KR100841458B1 - Solid electrolyte for fuel cells and method for preparing the same - Google Patents

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조윤호
조평석
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Abstract

A solid electrolyte for a fuel cell, and a method for preparing the solid electrolyte are provided to increase mechanical strength and to reduce the difference of thermal expansion coefficient between a negative electrode and an electrolyte. A solid electrolyte for a fuel cell comprises a gadolinia doped ceria-magnesium oxide composite which comprises gadolinia doped ceria(GDC) containing silicon dioxide(SiO2), and 0.3-20 mol% of magnesium oxide(MgO). The solid electrolyte is prepared by preparing gadolinia doped ceria containing silicon dioxide; mixing it with 0.3-20 mol% of magnesium oxide to form a mixture; and molding and sintering the obtained mixture.

Description

연료전지용 고체전해질 및 이의 제조방법{Solid electrolyte for fuel cells and method for preparing the same}Solid electrolyte for fuel cell and manufacturing method thereof {Solid electrolyte for fuel cells and method for preparing the same}

도 1a 내지 도 1f는 실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2에 따른 시편의 복소 임피던스 측정결과를 나타낸 것이다.1A to 1F show the complex impedance measurement results of specimens according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.

도 2a 내지 도 2f는 실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2에 따른 시편의 SEM 사진을 나타낸 것이다.2A to 2F show SEM images of specimens according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.

도 3a 내지 도 3f는 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 3에 따른 입내저항, 입계저항, 평균입경, 단위입계면적당 저항, SiO2 제거 효율의 변화를 나타낸 것이다.3A to 3F illustrate changes in intragranular resistance, grain boundary resistance, average particle diameter, resistance per unit grain area, and SiO 2 removal efficiency according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3.

도 4a 실시예 2에 따른 GDC의 TEM 사진을 나타낸 것이고, 도 4b 내지 도 4f는 각각 이차상, 입계, 삼중점, 입내에서의 전자에너지 손실분광법(EELS) 분석 결과를 나타낸 것이다.4A shows a TEM image of the GDC according to Example 2, and FIGS. 4B to 4F show the results of electron energy loss spectroscopy (EELS) analysis in the secondary phase, the grain boundary, the triple point, and the mouth, respectively.

도 5는 XRD분석을 통하여 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 5에 따른 격자상수(Lattice parameter)의 변화를 나타낸 것이다.FIG. 5 shows the change of lattice parameter according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5 through XRD analysis.

도 6a 및 도 6b는 GDC에 각각 MgO와 CaO의 농도를 변경하며 첨가한 경우의 Rgbs값 변화를 나타낸 것이다.6a and 6b show the change in R gbs value when the concentration of MgO and CaO is added to GDC, respectively.

본 발명은 연료전지용 고체전해질 및 이의 제조방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)에 산화마그네슘(MgO)을 첨가하여 저온에서도 입계 전도도가 증가하고 기계적 강도가 우수한 연료전지용 고체전해질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid electrolyte for fuel cells and a method for manufacturing the same, and more particularly, to magnesium oxide (MgO) added to gadolinic-containing ceria (GDC) to increase grain boundary conductivity even at low temperatures and to provide excellent mechanical strength. It relates to an electrolyte and a method for preparing the same.

세계의 많은 국가, 기업들이 환경오염과 석유 에너지의 고갈에 대한 우려로 대체에너지 개발에 온 힘을 다하고 있다. 그 중 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 60%의 높은 에너지 변환 효율과 수소, 메탄 등 여러 종류의 연료가스를 사용할 수 있는 장점이 있어 주목받고 있다. 고체산화물 연료전지는 수소, 탄화수소 등의 산화가 일어나는 음극, 산소가스가 O2 - 이온으로 환원되는 양극, O2 - 이온이 전도되는 고체전해질로 이루어진다. 산화물 고체전해질은 안정화 지르코니아(Stabilized Zirconia)계, 세리아계 등이 있다.Many countries and companies around the world are doing their best to develop alternative energy due to concern about environmental pollution and depletion of petroleum energy. Among them, a solid oxide fuel cell (SOFC) is attracting attention because of its high energy conversion efficiency of 60% and the use of various fuel gases such as hydrogen and methane. The solid oxide fuel cell is hydrogen, and the negative electrode the oxidation of hydrocarbon or the like occurs, the oxygen gas O 2 - made of a solid electrolyte ionic conduction-anode is reduced by ions, O 2. Oxide solid electrolytes include stabilized zirconia, ceria, and the like.

SOFC의 가격 경쟁력을 높이기 위해서는 SOFC의 작동온도를 낮추는 것이 중요하다. 현재 가장 많이 사용되는 고체전해질은 YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia)로 전해질 지지형의 구조를 채택할 경우 동작온도가 900℃에 달한다. Ni-YSZ 다공질 음극을 두껍게 제조한 후 표면에 10 μm 정도의 YSZ 전해질 막을 형성시킨 음극지지형을 도입할 경우 동작온도를 700℃까지 낮출 수 있다. 이때 사용되는 고체전해 질을 가돌리니아 첨가 세리아(Gadolinia Doped Ceria, GDC)로 변경하면 동작온도를 500℃까지도 낮출 수 있다. 500℃ ~ 600℃에서 사용되는 싱글 쳄버형 연료전지에도 GDC는 중요한 역할을 하고 있다.To increase the price competitiveness of SOFCs, it is important to lower the operating temperature of the SOFCs. Currently, the most commonly used solid electrolyte is YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia), and when the electrolyte support structure is adopted, the operating temperature reaches 900 ° C. After preparing a porous Ni-YSZ porous cathode and introducing a cathode support type having an YSZ electrolyte membrane having a thickness of about 10 μm, the operating temperature can be lowered to 700 ° C. The operating temperature can be lowered up to 500 ° C by changing the solid electrolyte used to Gadolinia doped Ceria (GDC). GDC also plays an important role in single-chamber fuel cells used at 500 ℃ ~ 600 ℃.

이렇게 작동온도를 낮추면서 높은 이온전도도와 높은 변환효율을 유지한다면 경제적인 가스밀봉재와 연결재 등을 사용할 수 있다. 500℃ 정도의 낮은 온도에서는 입계의 저항이 입내의 저항보다 100 ~ 1000배 정도 크기 때문에 입계의 전도도를 증가시키는 것이 중요하다. YSZ 및 GDC에 SiO2를 포함하는 불순물이 존재할 경우 입계의 저항이 약 50∼100배로 증가하는 것으로 알려져 있는데, 이는 SiO2를 포함하는 불순물이 고저항의 입계상으로 존재되기 때문이다. 이들의 높은 저항은 GDC의 SOFC 동작온도를 높이고, 나아가 저온 및 중온에서 동작하는 SOFC의 에너지변환효율을 나쁘게 한다. SiO2 관련 불순물이 50∼100 ppm 정도만 포함되어도 입계의 저항이 수십배 증가되는데, 이 정도의 불순물은 세라믹 공정, 혼합, 소결, SOFC 동작중에 매우 쉽게 혼입될 수 있다. 특히 SiO2가 자연계에서 가장 쉽게 혼입될 수 있는 불순물임을 고려하면, SiO2의 혼입을 방지하는 것은 매우 어렵다. 이외에도 SiO2가 포함된 GDC를 고체전해질로 이용할 경우 캐소드의 특성을 저하시키는 문제가 보고되고 있다.If the operation temperature is lowered while maintaining high ion conductivity and high conversion efficiency, economical gas sealant and connecting material can be used. At temperatures as low as 500 ° C, it is important to increase the conductivity of the grain boundary because the resistance of the grain boundary is about 100 to 1000 times larger than the resistance in the mouth. When impurities containing SiO 2 are present in YSZ and GDC, the grain boundary resistance is known to increase by about 50 to 100 times because the impurities containing SiO 2 are present in the grain boundary phase of high resistance. These high resistances increase the operating temperature of the SOFC of the GDC, and further worsen the energy conversion efficiency of the SOFC operating at low and medium temperatures. The inclusion of only 50 to 100 ppm of SiO 2 -related impurities increases the resistance of the grain boundaries tens of times, which can be easily incorporated during ceramic processing, mixing, sintering, and SOFC operation. In particular, considering that SiO 2 is the most easily incorporated impurities in nature, it is very difficult to prevent the incorporation of SiO 2 . In addition, a problem of reducing the characteristics of the cathode when using a GDC containing SiO 2 as a solid electrolyte has been reported.

400 내지 600℃의 저온에서는 GDC 전해질 내 입계저항이 입내보다 100 ~ 1000배 정도 높다. 입계에서의 입계저항을 높이는 이유는 진성효과(intrinic effect)와 외성효과(extrinsic effect)가 있다. 진성효과는 입계에서의 공간전하층 생성에 의해 입계근저의 산소 공공농도 저하로 산소이온의 이온전도가 어려워지는 현상이다. 외성효과는 고저항의 입계상 존재로 입계에서의 이온전도가 어려워지는 현상을 말한다. At low temperatures of 400 to 600 ° C, the grain boundary resistance in the GDC electrolyte is about 100 to 1000 times higher than in the mouth. Reasons for increasing the grain boundary resistance at the grain boundary include an intrinic effect and an extrinsic effect. The intrinsic effect is a phenomenon in which ion conduction of oxygen ions becomes difficult due to the decrease of oxygen vacancies concentration at the bottom of the grain boundary due to the formation of a space charge layer at the grain boundary. The external effect is a phenomenon in which ion conductivity at the grain boundary becomes difficult due to the presence of high resistance grain boundaries.

입계상의 대표적인 물질은 SiO2가 있다. SiO2가 수백 ppm만 첨가되어도 GDC의 입계저항을 100배 정도까지 높인다고 알려져 있다. SiO2는 세라믹 공정 및 소결, SOFC의 운용중에 흡입되기 쉽고 SiO2가 포함되지 않은 GDC 분말은 고가이기 때문에 경제적인 SOFC의 설계를 위해 SiO2상을 제거해야 한다.Representative materials on grain boundaries are SiO 2 . Even when only a few hundred ppm of SiO 2 is added, it is known that the grain boundary resistance of GDC is increased by about 100 times. Since SiO 2 is easily inhaled during the ceramic process, sintering, and SOFC operation, and GDC powder without SiO 2 is expensive, the SiO 2 phase must be removed for economical SOFC design.

SiO2를 포함하는 고저항의 입계상을 제거하는 것은 고체산화물 연료전지(SOFC)의 효율적이고 안정적인 운용에 큰 영향을 미치므로 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. SiO2를 포함하는 연속적인 모양의 고저항 입계상이 입계에서의 이온전도를 방해하기 때문에 입계 저항을 줄이기 위한 방법으로 고저항의 입계상 모양을 불연속적으로 변환시키거나, 다른 물질과 화학반응하도록 하여 제거하는 방법 등이 있다.The removal of high resistance intergranular phases containing SiO 2 has a great effect on the efficient and stable operation of SOFC. Since continuous high-resistance grain boundaries containing SiO 2 interfere with ion conduction at the grain boundaries, it is necessary to discontinuously convert high-resistance grain shapes or chemically react with other materials in order to reduce the grain boundaries. To remove them.

YSZ에 Al2O3를 첨가하여 Si상을 알루미나와 반응시키는 방법, 입계 액상의 결정화에 의해 입계 액상을 디웨이팅하는 방법 등이 있고, 미국특허 제6,838,119호에는 GDC에 CaO를 첨가하거나 SrO를 첨가할 경우 입계의 이온전도가 향상된다고 보고되어 있다. A method of reacting Si phase with alumina by adding Al 2 O 3 to YSZ, a method of de-weighting the grain boundary liquid by crystallization of grain boundary liquid, and US Pat. No. 6,838,119 adds CaO or SrO to GDC. It is reported that the ionic conductivity of the grain boundary is improved.

그러나 상기 방법에 의하더라도 입계의 이온전도도가 만족스럽지 못할 정도일뿐만 아니라 기계적 물성의 약화, 물에 약하다는 등의 문제점이 있다.However, even with the above method, there are problems such as not only satisfactory ionic conductivity of grain boundaries but also weakness of mechanical properties and weakness of water.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 입계의 이온전도도가 우수하고, 기계적 물성 등이 개선된 연료전지용 고체전해질을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a solid electrolyte for fuel cells having excellent ionic conductivity at grain boundaries and improved mechanical properties and the like.

상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 입계의 이온전도도가 우수하고, 기계적 물성 등이 개선된 연료전지용 고체전해질의 제조방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a method for producing a solid electrolyte for a fuel cell with excellent ion conductivity of grain boundaries, improved mechanical properties and the like.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention

이산화규소(SiO2)를 포함하는 가돌리니아 첨가 세리아(Gadolinia Doped Ceria: GDC)에 산화마그네슘(MgO) 0.3 내지 20몰%가 함유된 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)-산화마그네슘(MgO) 복합체를 함유하는 연료전지용 고체전해질을 제공한다.Gadolinia doped ceria (GDC) containing silicon dioxide (SiO 2 ) Gadolinia doped ceria (GDC) -MgO complex containing 0.3-20 mol% of magnesium oxide (MgO) It provides a solid electrolyte for a fuel cell containing.

상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above another object, the present invention

가돌리니아 첨가 세리아(Gadolinia Doped Ceria: GDC)에 이산화규소(SiO2)를 첨가하는 단계;Adding silicon dioxide (SiO 2 ) to Gadolinia Doped Ceria (GDC);

상기 이산화규소가 포함된 가돌리니아 첨가 세리아에 산화마그네슘(MgO) 0.3 내지 20몰%을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및Mixing 0.3-20 mol% of magnesium oxide (MgO) with the gadolinian-containing ceria containing silicon dioxide to form a mixture; And

상기 혼합물을 성형 및 소성하여 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)-산화마그네슘(MgO) 복합체를 형성하는 단계;를 포함하는 이온 전도도를 개선하기 위한 연료전 지용 고체전해질의 제조방법을 제공한다.Forming and firing the mixture to form a gadolinian-added ceria (GDC) -magnesium oxide (MgO) complex provides a method for producing a solid electrolyte for a fuel cell, including improving the ionic conductivity.

본 발명에서의 MgO 첨가법은 MgO가 이차상으로 존재하면서 SiO2를 포함하는 입계이차상을 제거하는 기구를 가짐으로써 소량의 첨가로도 입계 이온전도도가 개선되고, 기계적 강도의 증가, 음극과 전해질과의 열팽창계수 차이가 감소된다.The MgO addition method in the present invention has a mechanism for removing grain boundary secondary phase containing SiO 2 while MgO exists as a secondary phase, thereby improving grain boundary ion conductivity even with a small amount of addition, increasing mechanical strength, and increasing the negative electrode and electrolyte. The difference in thermal expansion coefficient between and is reduced.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명은 이산화규소를 포함하는 가돌리니아 첨가 세리아(Gadolinia Doped Ceria: GDC)에 산화마그네슘(MgO) 0.3 내지 20몰%가 함유된 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)-산화마그네슘(MgO) 복합체를 함유하는 연료전지용 고체전해질을 제공한다.The present invention provides a gadolinia-doped ceria (GDC) -magnesium oxide (MgO) complex containing 0.3-20 mol% of magnesium oxide (MgO) in a gadolinia-doped ceria (GDC) including silicon dioxide. Provided is a solid electrolyte for a fuel cell.

본 발명은 MgO를 첨가하여 SiO2가 포함된 GDC의 입계 저항을 줄이는 방법에 관한 것이다. 특히 종래의 CaO와 SrO를 첨가하는 경우 입계의 구조를 정합된 (coherent) 각면(faceted) 구조로 변화되는 기구를 가지는 반면, MgO를 첨가하는 경우 SiO2를 제거하고, 고체전해질/음극의 열팽창계수 차이감소와 고체전해질의 기계적 강도를 증가시킨다.The present invention relates to a method of reducing grain boundary resistance of GDC containing SiO 2 by adding MgO. In particular, the addition of CaO and SrO has a mechanism that changes the structure of the grain boundary into a coherent faceted structure, whereas MgO removes SiO 2 and the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte / cathode. Reduce the difference and increase the mechanical strength of the solid electrolyte.

가돌리니아 첨가 세리아에 첨가되는 MgO의 첨가함량은 0.3 몰% 내지 20 몰%인 것이 바람직하다. MgO의 함량이 0.3 몰% 미만인 경우에는 입계의 저항이 매우 높아 입계의 전도도가 개선되지 못하므로 바람직하지 못하고, MgO의 함량이 0.3 몰%보다 더 과량인 경우 대부분의 SiO2가 MgO와 반응하여 Mg2SiO4의 형태로 제거되므로 이에 따라 입계의 저항이 매우 낮아져서 입계 전도도가 개선된다. 그러나, MgO가 20 몰% 이상 첨가되는 경우에 MgO 이차상의 분율이 많아져서 입내의 전도도가 약간 저하되고, 입계의 전도도가 약간 감소되기 때문에 바람직하지 못하다.The content of MgO added to the gadolinian-containing ceria is preferably 0.3 mol% to 20 mol%. If the content of MgO is less than 0.3 mol%, it is not preferable because the resistance of the grain boundary is so high that the conductivity of the grain boundary is not improved.If the content of MgO is more than 0.3 mol%, most SiO 2 reacts with MgO and MgO Since it is removed in the form of 2 SiO 4 , the resistance of the grain boundary is very low, thereby improving the grain boundary conductivity. However, when MgO is added 20 mol% or more, the fraction of MgO secondary phase increases, so that the conductivity in the mouth slightly decreases, and the grain boundary conductivity slightly decreases, which is not preferable.

이산화규소가 가돌리니아 첨가 세리아(GDC) 대비 0.01 ~ 1 몰% 첨가되었을 경우 산화마그네슘(MgO)의 함량은 이산화규소의 함량에 대하여 몰비로 2배 이상이고, 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)에 대하여 20 몰% 이하인 것이 바람직하다.When silicon dioxide is added in an amount of 0.01 to 1 mol% compared to gadolinic-containing ceria (GDC), the content of magnesium oxide (MgO) is more than twice the molar ratio with respect to the content of silicon dioxide, and to the gadolinian-containing ceria (GDC). It is preferable that it is 20 mol% or less with respect to.

가돌리니아 첨가 세리아에 첨가된 Si의 함량이 500 ppm라고 가정하는 경우 중량비를 몰%로 바꾸면 0.144 몰%이다. MgO는 이차상으로 존재하고, MgO가 SiO2와 반응하여 Mg2SiO4의 2차상을 형성하여 SiO2가 제거된다. 그러므로 Mg2SiO4의 2차상을 형성하기 위하여 필요한 최소의 MgO의 함량은 0.288 몰%로 될 수 있으며, 이는 본 발명의 최소농도 0.3 몰%와 거의 일치한다. 따라서, MgO의 함량이 이산화규소 함량에 대하여 2.0 배 미만인 경우에는 입계의 저항이 매우 높아 입계의 전도도가 개선되지 못하므로 바람직하지 못하다. Assuming that the content of Si added to the gadolinian-added ceria is 500 ppm, the weight ratio is 0.144 mol% when the molar percentage is changed. MgO is present in a second phase, and the SiO 2 are removed MgO reacts with SiO 2 to form a secondary phase of Mg 2 SiO 4. Therefore, the minimum MgO content required to form the secondary phase of Mg 2 SiO 4 may be 0.288 mol%, which is almost in agreement with the minimum concentration of 0.3 mol% of the present invention. Therefore, when the content of MgO is less than 2.0 times the silicon dioxide content, the resistance of the grain boundary is very high, so the conductivity of the grain boundary is not improved, which is not preferable.

한편, 산화마그네슘(MgO)의 함량은 이산화규소의 함량에 대하여 몰비로 2배 이상이고 MgO의 최대함량은 이산화규소의 함량에 따라 최대 150배까지 존재할 수 있다. 또한 MgO 함량과 관련한 다른 조건은 산화마그네슘의 최대 함량이 가돌리니아 첨가 세리아에 대하여 20몰%이라는 것이다. 이것은 산화마그네슘이 이산화규소의 2배 이상으로 존재하더라도 가돌리니아 첨가 세리아의 존재함량을 고려하지 않고 증가할 수는 없음을 의미한다. 즉 MgO의 첨가 하한은 SiO2의 함량에 의해 변동되나, MgO의 첨가 상한은 GDC 내에 MgO가 어느 정도 존재하는가에 의해 결정된다. On the other hand, the content of magnesium oxide (MgO) is more than twice the molar ratio with respect to the content of silicon dioxide and the maximum content of MgO may be present up to 150 times depending on the content of silicon dioxide. Another condition related to the MgO content is that the maximum content of magnesium oxide is 20 mol% with respect to gadolinic-added ceria. This means that even if magnesium oxide is present at more than twice the amount of silicon dioxide, it cannot be increased without considering the content of gadolinian-containing ceria. That is, the minimum addition amount of MgO varies with the content of SiO 2 , but the upper limit of addition of MgO is determined by how much MgO exists in GDC.

고체전해질의 기계적 강도는 크면 클수록 바람직하다. 본 발명에 있어서 가돌리니아 첨가 세리아-산화마그네슘(GDC-MgO) 복합체의 굴곡강도는 150 MPa 이상인 것이 바람직하고, 150 내지 300 MPa인 것이 더욱 바람직하다. MgO를 첨가함으로써 기계적 물성이 개선된다. 500 ppm의 SiO2가 포함된 GDC의 경우 굴곡강도가 127 MPa 내지 147 MPa인 반면, 2몰%의 MgO를 첨가한 GDC-MgO 복합체의 경우 굴곡강도가 150 MPa 내지 180 MPa로 개선되고, 20 mol% MgO를 첨가한 경우 300 MPa까지 굴곡강도가 개선된 것을 확인할 수 있었다. 이는 MgO가 이차상을 형성하고, 형성된 이차상이 복합체를 형성함으로써 강도를 증진시키는 것이다. The larger the mechanical strength of the solid electrolyte is, the more preferable. In the present invention, the flexural strength of the gadolinian-added ceria-magnesium oxide (GDC-MgO) composite is preferably 150 MPa or more, more preferably 150 to 300 MPa. By adding MgO, mechanical properties are improved. In case of GDC containing 500 ppm of SiO 2 , the flexural strength is 127 MPa to 147 MPa, whereas in the case of GDC-MgO composite with 2 mol% MgO, the flexural strength is improved to 150 MPa to 180 MPa, 20 mol When% MgO was added, the flexural strength was improved to 300 MPa. This is because MgO forms a secondary phase, and the formed secondary phase forms a composite to enhance strength.

일반적으로 입계의 구조는 고온이 되면서 랜덤한 비각면(defaceted) 구조를 가지려 하고, 저온으로 가면서 정열된 각면(faceted) 구조를 나타내는 것이 일반적이다. CaO를 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)에 첨가하는 경우 CaO가 격자 내에 들어감에 따라 입계의 구조가 각면(faceted) 구조로 변화된다. CaO가 첨가되지 않은 500 ppm SiO2 첨가 GDC의 경우 모든 입계가 랜덤한 비각면 구조를 나타내는 반면, CaO가 첨가된 시편의 경우 입계의 70%가 각면 구조를 나타낸다. 이는 각면의 입계 구조는 입계의 응집성이 크다는 것을 의미한다. 따라서, CaO를 첨가한 경우에는 이차상을 형성하지 않고 입계의 구조를 각면 모양으로 변화시키고, 이에 따라 입계에 존재하는 SiO2 포함하는 이차상이 3중점 부근으로 밀려나는 등 불연속적인 형태를 나타낸다. 그러므로 본 발명에 따른 MgO를 첨가하는 경우는 CaO를 첨가하는 경우와 입계 전도 향상기구가 상이하다는 것을 알 수 있다.In general, the grain boundary structure tends to have a random defaceted structure at a high temperature, and generally exhibits a faceted structure arranged at a low temperature. When CaO is added to gadolinian-added ceria (GDC), the structure of the grain boundary changes into a faceted structure as CaO enters the lattice. In the case of 500 ppm SiO 2 doped GDC without CaO added, all grain boundaries exhibit random non-angular structures, whereas for CaO-added specimens, 70% of the grain boundaries exhibited angular faces. This means that the grain boundary structure of each face is large in the cohesiveness of the grain boundary. Therefore, when CaO is added, the structure of the grain boundary is changed into a angular shape without forming a secondary phase, and thus SiO 2 existing at the grain boundary is changed. It contains a discontinuous shape, such that the containing secondary phase is pushed out near the triple point. Therefore, it can be seen that the addition of MgO according to the present invention differs from the addition of CaO in the grain boundary conduction enhancement mechanism.

SrO가 10 몰% 첨가된 경우에는 XRD 패턴에 의하면, SrCeO3 상이 미량 관찰되었고, 상기 물질은 양성자 전도체로서 수분에 민감하게 반응하는 물질로 알려져 있다. 또한 CaO의 경우에도 수분에 대해 안정성이 부족한 것으로 알려져 있다. 그러나 본 발명에 따른 MgO 첨가의 경우는 CaO 및 SrO 첨가의 경우에 비해 내수분 안정성이 우수하다.When 10 mol% of SrO was added, a trace amount of SrCeO 3 phase was observed according to the XRD pattern, and the substance is known as a proton conductor which is sensitive to moisture. In addition, even in case of CaO, it is known that the stability against moisture. However, in the case of MgO addition according to the present invention, the moisture resistance is superior to that of CaO and SrO addition.

일반적으로 중저온 영역에서 고체산화물 연료전지(SOFC)를 형성하기 위해서는 음극지지형의 구조를 사용하게 된다. 이러한 경우에 Ni-GDC의 음극은 금속 Ni 부분 때문에 GDC에 비해 열팽창 계수가 증가하게 된다. 따라서, 전해질인 순수한 GDC와의 열팽창 차이로 셀의 내열충격성이 나빠지는 문제가 있었다. In general, to form a solid oxide fuel cell (SOFC) in the mid-low temperature region, a cathode-supported structure is used. In this case, the cathode of Ni-GDC has an increased coefficient of thermal expansion compared to GDC due to the metal Ni portion. Therefore, there is a problem that the thermal shock resistance of the cell worsens due to the difference in thermal expansion with pure GDC which is an electrolyte.

본 발명에 따른 GDC-MgO 복합체의 열팽창계수는 12.5×10-6/℃ 내지 13.5×10-6/℃인 것이 바람직하다. GDC-MgO 복합체의 열팽창계수가 12.5×10-6/℃와 13.5×10-6/℃의 값을 나타내고, 이 값은 음극(Ni-GDC)의 열팽창계수인 12.5×10-6/℃ 내지 13.0×10-6/℃와 유사해지므로 MgO 이차상의 형성은 고체전해질의 기계적 강도 및 고체산화물 연료전지(SOFC)의 내열충격성을 향상시킬 수 있다.The coefficient of thermal expansion of the GDC-MgO composite according to the present invention is preferably 12.5 × 10 -6 / ℃ to 13.5 × 10 -6 / ℃. The thermal expansion coefficients of the GDC-MgO composite show values of 12.5 × 10 −6 / ° C. and 13.5 × 10 −6 / ° C., which range from 12.5 × 10 −6 / ° C. to 13.0, which is the thermal expansion coefficient of the cathode (Ni-GDC). Similar to x10 -6 / ° C, the formation of the MgO secondary phase can improve the mechanical strength of the solid electrolyte and the thermal shock resistance of the solid oxide fuel cell (SOFC).

본 발명의 다른 일 구현예에 의하면, 이산화규소가 포함된 가돌리니아 첨가 세리아(Gadolinia Doped Ceria: GDC)를 형성하는 단계; 상기 이산화규소가 포함된 가돌리니아 첨가 세리아에 산화마그네슘(MgO) 0.3 내지 20몰%을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물을 성형 및 소성하여 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)- 산화마그네슘(MgO) 복합체를 형성하는 단계;를 포함하는 이온 전도도를 개선하기 위한 연료전지용 고체전해질의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, forming a gadolinia doped ceria (GDC) containing silicon dioxide; Mixing 0.3-20 mol% of magnesium oxide (MgO) with the gadolinian-containing ceria containing silicon dioxide to form a mixture; Forming and firing the mixture to form a gadolinian-added ceria (GDC) -magnesium oxide (MgO) complex provides a method for producing a solid electrolyte for a fuel cell comprising a;

이하에서는 실시예를 참조하면서 본 발명을 보다 더 구체적으로 설명하고자 한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 제공된 것으로 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The following examples are provided by way of example to assist in the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example

실시예 1Example 1

SiO2 졸을 1/50의 농도로 희석한 다음, 피펫을 사용하여 SiO2 500 ppm에 해당되는 양을 GDC, 에탄올이 있는 용기에 넣었다. 이후 지르코니아 볼을 이용하여 12시간 볼밀링, 건조하여 500 ppm의 SiO2가 포함된 GDC 미분말을 제조했다. SiO2 500 ppm이 포함된 GDC 분말과 MgO 0.3몰%를 볼밀에 의해 혼합하였다. 혼합된 미분말을 원통형의 모울드에 충진시키고, 150 MPa의 압력으로 냉간정수압 성형(Cold Isostatic Pressing)했다. 이후 성형체를 1500℃의 온도에서 4시간 소성하였다. 성형된 소결체를 표면연마한 후 Pt 페이스트를 스크린 프린팅법으로 제조한 후 1000℃에서 1시간 열처리하여 소부하여 시편을 제조하였다. After diluting the SiO 2 sol to a concentration of 1/50, a pipette was used to place an amount corresponding to 500 ppm SiO 2 in a container containing GDC, ethanol. Thereafter, ball milling and drying for 12 hours using a zirconia ball to prepare a fine powder of GDC containing 500 ppm of SiO 2 . GDC powder containing 500 ppm SiO 2 and 0.3 mol% MgO were mixed by a ball mill. The mixed fine powder was filled into a cylindrical mold, and cold isostatic pressed at a pressure of 150 MPa. Thereafter, the molded body was fired at a temperature of 1500 ° C. for 4 hours. After surface-molding the sintered compact, the Pt paste was prepared by screen printing, followed by heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour to prepare a specimen.

실시예 2Example 2

SiO2 500 ppm이 포함된 GDC 분말과 MgO 2몰%를 볼밀에 의해 혼합한 것을 제 외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a GDC powder containing 500 ppm of SiO 2 and 2 mol% of MgO were mixed by a ball mill.

실시예 3Example 3

SiO2 500 ppm이 포함된 GDC 분말과 MgO 5몰%를 볼밀에 의해 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that the GDC powder containing 500 ppm of SiO 2 and 5 mol% of MgO were mixed by a ball mill.

실시예 4Example 4

SiO2 500 ppm이 포함된 GDC 분말과 MgO 10몰%를 볼밀에 의해 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was carried out except that a GDC powder containing 500 ppm of SiO 2 and 10 mol% of MgO were mixed by a ball mill.

비교예 1Comparative Example 1

SiO2 졸을 1/50의 농도로 희석한 다음, 피펫을 사용하여 SiO2 500 ppm에 해당되는 양을 GDC, 에탄올이 있는 용기에 넣었다. 이후 지르코니아 볼을 이용하여 12시간 볼밀링, 건조하여 500 ppm의 SiO2가 포함된 GDC 미분말을 제조했다. SiO2 500 ppm이 포함된 GDC 분말을 원통형의 모울드에 충진시키고, 150 MPa의 압력으로 냉간정수압 성형(Cold Isostatic Pressing)했다. 이후 성형체를 1500℃의 온도에서 4시간 소성하였다. 성형된 소결체를 표면연마한 후 Pt 페이스트를 스크린 프린팅법으로 제조한 후 1000℃에서 1시간 열처리하여 소부하여 시편을 제조하였다.After diluting the SiO 2 sol to a concentration of 1/50, a pipette was used to place an amount corresponding to 500 ppm SiO 2 in a container containing GDC, ethanol. Thereafter, ball milling and drying for 12 hours using a zirconia ball to prepare a fine powder of GDC containing 500 ppm of SiO 2 . GDC powder containing 500 ppm of SiO 2 was filled into a cylindrical mold, and cold isostatic pressed at a pressure of 150 MPa. Thereafter, the molded body was fired at a temperature of 1500 ° C. for 4 hours. After surface-molding the sintered compact, the Pt paste was prepared by screen printing, followed by heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour to prepare a specimen.

비교예 2Comparative Example 2

SiO2 500 ppm이 포함된 GDC 분말과 MgO 0.05몰%를 볼밀에 의해 혼합한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.A GDC powder containing 500 ppm SiO 2 and 0.05 mol% MgO were mixed in the same manner as in Comparative Example 1 except that a ball mill was mixed.

비교예 3Comparative Example 3

SiO2 500 ppm이 포함된 GDC 분말과 MgO 0.1몰%를 볼밀에 의해 혼합한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.A GDC powder containing 500 ppm of SiO 2 and 0.1 mol% of MgO were mixed in the same manner as in Comparative Example 1 except that a ball mill was mixed.

비교예 4Comparative Example 4

SiO2 졸을 1/50의 농도로 희석한 다음, 피펫을 사용하여 SiO2 500 ppm에 해당되는 양을 GDC, 에탄올이 있는 용기에 넣었다. 이후 지르코니아 볼을 이용하여 12시간 볼밀링, 건조하여 500 ppm의 SiO2가 포함된 GDC 미분말을 제조했다. SiO2 500 ppm이 포함된 GDC 분말과, CaO의 함량을 0.05, 0.3, 1, 2, 5, 10몰%로 변경하며 볼밀에 의해 혼합하였다. 혼합된 미분말을 원통형의 모울드에 충진시키고, 150 MPa의 압력으로 냉간정수압 성형(Cold Isostatic Pressing)했다. 이후 성형체를 1500℃의 온도에서 4시간 소성하였다. 성형된 소결체를 표면연마한 후 Pt 페이스트를 스크린 프린팅법으로 제조한 후 1000℃에서 1시간 열처리하여 소부하여 시편을 제조하였다. After diluting the SiO 2 sol to a concentration of 1/50, a pipette was used to place an amount corresponding to 500 ppm SiO 2 in a container containing GDC, ethanol. Thereafter, ball milling and drying for 12 hours using a zirconia ball to prepare a fine powder of GDC containing 500 ppm of SiO 2 . The GDC powder containing 500 ppm of SiO 2 and the CaO content were mixed by a ball mill while changing the content of CaO to 0.05, 0.3, 1, 2, 5, 10 mol%. The mixed fine powder was filled into a cylindrical mold, and cold isostatic pressed at a pressure of 150 MPa. Thereafter, the molded body was fired at a temperature of 1500 ° C. for 4 hours. After surface-molding the sintered compact, the Pt paste was prepared by screen printing, followed by heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour to prepare a specimen.

비교예 5Comparative Example 5

SiO2 500 ppm이 포함된 GDC 분말과 SrO의 함량을 0.05, 0.3, 1, 2, 5, 10몰%로 변경하며 볼밀에 의해 혼합한 것을 제외하고는 비교예 4와 동일하게 실시하였다.GDC powder containing 500 ppm SiO 2 and the content of SrO was changed to 0.05, 0.3, 1, 2, 5, 10 mol% and was carried out in the same manner as in Comparative Example 4 except for mixing by a ball mill.

복소Complex 임피던스의 측정 Measurement of impedance

450℃에서 실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2에 따른 시편의 복소 임피던스를 측정하였고, 결과를 도 1a 내지 도 1f에 나타내었다.Complex impedances of the specimens according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were measured at 450 ° C., and the results are shown in FIGS. 1A to 1F.

도 1a 및 도 1b는 각각 비교예 1, 비교예 2에 따른 결과를 나타내고, 도 1c 내지 도 1f는 각각 실시예 1 내지 실시예 4의 복소 임피던스를 나타낸다. 낮은 주파수 영역으로부터 3가지의 임피던스 성분이 나타나는데, 저주파부터 3가지 성분은 각각 전극 분극에 의한 저항, 입계저항(ρgb), 입내저항(ρgi)에 해당된다. 1A and 1B show the results according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively, and FIGS. 1C to 1F show the complex impedances of Examples 1 to 4, respectively. Three impedance components appear from the low frequency region, and the low to three components correspond to the resistance due to electrode polarization, the grain boundary resistance (ρ gb ), and the grain resistance (ρ gi ).

도 1a를 참조하면, SiO2 500 ppm이 존재할 경우 시편의 입계저항이 10 kΩ·cm으로 나타났다. 이는 SiO2를 포함하는 고저항의 입계상이 입계에서의 이온전도를 방해하기 때문이다. 도 1b를 참조하면, MgO를 0.05 몰% 첨가할 경우 입계저항이 5.6 kΩ·cm으로 감소했다. 도 1c를 참조하면, 첨가된 MgO의 농도가 0.3 몰% 이상이 되었을 경우 입계저항이 0.2 kΩ·cm 정도로 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다. 0.3 몰% 이상의 MgO의 첨가에 의해 입계 저항이 약 1/50로 감소했음을 의미한다. 도 1d 내지 도 1f를 참조하면, MgO가 2 내지 10몰%로 첨가되었을 경우에도 입계 저 항은 0.2 내지 0.25 kΩ·cm 정도로 감소된 상태를 유지하였다.Referring to FIG. 1A, SiO 2 In the presence of 500 ppm, the grain boundary resistance of the specimen was 10 kΩ · cm. This is because a high resistance grain boundary phase containing SiO 2 interferes with ion conduction at the grain boundary. Referring to FIG. 1B, when 0.05 mol% of MgO was added, the grain boundary resistance decreased to 5.6 kΩ · cm. Referring to Figure 1c, it can be seen that when the concentration of the added MgO is 0.3 mol% or more, the grain boundary resistance rapidly decreases to about 0.2 kΩ · cm. It means that the grain boundary resistance was reduced to about 1/50 by the addition of 0.3 mol% or more of MgO. 1D to 1F, even when MgO was added in an amount of 2 to 10 mol%, the grain boundary resistance was reduced to about 0.2 to 0.25 kΩ · cm.

이차상의Secondary 존재여부Presence

실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2에 따른 시편의 SEM 사진을 촬영하였고, 이를 도 2a 내지 도 2f에 나타내었다. 이는 입경을 계산하고, 이차상의 존재여부를 관찰하기 위한 것이다.SEM photographs of the specimens according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were taken and are shown in FIGS. 2A to 2F. This is to calculate the particle size and to observe the presence of secondary phase.

도 2a을 참조하면, SiO2가 500ppm 첨가된 GDC 시편(비교예 1)의 미세구조는 균일하였으며 평균입경이 약 1.8 μm이었다. 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 미세구조에서 각각 0.05 몰%, 0.1 몰%의 MgO가 첨가된 경우(비교예 2, 비교예 3)에는 이차상을 발견하기 어려웠으며 미세조직이 균일하였다. 그러나 도 2d(실시예 1), 도 2e(실시예 2), 및 도 2f(실시예 3)를 참조하면, MgO가 0.3 몰% 이상 첨가된 경우에는 이차상이 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2A, the microstructure of the GDC specimen (Comparative Example 1) added with 500 ppm of SiO 2 was uniform and had an average particle diameter of about 1.8 μm. 2B and 2C, when 0.05 mol% and 0.1 mol% of MgO were added (Comparative Example 2 and Comparative Example 3) in the microstructure, respectively, it was difficult to find a secondary phase and the microstructure was uniform. However, referring to FIG. 2D (Example 1), FIG. 2E (Example 2), and FIG. 2F (Example 3), it can be seen that a secondary phase appears when 0.3 mol% or more of MgO is added.

저항의 변화Change in resistance

실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 3에 따른 입내저항(도 3a), 입계저항(도 3b), 평균입경(도 3c), 단위입계면적당 저항(도 3d), SiO2 제거 효율(도 3e)의 변화를 도 3a 내지 도 3f에 나타내었다. 도 3a를 참조하면, MgO의 첨가에 의해 입내 저항은 거의 변화가 없는 것을 알 수 있다. 도 3b를 참조하면, MgO가 0.3 몰% 이상 첨가되었을 때 입계저항은 급격히 감소하는 것을 알 수 있다.Intragranular resistance (FIG. 3A), grain boundary resistance (FIG. 3B), average particle diameter (FIG. 3C), resistance per unit grain area (FIG. 3D), and SiO 2 removal according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 The change in efficiency (Fig. 3e) is shown in Figs. 3a to 3f. Referring to FIG. 3A, it can be seen that the intragranular resistance is almost unchanged by the addition of MgO. Referring to FIG. 3B, it can be seen that when MgO is added at least 0.3 mol%, the grain boundary resistance decreases rapidly.

MgO의 첨가에 의해 GDC의 입성장이 촉진될 경우 단위 길이당 입계밀도가 줄어들고 이에 따라 입계의 저항이 감소될 수 있다. 따라서, MgO가 실제로 입계저항에 미치는 영향을 조사하기 위해서는 입계저항을 입계의 밀도로 정규화한 단위입계면적당 저항 (Rgbsgb/D=ρgb·dg)를 계산할 필요가 있다. 여기에서 D는 입계밀도이고, 입경(dg)의 역수에 해당된다. 단위입계면적당 저항을 도 3d에 나타내었다. 도 3d를 참조하면, 단위입계면적당 저항도 MgO가 0.3 몰% 이상 첨가되었을 때 급격히 감소하고, 감소는 약 1/40-1/50로 이루어졌음을 알 수 있다. 이러한 결과를 상기 이차상의 존재여부와 관련지어 판단할 때 이차상의 석출이 입계저항의 감소에 결정적인 역할을 수행하는 것을 의미한다.When the grain growth of GDC is promoted by the addition of MgO, the grain density per unit length may be reduced and thus the resistance of grain boundaries may be reduced. Therefore, in order to investigate the effect of MgO on the grain boundary resistance, it is necessary to calculate the resistance per unit grain area (R gbs = ρ gb / D = ρ gb · d g ) in which the grain boundary resistance is normalized to the grain boundary density. Where D is the grain boundary density and corresponds to the inverse of the particle diameter (d g ). The resistance per unit grain area is shown in FIG. 3D. Referring to FIG. 3D, it can be seen that the resistance per unit grain area also decreases rapidly when MgO is added more than 0.3 mol%, and the reduction is about 1 / 40-1 / 50. Judgment of these results with respect to the presence of the secondary phase means that the precipitation of the secondary phase plays a decisive role in reducing the grain boundary resistance.

전자에너지 Electronic energy 손실분광법(EELS)에With loss spectroscopy (EELS) 의한 분석결과 Analysis results

실시예 2에 따른 GDC의 TEM 사진을 도 4a에 나타내었고, 이차상, 입계, 삼중점, 입내에서의 전자에너지 손실분광법(EELS) 분석 결과를 도 4b 내지 도 4e에 나타내었다. 고저항의 SiO2를 포함하는 입계상이 제거되는 기구를 고찰하기 위한 것이다. The TEM image of the GDC according to Example 2 is shown in FIG. 4A, and the electron energy loss spectroscopy (EELS) analysis results in secondary phase, grain boundary, triple point, and mouth are shown in FIGS. 4B to 4E. That is to consider the mechanism to be the grain boundary phase is removed which includes the resistance of the SiO 2.

도 4a를 참조하면, M1, M2, M3, M4, M5는 GDC가 아닌 이차상으로 나타났다. 도 4b 내지 도 4e를 참조하면, 이차상으로 나타난 부분을 전자에너지 손실분광법(Electron Energy Loss Spectrometry, EELS)로 분석한 결과 Mg와 Si가 같이 검출되었다. 이차상 전부에서 Mg2SiO4가 검출되었지만, 다른 부분의 TEM 및 EELS분석에 서는 MgO도 자주 발견되었다. 이는 MgO로 존재하는 이차상의 일부분이 SiO2와 반응하여 Mg2SiO4로 형성됨을 의미한다. 정량적으로 해석할 경우 Mg:Si가 몰비로 1: 0.6 정도로 나타났다. 이는 MgO가 입내의 격자 내에 들어가지 않고 이차상으로 존재하며, Mg2SiO4와 같은 상을 형성하여 고저항의 SiO2를 포함하는 입계상을 제거하는 것을 의미한다. 반면, 입내(GI1, GI2, GI3, GI4, GI5), 입계(GB1, GB2, GB3, GB4, GB5, GB6), 삼중점(TPB1, TPB2) 모든 부분에서 SiO2는 검출되지 않았다. 이러한 것은 MgO 이차상과 SiO2의 반응이 매우 활발히 일어남을 의미한다.Referring to FIG. 4A, M1, M2, M3, M4, and M5 were shown as secondary phases rather than GDCs. Referring to FIGS. 4B to 4E, Mg and Si were detected together as a result of analyzing the second phase by using an Electro Energy Loss Spectrometry (EELS). Mg 2 SiO 4 was detected in all secondary phases, but MgO was also frequently found in other parts of TEM and EELS analysis. This means that a portion of the secondary phase present as MgO reacts with SiO 2 to form Mg 2 SiO 4 . In the quantitative analysis, Mg: Si was found to be about 1: 0.6 by molar ratio. This means that MgO does not enter the lattice in the mouth and exists as a secondary phase, and forms a phase such as Mg 2 SiO 4 to remove the grain boundary phase including SiO 2 having high resistance. On the other hand, SiO 2 was not detected in all parts of the mouth (GI1, GI2, GI3, GI4, GI5), grain boundaries (GB1, GB2, GB3, GB4, GB5, GB6) and triple points (TPB1, TPB2). This means that the reaction of MgO secondary phase with SiO 2 takes place very actively.

격자상수의 변화Change of lattice constant

MgO가 SiO2가 포함된 GDC에 첨가될 경우와 기존의 CaO 및 SrO의 첨가의 경우와의 차별성을 확인하기 위해 CaO 및 SrO의 첨가가 미치는 영향도 같이 조사하였다.The effects of addition of CaO and SrO were also investigated to confirm the difference between MgO added to GDC containing SiO 2 and existing addition of CaO and SrO.

XRD분석을 통하여 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 5에 따른 격자상수(Lattice parameter)의 변화를 조사한 그래프를 도 5에 나타내었다. 도 5를 참조하면, CaO와 SrO를 첨가한 비교예 4 및 비교예 5의 경우에는 첨가한 CaO, SrO의 양에 따라 격자상수가 점점 커짐을 알 수 있다. 그 이유는 배위수가 8일 때 Ca2+ 이온반경이 1.12Å이고, Sr2 +는 1.25Å이고, 두 이온의 반경이 Gd3 + 이온(1.06 Å)과 Ce4 + 이온(0.97Å)의 반경보다 크기 때문에 격자상수가 증가하면서 입내에 흡수되었다. Mg2 +는 배위수가 8일 때 이온반경은 0.89Å이므로 GDC의 사면체 틈자리의 크기보다 작아서 이온결정의 총 정전기적 에너지가 커져서 안정적으로 격자 내에 존재하지 못하고 2차상으로 석출된다.5 is a graph illustrating changes in lattice parameters according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5 through XRD analysis. Referring to FIG. 5, in the case of Comparative Example 4 and Comparative Example 5 to which CaO and SrO were added, it can be seen that the lattice constant gradually increased according to the amounts of CaO and SrO added. The reason for this is the coordination number of Ca 2+ ion radius of 1.12Å when eight days, Sr 2 + is 1.25Å, and the radius of the two ion Gd 3 + ion (1.06 Å) and ionic radius of Ce 4 + (0.97Å) Because of its larger size, the lattice constant was increased and absorbed into the mouth. Mg 2 + is ion radius does not exist in the total electrostatic energy is large, stable lattice of 0.89Å so small that ions of the crystal than in the tetrahedral gaps spot size GDC precipitated second phase when the coordination number of 8.

도 6a 및 도 6b는 500 ppm SiO2가 포함된 GDC에 MgO와 CaO의 농도를 변경하며 첨가한 경우의 단위입계면적당 저항 (Rgbs)값 변화를 나타낸다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, MgO의 경우 0.3 몰%만 첨가된 경우에도 입계의 저항이 1/40로 낮아진 반면, CaO 첨가의 경우에는 2 몰%가 첨가된 경우에서만 동일한 효과를 나타낸다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경우 MgO는 소량첨가해도 높은 제거효과를 나타냄을 의미하며, 두 물질에 의한 입계 전도의 향상 기구가 완전히 상이하다는 것을 확인할 수 있다.6A and 6B show changes in resistance (R gbs ) values per unit grain area when a concentration of MgO and CaO is added to a GDC containing 500 ppm SiO 2 . 6A and 6B, the resistance of grain boundaries was lowered to 1/40 even when only 0.3 mol% of MgO was added, whereas the same effect was obtained only when 2 mol% of CaO was added. You can check it. In this case, it means that MgO exhibits a high removal effect even when a small amount is added, and it can be seen that the mechanism for improving grain boundary conduction by the two materials is completely different.

본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.According to the present invention, the following effects can be obtained.

첫째, 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)에 산화마그네슘(MgO)를 첨가하는 방법은 이차상의 생성으로 입계 전도도를 증가시킬 수 있다.First, the method of adding magnesium oxide (MgO) to gadolinic-added ceria (GDC) can increase the grain boundary conductivity by the formation of a secondary phase.

둘째, MgO 이차상 생성에 의하여 가돌리니아 첨가 세리아-산화마그네슘(GDC-MgO)의 복합체를 형성함으로써 기계적 강도를 개선할 수 있다.Second, mechanical strength can be improved by forming a composite of gadolinian-added ceria-magnesium oxide (GDC-MgO) by MgO secondary phase generation.

셋째, 가돌리니아 첨가 세리아(GDC) 내에 MgO의 2차상 분율이 증가할수록 음 극과 전해질 사이의 열팽창계수 차이를 줄일 수 있다. Third, as the secondary phase fraction of MgO in gadolinic-added ceria (GDC) increases, the difference in coefficient of thermal expansion between the cathode and the electrolyte can be reduced.

넷째, 종래의 CaO, SrO는 물에 약한 반면 MgO는 물에 대한 저항성이 더 크므로 연료전지용 고체전해질로서 사용하기에 더 유리하다.Fourth, while conventional CaO and SrO are weak in water, MgO is more advantageous for use as a solid electrolyte for fuel cells because MgO is more resistant to water.

Claims (8)

이산화규소(SiO2)를 포함하는 가돌리니아 첨가 세리아(Gadolinia Doped Ceria: GDC)에 산화마그네슘(MgO) 0.3 내지 20몰%가 함유된 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)-산화마그네슘(MgO) 복합체를 함유하는 연료전지용 고체전해질.Gadolinia doped ceria (GDC) containing silicon dioxide (SiO 2 ) Gadolinia doped ceria (GDC) -MgO complex containing 0.3-20 mol% of magnesium oxide (MgO) Solid electrolyte for fuel cells containing. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이산화규소가 GDC 대비 0.01 ~ 1 몰% 첨가되었을 경우 산화마그네슘(MgO)의 함량은 이산화규소의 함량에 대하여 몰비로 2배 이상이고, 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)에 대하여 20 몰% 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고체전해질.When the silicon dioxide is added 0.01 ~ 1 mol% compared to the GDC, the content of magnesium oxide (MgO) is more than twice the molar ratio with respect to the content of silicon dioxide, and 20 mol% or less with respect to gadolinian-added ceria (GDC) A solid electrolyte for a fuel cell, characterized in that. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 GDC-MgO 복합체의 열팽창계수는 12.5×10-6/℃ 내지 13.5×10-6/℃인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고체전해질.The thermal expansion coefficient of the GDC-MgO composite is a solid electrolyte for a fuel cell, characterized in that 12.5 × 10 -6 / ℃ to 13.5 × 10 -6 / ℃. 제1항에 있어서, 상기 GDC-MgO 복합체의 굴곡강도는 150 MPa 내지 300 MPa인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고체전해질.The solid electrolyte of a fuel cell of claim 1, wherein the flexural strength of the GDC-MgO composite is 150 MPa to 300 MPa. 이산화규소(SiO2)가 포함된 가돌리니아 첨가 세리아(Gadolinia Doped Ceria: GDC)를 제조하는 단계;Preparing Gadolinia Doped Ceria (GDC) containing silicon dioxide (SiO 2 ); 상기 이산화규소가 포함된 가돌리니아 첨가 세리아에 산화마그네슘(MgO) 0.3 내지 20몰%을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및Mixing 0.3-20 mol% of magnesium oxide (MgO) with the gadolinian-containing ceria containing silicon dioxide to form a mixture; And 상기 혼합물을 성형 및 소성하여 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)-산화마그네슘(MgO) 복합체를 형성하는 단계;를 포함하는 이온 전도도를 개선하기 위한 연료전지용 고체전해질의 제조방법.Forming and firing the mixture to form a gadolinian-added ceria (GDC) -magnesium oxide (MgO) complex; a method for producing a solid electrolyte for a fuel cell comprising a. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 이산화규소가 GDC 대비 0.01 ~ 1 몰% 첨가되었을 경우 산화마그네슘(MgO)의 함량은 이산화규소의 함량에 대하여 몰비로 2배 이상이고, 가돌리니아 첨가 세리아(GDC)에 대하여 20 몰% 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고체전해질의 제조방법.When the silicon dioxide is added 0.01 ~ 1 mol% compared to the GDC, the content of magnesium oxide (MgO) is more than twice the molar ratio with respect to the content of silicon dioxide, and 20 mol% or less with respect to gadolinian-added ceria (GDC) A method for producing a solid electrolyte for a fuel cell, characterized in that. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 GDC-MgO 복합체의 열팽창계수는 12.0×10-6/℃ 내지 13.5×10-6/℃인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고체전해질의 제조방법.The coefficient of thermal expansion of the GDC-MgO composite is 12.0 × 10 -6 / ℃ to 13.5 × 10 -6 / ℃ manufacturing method of a solid electrolyte for a fuel cell. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 GDC-MgO 복합체의 굴곡강도는 150 MPa 내지 300 MPa인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고체전해질의 제조방법.Flexural strength of the GDC-MgO composite is a method of producing a solid electrolyte for a fuel cell, characterized in that 150 MPa to 300 MPa.
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