KR101186766B1 - 고체산화물연료전지용 이소결성 지르코니아 전해질 - Google Patents

고체산화물연료전지용 이소결성 지르코니아 전해질 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해질 지지체형 단전지 및 연료극 지지체형 단전지를 구성함에 있어 보편적으로 사용되는 이트리아 안정화 지르코니아(8mol% yttria stabilized zirconia, 이하 8YSZ라고 한다)보다 동일 온도에서 2배 이상이며 800℃에서 0.1S/cm 이상의 높은 산소 이온 전도성을 갖으며 1350℃ 이하의 온도에서 95% 이상의 높은 소결 밀도를 갖도록 설계한 지르코니아 전해질에 관한 것으로,
안정화제로서 산화이터비움(Yb2O3)과 산화스칸디움(Sc2O3)을 동시에 적용하고 소결 첨가제로서 산화비스무스(Bi2O3)를 추가로 고용시킨 복합 안정화 지르코니아 전해질로서,
800℃의 온도 조건과 산소 농도가 21%인 일반 대기 중에서 산소 이온 전도도가 0.08S/cm 이상의 산소 이온 전도도를 갖는 전해질로, (Yb2O3+Sc2O3)x(Bi2O3)y(ZrO2)1-x-y의 조성식을 갖으며, 전체 성분의 질량을 100몰%로 할 경우 복합 안정화제(Yb2O3+Sc2O3)의 고용량(X)은 0.08≤X≤0.11이며 이중 산화스칸디움의 고용량은 0.1몰% 이상이면서 5몰% 이하로 규정하고, 소결 첨가제인 Bi2O3의 고용량(Y)은 0.001≤X≤0.01로 규정하고 1350℃ 이하의 소결 온도에서 95% 이상의 소결 밀도를 갖으며, 상온에서 입방정 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 1350℃ 이하의 온도에서 95% 이상의 소결 밀도를 갖으면서 800℃의 작동온도에서 0.1S/cm 이상의 높은 산소이온전도도를 갖는 고이온 전도성 지르코니아 전해질을 지지체로 이용함으로써 단전지의 고온 안정성 및 장기 수명을 확보함과 아울러 전해질의 저항을 감소시켜 SOFC 시스템 적용에 적합한 출력밀도를 얻을 수 있는 단전지 제조가 가능한 효과와 낮은 소결 온도로 인해 단전지 제조 공정비용을 절감하는 효과가 있다.

Description

고체산화물연료전지용 이소결성 지르코니아 전해질{Easy-sintering zirconia electrolyte for solid oxide fuel cell}
본 발명은 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC라고 한다)용 단전지(unit cell)의 핵심 구성 요소인 이소결성 지르코니아 전해질(Easy-sintering zirconia electrolyte)에 관한 것으로, 특히, 전해질 지지체형 단전지 및 연료극 지지체형 단전지를 구성함에 있어 보편적으로 사용되는 이트리아 안정화 지르코니아(8mol% yttria stabilized zirconia, 이하 8YSZ라고 한다)보다 동일 온도에서 2배 이상이며 800℃에서 0.1S/cm 이상의 높은 산소 이온 전도성을 갖으며 1350℃ 이하의 온도에서 95% 이상의 높은 소결 밀도를 갖도록 설계한 지르코니아 전해질에 관한 것이다.
즉, 이러한 본 발명과 같은 전해질을 SOFC용 단전지에 적용할 경우 기존 8YSZ 전해질을 적용한 단전지보다 높은 전력밀도와 출력을 확보하고 낮은 소결 온도로 인해 단전지 제조공정비용을 절감하며, 연료극 지지체형 단전지에 적용할 경우에는 연료극 지지체의 과도한 수축을 억제하여 기공 형성을 보다 용이하게 할 수 있도록 한 이소결성 지르코니아 전해질 재료로 제공할 수 있는 것이다.
연료전지는 미래 무한 청정에너지로 각광받고 있는 수소를 연료로 사용하여 전기에너지와 열에너지를 얻을 수 있는 발전시스템이다. 그 중에서도 세라믹 산소 이온 전도체를 전해질로 사용하는 SOFC는 800℃~1000℃ 정도의 고온에서 수소, 천연가스, 바이오가스 등의 연료가스와 산소가스의 화학에너지를 전기화학반응을 통하여 직접 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 미래 발전 시스템이다.
이러한 SOFC는 여러 연료전지 유형 중에서 가장 높은 전력 변환 효율과 물 이외에는 공해 물질 배출이 거의 없어 환경 친화적인 차세대 전력 공급 장치로서 주목받고 있다.
또한 고온의 폐열을 가스터빈 발전 시스템의 구동 에너지로서 사용할 수 있어 미국, 일본, 유럽 등의 선진국에서는 SOFC와 가스터빈을 이용한 복합발전시스템이 미래에 가장 유망한 분산 발전시스템으로 인정하고 상용화 개발을 위해 국가적 지원을 하고 있다.
기타 장점으로는 고분자 전해질형 연료전지와는 다르게 연료극에서 자체적으로 연료개질이 발생하여 고순도 수소 이외에도 천연가스 등과 같은 각종 탄화수소계 연료를 개질기 없이 사용할 수 있으며, 백금 계열의 귀금속 촉매 전극이 필요 없어 가격적으로도 매우 유리하다.
SOFC용 단전지는 소결 밀도 95% 이상의 치밀한 산소 이온전도체의 양면에 다공성 공기극(양극) 및 연료극(음극)으로 구성된다. SOFC용 단전지는 형상적으로 크게 튜브형 구조 및 평판형 구조로 분류되고 지지체 적용 방식으로 분류하면 전해질 지지체형과 전극(공기극 또는 연료극) 지지체형으로 분류된다. 전해질 지지체형 단전지는 전해질을 우선 100~200um 두께로 1400~1500℃ 정도의 온도에서 고온 소결하여 95% 이상의 소결 밀도를 갖도록 제조하고 이후 공기극과 연료극을 10~50um 두께로 1000~1250℃의 온도에서 열처리하여 다공성 전극을 형성한다.
이러한 전해질 지지체는 전해질 저항이 높아 기존의 8YSZ 전해질을 적용할 경우 900℃ 이상의 높은 작동 온도를 필요로 하지만 고온 안정성 및 내구성이 상대적으로 우수하여 상용화가 가장 빠른 유형이며, 현재 상용화를 마친 업체에서는 8YSZ 전해질보다 높은 산소 이온 전도도를 갖는 전해질을 적용하여 850℃에서 작동하는 SOFC 시스템을 출시하였다.
연료극 지지체형 단전지는 가장 저항이 낮은 연료극을 1100~1250℃에서 가소결하여 1000~2000um 두께의 다공성 지지체로 먼저 제조하고 그 위에 전해질을 코팅하여 1400℃ 이상의 온도에서 연료극 지지체와 전해질 막을 동시 소결하여 전해질 막을 치밀화시킨다.
이러한 연료극 지지체형 단전지는 전해질 저항이 적어 800℃ 정도에서 작동이 가능하지만 상대적으로 고온 안정성이 낮아 아직 상용화를 위해 많은 연구개발이 이루어지고 있다. 향후 연료극 지지체형 단전지는 고 이온 전도성 전해질 소재를 적용하여 작동 온도를 700~750℃ 정도로 낮추어 고온 안정성을 확보할 필요가 있으며, 또한 전해질과 연료극 지지체의 동시 소결 온도를 1400℃ 이하로 낮추어 지지체의 기공 확보를 용이하게 하고 전해질과 지지체 사이에 존재하는 계면 응력을 줄일 필요가 있다.
전해질 지지체형 단전지는 높은 산소 이온 전도체를 적용하여 전해질 저항을 최소화시키고 소결 온도를 낮추어 단전지 제조비용을 낮출 필요가 있다. 또한 전해질 지지체형 단전지는 결국 전해질 소재의 가격이 단전지 가격을 좌우하기 때문에 전해질 소재의 구성 물질이 상대적으로 저렴할수록 유리하다.
본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 800℃에서 0.1S/cm 이상의 높은 산소 이온 전도성을 갖으면서 1350℃ 이하의 소결 온도에서 95% 이상의 소결밀도를 갖도록 전해질의 조성을 설계하고자 한다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 전해질 지지체형 단전지 및 연료극 지지체형 단전지를 구성함에 있어 보편적으로 사용되는 8YSZ 전해질보다 동일한 온도에서 2배 이상으로 800℃에서 0.1S/cm 이상의 높은 산소 이온 전도성을 갖으며, 1350℃ 이하의 소결 온도에서 95% 이상의 높은 소결 밀도를 갖도록 설계한 SOFC용 이소결성 지르코니아 전해질을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 이러한 이소결성 지르코니아 전해질을 전해질 지지체형 단전지에 적용함으로써 전해질 두께 증가에 따른 저항 손실을 최소화하고 단전지 출력을 향상시키면서 낮은 소결 온도로 단전지 제조비용을 절감하도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 이소결성 지르코니아 전해질을 연료극 지지체형 단전지에 적용하여 800℃ 이하의 온도에서도 높은 출력을 얻을 수 있도록 하며, 낮은 소결온도로 단전지 제조비용 절감과 연료극 지지체 내부의 기공 확보를 보다 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 현재 800℃ 이하의 중온용 SOFC 전해질로 널리 사용되고 있는 11mol% Sc2O3 stabilized ZrO2(이하, 11ScSZ라고 한다) 전해질은 8YSZ 전해질보다 동일 온도에서 2배 이상의 이온 전도도를 보이지만 650℃ 온도를 전후로 낮은 온도에서는 단사정 그리고 높은 온도에서는 전해질에 적합한 입방정 결정구조로 상변태를 일으켜 사용에 제약을 받고 있다. 이러한 결함을 해결하기 위해서 10mol% Sc2O3 + 1mol% CeO2 + 89mol% ZrO2(이하, 10Sc1CeSZ라고 한다) 전해질처럼 11mol% Sc2O3 성분 중 1mol%를 CeO2로 치환하여 상변태 현상을 해결하였으나, 이 조성의 경우에는 치환 원소로 들어간 Ce이 연료극(수소) 분위기에서 환원되어 연료극 부위에서 전해질의 이온전도도가 하락하는 문제를 야기시키고 있다. 본 발명에서는 이러한 문제들을 해결하고자 800℃에서 0.1S/cm 이상의 높은 산소 이온 전도도를 확보하면서 상온에서도 안정한 입방정 결정구조를 유지하고 1350℃ 이하에서 95% 이상의 소결 밀도를 갖으며, 기존 10Sc1CeSZ 전해질보다 스칸디움(Sc) 함량을 절반 이하로 줄여 경제성을 확보한 전해질 재료를 설계하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명을 통하여 제조되는 지르코니아 전해질은 8YSZ 전해질보다 동일한 온도에서 2배 이상이고 800℃에서 0.1S/cm 이상의 높은 산소 이온 전도성을 지녀야 한다.
또한 1350℃ 이하에서 소결 열처리하여 95% 이상의 소결 밀도를 갖아야 하며, 기존 10Sc1CeSZ 전해질에 사용된 10mol% Sc2O3 함량보다 절반 이하로 낮은 Sc2O3 함량이 적용되도록 조성 설계를 해야 한다.
지르코니아 전해질의 경우 안정화제의 종류와 함량에 따라 전도도가 결정된다. 안정화제의 이온반경이 지르코늄(Zr)의 이온반경과 가장 비슷할수록 전해질의 전도도가 향상된다. 따라서 현재 이러한 이유로 가장 높은 전도도는 안정화제로 스칸디움(Sc)이 사용될 경우에 나타나게 된다.
일 예로, 10Sc1CeSZ 전해질의 경우 10몰%의 산화스칸디움(Sc2O3)이 안정화제로 사용되어 800℃에서 0.11S/cm 정도의 높은 산소 이온 전도도를 보이며 동일한 온도에서 8YSZ 전해질의 전도도인 0.04S/cm와 비교하여 2~3배 정도로 높은 산소 이온 전도성을 나타낸다.
하지만 이러한 전해질은 스칸이움의 가격이 너무 고가이기 때문에 전해질 지지체형 전해질로 사용하는데 어려움이 있다. 이터비움(Yb)의 이온반경은 스칸디움 원소 다음으로 지르코늄의 이온반경에 근접해 있으며 비교적 가격이 저렴하다.
따라서 안정화제를 산화이터비움(Yb2O3)으로 적용하고 그 일부를 산화스칸디움(Sc2O3)으로 구성한 복합안정화제를 적용할 경우 경제성과 높은 산소 이온 전도성을 동시에 확보할 수 있다. 복합 안정화제의 함량은 8몰% 이상이면서 11몰% 이하로 설계하는 것이 바람직하다. 이유는 지르코니아 전해질의 경우 안정화제가 8몰% 이상으로 고용되어야만 산소 이온 전도에 유리한 입방정 결정구조를 확보할 수 있으며, 11몰%를 초과하면 산소 이온의 이동 경로인 산소 공공이 서로 결합하여 오히려 산소 이온의 이동을 방해하고 불필요한 안정화제 첨가로 전해질의 가격을 상승시킨다.
복합 안정화제의 구성비는 되도록 산화이터비움의 함량이 산화스칸디움의 함량보다 커야만 효율적으로 경제성을 확보할 수 있으며, 전체 복합 안정화제 함량 중 산화스칸디움의 함량은 적어도 3몰% 이상으로 적용되어야 원하는 산소 이온 전도도를 확보할 수 있다.
또한, 1350℃ 이하의 온도에서 95% 이상의 소결 밀도를 얻기 위해서 본 발명에서는 산화비스무스(Bi2O3)를 소결 첨가제로 적용하였다. 이러한 전해질 조성 설계는 다음의 조성식으로 표현할 수 있다.
(Yb2O3+Sc2O3)x(Bi2O3)y(ZrO2)1-x-y
- 0.08≤X≤0.11, 복합안정화제 Yb2O3+Sc2O3 함량은 8mol% 이상이면서 11mol% 이하
- 복합안정화제 Yb2O3+Sc2O3 함량 중 Sc2O3의 함량은 0.5mol% 이상이면서 5mol% 이하
- 0.001≤Y≤0.01, 소결첨가제 Bi2O3의 함량은 0.1mol% 이상이면서 1mol% 이하
상기 조성의 전해질 분말의 합성은 1350℃ 이하의 온도에서 95% 이상의 소결 밀도를 얻기 위해서는 산화물 원료를 이용한 고상반응법으로는 바람직하지 않으며 공침법(co-precipitation) 및 수열 합성법(hydrothermal synthesis) 등과 같은 습식 산화물 합성법이 바람직하다.
본 발명은, 전해질 지지체형 SOFC 단전지는 지르코니아 전해질의 우수한 기계적 물성을 기반으로 단전지의 내구성, 고온 안정성 및 장기 수명에 유리한 구조의 단전지 유형이지만 기존 전해질인 8YSZ 전해질의 산소이온 전도도가 낮아 상용화에 어려움이 있었다.
이러한 단점을 개선하기 위하여 1350℃ 이하의 온도에서 95% 이상의 소결 밀도를 갖으면서 800℃의 작동온도에서 0.1S/cm 이상의 높은 산소이온전도도를 갖는 고이온 전도성 지르코니아 전해질을 지지체로 이용함으로써 단전지의 고온 안정성 및 장기 수명을 확보함과 아울러 전해질의 저항을 감소시켜 SOFC 시스템 적용에 적합한 출력밀도를 얻을 수 있는 단전지 제조가 가능한 효과와 낮은 소결 온도로 인해 단전지 제조 공정비용을 절감하는 효과가 있다.
또한, 연료극 지지체형 SOFC 단전지는 전해질의 두께를 줄여 출력 특성을 크게 향상시킨 단전지 유형이지만 고온 안정성 및 장기 내구성 확보를 위해 800℃ 이하로 작동온도를 낮추려는 개발이 활발하지만 기존 전해질인 8YSZ 전해질의 경우 작동 온도 감소에 따라 산소 이온 전도성이 급격히 하락하여 고온 작동에서 얻었던 출력을 얻을 수 없었다. 이러한 단점을 개선하기 위하여 1350℃ 이하의 온도에서 95% 이상의 소결 밀도를 갖으면서 800℃의 작동온도에서 0.1S/cm 이상의 높은 산소이온전도도를 갖는 고이온 전도성 지르코니아 전해질을 적용함으로써 700~750℃의 온도 영역에서도 고전도성 전해질의 적용으로 기존의 출력 감소에 따른 단점을 해결하는 효과가 있으며, 낮은 소결 온도로 인해 연료극 지지체의 수축을 억제하여 지지체 내부의 기공 확보가 용이하게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명을 통해 합성한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질 분말에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명을 통해 1330℃에서 소결한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질의 산소이온전도도 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명을 통해 1330℃에서 소결한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질의 상온에서의 결정구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명을 통해 1330℃에서 소결한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질의 미세구조를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명을 통해 1330℃에서 소결한 7Yb3ScSZ 전해질의 미세구조를 나타낸 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명을 통해 합성한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질 분말에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명을 통해 1330℃에서 소결한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질의 산소이온전도도 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명을 통해 1330℃에서 소결한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질의 상온에서의 결정구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명을 통해 1330℃에서 소결한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질의 미세구조를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명을 통해 1330℃에서 소결한 7Yb3ScSZ 전해질의 미세구조를 나타낸 사진이다.
도 1 내지 도 5에 있어서, 고체전해질 분말 설계 및 합성에 대한 실시 예를 보면, 먼저 본 실시 예에서는 Yb2O3 및 Sc2O3를 복합 안정화제로서 10mol%로 제한하여 적용하고 소결 첨가제로서 Bi2O3를 1mol%로 적용한 안정화 지르코니아 전해질의 조성 설계와 합성방법에 대한 예를 제공한다. 세부 조성은 다음과 같다.
전해질 조성 : 7mol% Yb2O3 + 3mol% Sc2O3 + 1mol% Bi2O3 + 89mol% ZrO2(이하, 7Yb3Sc1BiSZ라고 함)
상기 조성이 되도록 Yb 나이트레이트(nitrate), Sc 나이트레이트, Bi 나이트레이트 및 Zr 나이트레이트를 칭량하고 순수한 물에 녹여 교반기를 통해 2시간 동안 균일 용액으로 제조하였다. 총 금속염의 농도는 0.25M이 되도록 수용액 농도를 조정하였다.
혼합 금속염에 침전 시약으로서 수산화암모늄을 50ml/min의 속도로 일정하게 투입하면서 교반을 계속하였고 산도(pH)가 9가 될 때까지 수산화암모늄을 혼합하였다.
수산화암모늄의 혼합으로 침전된 금속 수산화물이 충분히 가라앉도록 5시간 동안 침전 처리를 하였으며 순수한 물로 5차례 세척하고 원심분리기를 이용하여 침전물을 분리하였다.
분리한 금속 수산화물을 110에서 건조하였으며 건조된 금속 수산화물의 결정화 및 실제 사용이 가능한 입자 크기의 산화물로 만들기 위해 950℃에서 2시간 동안 하소 열처리하였다.
열처리된 전해질 분말은 순수한 물을 용매로 직경 1mm 크기의 지르코니아 볼을 채용한 수직 비드밀(bead mill)을 이용하여 5시간 동안 분쇄 및 분산 처리를 하였다.
분쇄 처리된 슬러리(slurry)는 다시 110℃에서 건조하여 최종 전해질 분말을 합성하였다.
도 1에 합성한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질 분말에 대한 주사전자현미경 사진을 나타내었다.
전해질의 물성 평가 실시 예를 보면, 먼저 본 실시 예에서는 합성한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질 분말을 이용하여 특성 평가한 예를 제공한다.
합성한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질 분말과 소결 첨가제인 Bi2O3를 적용하지 않고 동일하게 합성한 7Yb3ScSZ 전해질 분말을 가압 성형법을 이용하여 가로 40mm × 세로 40mm 크기의 평판으로 성형하였다.
성형된 시편들을 더 균일하게 성형하기 위해 정수압 성형(CIP) 장비를 이용하여 2000psi의 압력 조건에서 10분간 유지하여 최종 성형을 완료하였다.
최종 성형된 시편은 1330℃의 온도에서 3시간 동안 소결 열처리하여 치밀화된 전해질 시편으로 제조하였다.
준비된 시편은 결정구조 분석, 이온 전도도 분석 및 미세구조 현미경 분석용 시편으로 나누어 가공하였다.
우선 이온 전도도 분석을 위해 시편들을 가로 2mm × 세로 2mm × 길이 25mm 크기로 절단하였으며 4-포인트(point) DC법을 이용하여 600~900℃ 온도 구간에서 대기 분위기와 수소 분위기에서 측정하였다.
측정한 결과를 도 2에 나타내었으며 7Yb3Sc1BiSZ 전해질은 800℃의 온도 조건과 대기 분위기에서 0.1S/cm 이상의 높은 산소 이온 전도도를 나타내어 8YSZ 전해질보다 2배 이상의 높은 전도도를 갖는 전해질 조성임을 확인하였다.
결정구조 분석을 위해서는 가로 10mm × 세로 10mm × 높이 2mm 크기로 시편들을 절단하였으며 시편들을 X-선 회절 분석 장비를 이용하여 결정구조 분석을 하였다.
상온에서 측정한 7Yb3Sc1BiSZ 전해질에 대한 결정구조 분석 결과를 도 3에 나타내었다. 11ScSZ 전해질이 상온에서 단사정 구조를 갖는 것과 달리 본 발명을 통해 제조된 7Yb3Sc1BiSZ 전해질은 상온에서부터 면심 입방정 결정구조를 나타내었다.
7Yb3Sc1BiSZ 전해질과 7Yb3ScSZ 전해질의 소결된 미세구조를 비교하여 도 4 및 도 5에 나타내었으며 7Yb3Sc1BiSZ 전해질은 7Yb3ScSZ 전해질보다 이미 치밀화 단계를 넘어서 결정립 성장 및 조대화 단계에 들어섰음을 확인할 수 있었고 미세구조 관찰을 통해 기공이 거의 존재하지 않은 95% 이상의 소결 밀도를 갖는 전해질임을 확인하였다.
이와 같은 본 발명에 따른 전해질의 분말 합성은, Yb, Sc, Bi, Zr을 위한 원료로서 금속 질산염계, 금속 염화물계, 아세트산계 원료 중에서 선택하여 이용하고 수산화암모늄, 수산화나트륨, 수산화칼륨 중 하나의 침전제를 사용하여 공침전 후 하소 열처리하여 제조하는 공침법과, Yb, Sc, Bi, Zr을 위한 원료로서 금속 질산염계, 금속 염화물계, 아세트산계 원료 중에서 선택하여 이용하고 수산화암모늄, 수산화나트륨, 수산화칼륨 중 하나의 침전제를 사용하여 공침전 후 고온 고압 분위기에서 결정화 처리하는 수열 합성법과, Yb, Sc, Bi, Zr을 위한 원료로서 금속 질산염계, 금속 염화물계, 아세트산계 원료 중에서 선택하여 이용하고 글리신(glycine) 또는 구연산 중 하나를 혼합하여 직접 연소시키는 페치니법 중에 하나의 방법으로 제조된다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (2)

  1. 안정화제로서 산화이터비움(Yb2O3)과 산화스칸디움(Sc2O3)을 동시에 적용하고 소결 첨가제로서 산화비스무스(Bi2O3)를 추가로 고용시킨 복합 안정화 지르코니아 전해질로서,
    800℃의 온도 조건과 산소 농도가 21%인 일반 대기 중에서 산소 이온 전도도가 0.08S/cm 이상의 산소 이온 전도도를 갖는 전해질로, (Yb2O3+Sc2O3)x(Bi2O3)y(ZrO2)1-x-y의 조성식을 갖으며, 전체 성분의 질량을 100몰%로 할 경우 복합 안정화제(Yb2O3+Sc2O3)의 고용량(X)은 0.08≤X≤0.11이며 이중 산화스칸디움의 고용량은 0.1몰% 이상이면서 5몰% 이하로 규정하고, 소결 첨가제인 Bi2O3의 고용량(Y)은 0.001≤X≤0.01로 규정하고 1350℃ 이하의 소결 온도에서 95% 이상의 소결 밀도를 갖으며, 상온에서 입방정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고체산화물연료전지용 이소결성 지르코니아 전해질.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해질 조성 중 상기 산화비스무스 소결 첨가제를 적용하지 않고 상온에서 입방정 구조를 갖으며, 안정화제로서 산화이터비움(Yb2O3)과 산화스칸디움(Sc2O3)을 동시에 적용한 복합 안정화 지르코니아 전해질로서,
    800℃의 온도 조건과 산소 농도가 21%인 일반 대기 중에서 산소 이온 전도도가 0.08S/cm 이상의 산소 이온 전도도를 갖는 전해질로, (Yb2O3+Sc2O3)x(ZrO2)1-x의 조성식을 갖으며, 전체 성분의 질량을 100몰%로 할 경우 복합 안정화제(Yb2O3+Sc2O3)의 고용량(X)은 0.08≤X≤0.11이며 이중 산화스칸디움의 고용량은 0.1몰% 이상이면서 4몰% 이하로 규정하고 1400℃ 이상의 온도에서 95% 이상의 소결 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 고체산화물연료전지용 이소결성 지르코니아 전해질.
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