KR100569882B1 - Methods of surface modification in oxygen permeable membrane composed of mixed conducting perovskite - type multi - component metal oxide - Google Patents

Methods of surface modification in oxygen permeable membrane composed of mixed conducting perovskite - type multi - component metal oxide Download PDF

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Abstract

본 발명은 약 500℃ 이상의 온도에서 전자와 산소이온을 전도할 수 있는 다성분계 금속 산화물로 형성되는, 산소-함유 기체 혼합물로부터 산소를 분리시킬 수 있는 막으로서, 산소이온 전도도가 전자 전도도보다 작고 산소투과유속이 막 표면에서의 산소 분자-이온간 교환반응속도에 의해 결정되는 막에 있어서, 산소투과유속의 증진을 위해, 전자와 산소이온을 전도할 수 있는 다성분계 금속 산화물을 막 표면에 개재시키는 방법에 관한 것에 관한 것으로 특히 La1-xAxGayFe 1-yO3-δ 로 표시되는 다성분 금속 산화물로 구성된 산소투과 분리막의 표면개질방법에 관한 것이다.The present invention is a film capable of separating oxygen from an oxygen-containing gas mixture formed of a multi-component metal oxide capable of conducting electrons and oxygen ions at a temperature of about 500 ° C. or more, wherein the oxygen ion conductivity is less than the electron conductivity and oxygen In a membrane whose permeate flux is determined by the rate of oxygen-ion exchange reaction at the membrane surface, in order to enhance the oxygen permeate flux, a multicomponent metal oxide capable of conducting electrons and oxygen ions is interposed on the membrane surface. The present invention relates to a method for surface modification of an oxygen permeable separator composed of a multi-component metal oxide represented by La 1-x A x Ga y Fe 1-y O 3-δ .

혼합전도성 페로프스카이트 다성분계 금속 산화물, 표면 개질층, 산소투과 분리막Mixed Conductive Perovskite Multicomponent Metal Oxide, Surface Modified Layer, Oxygen Permeation Membrane

Description

혼합전도성 페로프스카이트 다성분계 금속 산화물로 구성된 산소투과 분리막 및 그 표면층 개질방법{Methods of surface modification in oxygen permeable membrane composed of mixed conducting perovskite - type multi - component metal oxide} Methods of surface modification in oxygen permeable membrane composed of mixed conducting perovskite-type multi-component metal oxide}             

도 1은 조밀한 혼합전도성 다성분계 금속 산화물의 표면에 다공성 표면층을 도포한 산소투과 분리막의 주사전자현미경 사진1 is a scanning electron micrograph of an oxygen permeable membrane coated with a porous surface layer on a surface of a dense mixed conductive multicomponent metal oxide

도 2는 분위기 분말을 이용하여 표면층을 개질한 분리막의 X-선 회절 결과 그래프Figure 2 is a graph of the X-ray diffraction results of the membrane modified the surface layer using the atmosphere powder

도 3은 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ 분리막과 La 0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ 분리막 및 이들 각각에 La0.6Sr0.4CoO3-δ 조성으로 표면층을 개질한 경우의 온도에 따른 산소투과유속 그래프3 is a La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ separator and La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ separator and each of them when the surface layer is modified with La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ composition Oxygen Permeation Velocity Graph with Temperature

도 4는 La0.6Sr0.4CoO3-δ 조성으로 표면이 개질된 La0.7Sr 0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ 분리막의 X-선 회절 결과 그래프4 is a graph showing X-ray diffraction results of a La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ separator having a surface modified with La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ composition

도 5는 La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ 분리막 및 La 0.6Sr0.4CoO3-δ 조성으로 각각 치밀한 구조 또는 다공성 구조로 표면이 개질된 분리막의 온도에 따른 산소투과유속 그래 프5 is a graph of oxygen permeation flux according to the temperature of a membrane having a surface modified with a dense structure or a porous structure with a La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ separator and a La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ composition, respectively.

도 6은 La0.6Sr0.4CoO3-δ 조성의 표면 개질층이 치밀한 구조 및 다공성 구조 등의 2중층으로 도포된 분리막에서, 표면에 가까운 부분에서의 주사전자현미경 사진FIG. 6 is a scanning electron micrograph at a portion close to the surface of a separator in which a surface modification layer having a composition of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ is coated with a double layer such as a dense structure and a porous structure.

도 7은 La0.6Sr0.4CoO3-δ 조성의 표면 개질층이 치밀한 구조 및 다공성 구조 등의 2중층으로 도포된 분리막에서, 표면에 먼 (내부에 가까운) 부분에서의 주사전자현미경 사진FIG. 7 is a scanning electron micrograph at a part far from (close to the inside) of a separator in which a surface modified layer having a composition of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ is coated with a double layer such as a dense structure and a porous structure.

본 발명은 고온에서 산소를 함유하는 기체 혼합물로부터 상대적으로 산소분압이 낮은 계로 산소분자를 선택적으로 분리할 수 있는 혼합전도성 페로프스카이트 다성분계 금속 산화물로 구성된 산소투과 분리막에 있어서, 산소투과유속의 향상을 위하여 표면을 개질하는 방법에 관한 것으로 특히 La1-xAxGayFe1-y O3-δ 로 표시되는 다성분 금속 산화물로 구성된 산소투과 분리막 및 그 표면개질방법에 관한 것이다.The present invention relates to an oxygen permeation membrane composed of a mixed conductive perovskite multicomponent metal oxide capable of selectively separating oxygen molecules from a gas mixture containing oxygen at a high temperature in a system having a relatively low oxygen partial pressure. The present invention relates to a method of modifying a surface for improvement, and more particularly, to an oxygen permeation membrane composed of a multi-component metal oxide represented by La 1-x A x Ga y Fe 1-y O 3-δ and a surface modification method thereof.

분리막이란 어느 한 유체가 압력이나 기전력의 구배와 같은 구동력에 의해, 한 계에서 다른 계로 선택적으로 투과하게 되는, 두 계의 사이에 위치하는 장벽을 말한다. 분리막은 소재에 따라 금속, 고분자, 세라믹 등으로 구분할 수 있고, 구조에 따라서는 다공성 구조와 조밀한 구조로 구분할 수 있는데, 본 발명은 상대밀도 95%이상의 조밀한 구조를 가지면서, 산소이온의 체적확산을 이용하여 산소를 선택적으로 투과시켜, 분리할 수 있는 기능을 갖는 세라믹 분리막에 있어서, 산소투과유속의 향상을 위하여 표면을 개질하는 방법에 관한 것으로 특히 조밀한 구조의 분리막을 통해 산소분자를 선택적으로 분리하기 위해서, 산소는 분자 형태가 아닌, 이온의 형태로서 분리막을 통해 이동이 되어야 하므로, 분리막은 기본적으로 이온 전도체이어야 한다. 이온 전도체로서 가장 많이 응용되는 재료로는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)인데, 높은 이온 전도도를 나타내므로 고체산화물 연료전지(SOFC)의 전해질로서 오래 전부터 이용되고 있다. YSZ를 통해 산소이온이 자발적이고 지속적인 이동을 하기 위해서는 전기적 중성이 유지되어야 하고, 이를 위해서는 산소분압이 높은 계에 노출되는 막의 표면으로 전자가 지속적으로 공급되어야 한다. 따라서 이온전도도는 크나 전자전도도가 매우 낮은 이트리아 안정화 지르코니아를 산소투과 분리막으로 이용하기 위해서는 막의 양 표면을 외부적으로 전기도선으로 연결시켜야 한다.A separator is a barrier located between two systems in which one fluid selectively penetrates from one system to another by a driving force such as a gradient of pressure or electromotive force. Separation membranes can be classified into metals, polymers, ceramics, etc. according to the material, and depending on the structure can be divided into porous structure and dense structure, the present invention has a compact structure with a relative density of 95% or more, the volume of oxygen ions In a ceramic membrane having a function of selectively permeating oxygen by diffusion and separating the same, the present invention relates to a method of modifying a surface for improving an oxygen permeation rate. Particularly, an oxygen molecule is selectively selected through a membrane having a compact structure. In order to separate the oxygen, oxygen must be transported through the membrane in the form of ions, not in the molecular form, so the membrane must be basically an ion conductor. Yttria stabilized zirconia (YSZ) is the most widely used material as an ion conductor. Since it exhibits high ion conductivity, it has been used for a long time as an electrolyte of a solid oxide fuel cell (SOFC). In order for spontaneous and continuous movement of oxygen ions through YSZ, electrical neutrality must be maintained, and for this, electrons must be continuously supplied to the surface of the film exposed to the high oxygen partial pressure system. Therefore, in order to use yttria stabilized zirconia having a high ion conductivity but a very low electron conductivity as an oxygen permeation membrane, both surfaces of the membrane must be externally connected by an electric conductor.

문헌 [데라오카 등, Chemical Letter, pp. 1743 (1985)]에서 La1-xAxCo1-y FeyO3-?? (이때, A는 Ba, Sr 등의 양이온이며, x는 0.1 내지 1.0의 범위이고, y는 0.05내지 1.0의 범위) 조성의 페로프스카이트 산화물 (대표적으로 ABO3로 표현되는 다성분계 금속산화물임, 여기서 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족 또는 3족에서 선택되고, B는 3족 또는 4족에서, 특히 D 블록 전이금속중에서 선택됨. A나 B에 원자가가 다른 제2의 원소가 첨가되면 산소격자에 공공이 생겨 산소의 이동이 쉽게 일어나도록 자리를 제공하게 됨)이 이트리아 안정화 지르코니아보다 높은 이온 전도도를 나타낸다는 보고가 있는데, 특히 이러한 조성의 페로프스카이트 다성분계 금속산화물은 높은 이온 전도도와 더불어 높은 전자 전도성을 나타내는 혼합 전도체이므로 이트리아 안정화 지르코니아와는 달리 외부적으로 전기도선을 연결해 줄 필요가 없어 장치의 구성이 간단해지는 장점이 있다. 또한 메탄 등을 함유한 천연가스를 분리막을 투과한 산소와 동일한 반응기내에서 부분산화반응을 시키면 산업적으로 유용한 혼합가스 (syngas, CO+H2)를 용이하게 생산할 수 있게 된다.Deraoka et al., Chemical Letter, pp. 1743 (1985)] La 1-x A x Co 1-y Fe y O 3- ?? (A is a cation such as Ba, Sr, x is in the range of 0.1 to 1.0, y is in the range of 0.05 to 1.0.) Perovskite oxide (typically a multicomponent metal oxide represented by ABO 3 ) Where A is selected from Groups 2 or 3 according to the Periodic Table of Elements employed by IUPAC, and B is selected from Group 3 or 4, in particular among D block transition metals. Has been reported to have higher ionic conductivity than yttria stabilized zirconia. Is a mixed conductor that exhibits high electronic conductivity as well as high ionic conductivity, so unlike Yttria stabilized zirconia, there is no need to connect electrical conductors externally. The advantage is that the configuration is simplified. In addition, partial oxidation of natural gas containing methane in the same reactor as oxygen that has passed through the membrane facilitates the production of industrially useful mixed gas (syngas, CO + H 2 ).

페로프스카이트 산화물 분리막을 통한 산소투과는 분리막 소재의 벌크를 통한 산소이온의 확산 속도와 분리막 표면에서 산소의 분자로부터 분리막내부로의 이온으로의 교환반응 및 그 역반응의 속도가 전체의 산소투과유속을 결정하게 된다. 이온 전도체에서의 산소 이온의 확산 기구에 관해서는 오래 전부터 많은 연구가 있었으며, 이론적으로 정립되어 있는 반면에, 분리막의 표면에서의 반응기구에 대해서는 아직 명확한 이론이 정립되지 않은 실정이며, 또한 높은 투과특성을 나타내는 페로프스카이트 분리막의 실제 응용에 있어서 제한점으로 지적되고 있는, 구성 원소의 화학적 불안정성에 기인하는 분리막의 상분리나 균열 발생의 문제에 대해서도 현상적 관찰에 그치고 있는 실정이다. 특히 산소투과특성이 우수하다고 알려진 페로프스카이트 다성분계 금속산화물인 La1-xAxCo1-yByO 3-δ (이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, B는 D 블록 전이금속중에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, δ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임)계 분리막의 실제적 응용에 있어서도 고온이면서 동시에 산소분압이 낮은 조건하에서 막의 두께방향을 따라 격자상수의 구배가 발생하여 결국에는 균열이 발생하고 선택적 분리의 기능을 할 수 없게되는 문제점이 지적되고 있어 실용화에 어려움이 있다.Oxygen permeation through the perovskite oxide separator is characterized by the rate of diffusion of oxygen ions through the bulk of the membrane material and the rate of exchange of oxygen molecules to the ions into the membrane and the reverse reaction rate through the bulk of the membrane material. Will be determined. There has been a lot of research on the diffusion mechanism of oxygen ions in ion conductors, and while it has been established theoretically, a clear theory has not yet been established for the reactor mechanism at the surface of the separator, and also has high permeability. The problem of phase separation and cracking of the separator due to chemical instability of the constituent elements, which is pointed out as a limitation in the practical application of the perovskite separator, is only a phenomenon of observation. In particular, La 1-x A x Co 1-y B y O 3-δ , a perovskite multi-component metal oxide known to have excellent oxygen permeability, where A is selected from Group 2 according to the periodic table of elements employed by IUPAC. B is selected from D block transition metals, 0 <x <1.0, 0 <y <1.0, and δ is a number that neutralizes the charge of the compound). Under low conditions, the gradient of the lattice constant along the thickness direction of the film is generated, resulting in a crack and eventually unable to function as a selective separation.

문헌 [이시하라 등, J. Am. Chem. Soc., 제116권, pp. 3801-3803 (1994)]에서 LaGaO3를 기본으로 하고 Sr과 Mg 등의 양이온이 부분 치환된 페로프스카이트 구조의 다성분 산화물에서 높은 이온전도도를 나타낸다는 것이 보고된 바 있으며, 문헌 [쯔루타 등, Electrochemical and Solid state letters, 제4권, pp. E13-E15 (2001)]에서는 LaGaO3를 기본으로 하고 Sr과 Fe 등의 양이온이 부분 치환된 경우에, 상기한 Sr과 Mg 등의 양이온을 부분 치환한 경우보다 높은 이온전도도를 나타내며, 환원분위기에서도 구조적으로 안정하다고 보고된 바 있다.그러나 La1-xSrxGa yFe1-yO3-δ 조성의 페로프스카이트 다성분 산화물은 막 표면에서의 산소 분자-이온간 교환반응속도가 낮아서 그 자체로서 분리막에 이용하기 어려운 문제점이 있다[김상태 등, J. Electrochem. Soc., 제147권 pp. 2398-2406 (2000)]. See Ishihara et al., J. Am. Chem. Soc., Vol. 116, pp. 3801-3803 (1994) reported high ionic conductivity in multi-component oxides of perovskite structures based on LaGaO 3 and partially substituted with cations such as Sr and Mg. Et al., Electrochemical and Solid state letters, Vol. 4, pp. E13-E15 (2001)] shows a higher ionic conductivity than when the cations such as Sr and Mg are partially substituted when the cations such as Sr and Fe are partially substituted on the basis of LaGaO 3 . It has been reported to be structurally stable, but the perovskite multicomponent oxide of La 1-x Sr x Ga y Fe 1-y O 3-δ composition has a low rate of oxygen-ion exchange reaction at the membrane surface. There is a problem in itself that is difficult to use in the separator [Kim et al., J. Electrochem. Soc., Vol. 147 pp. 2398-2406 (2000).

상술한 바와 같이 구조적 안정성과 이온전도성이 우수하지만 표면에서의 교환반응속도가 낮은 La1-xSrxGayFe1-yO3-δ 조성의 분리막에 있어서, 교환반응속도가 우수하면서도 분리막과 동일한 구조를 갖는 양이온이 치환된 혼합전도성 페로프스카이트계 다성분계 금속 산화물로 표면의 조성이 개질되어 높은 안정성의 잇점을 유 지하면서 전체적인 투과유속이 향상된 산소투과 분리막을 제공하면서 그 표면을 개질하는 수단을 제공하는데 그 특징이 있다.
As described above, in the separation membrane of La 1-x Sr x Ga y Fe 1-y O 3-δ composition which has excellent structural stability and ion conductivity but low exchange reaction rate on the surface, Means for modifying the surface of the mixed conductive perovskite-based multi-component metal oxides having the same structure and modifying the surface while providing an oxygen permeation membrane having improved overall permeate flow rate while maintaining the advantages of high stability. Its features are provided.

본 발명에서, 표면을 개질하고자 하는 조밀한 막은 La1-xAxGayFe 1-yO3-δ (이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, δ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임)로 표시되는 다성분 금속 산화물로서, 분말은 고상반응법, 공침법, 중화침전법, 구연산법, 연소합성법 등의 방법으로 합성할 수 있다. 합성된 분말은 디스크형 또는 정방형의 금속 몰드를 이용하여 일축 가압성형을 하고 140 MPa 이상의 압력으로 냉간 정수압(CIP)을 가하여 이론밀도의 55~60%에 해당하는 성형밀도를 갖는 성형 압분체를 제조하거나, 유기 결합제 등과 혼합하여 압출 또는 사출하여 튜브형태 등으로 성형할 수 있다. 산소-함유 기체혼합물로부터 순수한 산소를 선택적으로 분리하기 위해서 분리막은 기공율이 5% 미만으로 조밀하여야 한다. 이는 산소 이외의 기체가 내부 기공을 통하여 분자형태로 투과되는 것을 방지하기 위함이다.In the present invention, the dense film intended to modify the surface is La 1-x A x Ga y Fe 1-y O 3-δ (where A is selected from group 2 according to the periodic table of elements employed by IUPAC, where 0 <x <1.0, 0 <y <1.0, and δ is a number that makes the charge of the compound neutral. The powder is solid phase reaction method, coprecipitation method, neutralization precipitation method, citric acid method, combustion synthesis method, etc. It can be synthesized by the method of. The synthesized powder was uniaxially pressed using a disk or square metal mold, and cold hydrostatic pressure (CIP) was applied at a pressure of 140 MPa or more. Molded green compacts having a molding density of 55 to 60% of the theoretical density may be prepared, or mixed with an organic binder, etc., extruded or injected to form a tube. In order to selectively separate pure oxygen from the oxygen-containing gas mixture, the membrane must be dense with a porosity of less than 5%. This is to prevent gas other than oxygen from permeating through the internal pores in molecular form.

상기 분리막 조성에서 금속 양이온이 일부 치환된, 표면을 개질하고자 하는 성분으로 구성된, La1-xAxCoyB1-yO3-δ (이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, B는 D 블록 전이금속중에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, δ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임)로 표시되고, 전자와 산소의 이 온을 전도할 수 있는, 다성분 금속 산화물은 고상반응법, 액상법, 연소합성법 등으로 합성할 수 있다. 고상반응법은 99% 이상의 순도를 갖는 각 구성 금속 산화물 또는 금속염을 최종 화합물의 몰 비율에 맞추어 혼합하고, 800℃이상에서 5시간 이상 가열하여 반응을 통해 합성한다. 합성된 분말이 단일상의 페로프스카이트 구조를 형성하였는지 여부는 X-선 회절을 통해 확인할 수 있다. 구성 금속 산화물 등이 열처리후에도 페로프스카이트 단일상을 이루지 못하고 미반응될 경우에는, 혼합전도성을 나타내지 못하므로 표면교환반응에 부적합하여 전체적인 산소투과유속이 감소된다. 따라서 페로프스카이트 단일상이 형성될 수 있는 온도까지 가열하여 열처리하여야 하며, 조성에 따라 달라질 수 있으나, 대략 800℃ 이상에서 단일상이 형성된다. La 1-x A x Co y B 1-y O 3-δ , consisting of components to modify the surface with some metal cations substituted in the separator composition, where A is 2 according to the periodic table of elements employed by IUPAC Selected from the group, B is selected from the D block transition metals, 0 <x <1.0, 0 <y <1.0, and δ is a number that neutralizes the charge of the compound). The multicomponent metal oxide capable of conducting can be synthesized by a solid phase reaction method, a liquid phase method, a combustion synthesis method, or the like. In the solid phase reaction method, each constituent metal oxide or metal salt having a purity of 99% or more is mixed according to the molar ratio of the final compound, and synthesized by reaction by heating at 800 ° C. or higher for 5 hours or more. Whether the synthesized powder formed a single-phase perovskite structure can be confirmed by X-ray diffraction. If the constituent metal oxide or the like does not form a perovskite single phase even after heat treatment and does not react, it does not exhibit mixed conductivity, and thus is unsuitable for the surface exchange reaction, thereby reducing the overall oxygen permeation flow rate. Therefore, the perovskite single phase must be heated to a temperature at which it can be formed and heat treated, and may vary depending on the composition, but the single phase is formed at about 800 ° C. or more.

La0.6Sr0.4CoO3- δ페로프스카이트 단일상을 얻기 위해서 La2 O3, SrCO3, Co(NO)2·6H2O을 몰비율에 따라 칭량한 후, 폴리프로필렌 용기와 지르코니아 볼을 이용하여 이소프로필알콜 (2-PrOH)을 용매로 하여 24시간동안 밀링, 혼합한다. 혼합된 분말은 24시간동안 후드에서 유지시켜 용매를 증발시킨 후, 110℃로 유지되는 건조기에서 24시간 이상 건조하고, 유발에서 분쇄한 후에 1000℃에서 5시간 이상 가열한다. 열처리한 분말은 다시 폴리프로필렌 용기와 지르코니아 볼을 이용하여 이소프로필알콜을 용매로 하여 24시간동안 밀링한 후 건조하여 합성분말을 얻는다. 페로프스카이트 단일상의 합성 여부는 X-선 회절을 이용하여 확인한다.La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ Perovskite Single phase La 2 O 3 , SrCO 3 , Co (NO) 2 · 6H 2 O were weighed according to the molar ratio, and then the polypropylene vessel and the zirconia ball were Isopropyl alcohol (2-PrOH) is used as a solvent for milling and mixing for 24 hours. The mixed powder is kept in the hood for 24 hours to evaporate the solvent, then dried in a drier maintained at 110 ° C. for at least 24 hours, milled in mortar and heated at 1000 ° C. for at least 5 hours. The heat-treated powder was again milled for 24 hours using isopropyl alcohol as a solvent using a polypropylene container and a zirconia ball, followed by drying to obtain a synthetic powder. The synthesis of perovskite single phase is confirmed using X-ray diffraction.

<스크린 프린팅을 이용한 표면개질법><Surface Modification Using Screen Printing>

본 발명의 스크린 프린팅법을 이용한 표면층 개질의 실시례로서, 그 일련의 구성은 다음과 같다. 합성된 La0.6Sr0.4CoO3-δ 분말을 유기 결합제를 혼합하여 슬러리를 제조한다. 용매는 휘발온도가 높고 용해력이 우수한 알파-테피네올(α-Terpineol)을, 결합제로는 α-Terpineol에 용해도가 높고 프린팅 특성이 우수한 에틸셀룰로오스(Ethyl cellulose)을 사용한다. 분산제로는 피쉬오일(Fish oil), 가소제로는 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene Glycols, PEG)과 다이부틸프탈레이트 (dibutyl phthalate, DBP)을 혼합하여 사용한다. 용매와 결합제 등의 유기물 및 세라믹 분말의 상대적인 비율 및 세라믹 분말의 입도분포는 프린팅용 슬러리의 점도에 영향을 주게되고, 따라서 표면 개질층의 기공도와 형상을 결정하게 된다. 또한 프린팅의 반복 횟수에 따라 표면 개질층의 두께 및 치밀도를 조절할 수 있다. 본 발명을 위한 실시의 결과, 표 1에 제시된 조성 비율이 건조속도 및 프린팅층의 형상 제어를 위해 가장 바람직한 것으로 판단되었다.As an example of surface layer modification using the screen printing method of this invention, the series structure is as follows. A slurry was prepared by mixing the synthesized La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ powder with an organic binder. The solvent uses alpha-Tepineol (α-Terpineol) having high volatilization temperature and excellent solubility, and ethyl cellulose (Ethyl cellulose) having high solubility and printing property in α-Terpineol is used as a binder. Fish oil is used as a dispersant and polyethylene glycol (PEG) and dibutyl phthalate (DBP) are used as a plasticizer. The relative proportions of the organic powders such as the solvent and the binder and the ceramic powder and the particle size distribution of the ceramic powder affect the viscosity of the printing slurry, and thus determine the porosity and shape of the surface modification layer. In addition, the thickness and density of the surface modification layer can be adjusted according to the number of times of printing. As a result of the practice for the present invention, the composition ratios shown in Table 1 were determined to be the most desirable for controlling the drying speed and the shape of the printing layer.

표 1Table 1

기능function 재료material 질량 % (유기물에 대한)% By mass (for organic matter) 질량 % (전체에 대한)% By mass (total) 용매menstruum α-Terpineolα-Terpineol 8585 6060 결합제Binder 에틸렌 글리콜Ethylene glycol 77 분산제Dispersant Fish oilFish oil 22 가소제Plasticizer PEG+DBPPEG + DBP 66 세라믹 분말Ceramic powder 4040

분리막의 양 표면을 10㎛까지 연마한 후, 혼합된 슬러리를 분리막의 양 표면에 200 메쉬(mesh) 스크린을 이용하여 프린트한 후 건조시킨다. 프린팅된 표면층에 잔류하는 유기물의 제거를 위하여 700℃ 이상의 온도에서 열처리를 행하도록 한다. 표면층의 기공율은 열처리 온도에 따라서 변하게 되는데, 그에 따라 분리막의 표면에서 조성이 변하게 되며, 분리막의 내부 쪽으로 점진적으로 조성이 변하게 되며, 1,300℃이하에서 열처리하여 과도한 소결(oversintering)현상이 발생되지 않도록 하여 표면 개질층의 결정립 크기가 과도하게 증가하여 불균일한 균열이 발생하고 분리막으로부터 박리되는 등이 발생되지 않도록 한다.After polishing both surfaces of the separator to 10 μm, the mixed slurry is printed on both surfaces of the separator using a 200 mesh screen and then dried. Heat treatment is performed at a temperature of 700 ° C. or higher to remove organic matter remaining on the printed surface layer. The porosity of the surface layer is changed according to the heat treatment temperature, and thus the composition is changed at the surface of the separator, and the composition is gradually changed toward the inside of the separator, and the heat treatment is performed at 1,300 ° C. or lower to prevent excessive oversintering. The grain size of the surface modification layer is excessively increased to prevent uneven cracking and peeling from the separator.

<분위기 분말을 이용한 표면층 개질법><Surface layer reforming method using atmosphere powder>

본 발명의 분위기분말을 이용한 표면층 개질의 실시례로서, 표면을 개질하고자 하는 La1-xAxGayFe1-yO3-δ (이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, δ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임) 조성의 다성분 금속 산화물로서, 고상반응법, 공침법, 중화침전법, 구연산법, 연소합성법 등의 방법으로 합성된 분말을 디스크형 또는 정방형의 금속 몰드를 이용하여 일축 가압성형을 하고 140 MPa 이상의 압력으로 냉간 정수압(CIP)을 가하여 이론밀도의 55~60%에 해당하는 성형밀도(기공율=35%-45%)를 갖는 성형 압분체를 제조하거나, 유기 결합제 등과 혼합하여 압출 또는 사출하여 튜브형태 등으로 성형한다.As an embodiment of the surface layer modification using the atmosphere powder of the present invention, La 1-x A x Ga y Fe 1-y O 3-δ to modify the surface, where A is a group according to the periodic table of elements employed by IUPAC Is selected from 0 <x <1.0, 0 <y <1.0, and δ is a number to neutralize the charge of the compound), a multicomponent metal oxide composition, solid state reaction, coprecipitation method, neutralization precipitation method, citric acid method , The powder synthesized by the method of combustion synthesis, etc. is uniaxially press-molded using a disk-shaped or square metal mold, and subjected to cold hydrostatic pressure (CIP) at a pressure of 140 MPa or more, which corresponds to 55-60% of the theoretical density. A molded green compact having a porosity (35% -45%) is prepared, or mixed with an organic binder or the like to be extruded or injected to form a tube or the like.

성형 압분체는 알루미나질 도가니에 장입하여 열처리하되, 상기 압분체 조성에서 금속 양이온이 일부 치환되어 표면이 개질되도록 하는 성분으로 구성된 단일 성분계 또는 다성분계 금속 산화물을 성형 압분체 주위에 둘러싼 후 전기저항로를 이용하여 1200~1600℃의 온도에서 공기중에서 가열한다. 즉 1200℃ 이상의 온도에서 가열처리를 하여야 표면개질층의 기능을 발휘할 수 있는 페로프스카이트 단일상을 얻을 수 있고, 1600℃ 이상의 온도에서 열처리를 하게 되면 과소결(oversintering) 현상에 의해 표면 개질층의 결정립 크기가 과도하게 증가하고 밀도가 현저히 저하되며 기계적 특성이 불량하게 되어 분리막으로 사용하기에 부적합하게 된다.
이 경우, 성형압분체 주위의 분위기분말은 성형밀도가 30% 미만이 되도록 하여, 열처리에 의해 치밀화가 되는 것을 방지해야 한다. 이 경우, 성형압분체로부터 치밀화된 분리막의 표면에서의 조성 분포는 열처리 온도 및 분위기 분말의 기공율에 의해 결정된다.
The molded green compact is charged into an alumina crucible and heat-treated, and the single-component or multi-component metal oxide composed of a component which is partially replaced by metal cations in the green compact composition is surrounded by the molded green compact and then subjected to electrical resistance. Heat in air at a temperature of 1200 ~ 1600 ℃ using. In other words, it is possible to obtain a perovskite single phase that can perform the function of the surface modification layer only when the heat treatment is performed at a temperature of 1200 ° C. or higher, and when the heat treatment is performed at a temperature of 1600 ° C. or higher, the surface modified layer is oversintered. Grain size increases excessively, density decreases remarkably, and mechanical properties become poor, making it unsuitable for use as a separator.
In this case, the atmosphere powder around the molding compact should have a molding density of less than 30% to prevent densification by heat treatment. In this case, the composition distribution on the surface of the separator densified from the molding compact is determined by the heat treatment temperature and the porosity of the atmospheric powder.

La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ 조성의 성형 압분체를 ZrO2 조성의 산화물 분말로 둘러싼 후 1500℃에서 열처리하는 경우에, 전이금속인 Zr은 페로프스카이트 구조의 B 자리에 치환되어, 치밀화된 분리막의 표면층은 La0.7Sr0.3Ga1-y-y'Fe y'ZryO3-δ 의 조성을 갖게 된다. 이는 X-선 회절 분석을 통해 검증할 수 있다. 도 2에서 좌측의 수직선은 측정값의 보정을 위해 표준물질로 사용한 Si 금속의 (311)면에 해당하는 2θ의 위치이며, 우측은 La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ 조성의 페로프스카이트 구조의 (211)면에 해당하는 2θ의 위치이다. 아래쪽에 도시한, 표면이 개질되지 않은 La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ조성의 분리막에 대한 결과는 (211)면에 해당하는 피크가 명확히 1개가 측정되나, 윗쪽에 도시한, 표면이 개질된 분리막의 표면에서는 피크의 위치가 다른 피크가 다수 측정된다. 피크의 위치가 변한다는 것은 이온반경이 다른 양이온이 치환되었음을 의미한다.When a green compact of La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ is enclosed with an oxide powder of ZrO 2 and heat-treated at 1500 ° C., Zr, a transition metal, is substituted at the B site of the perovskite structure. Thus, the surface layer of the densified membrane has a composition of La 0.7 Sr 0.3 Ga 1-y-y ' Fe y' Zr y O 3-δ . This can be verified through X-ray diffraction analysis. In FIG. 2, the vertical line on the left is the position of 2θ corresponding to the (311) plane of the Si metal used as a reference material for correction of the measured value, and the right side is a ferof having a composition of La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ. It is the position of 2θ corresponding to the (211) plane of the skytecture. As shown below, the result of the membrane with the unmodified La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ composition clearly shows that one peak corresponding to the (211) plane is measured, but the top surface is shown above. On the surface of this modified separator, many peaks with different peak positions are measured. The change in the position of the peak means that cations with different ionic radii are substituted.

분리막의 산소투과유속은 최소 1000℃까지 승온될 수 있는 발열체를 사용하는 가열노(furnace)를 이용하여 고온에서 측정한다. 표면이 개질된 분리막 시편은 가열노 내부에 장착된 지지대에 접착시키는데, 기체의 누출을 방지하기 위하여 고리형태의 금 또는 은을 봉합재로서 사용한다. 분리막 시편을 중심으로 한 양쪽 계의 밀봉 여부는 측정 최고온도에서 한 쪽 계에는 질소가스 등을 흘리고, 다른 한 쪽 계에서는 비활성 고순도 운반용 가스(Ar 또는 He 등)를 흘려서, 배출되는 운반 용 가스를 기체 크로마토그래피 등의 검출장치를 이용하여 판단한다.The oxygen permeation flow rate of the membrane is measured at high temperature using a heating furnace using a heating element capable of heating up to at least 1000 ° C. The surface-modified separator specimen is bonded to a support mounted inside the heating furnace, and ring-shaped gold or silver is used as the sealing material to prevent gas leakage. The sealing of both systems centered on the membrane specimen is carried out by nitrogen gas, etc., flowing in one system and the inert, high-purity gas (Ar or He, etc.) flowing in one system at the maximum temperature measured. Judgment is made using a detection apparatus such as gas chromatography.

분리막을 통하여 투과된 산소의 양을 측정하기 위해서는 다음과 같은 방법을 이용한다. 산소분압이 높은 영역의 산소분압을 측정하고 일정한 유속이 되도록 조절한다. 산소분압이 낮은 영역에는 비활성 고순도 운반가스의 산소분압을 측정하고 일정한 유속이 되도록 Mass Flow Controller를 이용하여 조절한다. 일정한 온도와 일정한 압력에서 산소투과유속이 정상상태가 되었을 때의 값을 기록한다.In order to measure the amount of oxygen permeated through the membrane, the following method is used. Measure the oxygen partial pressure in the region with high oxygen partial pressure and adjust it to have a constant flow rate. In the low oxygen partial pressure region, the oxygen partial pressure of the inert, high-purity carrier gas is measured and adjusted using a mass flow controller to achieve a constant flow rate. Record the value when the oxygen permeation flow is steady at a constant temperature and pressure.

투과유속 측정을 마친 후에는 냉각후에 시편을 육안으로 관찰하여 균열의 생성 여부 등을 파악하고, 반응기에서 시편을 분리한 후에 주사전자현미경을 이용하여 미세구조를 관찰한다. 또한 X-선 회절법을 이용하여 새로운 상의 생성 여부 및 격자상수의 변화를 측정한다.After the measurement of the permeation flux, the specimens are visually observed after cooling to determine the formation of cracks, and after the specimens are separated from the reactor, the microstructure is observed using a scanning electron microscope. In addition, X-ray diffraction is used to determine whether a new phase is generated and the change of lattice constant.

본 발명의 효과를 비교하기 위하여, 혼합전도성 다성분계 금속 산화물로서, 문헌[스티븐슨 등, J. Electrochem. Soc., 제143권 pp.2722 (1996)]등에서 높은 산소투과유속을 나타낸다고 보고되는 La1-xSrxCoyFe1-yO 3-δ 조성 분리막의 산소투과 특성을 비교례로 하였다. 도 3은 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ 분리막과 La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ분리막 및 이들 각각에 La0.6Sr0.4CoO3-δ 조성을 스크린 프린팅법을 이용하여 개질한 후의 반응온도에 따란 측정한 산소투과유속의 변화를 나타낸다. 표기상의 용이를 위해, La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ은 LSCF, La 0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ는 LSGF, La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3- δ분리막의 표면을 La0.6Sr0.4CoO3-δ로 개질한 경우는 LSC/LSCF, 및 La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ 분리막의 표면을 La0.6Sr0.4CoO3-δ로 개질한 경우는 LSC/LSGF로 표기하였다. 표면을 개질하지 않은 시편의 경우, LSCF는 LSGF에 비하여 높은 산소투과유속을 나타내며, 최고 측정온도인 950℃에서 0.25 ml/cm 2 min의 값을 나타낸다. 그러나 La0.6Sr0.4CoO3-?? 조성으로 표면을 개질한 경우, La 0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ는 현저한 산소투과유속의 증가를 나타내며, 950℃에서 0.48 ml/cm 2 min의 값을 나타낸다. 반면에, La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ조성의 분리막은 표면을 개질한 경우에도 개질하지 않은 경우와 측정온도의 거의 전범위에 걸쳐서 거의 유사한 산소투과유속을 나타내어, 표면개질의 영향을 받지 않음을 알 수 있다.In order to compare the effects of the present invention, as a mixed conductive multicomponent metal oxide, Stevenson et al., J. Electrochem. Soc., Vol. 143, pp.2722 (1996)], and the oxygen permeation characteristics of the La 1-x Sr x Co y Fe 1-y O 3-δ composition separation membrane reported to have a high oxygen permeation flux as a comparative example. 3 is a La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ separator and La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ separator and each of them La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ composition is modified by screen printing method The oxygen permeation flow rate measured according to the reaction temperature is shown. La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ is LSCF, La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ is LSGF, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3- δ If the modification of the surface with La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ is LSC / LSCF, and La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ the surface of the membrane La 0.6 Sr 0.4 CoO when the modification to the 3-δ is LSC / LSGF. For specimens without surface modification, LSCF showed a higher oxygen permeation rate than LSGF and a value of 0.25 ml / cm 2 min at the highest measurement temperature of 950 ° C. But La 0.6 Sr 0.4 CoO 3- ?? When the surface is modified by the composition, La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ shows a significant increase in oxygen permeation flow rate and a value of 0.48 ml / cm 2 min at 950 ° C. On the other hand, the membrane having the composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ exhibited almost similar oxygen permeation flux over the entire range of the measured temperature and unmodified surface even when the surface was modified. It can be seen that it does not receive.

따라서, La1-xAxCoyFe1-yO3-δ (이때 A는 Ba, Sr, Ca 등, 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0임) 조성의 분리막은 산소투과유속을 결정하는 2가지 요소중에서, 벌크를 통한 산소이온의 확산속도가 전체 산소투과유속을 결정하는 요소이므로, 표면개질의 효과가 발생하지 않은 반면에, La1-xAxGay Fe1-yO3-δ (이때 A는 Ba, Sr, Ca 등, 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0임) 조성의 페로프스타이트 다성분계 금속 산화물은 전술한 바와 같이, 벌크를 통한 산소 이온의 전도도가 크면서도 표면에서의 교환반응속도가 상대적으로 낮아, 전체 산소투과의 유속을 결정하게 되어, 표면교환반응속도가 큰 La0.6Sr0.4CoO 3-δ 조성으로 표면을 개질한 경우에 산소투과유속을 증가됨을 확인할 수 있다.
Therefore, La 1-x A x Co y Fe 1-y O 3-δ (where A is selected from group 2 according to the periodic table of elements, such as Ba, Sr, Ca, and 0 <x <1.0, 0 <y <1.0) The separation membrane of the composition is one of the two factors that determine the oxygen permeation flux, and since the diffusion rate of oxygen ions through the bulk determines the overall oxygen permeation flux, the effect of surface modification does not occur, while La 1- x A x Ga y Fe 1-y O 3-δ (where A is selected from group 2 according to the periodic table of elements, such as Ba, Sr, Ca, etc., and 0 <x <1.0, 0 <y <1.0) As described above, the Ropezite multi-component metal oxide has a high conductivity of oxygen ions through the bulk and a relatively low exchange reaction rate on the surface, thereby determining the flow rate of the total oxygen permeation, thereby increasing the surface exchange reaction rate. When the surface is modified with La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ composition, the oxygen permeation rate may be increased.

표면 개질층의 제조방법에 따라 표면층의 형상 및 치밀도를 조절할 수 있으며, 분리막의 표면으로부터 내부로 조성을 연속적으로 변화시킬 수 있다. 표면 개질층과 분리막의 조성이 달라짐에 따라 고온의 환원분위기에서의 화학적, 구조적 안정성이 변하기 때문에, 다양한 제조방법을 통해 표면층의 형상 및 치밀도를 제어하는 것은 중요하다.The shape and density of the surface layer can be adjusted according to the method of manufacturing the surface modification layer, and the composition can be continuously changed from the surface of the separator to the inside. As the composition of the surface modification layer and the membrane changes, chemical and structural stability in a high temperature reducing atmosphere changes, so it is important to control the shape and density of the surface layer through various manufacturing methods.

조성의 변화는 X-선 회절의 결과로부터 판단할 수 있다. 도4에서 세 개의 수직선은 각각 La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ, La 0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ, 및 La0.6 Sr0.4CoO3-δ의 (211)면에 해당하는 피크의 위치이다. 아래쪽에 도시한 X-선 회절 피크는 표면에 다공성 La0.6Sr0.4CoO3-δ 조성의 후막이 있는 경우로서, La0.6Sr 0.4CoO3-δ 피크 이외에도 58도 부근에서 피크가 관찰됨을 알 수 있다. 윗쪽에 도시한 X-선 회절 피크는 표면의 La0.6Sr0.4CoO3-δ 개질층을 인위적으로 제거함으로써, 분리막과 표면 개질층의 경계에서 측정한 것으로서, La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ 특성피크 위치와 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ 특성피크 위치의 사이에 주 피크가 관찰되며, 58.5°부근의 높은 각 부근에서 피크가 다수 관찰된다. 이는 분리막의 조성인 La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4 O3-δ와 표면 개질층인 La0.6Sr0.4CoO3-δ간의 B-자리(-site) 양이온의 치환에 의해 La1-x SrxCoyGay'Fe1-y-y'O3-δ 조 성으로 개질되었음을 의미하며, 이러한 조성의 표면층이 분리막의 표면교환 단계에서 작용하고 있다.
The change in composition can be judged from the result of X-ray diffraction. In FIG. 4, the three vertical lines correspond to the (211) planes of La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ, and La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ , respectively. Is the position of the peak. The X-ray diffraction peak shown below is a thick film having a porous La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ composition on the surface, and in addition to the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ peak, a peak is observed near 58 degrees. . The X-ray diffraction peak shown at the top is measured at the boundary between the separator and the surface modified layer by artificially removing the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ modified layer from the surface, La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3 The main peak is observed between the characteristic peak position and La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ characteristic peak position, and many peaks are observed near the high angle near 58.5 °. This composition of the membrane La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ and surface modification layer of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ between B- seat (-site) by substitution of the cationic La 1-x Sr x Co y Ga y ' Fe 1-y-y' O 3-δ means that the modified to the composition, the surface layer of this composition is acting in the surface exchange step of the membrane.

표면개질층의 기공율을 조절함으로써 산소투과유속이 달라질 수 있다. 도5는 La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3- δ조성의 분리막에 La0.6Sr0.4CoO3-δ조성으로 스크린 프린팅법을 이용하여 표면을 개질하되, 열처리온도를 달리함으로써, 표면 개질층의 기공도를 조절하여 제조된 시편에 대해 산소투과유속을 측정한 결과이다. 표면을 개질한 경우에 모두 산소투과유속의 증가가 관찰되나, 특히 상대적으로 치밀한(dense) 코팅을 한 경우에는 950℃에서 0.16 ml/cm2min의 산소투과유속을 나타냄에 비하여 상대적으로 다공성(porous) 코팅을 한 경우에는 0.48 ml/cm2min의 높은 유속을 나타내었다. 따라서 표면 개질층의 유효 표면적이 큰 경우에, 표면 개질의 효과가 현저함을 알 수 있다.By adjusting the porosity of the surface modification layer, the oxygen permeation flow rate can be varied. 5 is La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3- δ of the membrane composition of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ composition but modifying the surface using a screen printing method to, by varying the heat treatment temperature, the surface modification layer Oxygen permeation flux was measured for the specimens prepared by adjusting the porosity. The oxygen permeation flux was observed to be increased when the surface was modified. In particular, when the dense coating was applied, the oxygen permeation flux was 0.16 ml / cm 2 min at 950 ° C. ), The coating showed a high flow rate of 0.48 ml / cm 2 min . Therefore, when the effective surface area of a surface modification layer is large, it turns out that the effect of surface modification is remarkable.

분리막과 표면 개질층간의 경계면에서의 X-선 회절 결과로부터, 치밀한(dense) 코팅을 한 경우에 분리막 내부로의 양이온 치환 및 그에 따른 조성이 개질되는 정도가 큼을 알 수 있다. 한편, 표면 개질층의 조성의 변화는 파괴양상의 변화를 유발한다.From the X-ray diffraction results at the interface between the separator and the surface modification layer, it can be seen that when the dense coating is applied, the degree of modification of the cation into the separator and the composition thereof is large. On the other hand, a change in the composition of the surface modification layer causes a change in the fracture pattern.

고체산화물 연료전지(SOFC)의 공기극 전극재료로 사용되는 La1-xSrxMnO3-δ 의 경우에는 전해질, 전극 및 기상이 접하는 삼중점(triple point)에서 주된 표면 교 환반응이 발생하므로, 전극재료는 다공성이어야 한다고 알려져 있다. La1-xSrxCoO 3-δ 조성의 표면 개질층을 이용해서 효율적인 산소투과유속을 얻기 위해서는, La1-xSrxMnO3-δ의경우와 동일한 기구에 의한 것인지를 확인할 필요가 있다. La0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3-δ 조성의 분리막에 La 0.6Sr0.4CoO3-δ 조성으로 스크린 프린팅법을 이용하여 표면을 개질하되, 열처리 온도를 조절하여, 치밀한 개질층과 다공성 개질층의 2개층을 연속적으로 코팅한 후 산소투과 특성을 평가하였다. 분리막과 표면 개질층의 경계에 인접한 부분에서는 입내파괴 (transgranular fracture)의 양상을 보이는 반면(도 6), 내부에서는 입계파괴 (intergranular fracture)의 경향을 나타내는데(도 7), 이는 조성의 차이에 기인한 것이다. In the case of La 1-x Sr x MnO 3-δ , which is used as a cathode electrode material of a solid oxide fuel cell (SOFC), a major surface exchange reaction occurs at a triple point where an electrolyte, an electrode, and a gas phase come into contact with each other. It is known that the material should be porous. In order to obtain an efficient oxygen permeation flux using a surface modification layer having a La 1-x Sr x CoO 3-δ composition, it is necessary to confirm whether or not the same mechanism as in the case of La 1-x Sr x MnO 3-δ is used. La 0.7 Sr 0.3 Ga 0.6 Fe 0.4 O 3-δ on the separator with the composition La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ to modify the surface by screen printing method, by controlling the heat treatment temperature, the compact and porous modified layer Oxygen permeation characteristics were evaluated after two layers of were coated successively. In the region adjacent to the boundary between the membrane and the surface modification layer, there is a tendency of transgranular fracture (FIG. 6), while internally there is a tendency of intergranular fracture (FIG. 7), which is due to the difference in composition. It is.

950℃에서 100시간 이상의 산소투과 실험을 행한 후 냉각 중 850℃에서 균열이 발생한 LSCF 분리막의 사진이다. 발생된 균열의 형태는 전형적인 biaxial 파괴시편의 균열의 양상과 유사하며, 파괴는 시편의 상부 (He-side)에서 발생함을 알 수 있다.It is a photograph of LSCF membrane which cracked at 850 ℃ after performing oxygen permeation experiment at 950 ℃ for over 100 hours. The crack formation is similar to that of a typical biaxial fracture specimen, and the fracture occurs at the top of the specimen (He-side).

페로프스카이트 구조의 A-자리에 2가의 양이온을 치환하면 고온의 환원분위기에서는 산소 빈자리 또는 B-자리 양이온의 산화수가 증가하게 되는데, 고온에서 산소 빈자리의 농도가 증가하게 되면, B-자리 양이온은 전자를 내어놓고 다시 환원되는데 이 경우에 격자의 팽창을 유발한다. 전술한 바와 같이, La1-xAxCoy B1-yO3-δ 와 같이, Co를 포함하는 계에서는 고온의 환원분위기하에서 화학적으로 불안정하여, 상분리가 발생하기 쉽고, 그에 따라 산소투과유속이 감소하거나 기계적 강도가 감소하게 된다. 반면에 Ga을 포함하는 계는 상대적으로 안정하다. 따라서 본 발명에서와 같이, 표면 반응속도가 우수한 Co계를 벌크형태가 아닌 기공율이 조절된 형태인 표면개질층으로 개재시킬 경우에 표면에서의 화학적 안정성을 도모할 수 있고 또한 균열발생의 가능성을 낮출 수 있어, 구조적 안정성을 유지할 수 있다. 또한 표면 교환반응속도가 낮은 La1-xAxGayFe1-yO3-δ 조성의 분리막이 갖는 높은 벌크 이온전도도를, 표면 개질을 통해 효과적으로 이용할 수 있게 된다.Substitution of a divalent cation in the A-site of the perovskite structure increases the oxidation number of the oxygen vacancy or B-site cation in a high-temperature reducing atmosphere. When the concentration of oxygen vacancy increases at high temperature, the B-site cation Is reduced again by giving off electrons, which causes the lattice to expand. As described above, in the system containing Co, such as La 1-x A x Co y B 1-y O 3-δ , chemical separation is possible under a high temperature reducing atmosphere, and phase separation is likely to occur. The flow rate is reduced or the mechanical strength is reduced. On the other hand, a system containing Ga is relatively stable. Therefore, as in the present invention, when the Co-based surface having excellent surface reaction rate is interposed with a surface modification layer having a porosity-controlled form rather than a bulk form, the chemical stability at the surface can be improved and the possibility of cracking can be lowered. Can maintain structural stability. In addition, the high bulk ion conductivity of the separator having a low surface exchange rate of La 1-x A x Ga y Fe 1-y O 3-δ can be effectively used through surface modification.

Claims (3)

La1-xAxGayFe1-yO3-δ(이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, σ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임)로 표시되는 다성분 금속 산화물인 페로프스카이트 단일상으로 합성된 분말을 일축가압 또는 정수압으로 가압성형된 압분체를 소결하여 제조된 조밀한 막으로된 산소투과 분리막에 있어서, 상기 소결된 조밀한 막의 표면에 La1-xAxCoy B1-yO3-δ (이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, B는 D 블록 전이금속중에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, σ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임) 로 표시되는 조성과 La1-xAxCoyGay'By Fe1-y-y'-y"O3-δ 로 표시되는 조성을 각각 갖는 두 개의 층상으로 이루어진 개질된 표면층을 형성하되, La1-xAxCoy Gay'By"Fe1-y-y'-y"O3-δ의 조성층은 소결체의 표면과 표면층이 접하는 경계층을 이루고 La 1-xAxCoyB1-yO3-δ 조성층은 표면층의 최외표면층을 이루어 형성된 개질된 표면층을 갖는 산소투과 분리막.La 1-x A x Ga y Fe 1-y O 3-δ (where A is selected from group 2 according to the periodic table of elements employed by IUPAC, 0 <x <1.0, 0 <y <1.0, and σ is Oxygen as a dense membrane made by sintering a green compact synthesized by uniaxial or hydrostatic pressure from a powder synthesized as a single-phase perovskite single phase, a multi-component metal oxide, which neutralizes the charge of a compound). In the permeable membrane, La 1-x A x Co y B 1-y O 3-δ on the surface of the sintered dense membrane, where A is selected from group 2 according to the periodic table of elements employed by IUPAC, and B is Selected from D block transition metals, where 0 <x <1.0, 0 <y <1.0, and σ is a number that neutralizes the charge of the compound) and La 1-x A x Co y Ga y ' B y Fe 1-y-y'-y " O to form a modified surface layer consisting of two layers each having a composition represented by 3-δ , La 1-x A x Co y Ga y ' B y" Fe 1- y-y'-y "O 3- The composition layer forms the boundary layer surface and the surface layer of the sintered body in contact with La 1-x A x Co y B 1-y O 3-δ composition layer is an oxygen permeable membrane having a modified surface layer formed in the outermost surface layer made of the surface layer. La1-xAxGayFe1-yO3-δ(이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, σ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임)로 표시되는 다성분 금속 산화물인 페로프스카이트 단일상으로 합성된 분말을 일축가압 또는 정수압으로 가압성형된 압분체를 제조하고 이를 소결하여 제조된 조밀한 막을 이용하여 산소투과 분리막의 표면층 개질방법에 있어서, La 1-x A x Ga y Fe 1-y O 3-δ (where A is selected from group 2 according to the periodic table of elements employed by IUPAC, 0 <x <1.0, 0 <y <1.0, and σ is A compacted film prepared by uniaxially or hydrostatically press-molding a powder formed of a powder composed of a single-phase perovskite single phase, a multi-component metal oxide represented by the neutral charge of a compound, is prepared. In the method of modifying the surface layer of the oxygen permeation membrane, 상기 소결된 조밀한 막의 표면에 상기 막 조성에서 금속 양이온이 일부 치환된 La1-xAxCoyB1-yO3-δ (이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, B는 D 블록 전이금속중에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, σ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임)로 표시되는 페로프스카이트 단일상 분말로 된 슬러리를 도포하여 스크린으로 프린트한 후 건조하고 700℃~1300℃의 온도로 가열하여 소결체의 표면에 제1항의 개질된 표면층을 형성시키는 산소투과 분리막의 표면층 개질방법La 1-x A x Co y B 1-y O 3-δ in which the metal cation is partially substituted in the film composition on the surface of the sintered dense film, where A is in group 2 according to the periodic table of elements employed by IUPAC B is selected from D block transition metals, 0 <x <1.0, 0 <y <1.0, and σ is a number that neutralizes the charge of the compound) Method of modifying the surface layer of the oxygen permeation membrane by applying the slurry, printing it to a screen, drying and heating to a temperature of 700 ° C to 1300 ° C to form the modified surface layer of claim 1 on the surface of the sintered body. La1-xAxGayFe1-yO3-δ(이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, σ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임)로 표시되는 다성분 금속 산화물인 페로프스카이트 단일상으로 합성된 분말을 일축가압 또는 정수압으로 가압성형된 압분체를 제조하고 이를 소결하여 제조된 조밀한 막을 이용하여 산소투과 분리막의 표면층 개질방법에 있어서, La 1-x A x Ga y Fe 1-y O 3-δ (where A is selected from group 2 according to the periodic table of elements employed by IUPAC, 0 <x <1.0, 0 <y <1.0, and σ is A compacted film prepared by uniaxially or hydrostatically press-molding a powder formed of a powder composed of a single-phase perovskite single phase, a multi-component metal oxide represented by the neutral charge of a compound, is prepared. In the method of modifying the surface layer of the oxygen permeation membrane, La1-xAxGayFe1-yO3-δ로 표시되는 다성분 금속 산화물인 페로프스카이트 단일상으로 합성된 분말로 35~45%의 기공율을 갖도록 성형한 압분체를 압분체 조성에서 금속 양이온이 일부 치환된 La1-xAxByB'1-yO3-δ (이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, B는 D 블록 전이금속중에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, σ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임)로 표시되는 다성분 금속 산화물의 분말속에 넣고 12001600℃의 온도로 가열처리하면 상기 압분체는 소결체가 되고 소결체의 외표면에 제1항의 개질된 표면층을 형성시키거나,A green powder synthesized with a single phase of perovskite, which is a multi-component metal oxide represented by La 1-x A x Ga y Fe 1-y O 3-δ , which has a porosity of 35 to 45%. La 1-x A x B y B ' 1-y O 3-δ with a partially substituted metal cation in the composition, where A is selected from group 2 according to the periodic table of elements employed by IUPAC, and B is a D block transition metal is selected from, 0, and <x <1.0, 0 <y <1.0, σ is put in the powder of the multicomponent metallic oxide represented the charge of the compound as a number) to create a neutral when a heat treatment at a temperature of 1200 ~ 1600 ℃ The green compact is a sintered compact and forms the modified surface layer of claim 1 on the outer surface of the sintered compact, 상기 압분체를 소결한 후 소결체를 소결체의 조성에서 금속 양이온이 일부 치환된 La1-xAxByB'1-yO3-δ(이때 A는 IUPAC에 의해 채용된 원소 주기율표에 따른 2족에서 선택되고, B는 D 블록 전이금속중에서 선택되고, 0<x<1.0, 0<y<1.0이고, σ는 화합물의 전하를 중성으로 만드는 숫자임)로 표시되는 다성분 금속 산화물의 분말속에 넣고 700~1300℃로 가열하여 소결체의 외표면에 제1항의 개질된 표면층을 형성시키는 산소투과 분리막의 표면층 개질방법After sintering the green compact, the sintered compact was subjected to La 1-x A x B y B ' 1-y O 3-δ in which the metal cation was partially substituted in the composition of the sintered compact, wherein A is 2 according to the periodic table of elements employed by IUPAC. Selected from the group, B is selected from among the D block transition metals, 0 <x <1.0, 0 <y <1.0, and σ is a number that neutralizes the charge of the compound). Method of modifying the surface layer of the oxygen permeable membrane to form a modified surface layer of claim 1 on the outer surface of the sintered body by heating to 700 ~ 1300 ℃
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