KR100692642B1 - The preparation method of thin film electrolyte for solid oxide fuel cell by sol-gel method - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명 방법에 의해 제조된 8YSZ 졸의 제로겔 상태에 대한 TG/DTA 분석 그래프.1 is a graph of TG / DTA analysis of the zero gel state of 8YSZ sol prepared by the method of the present invention.
도 2는 본 발명 방법에 의해 제조된 8YSZ 졸의 제로겔 상태에 대한 소결 온도별 X선 회절 분석 패턴.2 is an X-ray diffraction analysis pattern for each sintering temperature of the zero gel state of 8YSZ sol prepared by the method of the present invention.
도 3은 본 발명 전해질 박막 형성 방법에 의해 제조된 연료극 지지체의 순차적 전해질층에 대한 셈 분석 결과로서,FIG. 3 is a result of a calculation analysis of the sequential electrolyte layers of the anode support manufactured by the method for forming an electrolyte thin film of the present invention.
(가)는 1400℃에서 5시간 소결된 베이스 전해질층의 표면 사진이며, (A) is a photograph of the surface of the base electrolyte layer sintered at 1400 ℃ for 5 hours,
(나)는 1400℃에서 5시간 소결된 베이스 전해질층의 단면 사진이며, (B) is a cross-sectional photograph of the base electrolyte layer sintered at 1400 ° C. for 5 hours,
(다)는 600℃에서 1시간 열처리된 전해질 박막의 표면 사진이며, (C) is a photograph of the surface of the electrolyte thin film heat-treated at 600
(라)는 600℃에서 1시간 열처리된 전해질 박막의 단면 사진이며, (D) is a cross-sectional photograph of the electrolyte thin film heat-treated at 600 ℃ for 1 hour,
(마)는 1400℃에서 5시간 소결된 전해질 박막의 표면 사진이며, (E) is a photograph of the surface of the electrolyte thin film sintered at 1400 ° C. for 5 hours,
(바)는 1400℃에서 5시간 소결된 전해질 박막의 단면 사진이다. (Bar) is a cross-sectional photograph of the electrolyte thin film sintered at 1400 ° C. for 5 hours.
도 4는 졸 코팅 회수별 전해질층에 대한 헬륨 가스의 투과도 변화 그래프.Figure 4 is a graph of the permeability change of helium gas for the electrolyte layer for each sol coating recovery.
도 5는 본 발명 방법에 의해 형성된 박막의 표면을 소결 온도별 셈 분석한 결과로서,5 is a result of the sintering temperature analysis of the surface of the thin film formed by the method of the present invention,
(가)는 1100℃에서 5시간 소결된 박막의 표면 사진이며, (A) is a photograph of the surface of the thin film sintered at 1100 ℃ for 5 hours,
(나)는 1200℃에서 5시간 소결된 박막의 표면 사진이며, (B) is a photograph of the surface of the thin film sintered at 1200 ℃ for 5 hours,
(다)는 1300℃에서 5시간 소결된 박막의 표면 사진이며, (C) is a photograph of the surface of the thin film sintered at 1300 ℃ for 5 hours,
(라)는 1400℃에서 5시간 소결된 박막의 표면 사진이다. (D) is a photograph of the surface of the thin film sintered at 1400 ° C. for 5 hours.
도 6은 소결 온도별 전해질층에 대한 헬륨 가스의 투과도 변화 그래프.6 is a graph showing the change in permeability of helium gas to the electrolyte layer for each sintering temperature.
본 발명은, 고체산화물 연료전지의 특성을 저하시키지 않으면서 전해질층의 두께를 줄여 연료전지의 작동 온도를 떨어뜨릴 수 있도록 하기 위하여, 연료전지 전해질로 사용되는 이트리아 안정화 지르코니아를 졸-겔법에 의해 졸로 제조하고, 이 졸을 연료극 지지체 표면의 베이스 전해질층 위에 딥 코팅하여 전해질 박막을 형성시키는, 고체산화물 연료전지 전해질용 이트리아 안정화 지르코니아 졸의 제조 방법과 이를 이용한 전해질 박막의 형성 방법에 관한 것이다.The present invention uses a sol-gel method of yttria stabilized zirconia, which is used as a fuel cell electrolyte, in order to reduce the thickness of the electrolyte layer and lower the operating temperature of the fuel cell without degrading the characteristics of the solid oxide fuel cell. A method for producing a yttria stabilized zirconia sol for a solid oxide fuel cell electrolyte and a method for forming an electrolyte thin film using the same, wherein the sol is made of a sol and dip coated on the base electrolyte layer on the surface of the anode support to form an electrolyte thin film.
연료전지는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전 기술로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼 리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 연료전지로 분류된다.Fuel cell is a high-efficiency clean power generation technology that converts hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as natural gas, coal gas and methanol into electrical energy directly by electrochemical reaction. It is largely classified into alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate, solid oxide and polymer fuel cell.
일반적으로 연료전지는, 화석연료를 개질한 수소를 주성분으로 하는 수소 가스와 공기 속의 산소를 연료로 사용하고 인산 전해질을 사용하는 연료전지인 인산형 연료전지를 제 1세대, 용융염을 전해질로 사용하며 650℃ 부근에서 작동되는 고온형 용융탄산염 연료전지를 제2세대, 보다 높은 온도에서 작동하며 가장 높은 효율을 가진 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하, "SOFC"라 함.)를 제3세대 연료전지라고 한다.In general, a fuel cell is a first-generation phosphate fuel cell, which is a fuel cell using hydrogen gas mainly containing hydrogen-modified fossil fuel and oxygen in the air as a fuel, and a phosphate electrolyte as a first generation, and molten salt as an electrolyte. The high-temperature molten carbonate fuel cell operating near 650 ° C is the second generation, and the solid oxide fuel cell (SoFC), which operates at higher temperature and has the highest efficiency. It is called the third generation fuel cell.
제3세대 연료전지라고 불리우고 있는 상기 SOFC는, 인산형 연료전지 및 용융탄산염형 연료전지보다 뒤늦게 개발이 시작되었으나, SOFC는 여러 연료전지 유형 중 에너지 효율이 가장 높고, 1000℃에 이르는 높은 운전 온도로 인해 고가의 외부 개질장치 없이 LPG, LNG 등의 탄화수소를 직접 연료로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 운전 시 공해 물질의 배출이 거의 없다는 장점을 가지고 있다.The SOFC, called the third generation fuel cell, was developed later than the phosphate fuel cell and the molten carbonate fuel cell. However, SOFC has the highest energy efficiency among several fuel cell types and has a high operating temperature of 1000 ° C. As a result, hydrocarbons such as LPG and LNG can be directly used as fuels without expensive external reformers, and they also have the advantage of little emission of pollutants during operation.
따라서, 최근에는 SOFC의 운전 중 발생하는 양질의 고온 폐열을 가정용이나 열병합 발전에 접목하여 열효율을 극대화할 수 있다는 점 때문에, 현장 발전 등의 중소형 발전 시스템 뿐만 아니라 대형 발전 시스템으로도 각광받고 있다.Therefore, in recent years, high-temperature waste heat generated during operation of SOFCs can be combined with home or cogeneration to maximize thermal efficiency, and thus, it is gaining attention as a large-scale power generation system as well as small and medium-sized power generation systems such as field power generation.
그러나, SOFC는 고온에서 조업돼야 하는 바, 고온 조업에 따라 초래되는 구성 부품간의 열적, 기계적 특성의 적합성이나, 구성 재료간의 화학적 반응 및 열화(劣化) 등, 재료 공학적으로는 아직 해결해야 하는 문제가 여전히 많이 남아있는 실정이다.However, SOFCs have to be operated at high temperature, and there are still problems to be solved in materials engineering such as suitability of thermal and mechanical properties between components caused by high temperature operation, chemical reaction and deterioration between components. There is still a lot left.
특히, 실제 상용화에 걸림돌이 되고 있는 시스템의 신뢰성 문제는, 대부분 고온 운전에 따른 재료 물성의 한계에 기인하고 있는데, 이러한 SOFC의 높은 운전 온도에 따른 문제점을 해결하기 위해 700∼800℃ 정도의 범위로 운전 온도를 낮추는 연구가 진행되고 있다.In particular, the reliability problem of the system, which is an obstacle to the actual commercialization, is mostly due to the limitation of material properties due to the high temperature operation. In order to solve the problem caused by the high operating temperature of SOFC, it is in the range of about 700 to 800 ° C. Research into lowering the operating temperature is ongoing.
즉, SOFC의 운전 온도가 800℃ 이하로 낮아지면 열효율이 개선되고, 연료전지의 수명이 연장되며, 인터코넥터(interconnect)와 같은 금속재료 사용 용이하게 될 뿐만 아니라, 운전 비용이 낮아지는 등의 장점이 있다.In other words, when the operating temperature of SOFC is lowered below 800 ° C, thermal efficiency is improved, fuel cell life is extended, metal materials such as interconnects are not only easily used, but also operating costs are lowered. There is this.
그러나, 낮은 운전 온도에서, 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia, 이하. "YSZ"라 한다.)로 이루어진 전해질은, 옴 손실(ohmic loss) 증가라는 문제점을 갖게 되는 바, 낮은 온도에서 YSZ의 옴 손실을 감소시키기 위하여, 전해질을 박막화하여 제조하는 방법, 이온 전도도가 높은 새로운 전해질 물질을 합성하는 방법 등의 다양한 연구가 진행되고 있다.However, at low operating temperatures, electrolytes composed of yttria stabilized zirconia (hereinafter referred to as "YSZ") suffer from the problem of increased ohmic loss, which leads to ohms of YSZ at low temperatures. In order to reduce the loss, various studies such as a method of manufacturing an electrolyte by thinning it and a method of synthesizing a new electrolyte material having high ionic conductivity have been conducted.
일반적으로, 종래의 SOFC에서 안정화된 전해질은, 다결정의 치밀한 필름이나 층으로 제조되었으며, 이는, 증착 코팅 방법이나 미립자적 방법 등에 의해 제조되었는 바, 증착 코팅 방법은, 화학적이나 물리적 공정을 통하여 기판이나 지지체에 박막을 피복 형성시키는 것으로, 전기증착(electronically vapor deposition), 플라즈마 스프레이(plasma spraying) 등이 있는데, 이러한 코팅 공정들은 고가의 장비나 출발 물질이 요구될 뿐만 아니라, 기판의 형태와 크기에 따라 여러 제한적 요소들이 상존하는 단점이 있다.In general, the electrolyte stabilized in the conventional SOFC is made of a polycrystalline dense film or layer, which is produced by a deposition coating method or a particulate method, the deposition coating method is a substrate or the like through a chemical or physical process Coating the thin film on the support, such as electronically vapor deposition, plasma spraying, etc. These coating processes require expensive equipment or starting materials, as well as depending on the shape and size of the substrate There is a drawback that several limitations exist.
그리고, 미립자적 방법은, 전해질로 사용되는 YSZ 분말을, 고온에서, 원하는 형태와 밀도로 성형하는 것으로, 테입 캐스팅과 테입 캘린더링 등의 방법이 있는데, 상기 증착 코팅 방법에 비하여 제조 비용은 저렴하나 그 외에는 비슷한 제한 요소들을 가지고 있다.In the particulate method, the YSZ powder used as the electrolyte is formed at a high temperature at a desired shape and density, and there are methods such as tape casting and tape calendering, but manufacturing cost is lower than that of the deposition coating method. Others have similar limitations.
또한, 전해질층을 경제적으로 형성시킬 수 있는 슬러리 코팅법의 경우, 슬러리의 농도를 묽게 함으로써 전해질층의 두께를 가능한 얇게 형성시킬 수도 있으나, 슬러리 농도가 묽어짐에 따라 전해질층에 많은 기공들이 형성됨으로써, 반응 가스가 누출되는 등 연료전지의 특성을 떨어뜨리게 되는 문제가 있다.In addition, in the slurry coating method which can form the electrolyte layer economically, the thickness of the electrolyte layer may be made as thin as possible by diluting the concentration of the slurry, but as the slurry concentration decreases, many pores are formed in the electrolyte layer. In other words, there is a problem that the characteristics of the fuel cell are degraded, such as leakage of the reaction gas.
본 발명은, SOFC의 전해질층의 두께를 박막화하기 위하여 이용되는 종래의 방법들이 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 저온에서 제조가 가능하며 고가 장비나 출발 물질을 필요로 하지 않기 때문에, 제조 비용을 낮출 수 있고, 고순도로 제조가 가능하면서도 박막의 미세 구조에 대한 제어가 용이하여 우수한 전기적 특성을 갖는 고체산화물 연료전지 전해질용 YSZ 졸의 제조 방법과 이를 이용한 박막의 형성 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.The present invention was devised to solve all the problems of the conventional methods used to thin the thickness of the electrolyte layer of the SOFC, and because it can be manufactured at low temperature and does not require expensive equipment or starting materials, The present invention provides a method for preparing a solid oxide fuel cell electrolyte YSZ sol having a low electrical cost, high purity and easy control of a thin film, and excellent electrical properties, and a method for forming a thin film using the same. There is an object of the invention.
본 발명의 상기 목적은 졸-겔법과, 다수회 반복 및 열처리 하는 딥 코팅 방법에 의해 달성된다.The above object of the present invention is achieved by a sol-gel method and a dip coating method which is repeated and heat treated a plurality of times.
본 발명의 고체산화물 연료전지 전해질용 YSZ 졸의 제조 방법으로는 졸-겔법이 응용되며, 전해질 박막은 YSZ 졸을 이용한 다수회의 딥 코팅에 의해 이루어진 다.The sol-gel method is applied as a method for preparing an YSZ sol for a solid oxide fuel cell electrolyte of the present invention, and the electrolyte thin film is formed by a plurality of dip coatings using an YSZ sol.
그리고, 상기 YSZ 졸을 이용한 박막은, 딥 코팅 방식에 의해 SOFC의 연료극 지지체 표면에 다공성의 얇은 베이스 전해질층을 우선적으로 피복 형성시킨 후, 이 베이스 전해질층의 표면에 추가 전해질층으로서 피복 형성되는 바, 베이스 전해질층과 함께 전체 전해질층을 이루게 되는 전해질 박막을 8YSZ 졸로서 피복 형성시킴에 본 발명의 기술적 특징이 있다.The thin film using the YSZ sol is formed by coating a porous thin base electrolyte layer on the surface of the anode support of the SOFC by a dip coating method, and then coating the surface of the base electrolyte layer as an additional electrolyte layer. In addition, the technical features of the present invention include coating the electrolyte thin film, which forms the entire electrolyte layer together with the base electrolyte layer, as the 8YSZ sol.
즉, 상기 전해질 박막은, 졸-겔법을 이용하여 제조된 8YSZ 졸로 피복 형성된 것으로, 다공성 베이스 전해질층의 표면에 피복되어 치밀한 박막을 형성하게 되고, 베이스 전해질층과 전해질 박막이 순차적으로 적층 형성된 전체 전해질층의 두께가 종래의 전해질층보다 얇으면서도 그 특성이 유지되기 때문에, 고체산화물 연료전지의 작동 온도를 저하시킬 수 있게 된다.That is, the electrolyte thin film is formed by coating with 8YSZ sol manufactured using the sol-gel method, and is coated on the surface of the porous base electrolyte layer to form a dense thin film, and the base electrolyte layer and the electrolyte thin film are sequentially laminated with the whole electrolyte. Since the thickness of the layer is thinner than that of the conventional electrolyte layer and its characteristics are maintained, it is possible to lower the operating temperature of the solid oxide fuel cell.
상기와 같은 전해질 박막을 피복 형성시키기 위한 8YSZ 졸은,8YSZ sol for coating and forming the electrolyte thin film as described above,
지르코닐 질산염(zirconyl nitrate hydrate)을 물에 용해하여 0.5∼0.8M 농도의 지르코닐 질산염 용액을 제조하는 단계와;Dissolving zirconyl nitrate hydrate in water to prepare a zirconyl nitrate solution at a concentration of 0.5-0.8 M;
착화제(chelating agent):ZrO2=1:2의 몰비가 되도록 상기 지르코닐 질산염 용액에 착화제를 천천히 첨가한 후 상온에서 교반하는 단계와;Slowly adding a complexing agent to the zirconyl nitrate solution in a molar ratio of chelating agent: ZrO 2 = 1: 2 and then stirring at room temperature;
지르코니아의 상안정제 역할을 하는 이트리아 혼합물인 이트륨 질산염(yttrium nitrate hydrate)을 물에 용해하여 이트륨 질산염 용액을 제조한 후 착화제:Y2O3=1:2의 몰비가 되도록 착화제를 첨가하는 단계와;A yttrium nitrate hydrate, a yttria mixture serving as a phase stabilizer of zirconia, was dissolved in water to prepare a yttrium nitrate solution, and then a complexing agent was added so as to have a molar ratio of complexing agent Y 2 O 3 = 1: 2 Steps;
착화제가 각각 첨가된 지르코닐 질산염 용액과 이트륨 질산염 용액을 혼합하는 단계와;Mixing the zirconyl nitrate solution and the yttrium nitrate solution to which the complexing agent is added, respectively;
혼합액을 숙성(aging)시킨 후 필터를 이용하여 합성 과정에서 생긴 반응 잔여물 및 균열을 초래하는 미세 불순물을 걸러내는 단계 등을 통하여 제조된다.After the aging of the mixed solution (filter), it is produced through the step of filtering out the reaction residues and cracks caused by the synthesis process using a filter and the like.
이때, 상기 교반이 완료된 지르코닐 질산염 용액에, 무기화합물을 이용한 졸의 응고 정도를 조절하기 위해 에틸알콜, 이소프로필알콜, 노르말프로필알콜, 터셔리부틸알콜 등과 같은 응고조절제를 첨가하는 것이 바람직하며, 그 양은 총 용매량의 45∼55중량% 가 바람직하다.At this time, it is preferable to add a coagulation regulator such as ethyl alcohol, isopropyl alcohol, normal propyl alcohol, tertiary butyl alcohol, etc. to adjust the degree of coagulation of the sol using the inorganic compound to the zirconyl nitrate solution is completed, The amount is preferably 45 to 55% by weight of the total amount of solvent.
그리고, 이트륨 질산염 용액 중의 이트리아는, 지르코닐 질산염 용액 중의 지르코니아와 (Y2O3)0.08(ZrO2)0.92의 몰비를 만족하도록 정량되어야 한다.The yttria in the yttrium nitrate solution should be quantified to satisfy the molar ratio of zirconia and (Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 in the zirconyl nitrate solution.
또한, 착화제로는 아세트산(acetic acid), 시트릭산(citric acid), 이디티에이(EthyleneDiamineTetraacetic Aacid), 옥살릭산(oxalic acid), 피브이에이(PolyVinyl Alcohol) 등을 예로 들 수 있으나, 몰 중량이 가장 작은 아세트산이 바람직한데, 이는, 몰 중량이 이보다 클 경우 착화제가 균열 발생 요인으로 작용하게 되기 때문이다.Examples of the complexing agent include acetic acid, citric acid, ethylenediaminetetraacetic aacid, oxalic acid, and polyvinyl alcohol. Small acetic acid is preferred because the complexing agent acts as a cracking factor when the molar weight is larger than this.
또한, 착화제의 참가 함량은, 금속 이온간의 반응을 위하여 1:2의 몰비를 지켜 주어야 하고, 혼합액의 숙성은 상온에서 적어도 하루 이상 이루어지도록 하며, 혼합액 중에 잔존하는 미세한 잔류물을 제거하기 위하여 필터는 기공 크기가 0.5㎛ 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the participation amount of the complexing agent should be kept at a molar ratio of 1: 2 for the reaction between the metal ions, the aging of the mixed solution is to be carried out at least one day at room temperature, and to remove the fine residue remaining in the mixed solution It is preferable to use the thing whose pore size is 0.5 micrometer or less.
상기와 같이 제조된 8YSZ 졸은, 연료극 지지체 표면에 8YSZ 슬러리를 이용하여 피복 형성시킨 다공성 베이스 전해질층의 표면에 5∼15회 반복 딥 코팅되며, 각 딥 코팅 후에는 8YSZ 졸의 중량 손실이 최대한 발생하는 400∼600℃ 범위에서 열처리가 실시되어야 한다.The 8YSZ sol prepared as described above is dip coated 5-15 times on the surface of the porous base electrolyte layer formed by coating 8YSZ slurry on the surface of the anode support, and the weight loss of the 8YSZ sol occurs after each dip coating. Heat treatment should be performed in the range of 400 ~ 600 ℃.
이때, 상기의 온도 범위보다 낮은 온도에서 열처리를 실시하는 경우, 8YSZ 졸에 잔류하게 되는 유기 성분에 의해 박막의 균열이 초래될 수 있으며, 이보다 높은 온도에서 열처리를 실시하는 경우에는, 8YSZ 졸층의 열팽창에 의해 코팅막간에 균열이 발생될 수 있게 된다.In this case, when the heat treatment is performed at a temperature lower than the above temperature range, cracks of the thin film may be caused by the organic components remaining in the 8YSZ sol, and when the heat treatment is performed at a higher temperature, thermal expansion of the 8YSZ sol layer is performed. By the cracks can be generated between the coating film.
그리고, 졸 코팅이 완료되면, 400∼600℃ 범위에서 최종 열처리를 실시한 후 1300∼1400℃에서 소결하거나, 최종 열처리를 실시하지 않고 바로 소결을 실시할 수도 있는데, 이는, 최종 소결 과정시 가열하는 과정에서 최종 열처리가 이루어지도록 할 수 있기 때문이다.When the sol coating is completed, the final heat treatment may be performed at 400 to 600 ° C. and then sintered at 1300 to 1400 ° C., or the sintering may be performed immediately without performing the final heat treatment. This is because the final heat treatment can be performed at.
또한, 소결 온도의 경우, 상기의 온도보다 낮을 경우에는 소결이 진행되지 않으며, 상기의 온도를 초과할 경우에는 전체 전해질층이 과소결되면서 소결 균열이 발생하게 된다.In the case of the sintering temperature, the sintering does not proceed when the temperature is lower than the above temperature, and when the temperature is exceeded, the sintering crack is generated while the entire electrolyte layer is over-sintered.
졸 코팅의 경우, 그 횟수를 5∼15회로 한정한 것은, 이보다 코팅 횟수가 적을 경우에는, 하단에 위치한 전해질 슬러리 코팅층 즉, 슬러리를 이용한 다공성 베이스 전해질층의 표면 기공에 대한 차단막으로 작용하기에는 최종 형성된 전해질 박막의 기계적 강도가 미흡하며, 이보다 코팅 횟수가 많을 경우에는, 상기 베이스 전해질층과 졸에 의한 전해질 박막으로 이루어지는 전체 전해질층의 두께가 필요 이상으로 두꺼워지면서 저항 증가의 요인으로 작용하게 되기 때문이다.In the case of sol coating, the number of the coatings is limited to 5 to 15 times. When the number of coatings is smaller than this, the final coating is not necessary to act as a barrier against the surface pores of the electrolyte slurry coating layer located at the bottom, that is, the porous base electrolyte layer using the slurry. This is because the mechanical strength of the electrolyte thin film is insufficient, and if the number of coatings is greater than this, the thickness of the entire electrolyte layer including the base electrolyte layer and the electrolyte thin film by the sol becomes thicker than necessary, which acts as a factor of increasing the resistance. .
그 외에, 8YSZ 졸의 농도는 0.5∼0.8M 농도가 적당한 바, 농도가 0.5M에 미치지 못하는 경우에는, 미세 입자들이 균일하게 분산되지 못하면서 졸 내에서 뭉치게 되는 현상을 초래하게 되며, 0.8M 농도를 초과하는 경우에는, 코팅시 과피복에 의해 졸이 건조되는 과정에서 균열이 발생하게 되면서 치밀한 박막이 형성되기 어렵게 된다.In addition, the concentration of 8YSZ sol is 0.5 ~ 0.8M concentration is appropriate, if the concentration is less than 0.5M, it causes a phenomenon that the fine particles are agglomerated in the sol without uniformly dispersed, 0.8M concentration In case of exceeding, cracking occurs in the process of drying the sol by over-coating during coating, making it difficult to form a dense thin film.
상기와 같은 방법을 통하여 제조된 전해질 박막은, 슬러리 딥핑 방법으로 연료극 지지체의 표면에 형성시킨 베이스 전해질층과 함께, 전체 전해질층의 두께가 감소되었음에도 불구하고, 양호한 특성을 갖게 되는 바, 다음의 실시예를 통하여 본 발명 전해질 박막의 제조 방법과 그 특성을 살펴 보기로 한다.The electrolyte thin film manufactured through the above method has good characteristics despite the decrease in the thickness of the entire electrolyte layer together with the base electrolyte layer formed on the surface of the anode support by the slurry dipping method. By way of example, the manufacturing method and characteristics of the electrolyte thin film of the present invention will be described.
실시예Example
1. 연료극지지체의 제조1. Fabrication of anode support
40볼륨% Ni-YSZ 써멧(cermet) 연료극 분말을 제조하기 위해서 NiO 분말과 8YSZ 분말을 정량적으로 혼합한 후, 혼합된 분말을 24시간 동안 볼밀링(ball-milling) 하였으며, 다공성 연료극 지지체를 제조하기 위하여 기공 형성제로서의 활성탄 3중량%를 첨가하였다.In order to prepare 40 vol% Ni-YSZ cermet anode powder, NiO powder and 8YSZ powder were mixed quantitatively, and the mixed powder was ball-milled for 24 hours to prepare a porous anode support. 3% by weight of activated carbon as a pore former was added.
연료극 분말을 가압 성형하여 디스크(disk) 형태로 제조한 후 1300℃에서 3 시간 동안 가소결하였으며, 연료극 지지체의 표면을 개선하기 위하여 20중량% NiO-YSZ 슬러리로서 지지체의 표면을 1회 코팅하였는 바, 코팅에 사용된 20중량% NiO-YSZ 슬러리는, NiO 및 8YSZ 분말에 결합제(binder, PVA), 가소제(plasticizer, dibuthyl phthalate), 균질제(homogenizer, Triton-X), 분산제(dispersant, Fish oil) 및 용매(Toluene, IPA(2-propanol))를 혼합하여 제조되었다.The anode powder was press-molded to form a disk, and then calcined at 1300 ° C. for 3 hours. In order to improve the surface of the anode support, the surface of the support was coated once with 20 wt% NiO-YSZ slurry. The 20 wt% NiO-YSZ slurry used in the coating is a binder (binder, PVA), plasticizer (plasticizer, dibuthyl phthalate), homogenizer (homogenizer, Triton-X), dispersant (fish, oil oil) to NiO and 8YSZ powders. ) And a solvent (Toluene, IPA (2-propanol)) was prepared by mixing.
NiO-YSZ 슬러리로 코팅된 연료극 지지체는, 첨가된 용매와 첨가제를 제거하는 동시에 전해질 코팅을 쉽게 하기 위하여 1000℃에서 3시간 소결되었다.The anode support coated with the NiO-YSZ slurry was sintered at 1000 ° C. for 3 hours to remove the added solvent and additives, and to facilitate electrolyte coating.
상기와 같이, 연료극 지지체의 표면 개선을 위하여 NiO-YSZ를 딥 코팅하는 경우, NiO-YSZ 슬러리의 농도를 15∼25중량%로 하고, NiO:8YSZ의 비율을 6:4로 하는 것이 바람직한데, 농도가 15중량%에 미치지 못하면 지지체 표면 개선 효과가 부족하게 되고, 25중량%를 초과하게 되면 코팅층 두께가 필요 이상으로 두꺼워지면서 특성을 떨어뜨리게 된다.As described above, when dip coating NiO-YSZ for improving the surface of the anode support, the concentration of the NiO-YSZ slurry is set to 15 to 25% by weight, and the ratio of NiO: 8YSZ is set to 6: 4. If the concentration is less than 15% by weight, the surface improvement effect of the support is insufficient, and if it exceeds 25% by weight, the coating layer becomes thicker than necessary, thereby deteriorating its characteristics.
그리고, NiO의 함량이 상기의 비율에 미치지 못하면 NiO-YSZ 코팅층의 전자전도도가 떨어져 전극 성능이 감소되고, NiO의 함량이 이보다 높을 경우에는 전극과 전해질간의 분극 저항의 증가로 인하여 전극 성능이 떨어지게 되며, 또한, NiO-YSZ 코팅층의 열팽창계수 차이로 인한 층간 박리 현상이 발생될 수도 있다.If the NiO content is less than the above ratio, the conductivity of the NiO-YSZ coating layer is reduced and the electrode performance is reduced. If the NiO content is higher than this, the electrode performance is reduced due to an increase in the polarization resistance between the electrode and the electrolyte. In addition, interlayer delamination may occur due to a difference in thermal expansion coefficient of the NiO-YSZ coating layer.
2. 전해질 슬러리의 제조 및 베이스 전해질층의 형성2. Preparation of Electrolyte Slurry and Formation of Base Electrolyte Layer
20중량% NiO-YSZ 슬러리를 코팅한 연료극 지지체의 표면에 베이스 전해질층 을 피복 형성시키기 위하여 전해질 슬러리를 딥 코팅(dip coating) 하였는 바, 사용된 20중량% YSZ 전해질 슬러리는, 8YSZ 분말에 결합제(binder, PVA), 가소제(plasticizer, dibuthyl phthalate), 균질제(homogenizer, Triton-X), 분산제(dispersant, Fish oil) 및 용매(Toluene, IPA(2-propanol))를 혼합하여 제조되었다.The electrolyte slurry was dip coated to form a base electrolyte layer on the surface of the anode support coated with the 20 wt% NiO-YSZ slurry. The 20 wt% YSZ electrolyte slurry was used as a binder in 8YSZ powder. binder, PVA), plasticizer (plasticizer, dibuthyl phthalate), homogenizer (homogenizer, Triton-X), dispersant (fish oil) and solvent (Toluene, IPA (2-propanol)) was prepared by mixing.
상기 전해질 슬러리를 딥 코팅한 후 1400℃에서 5시간 소결하여 베이스 전해질층을 피복 형성시켰다.The electrolyte slurry was dip coated and then sintered at 1400 ° C. for 5 hours to form a base electrolyte layer.
이때, 상기 전해질 슬러리는 10∼15중량%의 농도를 갖는 것이 바람직한데, 슬러리 농도가 이보다 낮을 경우에는, 다량의 계면 기공이 발생되면서 표면 조도가 떨어져 이후 졸 코팅에 의해 형성되는 전해질 박막의 균열을 촉진하게 되고, 이보다 높은 슬러리 조성에서는 전해질층의 두께가 필요 이상으로 두꺼워지면서 자체의 저항을 증가시키게 된다.In this case, it is preferable that the electrolyte slurry has a concentration of 10 to 15% by weight. When the slurry concentration is lower than this, a large amount of interfacial pores are generated and the surface roughness is reduced to thereby crack the electrolyte thin film formed by the sol coating. At higher slurry compositions, the thickness of the electrolyte layer becomes thicker than necessary to increase its resistance.
3. 8YSZ 졸의 제조 및 전해질 박막의 형성3. Preparation of 8YSZ Sol and Formation of Electrolyte Thin Film
지르코닐 질산염을 0.7몰 농도가 되도록 물에 녹인 후 착화제인 아세트산을 첨가한 후 상온에서 2시간 교반하였으며, 교반된 지르코닐 질산염 용액에 응고조절제인 이소프로필알콜을 50중량% 첨가하였다.After dissolving zirconyl nitrate in water to a 0.7 molar concentration, acetic acid, a complexing agent, was added and stirred at room temperature for 2 hours, and 50% by weight of isopropyl alcohol, a coagulation regulator, was added to the stirred zirconyl nitrate solution.
그리고, (Y2O3)0.08(ZrO2)0.92 몰 비에 맞도록 상기 지르코닐 질산염 용액의 지 르코니아의 양에 맞추어 이트륨 질산염을 정량하여 물에 용해한 후 착화제를 첨가한 이트륨 질산염 용액을 제조하고, 이를, 상기의 지르코닐 질산염 용액과 혼합하였다.Then, yttrium nitrate was quantified in accordance with the amount of zirconia of the zirconyl nitrate solution in a ratio of (Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 , and dissolved in water, followed by adding a yttrium nitrate solution to which a complexing agent was added. Was prepared and mixed with the above zirconyl nitrate solution.
상기 혼합액을 1일간 상온에서 숙성시킨 후 0.5㎛ 크기의 기공을 가진 필터를 이용하여 숙성된 혼합액을 걸러 합성 과정에서 생긴 반응 잔여물 및 균열을 유발하는 미세 불순물을 제거한 후 상온에서 1일간 숙성시킴으로써, 0.7M YSZ 졸을 제조하였다.After aging the mixed solution at room temperature for 1 day, by filtering the mixed solution with a filter having a pore size of 0.5㎛ size to remove the reaction residues and cracks that cause cracks during the synthesis process by aging for 1 day at room temperature, 0.7M YSZ sol was prepared.
상기의 0.7M YSZ 졸을, 연료극 지지체의 베이스 전해질층 위에 딥 코팅하였으며, 상온에서 30분간 건조한 후 유기물 제거 및 겔 상태로 변한 졸을 응고시키기 위하여 600℃에서 1시간 열처리하였다.The 0.7 M YSZ sol was dip-coated on the base electrolyte layer of the anode support, dried at room temperature for 30 minutes, and then heat-treated at 600 ° C. for 1 hour to remove organic matter and solidify the sol changed into a gel state.
딥 코팅, 건조 및 열처리 공정의 횟수에 따른 특성을 살펴보기 위하여 딥 코팅 및 열처리 횟수를 달리하여 전해질 박막을 코팅하였으며, 최종 코팅 후에는 1400℃에서 5시간 소결하는 방법으로 베이스 전해질층 위에 추가 전해질층인 전해질 박막을 피복 형성시켰다.In order to examine the characteristics according to the number of dip coating, drying and heat treatment processes, the electrolyte thin film was coated by varying the number of dip coating and heat treatment. After the final coating, an additional electrolyte layer was formed on the base electrolyte layer by sintering at 1400 ° C. for 5 hours. The phosphorus electrolyte thin film was formed by coating.
4. 분석 방법4. Analysis method
상기와 같은 과정을 통하여 피복 형성된 전해질 박막의 결정 구조를 고찰하기 위하여 온도에 따른 X선 회절 분석과 더불어, 합성된 8YSZ 졸의 열분해와 상변화에 대하여 TG-DTA(ThermoGravimetry-Differential Thermal Analysis)를 이용하여 관찰 분석하였다.In order to examine the crystal structure of the coated electrolyte thin film through the above-described process, TG-DTA (ThermoGravimetry-Differential Thermal Analysis) was used for thermal decomposition and phase change of the synthesized 8YSZ sol. Observation analysis.
그리고, 코팅된 전해질 박막의 모폴로지(morphology)와 두께는 셈(Scanning Electronic Microscopy)을 이용하여 분석했으며, 전해질 박막의 치밀성을 분석하기 위하여 헬륨(Helium) 가스를 이용해 기압차에 따른 가스 누출 시험을 수행하였다.The morphology and thickness of the coated electrolyte thin film were analyzed using Scanning Electronic Microscopy, and the gas leakage test was performed using helium gas to analyze the density of the electrolyte thin film. It was.
5. 결과5. Results
합성된 8YSZ 졸의 정량 및 정성 분석을 위해 SOFC의 전해질 슬러리로 사용되는 8YSZ를 표준 시료로 하여 XRF 분석을 수행하였는 바, 표준 시료는 ZrO2 92.097중량%, Y2O3 7.817중량% 이었으며, 합성된 졸이 변화된 8YSZ 제로겔(xerogel)은 ZrO2 92.849중량%, Y2O3 7.992중량% 로 나타났는데, 이는, 성분 및 함량이 오차범위 ±1중량% 내에 포함된 결과였다.For the quantitative and qualitative analysis of the synthesized 8YSZ sol, XRF analysis was performed using 8YSZ, which is used as an electrolyte slurry of SOFC, as a standard sample. The standard samples were ZrO 2 92.097 wt% and Y 2 O 3 7.817 wt%. The 8YSZ xerogel with the changed sol was found to be 92.849% by weight of ZrO 2 and 7.992% by weight of Y 2 O 3 , which resulted in a component and content within an error range of ± 1% by weight.
즉, 알콕시화합물을 이용한 합성보다 저렴한 재료 비용 및 안정한 반응 조건을 갖는 금속무기화합물을 이용하여 유사한 성분 및 함량의 8YSZ 합성이 가능함을 알 수 있다.That is, it can be seen that 8YSZ synthesis of similar components and contents is possible using a metal inorganic compound having lower material cost and stable reaction conditions than synthesis using an alkoxy compound.
도 1 은, 20∼1400℃의 온도 범위에서 8YSZ 제로겔의 열분석 결과를 나타낸 그래프로서, 초기 100℃ 이하에서 발생하는 질량 손실은, 알코올 및 물의 기화에 의한 것이며, 46.12%의 질량 손실을 갖는 317℃에서의 발열 피크는 지르코닐 질산염과 이트리아 질산염에 포함된 NOx 분해에 기인한 것이다.1 is a graph showing the results of thermal analysis of 8YSZ zero gel in the temperature range of 20 to 1400 ℃, the mass loss occurring below the initial 100 ℃ is due to the vaporization of alcohol and water, having a mass loss of 46.12% The exothermic peak at 317 ° C. is due to the NOx degradation contained in the zirconyl nitrate and the yttria nitrate.
400∼800℃ 사이에서 발생한 4.64%의 질량 손실은, 잔존 탄소와 유기물이 연소되기 때문이며, 800℃ 이후에서는 더 이상의 질량 손실이 관찰되지 않았다.The mass loss of 4.64% which occurred between 400 and 800 ° C is because the remaining carbon and organic matter are burned, and no mass loss was observed after 800 ° C.
600∼1400℃ 범위 내의 여러 온도에서 5시간 동안 소성된 제로겔의 XRD 결과를 도 2에 나타내었다. 이때, 소성은 대기 분위기에서 실시되었다.XRD results of a zero gel fired for 5 hours at various temperatures in the range of 600-1400 ° C. are shown in FIG. 2. At this time, firing was performed in an atmospheric atmosphere.
도시된 바와 같이, 충분히 안정화된 입방정계(cubic) 지르코니아 상은 600℃ 이상에서 관찰되었으며, 제로겔의 소성 온도가 증가할수록 피크가 선명해졌는 바, 이는, 소성 온도가 증가함에 따라 결정화 정도가 증가하기 때문이다.As shown, a sufficiently stabilized cubic zirconia phase was observed above 600 ° C., and the peak became clearer as the firing temperature of the zero gel increased, because the degree of crystallization increased with increasing firing temperature. to be.
도 3은 졸 코팅 후 전해질층 표면과 단면에 대한 셈 분석 결과로서, (가)와 (나)는 다공성 연료극 지지체 위에 20중량% YSZ 슬러리를 딥 코팅 및 소결한 베이스 전해질층의 사진인데, 표면 사진인 (가)에서는 슬러리 코팅을 했음에도 불구하고 입계에서 미세 기공들이 관찰됐으며, 단면 사진인 (나)로부터 베이스 전해질층의 두께가 대략 4∼6㎛임을 알 수 있다.3 is a result of the analysis of the surface and the cross-section of the electrolyte layer after sol coating. (A) and (B) are photographs of the base electrolyte layer dip-coated and sintered 20 wt% YSZ slurry on the porous anode support. In the phosphorus (A), despite the slurry coating, fine pores were observed at the grain boundary, and it can be seen from the cross-sectional photograph (B) that the thickness of the base electrolyte layer was approximately 4 to 6 µm.
(다)와 (라)는, 베이스 전해질층 위에 0.7M 8YSZ 졸로서 10회 반복 코팅 및 열처리하여 형성시키되, 소결하지 않은 전해질 박막의 표면과 단면 사진으로서, 베이스 전해질층 표면에 형성되었던 미세 기공들이 관찰되지 않았으며, 단면 사진으로부터 전해질 박막이 약 1㎛의 두께로 형성되었음을 알 수 있다.(C) and (D) are formed by repeatedly coating and heat-treating 10 times as 0.7M 8YSZ sol on the base electrolyte layer, and the surface and cross-sectional photograph of the unsintered electrolyte thin film. It was not observed, and it can be seen from the cross-sectional photograph that the electrolyte thin film was formed to a thickness of about 1 μm.
(마)와 (바)는 졸 코팅한 후 1400℃에서 5시간 소결한 최종 전해질 박막의 표면과 단면에 대한 셈 사진으로서, 전해질 표면은 매우 치밀한 입계(grain boundary)가 관찰됐으며, 단면 사징에서는 소결에 따른 입자(grain)의 성장으로 인하여 베이스 전해질층과 전해질 박막이 구별되지 않았다.(E) and (B) are photographs of the surface and the cross-section of the final electrolyte thin film sintered at 1400 ° C. for 5 hours after sol coating. Very dense grain boundaries were observed on the electrolyte surface. Due to the growth of the grain (grain) due to the base electrolyte layer and the electrolyte thin film was not distinguished.
연료전지에서 개회로 전압은 전해질의 상대 밀도에 의존하게 되고, 전해질의 상대 밀도는 개기공, 폐기공, 핀홀, 균열 등과 관계가 있으며, 개회로 전압에 영향을 미치는 것은 핀홀과 균열로서, 전해질 박막화에 따른 연료전지의 개회로 전압 감소는 핀홀과 균열 발생을 얼마나 억제할 수 있느냐 하는 것에 의존하게 된다.In the fuel cell, the open circuit voltage is dependent on the relative density of the electrolyte, and the relative density of the electrolyte is related to the open pores, the waste holes, the pinholes, the cracks, and the like. The reduction of the open circuit voltage of the fuel cell depends on how much pinholes and cracks can be suppressed.
도 3에 도시된 바와 같이, 베이스 전해질층만을 형성시킨 경우에는 다수의 입계 기공이 관찰되었으며, 가스 투과도를 측정한 결과 높은 가스 투과율을 나타내었는데, 이는, 베이스 전해질층의 기공들이 서로 연결되면서 핀홀로 전개되었기 때문일 것으로 판단된다. 그러나, 졸 코팅 후에는 균열과 핀홀이 없는 매우 치밀한 코팅막이 형성됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 3, when only the base electrolyte layer was formed, a plurality of grain boundary pores were observed, and the gas permeability was measured, indicating high gas permeability. It seems to have been deployed. However, it can be seen that after the sol coating, a very dense coating film without cracks and pinholes is formed.
도 4는 졸의 코팅 횟수에 따른 헬륨 가스의 투과도를 나타낸 그래프로서, 베이스 전해질층만이 형성된 경우에는 1 기압차에서 20×10-6ℓ/(㎝2sec. atm.)의 비교적 높은 기체 투과도를 보여주고 있다.FIG. 4 is a graph showing the permeability of helium gas according to the number of coatings of the sol. When only the base electrolyte layer is formed, a relatively high gas permeability of 20 × 10 −6 L / (cm 2 sec. Is showing.
그러나, 졸 코팅 횟수가 증가함에 따라 가스 투과도는 감소했으며, 졸 코팅 횟수를 7회로 했을 때부터 본 발명이 규정하고 있는 가스누출 허용 제한선(1 기압차에서 80×10-8ℓ/㎝2sec atm)을 만족하였으며, 10회 이상 코팅된 경우 2.7 기압차에서도 가스누출이 발생하지 않았다. 상기의 최소 코팅 횟수 즉, 7회는 졸 농도에 따라 가감될 수 있다.However, as the number of sol coatings increased, the gas permeability decreased, and when the number of sol coatings was set to seven times, the gas leakage tolerance limit line defined by the present invention (80 × 10 -8 L / cm 2 sec atm at 1 atm) was measured. ), And when coated more than 10 times, no gas leakage occurred even at 2.7 atm. The minimum number of coatings, i.e., seven times, can be added or subtracted depending on the sol concentration.
도 5는 졸 코팅 후 소결 온도에 따라 입자가 성장한 전해질 박막의 표면을 관찰한 셈 사진으로서, (가)는 1100℃에서 소결한 것으로 20∼100㎚의 입자 크기를 보여 주고 있으며, (나)는 1200℃에서 소결한 것으로 200∼300㎚의 입자 크기를 보여주고, (다)는 1300℃에서 소결한 것으로 입자 크기는 3∼4㎛이다.FIG. 5 is a photograph showing the surface of an electrolyte thin film in which particles grow according to sintering temperature after sol coating. (A) shows sintering at 1100 ° C. and shows a particle size of 20 to 100 nm. It was sintered at 1200 ° C. and showed a particle size of 200 to 300 nm, and (C) was sintered at 1300 ° C. and its particle size was 3 to 4 μm.
(라)는 1400℃에서 소결한 것으로 입자 크기가 5∼7㎛으로 성장하였음을 알 수 있는데, 이와 같이 급격한 입자 성장은 졸에 의하여 생성된 미세한 8YSZ 입자가 높은 소결성을 가지고 있음을 의미한다.(D) is sintered at 1400 ℃ it can be seen that the particle size has grown to 5 ~ 7㎛, such rapid grain growth means that the fine 8YSZ particles produced by the sol has a high sinterability.
도 6은 1100∼1400℃의 소결 온도에 따른 전해질 박막의 가스 투과도 시험 결과를 보인 그래프로서, 소결 온도가 증가할수록 가스투과도가 크게 감소하였으며, 1300℃의 소결온도부터는 가스 투과도가 매우 낮은 치밀한 졸 코팅막이 형성됨을 알 수 있다.6 is a graph showing the gas permeability test results of the electrolyte thin film according to the sintering temperature of 1100 ~ 1400 ℃, the gas permeability was greatly decreased as the sintering temperature is increased, the dense sol coating film very low gas permeability from the sintering temperature of 1300 ℃ It can be seen that this is formed.
그리고, 1400℃에서 소결한 전해질 박막의 경우 2.7기압의 기압차에서도 헬륨 가스가 누출되지 않음을 확인할 수 있었는 바, 이러한 결과는 도 5의 셈 분석 결과와도 동일한 경향을 나타낸 것으로, 소결 온도가 증가함에 따라 연료전지 전해질로 사용 가능한 치밀한 박막이 형성됨을 의미한다.In addition, in the case of the electrolyte thin film sintered at 1400 ° C., it was confirmed that helium gas did not leak even at a pressure difference of 2.7 atm. This result showed the same tendency as the result of the analysis of the calculation of FIG. 5, and the sintering temperature was increased. As a result, a dense thin film that can be used as a fuel cell electrolyte is formed.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 YSZ 졸의 제조 방법은, 금속무기화합물인 질산염을 사용하기 때문에, 알콕시화물을 사용하는 졸-겔법에 비하여 제조 비용이 상대적으로 저렴하며, 고가 장비나 출발 물질을 필요로 하지 않으면서도 다양한 조성의 고순도 박막 제조가 가능한 동시에, 박막의 미세 구조에 대한 제어가 용이할 뿐만 아니라, 기판의 형태 및 크기에 있어서도 상대적으로 제한을 덜 받는 장점 이 있다.As described above, since the YSZ sol manufacturing method of the present invention uses nitrate which is a metal inorganic compound, the manufacturing cost is relatively lower than that of the sol-gel method using an alkoxide, and requires expensive equipment or starting materials. It is possible to manufacture a high purity thin film of various compositions without using it, and at the same time, it is not only easy to control the microstructure of the thin film, but also has an advantage of being relatively limited in shape and size of the substrate.
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