용하여 제조한 전극은 기공 형성제를 사용하지 않아도 충분한 기공율을 확보할 수 있으며, 구성 성분(금속, 세라믹 분말, 기공)의 분포가 균질하고 전극 비표면적 및 삼상계면의 확장으로 전기전도도 및 가스투과도가 우수하여 전지 성능의 향상 및 재현성이 우수하다. 특히, 니켈 지르코니아 나노 복합분말의 불균질(이종) 소결에 의해 생성된 미세한 YSZ 골격과 니켈 입자간의 상호 속박된 구조(constrained structure)에 의하여 니켈의 고온 표면 확산 및 응집이 억제되어 연료전지의 장기 성능 안정성, 열주기 안정성 및 산화 환원에 대한 안정성이 현저하게 향상된다.The porous nanocomposite powder according to the present invention can be manufactured using an environmentally friendly water-based process with a simple, low time and low cost. Therefore, the electrode prepared using the porous nanocomposite powder of the present invention can secure sufficient porosity even without using a pore-forming agent, homogeneous distribution of constituents (metal, ceramic powder, pores), and the electrode specific surface area and The expansion of the three-phase interface provides excellent electrical conductivity and gas permeability, improving battery performance and reproducibility. In particular, long-term performance of fuel cells is suppressed by high temperature surface diffusion and aggregation of nickel by the constrained structure between the fine YSZ skeleton and the nickel particles produced by heterogeneous (heterogeneous) sintering of nickel zirconia nano composite powder. Stability, heat cycle stability and redox stability are significantly improved.
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