KR101288375B1 - Ceria based bi-layer electrolyte comprising yttria-stabilized zircornia functional layer formed via atomic layer deposition, and solid oxide fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원자막 증착법으로 형성된 이트리아-안정화 지르코니아 기능층을 포함하는 세리아계 전해질 및 이를 포함하는 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 여러 구현예에 따라 형성된 전해질 기능층은 하기와 같은 여러 효과를 보일 수 있음을 확인하였다. 즉, 환원 기체로부터 세리아가 보호되고, 전자 인슐레이션을 얻을 수 있으며, 상대적으로 산소이온의 저항이 큰 YSZ막을 얇게 증착시킴으로써 저항 손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 기능층의 두께 조절이 용이하고, 형성된 막의 밀도에서의 차이가 거의 없어 환원 기체에의 노출에 상대적으로 강하다. 또한, 서브-nm의 박막을 증착할 수 있고, 대면적 증착이 가능하며, 증착 균일도와 스텝 커버리지(step coverage)가 우수하고, 다성분 필름 증착이 가능하며, 높은 증착 밀도 및 핀홀이 없는 층의 증착이 가능하다는 장점이 있다.The present invention relates to a ceria-based electrolyte including an yttria-stabilized zirconia functional layer formed by atomic film deposition and a solid oxide fuel cell including the same. It was confirmed that the electrolyte functional layer formed according to various embodiments of the present invention may exhibit various effects as follows. That is, ceria is protected from the reducing gas, electron insulation can be obtained, and the resistive loss can be minimized by thinly depositing a thin YSZ film having a relatively high resistance to oxygen ions, and the thickness of the functional layer can be easily controlled. There is little difference in the density of the membrane and is relatively strong to exposure to reducing gas. In addition, it is possible to deposit sub-nm thin films, large area deposition, excellent deposition uniformity and step coverage, multicomponent film deposition, and high deposition density and pinhole free layer. The advantage is that deposition is possible.

Description

원자막 증착법으로 형성된 이트리아-안정화 지르코니아 기능층을 포함하는 세리아계 전해질 및 이를 포함하는 고체 산화물 연료전지{Ceria based bi-layer electrolyte comprising yttria-stabilized zircornia functional layer formed via atomic layer deposition, and solid oxide fuel cell comprising the same}Ceria based bilayer electrolyte comprising yttria-stabilized zircornia functional layer formed via atomic layer deposition, and solid oxide fuel comprising a yttria-stabilized zirconia functional layer formed by atomic film deposition cell comprising the same}

본 발명은 원자막 증착법으로 형성된 이트리아-안정화 지르코니아 기능층을 포함하는 세리아계 전해질 및 이를 포함하는 고체 산화물 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a ceria-based electrolyte including an yttria-stabilized zirconia functional layer formed by atomic film deposition and a solid oxide fuel cell including the same.

탄화수소 가용성 등의 장점으로 차세대 에너지 변환 기술로 기대를 모으고 있는 고체 산화물 연료전지의 상용화에 있어 가장 큰 장벽은 고온 작동 조건 하에서의 내구성을 확보해야 하는데, 이를 위해서는 분리판 및 각종 구성 요소에 고가의 재료와 제작 방법을 사용해야 한다는 점이다. 또한 고온 환경에의 장시간 노출은 실링에 관한 문제, 전극재료의 미세구조 변화와 성분의 확산을 가져와 셀 전체의 성능 저하를 초래한다는 것이 정설이다.The biggest barrier to the commercialization of solid oxide fuel cells, which is expected with next-generation energy conversion technologies due to hydrocarbon availability, must be durability under high temperature operating conditions. You need to use the production method. In addition, the prolonged exposure to high temperature environment has a problem of sealing, microstructural change of electrode material and diffusion of components, leading to deterioration of overall cell performance.

이를 해결하기 위해, 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ)와 같은 고온(800-1,000 ℃) 작동용 지르코니아 계열 전해질을 대체하여 세리아 계열 전해질을 채용하여 SOFC를 제작하기도 하는데, 이는 중저온 영역에서도 유사한 성능을 보여주는 란탄늄 스트론튬 갈레이트 마그네사이트(lanthanum strontium gallate magnesite, LSGM) 전해질에 비해 가격이 저렴하다는 등의 장점이 있어 그 상용화 가능성이 높다.To solve this problem, SOFC can be manufactured by using ceria-based electrolyte instead of zirconia-based electrolyte for high temperature (800-1,000 ° C) operation such as yttria-stabilized zirconia (YSZ). The low cost of the lanthanum strontium gallate magnesite (LSGM) electrolyte shows that it is commercially available.

그러나, 가돌리늄 도핑 세리아(gadolinium doped ceria, GDC), 사마리늄 도핑 세리아(samarium doped ceria, SDC) 등과 같은 희토류 물질이 도핑된 세리아 전해질은 연료전지 작동을 위해 필연적으로 노출되는 낮은 산소분압 환경 하에서 Ce4 +에서 Ce3 +의 환원반응으로 전자 전도성을 띄게 된다는 문제가 있는데, 이와 같은 내부 단락의 효과로 인해 전압 하강과 출력밀도 저하 등의 단점이 나타나게 된다. 또 다른 단점은 YSZ에 비해 기계적 강도와 화학적 안정성에서 취약하다는 점인데, 기밀을 유지해야만 하는 전해질에 있어 이러한 단점은 내구성 및 항상성에 있어 큰 문제이므로 역시 해결해야 할 문제점이다.However, ceria electrolytes doped with rare earth materials, such as gadolinium doped ceria (GDC) and samarium doped ceria (SDC), have a Ce 4 electrolyte that is inevitably exposed for fuel cell operation. + there is a problem that the electronic conductivity significantly to the reduction reaction of Ce 3 + in, due to this effect, such internal short circuit is displayed is a disadvantage, such as voltage drop and the power density decreases. Another disadvantage is weakness in mechanical strength and chemical stability compared to YSZ, which is also a problem to be solved as it is a big problem in durability and homeostasis for electrolytes that must be kept airtight.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 하기와 같은 여러 효과를 보일 수 있는 전해질 기능층을 개시하고자 한다. 즉, 환원 기체로부터 세리아가 보호되고, 전자 인슐레이션을 얻을 수 있으며, 상대적으로 산소이온의 저항이 큰 YSZ막을 얇게 증착시킴으로써 저항 손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 기능층의 두께 조절이 용이하고, 형성된 막의 밀도에서의 차이가 거의 없어 환원 기체에의 노출에 상대적으로 강하다. 또한, 서브-nm의 박막을 증착할 수 있고, 대면적 증착이 가능하며, 증착 균일도와 스텝 커버리지(step coverage)가 우수하고, 다성분 필름 증착이 가능하며, 높은 증착 밀도 및 핀홀이 없는 층의 증착이 가능하다는 장점이 있는 전해질 기능층을 개시하고자 한다.The present invention not only overcomes these conventional problems, but also discloses an electrolyte functional layer that can exhibit various effects as follows. That is, ceria is protected from the reducing gas, electron insulation can be obtained, and the resistive loss can be minimized by thinly depositing a thin YSZ film having a relatively high resistance to oxygen ions, and the thickness of the functional layer can be easily controlled. There is little difference in the density of the membrane and is relatively strong to exposure to reducing gas. In addition, it is possible to deposit sub-nm thin films, large area deposition, excellent deposition uniformity and step coverage, multicomponent film deposition, and high deposition density and pinhole free layer. An electrolyte functional layer having the advantage of being capable of deposition is disclosed.

본 발명의 일 측면에 따르면, YSZ 기능층을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 이중층 전해질의 제조방법으로서, 원자막 증착법을 수행함으로써 YSZ 기능층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법이 개시된다. 원자막 증착법으로 형성된 YSZ 기능층을 포함하는 이중층 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지의 경우에는 종래 다른 방식으로 제조된 경우에 비해 전자 인슐레이션과 화학적 안정성이 크게 향상됨을 확인하였다.According to an aspect of the present invention, a method of manufacturing a double layer electrolyte for a solid oxide fuel cell including an YSZ functional layer, comprising: forming an YSZ functional layer by performing an atomic film deposition method, the YSZ for a solid oxide fuel cell Disclosed is a method of producing a functional layer-containing bilayer electrolyte. In the case of a solid oxide fuel cell including a double layer electrolyte including an YSZ functional layer formed by atomic film deposition, it was confirmed that electron insulation and chemical stability are significantly improved as compared with the case of conventionally manufactured by other methods.

일 구현예에 따르면, 상기 원자막 증착법을 수행함으로써 YSZ 기능층을 형성시키는 단계는 (a-1) 이트리아 전구체를 챔버 내로 공급하는 단계, (a-2) 상기 챔버를 퍼지하는 단계, (a-3) 상기 챔버 내로 산화제를 공급하는 단계, (a-4) 상기 챔버 내를 퍼지하는 단계로 구성된 이트리아 형성 사이클, 및 (b-1) 지르코니아 전구체 중 1종의 전구체를 챔버 내로 공급하는 단계, (b-2) 상기 챔버를 퍼지하는 단계, (b-3) 상기 챔버 내로 산화제를 공급하는 단계, (b-4) 상기 챔버 내를 퍼지하는 단계로 구성된 지르코니아 형성 사이클을 각각 1-30회 반복하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법이 개시된다.According to one embodiment, forming the YSZ functional layer by performing the atomic film deposition method comprises (a-1) supplying an yttria precursor into the chamber, (a-2) purging the chamber, (a -3) supplying an oxidant into the chamber, (a-4) an yttria formation cycle consisting of purging the chamber, and (b-1) supplying one of the zirconia precursors into the chamber (b-2) purging the chamber, (b-3) supplying an oxidant into the chamber, and (b-4) purging the chamber 1-30 times each. Disclosed is a method of manufacturing a double layer electrolyte including an YSZ functional layer for a solid oxide fuel cell, which is repeatedly performed.

다른 구현예에 따르면, 상기 이트리아 전구체는 트리스-(메틸시클로펜타디에닐)이트륨이고, 상기 지르코니아 전구체는 테트라키스(디메틸아미도)지르코늄이며, 상기 산화제는 탈이온수인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법이 개시된다.According to another embodiment, the yttria precursor is tris- (methylcyclopentadienyl) yttrium, the zirconia precursor is tetrakis (dimethylamido) zirconium, and the oxidant is deionized water. Disclosed is a method for producing a bilayer electrolyte including a battery YSZ functional layer.

또 다른 구현예에 따르면, YSZ 기능층 내에 이트리아 함량이 5-10%가 되도록 상기 이트리아 형성 사이클 및 상기 지르코니아 형성 사이클 횟수를 조절하여 수행하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법이 개시된다. 혹은, 상기 이트리아 형성 사이클 및 상기 지르코니아 형성 사이클을 1 : 5-10의 비율로 수행하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법이 개시된다. 이 경우에 YSZ의 산소 이온 전도성이 극대화됨을 확인하였으며, 또한 위 범위 밖에서 수행하는 경우에는 전자 인슐레이션이 이루어지지 않음을 확인하였다.According to another embodiment, a double layer including an YSZ functional layer for a solid oxide fuel cell, characterized in that the yttria formation cycle and the number of cycles of the zirconia formation cycle are controlled such that the yttria content is 5-10% in the YSZ functional layer. A method for producing an electrolyte is disclosed. Alternatively, a method of manufacturing a double layer electrolyte including an YSZ functional layer for a solid oxide fuel cell is disclosed, wherein the yttria forming cycle and the zirconia forming cycle are performed at a ratio of 1: 5-10. In this case, it was confirmed that the oxygen ion conductivity of the YSZ is maximized. Also, when it is performed outside the above range, it was confirmed that the electron insulation is not performed.

일 구현예에 따르면, 상기 이트리아 형성 사이클은 1.5-2.5 Å/사이클의 속도로 증착되도록 수행하고, 상기 지르코니아 형성 사이클은 1-1.5 Å/사이클의 속도록 증착되도록 수행하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법이 개시된다. 이 경우에 증착 균일도와 증착 밀도가 크게 향상됨을 확인하였고, 상기 범위를 벗어나는 경우 환원 기체에 의한 세리아의 부분적 손상이 발생할 수 있음을 확인하였다.According to one embodiment, the yttria formation cycle is performed to be deposited at a rate of 1.5-2.5 kW / cycle, and the zirconia formation cycle is performed to be deposited at a rate of 1-1.5 kW / cycle. Disclosed is a method for producing a double layer electrolyte including an YSZ functional layer for a fuel cell. In this case, it was confirmed that the deposition uniformity and the deposition density were greatly improved, and if it was out of the above range, partial damage of ceria by the reducing gas could occur.

다른 구현예에 따르면, 전체 YSZ 적층 속도가 1.3-1.7 Å/사이클이 되도록 상기 이트리아 형성 사이클 및 상기 지르코니아 형성 사이클을 수행하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법이 개시된다. 이 경우에 증착 균일도와 증착 밀도가 크게 향상됨을 확인하였고, 상기 범위를 벗어나는 경우 증착층에 핀홀이 생성될 수 있음을 확인하였다.According to another embodiment, a method of manufacturing a double layer electrolyte including an YSZ functional layer for a solid oxide fuel cell, wherein the yttria forming cycle and the zirconia forming cycle are performed such that an overall YSZ stacking rate is 1.3-1.7 μs / cycle. Is initiated. In this case, it was confirmed that the deposition uniformity and the deposition density were greatly improved, and when outside the above range, pinholes could be generated in the deposition layer.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 (a-1) 내지 (a-4) 단계 및 상기 (b-1) 내지 (b-4) 단계는 200-300 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법이 개시된다. 이 경우에 오로지 표면에서의 화학 흡착반응에 의해서만 원자층 단위로 조절되며 박막이 형성되는 효과를 얻을 수 있으며, 위 범위 밖에서 수행하는 경우에는 상기 효과를 달성할 수 없음을 확인하였다.According to another embodiment, the steps (a-1) to (a-4) and (b-1) to (b-4) are for a solid oxide fuel cell, characterized in that performed at 200-300 ℃ Disclosed is a method for producing a bilayer electrolyte comprising an YSZ functional layer. In this case, only by the chemisorption reaction on the surface can be controlled by the atomic layer unit can be obtained the effect of forming a thin film, it was confirmed that the effect can not be achieved when performed outside the above range.

본 발명의 다른 측면에 따르면, (A) 몰드와 프레스를 이용해 GDC 분말를 펠렛 형태로 고정시키는 단계, (B) 1,000-2,500 bar에서 상기 펠렛을 압축시키는 단계, (C) 상기 펠렛을 1,000-2,0000 ℃에서 신터링시키는 단계, (D) 상기 펠렛을 그라인딩하는 단계, (E) 상기 펠렛을 폴리싱하는 단계, (F) 상기 펠렛의 한쪽 면에 원자막 증착법으로 YSZ 층을 증착하는 단계, (G) 상기 YSZ 층이 증착된 펠렛을 500-900 ℃에서 어닐링시켜 전해질을 완성하는 단계, (H) 상기 YSZ 층이 증착된 전해질 면에 애노드 물질 페이스트를 스크린 프린팅하는 단계, (I) 상기 애노드 물질이 스크린 프린팅된 전해질을 1,000-1,500 ℃로 신터링시키는 단계, (J) 상기 YSZ 층이 증착된 전해질 면의 반대면에 캐소드 물질 페이스트를 스크링 프린팅하는 단계, (K) 상기 애노드 물질이 스크린 프린팅된 전해질을 고온 전기로에서 1,000-1,500 ℃로 신터링시키는 단계를 포함하는 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법이 개시된다.According to another aspect of the invention, (A) fixing the GDC powder in the form of pellets using a mold and a press, (B) compressing the pellet at 1,000-2,500 bar, (C) the pellet 1,000-2, Sintering at 0000 ° C., (D) grinding the pellet, (E) polishing the pellet, (F) depositing an YSZ layer on one side of the pellet by atomic film deposition, (G Annealing the pellet on which the YSZ layer is deposited at 500-900 ° C. to complete the electrolyte, (H) screen printing an anode material paste on the electrolyte surface on which the YSZ layer is deposited, and (I) the anode material is Sintering the screen printed electrolyte to 1,000-1,500 ° C., (J) screen printing a cathode material paste on the opposite side of the electrolyte surface on which the YSZ layer is deposited, (K) screen printing the anode material High temperature electrolyte Disclosed is a method of manufacturing a solid oxide fuel cell including a bilayer electrolyte including an YSZ functional layer, which includes sintering at 1,000-1,500 ° C. in an electric furnace.

일 구현예에 따르면, 상기 (F) 단계는 본 발명의 여러 구현예에 따른 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법에 의해 수행될 수 있다.According to an embodiment, the step (F) may be performed by a method of manufacturing a double layer electrolyte including an YSZ functional layer for a solid oxide fuel cell according to various embodiments of the present disclosure.

본 발명의 여러 구현예에 따라 형성된 전해질 기능층은 하기와 같은 여러 효과를 보일 수 있음을 확인하였다. 즉, 환원 기체로부터 세리아가 보호되고, 전자 인슐레이션을 얻을 수 있으며, 상대적으로 산소이온의 저항이 큰 YSZ막을 얇게 증착시킴으로써 저항 손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 기능층의 두께 조절이 용이하고, 스텝 커버리지와 형성된 막의 밀도에서의 차이가 거의 없어 환원 기체에의 노출에 상대적으로 강하다. 또한, 서브-nm의 박막을 증착할 수 있고, 대면적 증착이 가능하며, 증착 균일도와 스텝 커버리지(step coverage)가 우수하고, 다성분 필름 증착이 가능하며, 높은 증착 밀도 및 핀홀이 없는 층의 증착이 가능하다는 장점이 있다.It was confirmed that the electrolyte functional layer formed according to various embodiments of the present invention may exhibit various effects as follows. That is, ceria is protected from the reducing gas, electron insulation can be obtained, and the resistive loss can be minimized by thinly depositing a thin YSZ film having a relatively high resistance to oxygen ions, and the thickness of the functional layer can be easily adjusted. There is little difference in coverage and density of the formed film and is relatively strong to exposure to reducing gas. In addition, it is possible to deposit sub-nm thin films, large area deposition, excellent deposition uniformity and step coverage, multicomponent film deposition, and high deposition density and pinhole free layer. The advantage is that deposition is possible.

또한, 이렇게 형성된 전해질 기능층을 포함하는 SOFC를 제작하는 경우에 증착 균일도와 증착 밀도가 높아 환원 기체로부터 세리아를 최대한 보호하고 이온전도성을 극대화할 수 있고, 증착막의 두께를 최소화할 수 있어 SOFC의 가장 큰 손실인 저항 손실을 최소화할 수 있다는 장점 등이 있다.In addition, when manufacturing the SOFC including the electrolyte functional layer formed as described above, the deposition uniformity and the deposition density are high, so that the maximum protection of ceria from the reducing gas, ionic conductivity can be maximized, and the thickness of the deposited film can be minimized. The advantage is that the loss of resistance, which is a large loss, can be minimized.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 두 가지 물질로 된 박막을 증착하는 ALD 공정에 대한 개략도이다.
도 3 및 도 4는 박막 공정을 이용하여 이중층 전해질 지지형 SOFC를 제작하는 순서를 보여주는 도면이다.
도 5는 ALD를 제외한 이중층 전해질 셀들의 최고 출력을 나타낸 점들과 ALD를 이용한 전해질을 적용한 SOFC의 성능 예상 곡선을 비교한 그래프이다.
도 6은 각 온도와 산소 분압 환경에서 세리아 내에서의 환원으로 인해 발현되는 전자 전도성을 나타내는 그래프이다.
1 is a view schematically showing a concept for explaining the present invention.
2 is a schematic of an ALD process for depositing a thin film of two materials.
3 and 4 illustrate a procedure for fabricating a bilayer electrolyte-supported SOFC using a thin film process.
5 is a graph comparing the points showing the highest output of the double-layer electrolyte cells excluding ALD and the performance prediction curve of SOFC applying the electrolyte using ALD.
6 is a graph showing the electronic conductivity expressed due to reduction in ceria at each temperature and oxygen partial pressure environment.

본 발명에서는 원자막 증착법(atomic layer deposition, ALD)으로 형성된 YSZ 기능층을 포함하는 이중층 전해질을 적용한 SOFC를 개시하며, 이에 의해서 전자 인슐레이션과 화학적 안정성이 크게 향상됨을 확인하였다.The present invention discloses a SOFC to which a bilayer electrolyte including an YSZ functional layer formed by atomic layer deposition (ALD) is applied, whereby electron insulation and chemical stability are greatly improved.

본 발명에서 채용한 상기 원자막 증착법(atomic layer deposition, ALD)은 박막의 자기제한적 성장(self-limiting growth)을 유도하기 위하여 화학기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 특별히 개조한 박막 증착법이다. 이때, 대부분의 전해질 두께는 GDC, SDC등의 세리아계 재료가 차지하고 연료극 측 전해질 면에 YSZ가 박막공정을 통해 증착됨을 확인하였다.The atomic layer deposition (ALD) employed in the present invention is a thin film deposition method that is a special modification of chemical vapor deposition (CVD) to induce self-limiting growth of a thin film. At this time, most of the electrolyte thickness was occupied by ceria-based materials such as GDC and SDC, and it was confirmed that YSZ was deposited on the electrolyte side of the anode through a thin film process.

이 경우, 화학기상 증착법으로 금속 산화막을 증착할 때에는 박막으로 증착될 금속 전구체와 산화제 기체가 동시에 반응기로 공급되어 이들의 열분해 및 표면 반응에 의해 박막이 형성되는 반면, ALD법에서는 금속전구체와 산화제 기체의 공급이 순차적으로 이루어지면서, 상기 금속 전구체 및 산화제의 공급 단계 사이에 Ar과 같이 반응성이 없는 불활성 기체로 반응기에 잔류 기체 및 반응 부산물을 제거하는 퍼징 단계가 추가된다. 따라서, 본 발명에서 채용한 ALD 공정은 (1) 전구체 공급, (2) 퍼지, (3) 산화제 공급, (4) 퍼지의 4단계로 이루어지는 공정 사이클을 포함하며, 상기 4단계를 한 사이클로 하는 증착 사이클을 반복하며 박막을 증착하게 된다. In this case, when the metal oxide film is deposited by chemical vapor deposition, the metal precursor to be deposited as a thin film and the oxidant gas are simultaneously supplied to the reactor to form a thin film by thermal decomposition and surface reaction thereof. In the ALD method, the metal precursor and the oxidant gas are formed. As the supply of is carried out sequentially, a purging step is added between the supplying step of the metal precursor and the oxidant to remove residual gas and reaction byproducts from the reactor with an inert gas which is not reactive such as Ar. Therefore, the ALD process employed in the present invention includes a process cycle consisting of four steps: (1) precursor supply, (2) purge, (3) oxidant supply, and (4) purge, and the deposition is performed in one cycle. The cycle is repeated to deposit a thin film.

또한 이 모든 공정은 300 ℃ 이하에서 수행하였으며, 오로지 표면에서의 화학 흡착반응에 의해서만 원자층 단위로 조절되며 박막이 형성됨을 확인하였다.
In addition, all these processes were carried out at less than 300 ℃, it was confirmed that only the chemical adsorption reaction on the surface of the atomic layer unit to form a thin film.

ALD 장비를 사용하여 세리아 기판(substrate) 상에 YSZ 박막을 증착하는 구체적인 조건 및 두 가지 물질로 된 박막을 증착하는 ALD 공정은 각각 하기 표 1과 도 2에 나타내었다.Specific conditions for depositing an YSZ thin film on a ceria substrate using an ALD equipment and an ALD process for depositing a thin film of two materials are shown in Tables 1 and 2, respectively.

Figure 112011044506634-pat00001
Figure 112011044506634-pat00001

이와 같이, 박막 기능층을 증착시키는 방법은 도핑된 세리아 기판 위에 ALD를 이용하여 고밀도 박막을 형성하는데, 환원 기체로부터 세리아를 보호하는 작용과 전자 인슐레이션(electronic insulation) 작용, 상대적으로 산소이온의 저항이 큰 YSZ막을 얇게 증착시킴으로써 저항 손실(ohmic loss)을 최소화시키는 작용을 하게 된다. As such, the method of depositing a thin film functional layer forms a high-density thin film using ALD on a doped ceria substrate, which protects ceria from reducing gas, electronic insulation, and relatively resistance of oxygen ions. Thin deposition of a large YSZ film serves to minimize ohmic loss.

기존, 스크린 프린팅, 딥 코팅, 스핀 코팅과 같은 습식법(wet process), 스퍼터링, 플라즈마 레이저 증착과 같은 박막공정, CVD 방법을 이용하여 전해질 기능층 증착을 보고한 사례는 있으나, ALD를 사용한 기능층 증착에 대한 종래 연구는 보고된 바 없는 상황이다. Previously, there have been reports of electrolyte functional layer deposition using wet process such as screen printing, dip coating, spin coating, sputtering, thin film process such as plasma laser deposition, and CVD method, but functional layer deposition using ALD Previous studies on the situation have not been reported.

따라서, 본 발명의 여러 구현예에 따라 전해질 기능층 증착을 하는 경우에 (1) 서브-nm의 박막을 증착할 수 있고, (2) 대면적 증착이 가능하며, (3) 증착 균일도와 스텝 커버리지(step coverage)가 우수하고, (4) 다성분 필름 증착이 가능하며, (5) 높은 증착 밀도 및 핀홀이 없는 층의 증착이 가능하다는 장점이 있다.Therefore, in the case of performing the electrolyte functional layer deposition according to various embodiments of the present invention, (1) thin films of sub-nm can be deposited, (2) large-area deposition is possible, and (3) deposition uniformity and step coverage. (step coverage) is excellent, (4) multi-component film deposition is possible, (5) high deposition density and pinhole-free layer deposition is possible.

또한, 이렇게 형성된 전해질 기능층을 포함하는 SOFC를 제작하는 경우에 (1) 증착 균일도와 증착 밀도가 높아 환원 기체로부터 세리아를 최대한 보호하고 이온전도성을 극대화할 수 있고, (2) 증착막의 두께를 최소화할 수 있어 SOFC의 가장 큰 손실인 저항 손실을 최소화할 수 있다는 장점 등이 있다.In addition, when fabricating the SOFC including the electrolyte functional layer formed as described above (1) high deposition uniformity and deposition density, it is possible to maximize protection of ceria from reducing gas and maximize ion conductivity, (2) minimize the thickness of the deposited film This can minimize the resistive loss, which is the biggest loss of SOFC.

본 발명의 일 구현예에서는 YSZ(yttria-stabilized zirconia)를 이루는 두 물질인 이트륨 산화물(이트리아)와 지르코늄 산화물(지르코니아)의 소스로 각각 Sigma Aldrich사와 Strem Chemical사의 상용 전구체를 구입하여 사용하였다. 또한, 각각의 물질이 산화물이므로 산화제로서는 탈이온수(DI water)를 사용하였다. 또한, ALD 챔버 내의 온도는 230 ℃로 하였으며, 이트리아 비율이 8%가 되도록 각 전구체가 노출되는 사이클 비율을 7:1로 하였으며, 이때 YSZ의 산소 이온 전도성이 극대화됨을 확인하였다. YSZ 증착 속도는 사이클 당 1.4-1.5 Å가 되도록 조절하였다.In an embodiment of the present invention, commercial precursors of Sigma Aldrich and Strem Chemical were used as sources of yttria oxide (yttria) and zirconium oxide (zirconia), which are two materials of yttria-stabilized zirconia (YSZ). In addition, deionized water (DI water) was used as an oxidizing agent because each substance was an oxide. In addition, the temperature in the ALD chamber was 230 ℃, the cycle ratio of each precursor is exposed to 7: 1 so that the yttria ratio is 8%, it was confirmed that the oxygen ion conductivity of YSZ is maximized. YSZ deposition rate was adjusted to be 1.4-1.5 Hz per cycle.

박막 공정을 이용하여 이중층 전해질 지지형 SOFC를 제작하는 순서는 도 3 및 도 4에 나타낸 것과 같이, (1) 몰드와 프레스를 이용해 GDC 분말를 펠렛 형태로 임시 고정시키는 단계, (2) CIP 장비를 이용해 1,800 bar에서 펠렛을 압축시키는 단계, (3) 고온 전기로(furnace)에서 1,400 ℃로 신터링시키는 단계, (4) 소정의 형태와 두께로 소결된 펠렛을 그라인딩하는 단계, (5) 다이아몬드 샌드로 양면을 폴리싱하는 단계, (6) 한쪽 면에 YSZ 층에 대해 ALD를 수행하는 단계, (7) 800 ℃에서 어닐링시켜 전해질을 완성하는 단계, (8) YSZ가 있는 전해질 면에 애노드 물질 페이스트를 스크린 프린팅하는 단계, (9) 고온 전기로에서 1,400 ℃로 신터링시키는 단계, (10) YSZ가 없는 전해질 면에 캐소드 물질 페이스트를 스크린 프린팅하는 단계, (11) 고온 전기로에서 1,100-1,200 ℃로 신터링시키는 단계를 포함한다.As shown in FIGS. 3 and 4, the procedure for fabricating a bilayer electrolyte-supported SOFC using a thin film process is as follows: (1) temporarily fixing the GDC powder in pellet form using a mold and a press, and (2) using a CIP apparatus. Compacting the pellets at 1,800 bar, (3) sintering at 1,400 ° C. in a high temperature furnace, (4) grinding the sintered pellets to the desired shape and thickness, (5) diamond sand furnace Polishing both sides, (6) performing ALD on the YSZ layer on one side, (7) annealing at 800 ° C. to complete the electrolyte, and (8) screening the anode material paste on the electrolyte side with YSZ Printing, (9) sintering at 1,400 ° C. in a high temperature furnace, (10) screen printing a cathode material paste on the electrolyte side without YSZ, and (11) sintering at 1,100-1,200 ° C. in a high temperature furnace. And a step.

스퍼터링, 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition), CVD 등의 기존의 박막공정을 활용한 이중층 전해질 SOFC는, 본 발명에서 여러 구현예로 개시하는 ALD 증착방식에 비해 기능층의 두께 조절이 용이하지 않고, 스텝 커버리지와 형성된 막의 밀도에서의 차이로 인해 환원 기체에의 노출에 취약하며, 전자 인슐레이션을 확실히 하지 못하는 단점이 있다.The bilayer electrolyte SOFC utilizing existing thin film processes such as sputtering, pulsed laser deposition, CVD, etc., is not easy to control the thickness of the functional layer compared to the ALD deposition method disclosed in various embodiments of the present invention. The difference in the step coverage and the density of the formed film is vulnerable to exposure to reducing gases, and does not guarantee electron insulation.

도 5에서 표시된 점들은 ALD를 제외한 방법으로 이중층 전해질 셀을 만들어 성능을 측정한 문헌상의 최고 출력 수치를 표시한 것이다. 단 이들은 이중층 전해질이 상대적으로 얇은(10-100 μm) 전해질 지지형 셀의 그것이기 때문에, 상기 실험과의 정당한 비교를 위해서 현재 500 μm 셀의 성능을 기준으로 유추한 실선을 그려보면, 가장 많은 실험이 이루어졌던 20 μm에서 600 ℃와 650 ℃ 모두 월등히 높은 출력 밀도 예상치가 도출되는 것을 볼 수 있다. 이로써 ALD를 이용한 이중층 전해질 제작의 우수성 설명이 가능해진다.Points shown in FIG. 5 indicate the highest output values in the literature for measuring performance by making a double layer electrolyte cell except for ALD. However, since these double layer electrolytes are those of relatively thin (10-100 μm) electrolyte-supported cells, for the satisfactory comparison with the above experiments, the most inferred solid line is drawn based on the performance of the current 500 μm cell. At 20 μm, this yields significantly higher output density estimates for both 600 ° C and 650 ° C. This makes it possible to explain the superiority of the preparation of the double layer electrolyte using ALD.

본 발명의 여러 구현예를 적용하면 상기한 SOFC의 작동온도를 낮추어 시스템 구축에 대한 경제성, 내구성 등의 효과가 있음은 물론, 고온형 SOFC의 구동이 가능하다면 보다 높은 출력 밀도와 효율의 SOFC를 제작할 수 있다. 이는 고온일수록 저 산소분압 분위기에서 세리아의 전자 전도성이 더욱 크게 발현되기 때문인데, 이를 YSZ 기능층으로 효과적으로 차단한다면 내부 단락 없는 고출력 SOFC가 될 것이 자명하기 때문이다. 따라서 작동 온도에 구애를 받을 필요가 없으므로 발전용, 휴대용 등 SOFC 적용이 가능한 모든 분야가 시장이 될 수 있다 할 수 있다.
Application of various embodiments of the present invention lowers the operating temperature of the SOFC, and thus has the effect of economical efficiency, durability, and the like. In addition, if a high-temperature SOFC can be driven, a higher output density and efficiency can be manufactured. Can be. This is because the higher the temperature, the higher the CIA's electronic conductivity is expressed in the low oxygen partial pressure atmosphere, and if it is effectively blocked by the YSZ functional layer, it is obvious that it will be a high output SOFC without internal short circuit. Therefore, there is no need to be concerned with the operating temperature, so all the fields that can be applied to SOFC such as power generation and portable can be the market.

Claims (16)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete YSZ 기능층을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 이중층 전해질의 제조방법으로서;
원자막 증착법을 수행함으로써 YSZ 기능층을 형성시키는 단계를 포함하고;
상기 원자막 증착법을 수행함으로써 YSZ 기능층을 형성시키는 단계는 (a-1) 이트리아 전구체를 챔버 내로 공급하는 단계, (a-2) 상기 챔버를 퍼지하는 단계, (a-3) 상기 챔버 내로 산화제를 공급하는 단계, (a-4) 상기 챔버 내를 퍼지하는 단계로 구성된 이트리아 형성 사이클, 및 (b-1) 지르코니아 전구체 중 1종의 전구체를 챔버 내로 공급하는 단계, (b-2) 상기 챔버를 퍼지하는 단계, (b-3) 상기 챔버 내로 산화제를 공급하는 단계, (b-4) 상기 챔버 내를 퍼지하는 단계로 구성된 지르코니아 형성 사이클을 각각 1-30회 반복하여 수행되며;
상기 이트리아 전구체는 트리스-(메틸시클로펜타디에닐)이트륨이고, 상기 지르코니아 전구체는 테트라키스(디메틸아미도)지르코늄이며, 상기 산화제는 탈이온수이고;
YSZ 기능층 내에 이트리아 함량이 5-10%가 되도록 상기 이트리아 형성 사이클 및 상기 지르코니아 형성 사이클 횟수를 조절하여 수행하며;
상기 이트리아 형성 사이클 및 상기 지르코니아 형성 사이클을 1 : 5-10의 비율로 수행하며;
상기 이트리아 형성 사이클은 1.5-2.5 Å/사이클의 속도로 증착되도록 수행하고, 상기 지르코니아 형성 사이클은 1-1.5 Å/사이클의 속도록 증착되도록 수행하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법.
A method for producing a double layer electrolyte for a solid oxide fuel cell comprising an YSZ functional layer;
Forming an YSZ functional layer by performing atomic film deposition;
Forming an YSZ functional layer by performing the atomic film deposition method includes (a-1) supplying an yttria precursor into the chamber, (a-2) purging the chamber, (a-3) into the chamber Supplying an oxidant, (a-4) an yttria formation cycle consisting of purging the chamber, and (b-1) feeding one of the zirconia precursors into the chamber, (b-2) Purging the zirconia forming cycle consisting of purging the chamber, (b-3) feeding an oxidant into the chamber, and (b-4) purging the chamber;
The yttria precursor is tris- (methylcyclopentadienyl) yttrium, the zirconia precursor is tetrakis (dimethylamido) zirconium, and the oxidant is deionized water;
Adjusting the number of yttria forming cycles and the number of zirconia forming cycles so that the yttria content in the YSZ functional layer is 5-10%;
The yttria formation cycle and the zirconia formation cycle are performed at a ratio of 1: 5-10;
The yttria formation cycle is performed to be deposited at a rate of 1.5-2.5 kW / cycle, and the zirconia formation cycle is performed to be deposited at a rate of 1-1.5 kW / cycle. Method for producing a double layer electrolyte.
제6항에 있어서, 전체 YSZ 적층 속도가 1.3-1.7 Å/사이클이 되도록 상기 이트리아 형성 사이클 및 상기 지르코니아 형성 사이클을 수행하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법.The method of claim 6, wherein the yttria formation cycle and the zirconia formation cycle are performed such that the total YSZ deposition rate is 1.3-1.7 kPa / cycle. 제7항에 있어서, 상기 (a-1) 내지 (a-4) 단계 및 상기 (b-1) 내지 (b-4) 단계는 200-300 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지용 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질의 제조방법.The YSZ of claim 7, wherein the steps (a-1) to (a-4) and the steps (b-1) to (b-4) are performed at 200-300 ° C. Method for producing a bilayer electrolyte containing a functional layer. 하기 단계를 포함하는 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법:
(A) 몰드와 프레스를 이용해 GDC 분말를 펠렛 형태로 고정시키는 단계,
(B) 1,000-2,500 bar에서 상기 펠렛을 압축시키는 단계,
(C) 상기 펠렛을 1,000-2,0000 ℃에서 신터링시키는 단계,
(D) 상기 펠렛을 그라인딩하는 단계,
(E) 상기 펠렛을 폴리싱하는 단계,
(F) 상기 펠렛의 한쪽 면에 원자막 증착법으로 YSZ 층을 증착하는 단계,
(G) 상기 YSZ 층이 증착된 펠렛을 500-900 ℃에서 어닐링시켜 전해질을 완성하는 단계,
(H) 상기 YSZ 층이 증착된 전해질 면에 애노드 물질 페이스트를 스크린 프린팅하는 단계,
(I) 상기 애노드 물질이 스크린 프린팅된 전해질을 1,000-1,500 ℃로 신터링시키는 단계,
(J) 상기 YSZ 층이 증착된 전해질 면의 반대면에 캐소드 물질 페이스트를 스크링 프린팅하는 단계,
(K) 상기 애노드 물질이 스크린 프린팅된 전해질을 고온 전기로에서 1,000-1,500 ℃로 신터링시키는 단계.
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell comprising a bilayer electrolyte comprising an YSZ functional layer comprising the following steps:
(A) fixing the GDC powder in pellet form using a mold and a press,
(B) compacting the pellets at 1,000-2,500 bar,
(C) sintering the pellet at 1,000-2,0000 ° C.,
(D) grinding the pellets,
(E) polishing the pellets,
(F) depositing an YSZ layer on one side of the pellet by atomic film deposition;
(G) annealing the pellet deposited with the YSZ layer at 500-900 ° C. to complete the electrolyte,
(H) screen printing an anode material paste on the electrolyte surface on which the YSZ layer is deposited;
(I) sintering the electrolyte with the anode material screen printed to 1,000-1,500 ° C.,
(J) screen printing a cathode material paste on the opposite side of the electrolyte surface on which the YSZ layer is deposited;
(K) sintering the anode screened electrolyte at 1,000-1,500 ° C. in a high temperature electric furnace.
제9항에 있어서, 상기 (F) 단계는 (a-1) 이트리아 전구체를 챔버 내로 공급하는 단계, (a-2) 상기 챔버를 퍼지하는 단계, (a-3) 상기 챔버 내로 산화제를 공급하는 단계, (a-4) 상기 챔버 내를 퍼지하는 단계로 구성된 이트리아 형성 사이클, 및 (b-1) 지르코니아 전구체 중 1종의 전구체를 챔버 내로 공급하는 단계, (b-2) 상기 챔버를 퍼지하는 단계, (b-3) 상기 챔버 내로 산화제를 공급하는 단계, (b-4) 상기 챔버 내를 퍼지하는 단계로 구성된 지르코니아 형성 사이클을 각각 1-30회 반복하여 수행되는 것을 특징으로 하는 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법.The method of claim 9, wherein (F) comprises: (a-1) supplying an yttria precursor into the chamber, (a-2) purging the chamber, and (a-3) supplying an oxidant into the chamber. (A-4) an yttria formation cycle consisting of purging the chamber, and (b-1) supplying one of the zirconia precursors into the chamber, (b-2) the chamber YSZ, wherein the zirconia formation cycle consisting of the step of purging, (b-3) supplying an oxidant into the chamber, and (b-4) purging the chamber are repeated 1-30 times each. A method of manufacturing a solid oxide fuel cell comprising a bilayer electrolyte with a functional layer. 제10항에 있어서, 상기 이트리아 전구체는 트리스-(메틸시클로펜타디에닐)이트륨이고, 상기 지르코니아 전구체는 테트라키스(디메틸아미도)지르코늄이며, 상기 산화제는 탈이온수인 것을 특징으로 하는 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법.The YSZ functional layer according to claim 10, wherein the yttria precursor is tris- (methylcyclopentadienyl) yttrium, the zirconia precursor is tetrakis (dimethylamido) zirconium, and the oxidizing agent is deionized water. A method of manufacturing a solid oxide fuel cell comprising a bilayer electrolyte. 제11항에 있어서, YSZ 기능층 내에 이트리아 함량이 5-10%가 되도록 상기 이트리아 형성 사이클 및 상기 지르코니아 형성 사이클 횟수를 조절하여 수행하는 것을 특징으로 하는 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법.12. The solid comprising the bilayer electrolyte of the YSZ functional layer of claim 11, wherein the yttria formation cycle and the number of the zirconia formation cycles are controlled so that the yttria content is 5-10% in the YSZ functional layer. Method of manufacturing an oxide fuel cell. 제12항에 있어서, 상기 이트리아 형성 사이클 및 상기 지르코니아 형성 사이클을 1 : 5-10의 비율로 수행하는 것을 특징으로 하는 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법.The method of claim 12, wherein the yttria forming cycle and the zirconia forming cycle are performed at a ratio of 1: 5-10. 제13항에 있어서, 상기 이트리아 형성 사이클은 1.5-2.5 Å/사이클의 속도로 증착되도록 수행하고, 상기 지르코니아 형성 사이클은 1-1.5 Å/사이클의 속도록 증착되도록 수행하는 것을 특징으로 하는 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법.The YSZ function of claim 13, wherein the yttria forming cycle is performed to be deposited at a rate of 1.5-2.5 kW / cycle, and the zirconia forming cycle is performed to be deposited at a rate of 1-1.5 kW / cycle. A method of manufacturing a solid oxide fuel cell comprising a bilayer electrolyte with layers. 제14항에 있어서, 전체 YSZ 적층 속도가 1.3-1.7 Å/사이클이 되도록 상기 이트리아 형성 사이클 및 상기 지르코니아 형성 사이클을 수행하는 것을 특징으로 하는 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법.15. The solid oxide fuel cell of claim 14, wherein the yttria forming cycle and the zirconia forming cycle are performed such that an overall YSZ deposition rate is 1.3-1.7 dl / cycle. Manufacturing method. 제15항에 있어서, 상기 (a-1) 내지 (a-4) 단계 및 상기 (b-1) 내지 (b-4) 단계는 200-300 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 YSZ 기능층 포함 이중층 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법.16. The bilayer according to claim 15, wherein the steps (a-1) to (a-4) and the steps (b-1) to (b-4) are performed at 200-300 ° C. A method of manufacturing a solid oxide fuel cell comprising an electrolyte.
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