KR101808387B1 - Ceria electrolyte for low temperature sintering and solid oxide fuel cells using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질로서, 가돌리움(Gd), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되는 세리아(CeO2) 전해질로서, 비스무스가 0.5 내지 5 mol% 치환 고용되어 저온 소결 특성을 가지는 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질에 관한 것이다.The present invention relates to a ceria electrolyte for a solid oxide fuel cell, which is a ceria (CeO 2 ) electrolyte in which gadolinium (Gd), erbium (Yb) and bismuth (Bi) To a ceria electrolyte for a solid oxide fuel cell having low-temperature sintering characteristics.

Description

저온 소결용 세리아 전해질 및 이를 이용한 고체산화물연료전지{CERIA ELECTROLYTE FOR LOW TEMPERATURE SINTERING AND SOLID OXIDE FUEL CELLS USING THE SAME} TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a ceria electrolyte for low temperature sintering, and a solid oxide fuel cell using the ceria electrolyte. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, 이하 SOFC라고 한다)의 저온 소결용 세리아 전해질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가돌리움(Gd), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되어 저온 소결 특성을 가지는 세리아(CeO2) 전해질 및 이를 이용한 고체산화물연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a ceria electrolyte for low temperature sintering of solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as SOFC), and more particularly, to a ceria electrolyte for low temperature sintering of solid oxide fuel cells Cerium (CeO 2 ) electrolyte having a low temperature sintering property at the same time and a solid oxide fuel cell using the same.

현재 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC라고 한다)용 단위전지(unit cell)를 위한 전해질 소재로서 8YSZ(8mol% Y2O3 stabilized ZrO2)와 같은 지르코니아계 전해질이 가장 널리 사용되고 있다.Currently, a zirconia-based electrolyte such as 8YSZ (8 mol% Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 ) is the most widely used electrolyte material for a unit cell for a solid oxide fuel cell (SOFC) .

초기에는 8YSZ와 같은 지르코니아계 전해질을 적용한 단위전지의 경우, 공기극 소재로서 순수한 전자 전도체인 LSM(Sr doped LaMnO3) 소재와 전해질 소재를 혼합한 복합체 소재를 사용하였으나, 최근에는 단위전지의 출력밀도(W/cm2)를 높이기 위해서 LSCF(Sr & Co doped LaFeO3)와 같은 혼합전도성(MIEC : mixed ionic and electronic conductor) 공기극 소재를 사용하고 있는 추세이다.Initially, a unit cell using a zirconia-based electrolyte such as 8YSZ was used as a composite material made of a mixture of an LSM (Sr doped LaMnO 3 ) material and an electrolyte material, which are pure electron conductors as an air electrode material. (MIEC) air electrode material such as LSCF (Sr & Co doped LaFeO 3 ) is used in order to increase the W / cm 2 .

LSCF와 같은 대부분의 혼합전도성 공기극 소재들은 공기극의 열처리 온도 영역에서 지르코니아 전해질과 계면에서 반응하여 부도체 특성의 반응 생성물을 형성하는 단점을 나타내고 있어, LSCF와 같은 혼합전도성 공기극과 지르코니아계 전해질의 고온 반응을 방지하기 위해서 최근에는 공기극과 전해질 사이에 반응 방지막을 추가로 도입하고 있다.Most mixed conducting cathode materials, such as LSCF, react at the interface with the zirconia electrolyte at the heat treatment temperature range of the cathode to form reaction products of non-conducting properties. Therefore, the high temperature reaction of mixed conducting cathode such as LSCF and zirconia electrolyte In recent years, an anti-reaction film is additionally introduced between the air electrode and the electrolyte.

특히 세리아계 전해질(Gd or Sm doped CeO2)은 SOFC의 지르코니아(ZrO2)계 전해질 막과 혼합 전도성 공기극 층의 중간에 구성되어 전해질과 공기극의 반응 생성물 방지를 위한 반응 방지막 소재로 가장 널리 적용되고 있다.In particular, the ceria electrolyte (Gd or Sm-doped CeO 2 ) is most widely applied as an anti-reaction film material for preventing the reaction products between the electrolyte and the air electrode, which is formed between the zirconia (ZrO 2 ) electrolyte membrane and the mixed conducting cathode layer of the SOFC have.

이러한 반응 방지막으로 적용되는 세리아계 전해질은 1300℃ 이상의 고온에서 지르코니아 전해질과 전율 고용체를 형성하는 특성을 갖고 있으며, 상호 확산을 통해 고온에서 형성되는 고용체는 매우 낮은 이온 전도성을 갖기 때문에 결과적으로 단위 전지의 출력을 저하시키는 요인으로 작용하고 있다.The ceria electrolyte, which is applied as a reaction preventive layer, has a characteristic of forming a zirconia electrolyte and a zirconia electrolyte at a high temperature of 1300 ° C or higher. Since the solid solution formed at a high temperature through mutual diffusion has a very low ion conductivity, Which is a cause of lowering the output.

현재 세리아계 반응 방지막을 이용하여 단위전지를 제작하는 방법으로는 연료극 지지체, 지르코니아계 전해질 및 세리아 전해질을 적층 성형체로 성형한 다음 동시 소결하는 방법과, 연료극 지지체와 지르코니아 전해질만을 적층 성형하고 소결한 후 전해질 막 표면에 세리아 방지막을 코팅 및 열처리하는 2가지 방법이 적용되고 있다.Currently, a method of manufacturing a unit cell using a ceria-based reaction preventive film includes a method of forming a fuel electrode support, a zirconia-based electrolyte, and a ceria electrolyte into a laminated molded body and then performing simultaneous sintering; a method in which only an anode support and a zirconia electrolyte are laminated and sintered Two methods of coating and heat-treating the ceria-containing film on the surface of the electrolyte membrane have been applied.

따라서 세리아계 전해질을 지르코니아 전해질과 동시 소결을 통해서 단위전지를 제작하는 경우에는 1300℃ 이하의 온도에서 동시 소결하는 기술이 요구되지만, 통상적으로 전해질로서 요구되는 95% 이상의 치밀한 미세구조를 갖기 위해서 지르코니아 전해질은 1300℃ 이상의 소결 조건이 필요하다.Therefore, when a unit cell is manufactured through simultaneous sintering of a ceria electrolyte with a zirconia electrolyte, a technique of co-sintering at a temperature of 1300 ° C or less is required, but in order to have a dense microstructure of 95% or more required as an electrolyte, A sintering condition of 1300 DEG C or more is required.

또한 1300℃ 이상에서 소결하여 치밀한 전해질을 형성한 다음, 전해질 막 표면에 코팅 및 열처리를 통해 세리아계 반응 방지막을 형성하는 경우에는 이미 소결된 전해질 막이 함께 수축을 하지 않아 치밀한 세리아계 전해질을 형성하기 어려운 문제점이 있으며, 코팅 및 열처리 공정이 추가되어 공정 시간과 공정 비용이 증가하는 단점이 있다.In addition, in the case of forming a dense electrolyte by sintering at 1300 ° C. or higher, and then forming a ceria-based reaction preventive film through coating and heat treatment on the surface of the electrolyte membrane, the already sintered electrolyte membrane does not shrink together and is difficult to form a dense ceria electrolyte There is a drawback that the coating and heat treatment processes are added to increase processing time and process cost.

따라서 반응 방지막으로 사용되는 세리아계 전해질의 열처리 온도를 공기극 열처리 온도 영역까지 낮출 수 있으면, 세리아계 전해질과 공기극을 동시에 열처리할 수 있어 공정 시간을 단축하고 낮은 온도에서도 치밀한 미세구조 확보할 수 있어 단위전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.Therefore, if the heat treatment temperature of the ceria-based electrolyte used as the reaction prevention film can be lowered to the heat treatment temperature region of the air electrode, the ceria-based electrolyte and the air electrode can be heat-treated at the same time, shortening the process time and ensuring a dense fine structure even at a low temperature. Can be improved.

위와 같이, 세리아계 전해질의 열처리 온도를 공기극 열처리 온도 영역인 1150 ℃ 까지 낮출 수 있는 기술이 필요한 실정이다.As described above, there is a need for a technique capable of lowering the heat treatment temperature of the ceria-based electrolyte to 1150 占 폚, which is the heat treatment temperature region of the air electrode.

1. 한국공개특허번호 제10-2013-0040640호1. Korean Patent Publication No. 10-2013-0040640 2. 한국공개특허번호 제10-2013-0099704호2. Korean Patent Publication No. 10-2013-0099704

본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 종래에 개발된 Gd doped CeO2(GDC) 전해질에 열처리 온도를 공기극 열처리 온도 영역인 1150 ℃ 까지 낮추기 위하여 Bi를 추가로 고용시킴과 아울러 Bi의 추가 고용에 따른 전체 양이온 반경의 증가와 이에 따른 이온 전도도의 하락을 방지하기 위해서 미량의 Yb를 동시에 고용시켜 기존 세리아 전해질 대비 소결 온도를 낮춘 세리아 전해질을 제공하기 위한 것이다.The present invention has been devised in view of the above-mentioned needs. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a Gd doped CeO 2 (GDC) electrolyte, which further comprises a step of further employing Bi to lower the heat treatment temperature to 1150 ° C, The present invention is to provide a ceria electrolyte having a low sintering temperature compared to conventional ceria electrolytes by simultaneously using a small amount of Yb in order to prevent an increase in total cation radius due to employment and a decrease in ion conductivity.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 저온 소결용 세리아 전해질은 가돌리움(Gd), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되어 저온 소결 조건을 가지는 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.In order to achieve the above object, the ceria electrolyte for low temperature sintering according to the present invention is characterized in that gadolinium (Gd), ytterbium (Yb) and bismuth (Bi) 2 ) As the electrolyte, it may have a composition represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

GdxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ Gd x Yb y Bi z Ce 1- xy z O 2 -?

- 0.05≤X≤0.15, 0.005≤Y≤0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.06≤X+Y+Z≤0.25, δ=(X+Y+Z)/2- 0.05? X? 0.15, 0.005? Y? 0.05, 0.005? Z? 0.05, 0.06? X + Y + Z? 0.25,? = (X + Y + Z) / 2

상기 가돌리움(Gd), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온 반경의 크기가 0.98-0.99Å일 수 있다.The total cation radius of the ceria (CeO 2 ) electrolyte in which the gadolinium (Gd), erbium (Yb) and bismuth (Bi) are solubilized at the same time may be 0.98-0.99 Å.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 저온 소결용 세리아 전해질을 이용한 고체산화물연료전지는 연료극, 상기 연료극과 동시에 소결하여 형성하는 지르코니아 전해질, 상기 지르코니아 전해질 표면에 상기 저온 소결용 세리아 전해질을 코팅한 후 1100℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 열처리하여 형성된 세리아 반응 방지막 및 상기 세리아 반응 방지막 표면에 코팅 및 열처리하여 제조한 공기극을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell including a fuel electrode, a zirconia electrolyte formed by sintering at the same time as the fuel electrode, a ceria electrolyte for low temperature sintering on the surface of the zirconia electrolyte, And then heat-treated at a temperature ranging from 1100 ° C to 1200 ° C, and an air electrode prepared by coating and heat-treating the surface of the ceria reaction prevention film.

상기 지르코니아 전해질은 형석형 구조의 지르코니아계 전해질로서, 하기 화학식 2의 조성을 가질 수 있다.The zirconia electrolyte is a zirconia-based electrolyte having a fluorite structure, and may have a composition represented by the following formula (2).

[화학식 2](2)

(Re2O3)x(ZrO2)1-x (Re 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x

- Re = Y, Sc, Yb, Ce, Gd, Sm 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.04≤X≤0.11- Re = at least one element selected from Y, Sc, Yb, Ce, Gd and Sm, 0.04? X?

상기 공기극은 전자 및 산소 이온 전도성을 동시에 갖는 페롭스카이트(ABO3)계 결정구조의 혼합전도체로서, 하기 화학식 3의 조성을 가질 수 있다.The air electrode is a mixed conductor of a perovskite (ABO 3 ) crystal structure having both electron and oxygen ion conductivity, and may have a composition represented by the following formula (3).

[화학식 3](3)

ABO3 ABO 3

- A = La, Sm, Pr, Ba, Sr, Ca 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- At least one element selected from among La, Sm, Pr, Ba, Sr and Ca

- B = Fe, Co, Ni, Cu 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- B = at least one element selected from Fe, Co, Ni and Cu

- A 및 B의 함량비는 0.95≤A/B≤1- the content ratio of A and B is 0.95? A / B? 1

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상기 공기극은 50 내지 70wt%의 이중층 페롭스카이트(ABC2O5+δ)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.Wherein the cathode comprises a mixed conductor of 50 to 70 wt% of a double layer perovskite (ABC 2 O 5 + delta ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria electrolyte has a composition represented by the following formula .

[화학식 1][Chemical Formula 1]

GdxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ Gd x Yb y Bi z Ce 1- xy z O 2 -?

- 0.05≤X≤0.15, 0.005≤Y≤0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.06≤X+Y+Z≤0.25, δ=(X+Y+Z)/2- 0.05? X? 0.15, 0.005? Y? 0.05, 0.005? Z? 0.05, 0.06? X + Y + Z? 0.25,? = (X + Y + Z) / 2

상기 공기극은 50 내지 70wt%의 이중층 페롭스카이트(ABC2O5+δ)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 5의 조성을 가질 수 있다.Wherein the cathode comprises a mixed conductor of 50 to 70 wt% of a double layer perovskite (ABC 2 O 5 + δ ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria electrolyte has a composition represented by the following formula .

[화학식 5][Chemical Formula 5]

RexCe1-xO2-δ Re x Ce 1-x O 2-隆

- Re = Gd, Sm, Y, Nd, Pr 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.05≤X≤0.2, δ= X/2- Re = at least one element selected from Gd, Sm, Y, Nd and Pr, 0.05? X? 0.2,? = X / 2

상기 연료극은 30 내지 50wt%의 형석형 구조의 지르코니아계 전해질 및 50 내지 70wt%의 NiO로 이루어질 수 있다.The fuel electrode may be composed of 30 to 50 wt% of a zirconia-based electrolyte having a fluorite structure and 50 to 70 wt% of NiO.

상기 고체산화물연료전지는 연료극 지지체형 단위전지(ASC : anode supported cell), 전해질 지지체형 단위전지(ESC : electrolyte supported cell), 또는 금속 지지체형 단위전지(MSC : metal supported cell) 구조일 수 있다.The solid oxide fuel cell may be an anode supported cell (ASC), an electrolyte supported cell (ESC), or a metal supported cell (MSC) structure.

상기 단위전지는 평판형(planer-type), 원통형(tubular-type), 평관형(flat-tube type) 형태일 수 있다.The unit cell may be a planer-type, a tubular-type, or a flat-tube type.

본 발명에 따른 저온 소결용 세리아 전해질은 가돌리움(Gd), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되어 저온 소결 특성을 가지는 세리아(CeO2) 전해질로서, 기존 GDC 전해질이 갖는 유사한 전체 양이온 반경을 나타내어 기존 GDC 전해질이 갖는 높은 산소 이온 전도성을 유지하면서 1200℃의 소결온도에서도 95% 이상의 높은 소결밀도를 나타낼 수 있다.The ceria electrolyte for low temperature sintering according to the present invention is a ceria (CeO 2 ) electrolyte having a low temperature sintering property by simultaneously substituting gadolinium (Gd), erbium (Yb) and bismuth (Bi) It shows a similar total cation radius and can exhibit a high sintered density of 95% or more even at a sintering temperature of 1200 ° C while maintaining a high oxygen ion conductivity of a conventional GDC electrolyte.

본 발명에 따른 저온 소결용 세리아 전해질을 이용한 고체산화물연료전지는 1350℃ 이상에서 소결한 치밀한 전해질 막 위에 세리아계 전해질의 열처리 온도를 공기극 열처리 온도인 1150℃ 이하로 낮추어 전해질 막과의 견고한 접착력을 확보할 수 있다.In the solid oxide fuel cell using the ceria electrolyte for low temperature sintering according to the present invention, the heat treatment temperature of the ceria electrolyte is lowered to 1150 ° C or less, which is the heat treatment temperature of the air electrode, on the dense electrolyte membrane sintered at 1350 ° C or higher to secure a firm adhesion with the electrolyte membrane can do.

또한 세리아 반응 방지막과 LSCF와 같은 혼합전도성 공기극을 연속 코팅 후 동시 열처리하여 공정 시간을 단축하는 동시에, 높은 출력밀도를 갖는 단위전지를 제작할 수 있다.In addition, the ceria reaction preventive film and the mixed conducting cathode such as LSCF are continuously coated and then simultaneously heat-treated to shorten the processing time, and a unit cell having a high output density can be manufactured.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. The effects of the present invention described above are exemplarily described, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 상용화된 GDC 전해질의 전체 양이온 반경을 나타낸 그래프이다.
도 2는 Yb가 추가 치환 고용된 GDC 전해질의 전체 양이온 반경을 나타낸 그래프이다.
도 3은 Bi가 추가 치환 고용된 GDC 전해질의 전체 양이온 반경을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 세리아 전해질의 치환 고용된 Bi 조성에 따른 전체 양이온 반경을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고상반응법에 의한 Bi 고용량 증가 및 소결 온도 증가에 따른 GDC 전해질의 소결밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고상반응법에 의한 Bi 고용량 증가 및 소결 온도 증가에 따른 GDC 전해질의 수축율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 Bi 및 Yb가 동시 고용된 세리아 전해질 조성들을 고상반응법을 통해 1200℃에서 5시간 동안 소결한 후 소결 수축율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 세리아 전해질 조성들을 고상반응법을 통해 1200℃에서 5시간 동안 소결하고 직류 4단자법을 이용하여 작동 온도별 이온 전도도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에서 공침법으로 합성한 CE-3 조성의 전해질을 상용 GDC 전해질과 동일한 방법으로 성형 후 소결 온도에 따른 소결 수축율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에서 공침법으로 합성한 CE-3 조성의 전해질을 상용 GDC 전해질과 동일한 방법으로 성형 후 소결 온도에 따른 소결 밀도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에서 공침법으로 합성한 CE-3 조성의 전해질을 상용 GDC 전해질과 동일한 방법으로 성형 후 소결 온도에 따른 미세구조를 주사전자현미경을 통해 분석한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에서 공침법으로 합성한 CE-3 조성의 전해질을 상용 GDC 전해질과 동일한 방법으로 성형 후 1200℃에서 소결하고 X-선 회절 분석을 통해 결정구조를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예를 통해 공침법으로 합성한 CE-3 조성의 전해질을 1200℃, 1300℃ 및 1400℃에서 각각 소결하고 직류 4단자법을 이용하여 작동 온도별 이온 전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예를 통해 공침법으로 합성한 CE-3 조성의 전해질과 상용 GDC 전해질을 각각 1150℃ 및 1300℃에서 소결하고 직류 4단자법을 이용하여 작동 온도별 이온 전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예를 통해 제작한 ESC-1 및 ESC-2 단위전지에 대한 파단면의 미세구조를 주사전자현미경을 이용하여 분석한 사진이다.
도 16은 본 발명의 실시 예를 통해 제작한 ESC-1 및 ESC-2 단위전지를 850℃에서 구동시키고 전류밀도에 따른 전압 및 출력밀도를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing total cation radii of commercial GDC electrolytes.
2 is a graph showing total cation radii of GDC electrolytes in which Yb is further substituted and solubilized.
3 is a graph showing the total cation radii of the GDC electrolyte in which Bi is additionally substituted and solubilized.
4 is a graph showing the total cation radii according to the composition of the substituted solid solution of ceria electrolyte according to the embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the sintered density of the GDC electrolyte according to the increase of the high capacity of Bi and the increase of the sintering temperature according to the solid state reaction method according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the increase in the Bi content by the solid-phase reaction method and the shrinkage ratio of the GDC electrolyte according to the sintering temperature increase according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing sintering shrinkage ratios of selenium electrolyte compositions in which Bi and Yb are co-solved according to an embodiment of the present invention, after sintering at 1200 ° C. for 5 hours through a solid phase reaction method.
FIG. 8 is a graph showing selenium electrolyte compositions according to an embodiment of the present invention by sintering at 1200 ° C. for 5 hours through a solid-phase reaction method, and measuring ion conductivity according to operating temperature using a DC four-terminal method.
FIG. 9 is a graph showing sintering shrinkage ratios according to sintering temperatures after forming the electrolyte of the CE-3 composition synthesized by the co-precipitation method in the embodiment of the present invention by the same method as that of the commercial GDC electrolyte.
10 is a graph showing sintered density according to sintering temperature after forming the electrolyte of the CE-3 composition synthesized by coprecipitation in the embodiment of the present invention by the same method as that of the commercial GDC electrolyte.
FIG. 11 is a photograph of a microstructure according to a sintering temperature of a CE-3 electrolyte synthesized by coprecipitation in the same manner as a conventional GDC electrolyte and analyzed by a scanning electron microscope.
12 is a graph showing the comparison of the crystal structure of the electrolyte of the CE-3 composition synthesized by coprecipitation in the embodiment of the present invention by sintering at 1200 DEG C after sintering in the same manner as the commercial GDC electrolyte and by X-ray diffraction analysis .
FIG. 13 is a graph showing the comparison of ionic conductivities at operating temperatures by sintering the electrolyte of the CE-3 composition synthesized by the coprecipitation method at 1200 ° C., 1300 ° C., and 1400 ° C., respectively, Graph.
FIG. 14 is a graph comparing the ionic conductivities at operating temperatures of the electrolyte of the CE-3 composition synthesized by coprecipitation according to the present invention and the commercial GDC electrolyte at 1150 ° C. and 1300 ° C., respectively, Fig.
FIG. 15 is a photograph of a microstructure of a fractured surface of an ESC-1 and ESC-2 unit cell manufactured through an embodiment of the present invention, using a scanning electron microscope.
16 is a graph showing the voltage and power density according to current density when the ESC-1 and ESC-2 unit cells manufactured through the embodiment of the present invention are driven at 850 ° C.

이하, 첨부된 도를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. The scope of technical thought is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items. The same reference numerals denote the same elements at all times. Further, the various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing depicted in the accompanying drawings.

본 발명에 따른 저온 소결용 세리아 전해질은 가돌리움(Gd), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되어 저온 소결 조건을 가지는 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.The ceria electrolyte for low temperature sintering according to the present invention is a ceria (CeO 2 ) electrolyte having low temperature sintering conditions by simultaneously substituting gadolinium (Gd), erbium (Yb) and bismuth (Bi) Lt; / RTI >

[화학식 1][Chemical Formula 1]

GdxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ Gd x Yb y Bi z Ce 1- xy z O 2 -?

- 0.05≤X≤0.15, 0.005≤Y≤0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.06≤X+Y+Z≤0.25, δ=(X+Y+Z)/2- 0.05? X? 0.15, 0.005? Y? 0.05, 0.005? Z? 0.05, 0.06? X + Y + Z? 0.25,? = (X + Y + Z) / 2

현재 상용화된 세리아계 전해질 중 하나인 GdxCe1-xO2-δ의 화학식을 갖으며,주 격자 이온인 Ce4+의 일부를 Gd3+으로 치환 고용시키게 되면 격자 내부에 산소 공공(vacancy)이 형성되게 되고 이러한 산소 공공은 산소 이온의 확산 이동 경로가 된다. Gd이 치환 고용된 세리아 전해질을 각각 Gd doped ceria (이하 GDC) 전해질이라고 명명하고 있다.It has a formula of Gd x Ce 1-x O 2-δ , which is one of the commercialized ceria electrolytes. When a part of Ce 4+ which is the main lattice ion is substituted with Gd 3+ , vacancy ) Is formed, and this oxygen vacancy becomes a diffusion path of oxygen ions. Gd-substituted ceria electrolyte is called Gd doped ceria (hereinafter referred to as GDC) electrolyte.

GDC 전해질은 Gd의 치환 고용량이 증가할수록 이온 전도도가 높아지지만 과량으로 고용될 경우에는 산소 공공이 결합하여 오히려 이온 전도도가 하락하게 된다. 통상적으로 세리아(CeO2) 전해질에 고용되는 Gd의 고용량은 10~20mol% 이하이며 이 범위에서 가장 높은 이온 전도도가 나타나고 있으며 연구진마다 가장 높은 이온 전도도가 확보되는 조성은 다르게 발표되고 있다.In GDC electrolytes, the ionic conductivity increases with increasing substitutional amount of Gd, but when it is dissolved in excess, the ionic conductivity decreases due to the bonding of oxygen vacancies. Generally, the amount of Gd dissolved in the ceria (CeO 2 ) electrolyte is 10 to 20 mol% or less, and the highest ionic conductivity is shown in this range.

본 발명에 따른 저온 소결용 세리아 전해질은 GDC 전해질의 저온 소결 특성 확보와 높은 이온 전도성을 유지하기 위한 것으로 저온 소결 특성을 위한 추가 치환 고용 원소로서 비스무스(Bi)를 도입하고 Bi 도입에 따른 전체 양이온 반경의 증가를 억제하기 위해서 Yb를 추가 치환 원소로 도입할 수 있다. Gd3+, Bi3+, Ce4+ 및 Yb3+의 양이온 반경은 각각 1.053Å, 1.17Å, 0.97Å, 0.985Å이다.The ceria electrolyte for low-temperature sintering according to the present invention is used for securing the low-temperature sintering property of the GDC electrolyte and for maintaining high ion conductivity, and introducing bismuth (Bi) as an additional substituting solid element for low temperature sintering property, It is possible to introduce Yb as an additional substituting element. The cation radii of Gd 3+ , Bi 3+ , Ce 4+ and Yb 3+ are 1.053 Å, 1.17 Å, 0.97 Å and 0.985 Å, respectively.

현재 가장 높은 이온 전도도를 갖는 조성으로서 상용화되어 사용되고 있는 GDC 전해질의 조성은 GdxCe1-xO2-(x/2), X=0.1~0.2이며 이러한 조성에 따른 전체 양이온들의 평균 이온 반경은 도 1과 같이 도시할 수 있다. 상기 계산된 결과에서와 같이 상용화된 GDC 전해질들이 갖는 양이온 반경의 크기는 약 0.978~0.987(Å)임을 알 수 있다.The composition of the GDC electrolyte, which is currently used as a composition with the highest ionic conductivity, is Gd x Ce 1-x O 2- (x / 2) and X = 0.1-0.2. The average ion radius of all the cations As shown in Fig. As can be seen from the above calculation results, the size of the cation radius of the commercialized GDC electrolytes is about 0.978 to 0.987 (Å).

Yb가 추가 치환 고용된 GDC 전해질 (Gd2-xYbxCe0.8O1.9)에 대한 양이온 반경의 변화는 도 2의 결과와 같으며 Gd의 일부를 상대적으로 이온 반경이 작은 Yb로 치환하고 그 치환 고용량이 증가할수록 전체 양이온 반경이 작아지는 것을 계산을 통해 확인할 수 있다.The change in the cation radius with respect to the GDC electrolyte (Gd 2-x Yb x Ce 0.8 O 1.9 ) in which Yb is further substituted and solved is the same as the result in Fig. 2, and a part of Gd is replaced with Yb having a relatively small ionic radius, Calculations show that the total cation radius decreases with increasing solubility.

반면에 Bi가 추가 치환 고용된 GDC 전해질 (Gd0.15BixCe0.85-xO2-(0.15+x)/2)의 경우에 대한 양이온 반경의 변화는 도 3의 결과와 같으며 Gd 및 Ce보다 상대적으로 이온 반경이 큰 Bi가 치환 고용되고 그 치환 고용량이 증가할수록 전체 양이온 반경은 커지는 것을 계산을 통해 확인할 수 있다.On the other hand, the change in cation radius for the case of a GDC electrolyte (Gd 0.15 Bi x Ce 0.85-x O 2- (0.15 + x) / 2 ) It can be confirmed by calculating that the total ion radius increases as the substitution solubility increases with the relative solubility of Bi having a large ion radius.

즉, 기존의 GDC 전해질의 저온 소결 특성 확보를 위해서 Bi를 추가로 치환 고용할 경우에는 전체 양이온 반경의 크기가 증가하는 효과가 있으며 이러한 양이온 반경의 증가는 산소 이온의 확산 이동을 위한 경로(산소 공공)를 좁혀 결국 원활한 산소 이온의 전도를 방해하는 단점으로 작용할 수 있다.In order to secure the low-temperature sintering property of the existing GDC electrolyte, the effect of increasing the total radius of the cation is increased when the substitution of Bi is further carried out. ) To narrow the conduction of oxygen ions.

따라서 본 발명에서는 Gd보다 상대적으로 이온 반경이 큰 Bi의 치환 고용에 따른 전체 양이온 반경의 증가를 억제하기 위해서 Gd보다 이온 반경이 작은 Yb를 동시에 치환 고용할 수 있다.Therefore, in the present invention, Yb having an ionic radius smaller than that of Gd can be simultaneously substituted to suppress the increase of the total cation radius due to substitution of Bi having a relatively larger ionic radius than Gd.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 세리아 전해질의 치환 고용된 Bi 조성에 따른 전체 양이온 반경을 나타낸 그래프이다. 상기 가돌리움(Gd), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온 반경의 크기가 0.98-0.99Å일 수 있다.4 is a graph showing the total cation radii according to the composition of the substituted solid solution of ceria electrolyte according to the embodiment of the present invention. The total cation radius of the ceria (CeO 2 ) electrolyte in which the gadolinium (Gd), erbium (Yb) and bismuth (Bi) are solubilized at the same time may be 0.98-0.99 Å.

본 발명에 따른 저온 소결용 세리아 전해질을 이용한 고체산화물연료전지는 연료극, 지르코니아 전해질, 세리아 반응 방지막 및 공기극을 포함한다.The solid oxide fuel cell using the ceria electrolyte for low temperature sintering according to the present invention includes a fuel electrode, a zirconia electrolyte, a ceria reaction prevention film, and an air electrode.

상기 연료극은 30 내지 50wt%의 형석형 구조의 지르코니아계 전해질 및 50 내지 70wt%의 NiO로 이루어질 수 있다.The fuel electrode may be composed of 30 to 50 wt% of a zirconia-based electrolyte having a fluorite structure and 50 to 70 wt% of NiO.

상기 지르코니아 전해질은 상기 연료극과 동시에 소결하여 형성될 수 있으며, 형석형 구조의 지르코니아계 전해질로서, 하기 화학식 2의 조성을 가질 수 있다.The zirconia electrolyte may be formed by sintering simultaneously with the fuel electrode. The zirconia electrolyte may have a composition of the following formula (2).

[화학식 2](2)

(Re2O3)x(ZrO2)1-x (Re 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x

- Re = Y, Sc, Yb, Ce, Gd, Sm 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.04≤X≤0.11- Re = at least one element selected from Y, Sc, Yb, Ce, Gd and Sm, 0.04? X?

상기 세리아 반응 방지막은 상기 지르코니아 전해질 표면에 상기 저온 소결용 세리아 전해질을 코팅한 후 1100℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 열처리하여 형성될 수 있다.The ceria reaction prevention film may be formed by coating the surface of the zirconia electrolyte with the ceria electrolyte for low-temperature sintering and then heat-treating the ceria electrolyte at a temperature ranging from 1100 ° C to 1200 ° C.

상기 공기극은 상기 세리아 반응 방지막 표면에 코팅 및 열처리하여 제조할 수 있으며, 전자 및 산소 이온 전도성을 동시에 갖는 페롭스카이트(ABO3)계 결정구조의 혼합전도체로서, 하기 화학식 3의 조성을 가질 수 있다.The air electrode may be prepared by coating and heat-treating the surface of the ceria reaction prevention film. The cathode may be a mixed conductor of a perovskite (ABO 3 ) crystal structure having both electron and oxygen ion conductivity.

[화학식 3](3)

ABO3 ABO 3

- A = La, Sm, Pr, Ba, Sr, Ca 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- At least one element selected from among La, Sm, Pr, Ba, Sr and Ca

- B = Fe, Co, Ni, Cu 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- B = at least one element selected from Fe, Co, Ni and Cu

- A 및 B의 함량비는 0.95≤A/B≤1- the content ratio of A and B is 0.95? A / B? 1

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더불어 상기 공기극은 50 내지 70wt%의 이중층 페롭스카이트(ABC2O5+δ)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.In addition, the air electrode is composed of a mixed conductor of 50 to 70 wt% of a double layered perovskite (ABC 2 O 5 + δ ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria- Lt; / RTI >

[화학식 1][Chemical Formula 1]

GdxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ Gd x Yb y Bi z Ce 1- xy z O 2 -?

- 0.05≤X≤0.15, 0.005≤Y≤0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.06≤X+Y+Z≤0.25, δ=(X+Y+Z)/2- 0.05? X? 0.15, 0.005? Y? 0.05, 0.005? Z? 0.05, 0.06? X + Y + Z? 0.25,? = (X + Y + Z) / 2

이와 같이, 고체산화물연료전지의 공기극에 포함되는 세리아계 전해질이 반응 방지막에 사용되는 세리아계 전해질과 같은 조성이 사용되는 경우, 열처리 공정에 시간을 단축하고 낮은 온도에서도 치밀한 미세구조 확보할 수 있어 단위전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, when the ceria electrolyte contained in the air electrode of the solid oxide fuel cell is used in the same composition as the ceria electrolyte used in the reaction prevention film, the time for the heat treatment process can be shortened and the fine structure can be secured even at a low temperature. There is an advantage that the output characteristic of the battery can be improved.

또한 상기 공기극은 50 내지 70wt%의 이중층 페롭스카이트(ABC2O5+δ)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 5의 조성을 가질 수 있다.The air electrode is composed of 50 to 70 wt% of a mixed conductor having a double layer perovskite (ABC 2 O 5 + δ ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria electrolyte has a composition represented by the following formula Lt; / RTI >

[화학식 5][Chemical Formula 5]

RexCe1-xO2-δ Re x Ce 1-x O 2-隆

- Re = Gd, Sm, Y, Nd, Pr 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.05≤X≤0.2, δ= X/2- Re = at least one element selected from Gd, Sm, Y, Nd and Pr, 0.05? X? 0.2,? = X / 2

상기 고체산화물연료전지는 연료극 지지체형 단위전지(ASC : anode supported cell), 전해질 지지체형 단위전지(ESC : electrolyte supported cell), 또는 금속 지지체형 단위전지(MSC : metal supported cell) 구조일 수 있으며, 상기 단위전지는 평판형(planer-type), 원통형(tubular-type) 또는 평관형(flat-tube type) 형태일 수 있다.The solid oxide fuel cell may be an anode supported cell (ASC), an electrolyte supported cell (ESC), or a metal supported cell (MSC) structure, The unit cell may be in the form of a planer-type, a tubular-type, or a flat-tube type.

원통형 단전지는 가스 실링이 용이하고 구조 자체의 기계적 특성이 우수하여 수십 kW ~ 수백 kW 급의 대형 스택을 제작할 수 있지만 단위 부피당 출력밀도가 낮다는 단점이 있다. 평판형 단전지는 단위 부피당 출력밀도가 높지만 스택 실링이나 각 구성요소들 간의 상호 반응성이 높고 셀의 기계적 안정성이 낮다는 단점이 있다. 이 형태는 고출력 밀도를 요구하는 1kW급 이하의 가정용 및 10kW급 이상의 건물용, 수송용을 위한 수 kW 급의 보조전원(APU) 등에 유리하다. 원통형 단전지는 연료극 지지체형과 공기극 지지체형으로 그리고 다전지식(segment-type)으로 적용되며, 평판형은 연료극 지지체형, 전해질 지지체형과 금속 지지체형 등으로 제작할 수 있다. 평관형 단전지는 연료극 지지체형을 기반으로 현재 가정용 또는 다전지식 형태로 발전용으로 적용되고 있다.Cylindrical unit cells are easy to gas-seal and have excellent mechanical characteristics of the structure itself, so large stacks of several tens kW to several hundred kW class can be manufactured, but the output density per unit volume is low. The flat plate type cell has a high output density per unit volume but has a disadvantage in that it has high stack sealability and mutual reactivity between the components and low mechanical stability of the cell. This type is advantageous for households with a power density of less than 1 kW, buildings with a capacity of 10 kW or higher, and APUs with several kW for transportation. The cylindrical cell can be fabricated as an anode support type, an air cathode support type, and a segment-type, and the plate type can be manufactured as an anode support body, an electrolyte support body, and a metal support body. The flat tubular unit cell is based on the anode support type and is currently being applied to the domestic or multi-cell type of power generation.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명 과정의 세부 사항을 설명하고자 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, details of the present invention will be described with reference to examples and experimental examples.

1. Bi 치환 고용 효과 확인1. Confirmation of Bi substitution employment effect

1-1. 조성 설계1-1. Composition design

Bi의 치환 고용 효과를 검증하기 위해서 다음 표 1과 같은 순수한 GDC 전해질(GdxCe1-xO2-x/2, X=0.1, 0.2) 및 Gd 및 Bi가 동시에 치환 고용된 전해질(Gd0.1BixCe0.9-xO1.95-x/2, X=0.025, 0.05, 0.075, 0.1)의 화학식을 갖는 조성을 설계하였다.(Gd x Ce 1-x O 2-x / 2 , X = 0.1, 0.2) as shown in the following Table 1 and an electrolyte (Gd 0.1 Bi x Ce 0.9-x O 1.95-x / 2 , X = 0.025, 0.05, 0.075, 0.1).

SampleSample Composition  Composition 1: GDC-191: GDC-19 Gd0.1Ce0.9O1.95 Gd 0.1 Ce 0.9 O 1.95 2: GDC-282: GDC-28 Gd0.2Ce0.8O1.9 Gd 0.2 Ce 0.8 O 1.9 3: X=0.0253: X = 0.025 Gd0.1Bi0.025Ce0.875O1.9375 Gd 0.1 Bi 0.025 Ce 0.875 O 1.9375 4: X=0.054: X = 0.05 Gd0.1Bi0.05Ce0.85O1.925 Gd 0.1 Bi 0.05 Ce 0.85 O 1.925 5: X=0.0755: X = 0.075 Gd0.1Bi0.075Ce0.825O1.9125 Gd 0.1 Bi 0.075 Ce 0.825 O 1.9125 6: X=0.16: X = 0.1 Gd0.1Bi0.1Ce0.8O1.9 Gd 0.1 Bi 0.1 Ce 0.8 O 1.9

1-2. 전해질 시편 제조1-2. Electrolyte Specimen Manufacturing

상기 표 1 조성의 전해질을 합성하기 위해서 Gd2O3, Bi2O3 및 CeO2를 원료로 사용하였고 조성에 맞도록 칭량 후 에탄올을 용매로 그리고 5mm 직경의 지르코니아 볼을 밀링 메디아로 사용하여 습식 볼밀 혼합을 하였다.Gd 2 O 3 , Bi 2 O 3 and CeO 2 were used as raw materials for the synthesis of the electrolytes of the above Table 1, and after weighing according to the composition, ethanol was used as a solvent and zirconia balls having a diameter of 5 mm were used as milling media, Followed by ball milling.

습식 혼합된 전해질 슬러리들은 75℃에서 건조 후 일축가압성형법으로 평판형 및 원판형의 압분체로 성형하였다.The wet mixed electrolyte slurries were dried at 75 ℃ and then compacted into flat and disk-shaped green compacts by uniaxial pressing.

- 평판형 성형체 크기 : 가로 40mm, 세로 40mm, 두께 4mm- Flat-plate shaped body Size: 40mm width, 40mm length, 4mm thickness

- 원판형 성형체 크기 : 직경 27mm, 두께 3mm- Disc-shaped molded body Size: Diameter 27mm, Thickness 3mm

성형된 전해질 시편들은 1100℃~1400℃에서 5시간 동안 대기 중에서 소결하였다.The formed electrolyte specimens were sintered in air at 1100 ℃ to 1400 ℃ for 5 hours.

1-3. 소결체의 밀도 및 수축율 확인1-3. Determination of density and shrinkage of sintered body

도 5는 상기 표 1 조성의 고상합성법으로 합성한 분말을 이용하여 1100℃, 1200℃, 1300℃ 및 1400℃에서 5시간 동안 소결한 GDC(GdxCe1-xO2-x/2, X=0.1, X=2) 전해질, GDC-19(X=0.1), GDC-28(X=0.2) 전해질과 Gd 및 Bi가 동시에 치환 고용된 전해질(Gd0.1BixCe0.9-xO1.95-x/2, X=0.025, 0.05, 0.075, 0.1)의 소결밀도를 비교하여 도시한 결과이다. FIG. 5 is a graph showing the relationship between GDC (GdxCe1 - xO2 -x / 2 , X ( x)) obtained by sintering at 1100 DEG C, 1200 DEG C, 1300 DEG C and 1400 DEG C for 5 hours using the powder synthesized by the solid- = 0.1, x = 2) electrolyte, GDC-19 (x = 0.1 ), GDC-28 (x = 0.2) electrolyte and Gd and Bi substituted employed at the same time the electrolyte (Gd 0.1 Bi x Ce 0.9- x O 1.95-x / 2 , X = 0.025, 0.05, 0.075, 0.1).

도 5의 결과를 통해서 목표로 하는 저온 소결온도인 1100℃ 및 1200℃에서 소결할 경우에는 Bi의 함량이 증가할수록 소결밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며 1300℃의 고온 소결온도에서는 Bi가 과량(X=0.075, 0.1)으로 적용될 경우에는 1200℃ 대비 소결밀도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. The results of FIG. 5 indicate that when the target sintering temperature is 1100 ° C. and 1200 ° C., the sintering density increases as the content of Bi increases. At a high temperature sintering temperature of 1300 ° C., = 0.075, 0.1), it can be confirmed that the sintered density is lower than 1200 ° C.

도 6은 도 5의 결과에 해당하는 1200℃ 및 1300℃에서 소결한 전해질 시편들을 다음과 같은 수식에 의해서 계산한 수축율에 대한 결과이다.FIG. 6 is a graph showing the shrinkage ratios of electrolyte specimens sintered at 1200 ° C. and 1300 ° C., which correspond to the results of FIG. 5, calculated by the following equation.

Figure 112015117425897-pat00001
Figure 112015117425897-pat00001

도 6의 결과를 통해서 1200℃에서 소결한 전해질 시편들은 Bi의 함량이 증가할수록 수축율이 증가하고 있으며 이러한 전해질의 부피 감소가 전해질의 소결밀도의 증가 원인임을 확인할 수 있다. 반면에 1300℃에서 소결한 전해질 시편들은 Bi의 함량이 증가하면서 수축율이 증가하다가 X=0.05 조성에서 최고 수축율을 보여준 후 Bi의 함량이 더욱 증가함에 따라 반대로 수축율이 낮아지는 결과를 보여준다. 즉, 이러한 수축율의 증가는 과소결에 기인한 부피 팽창이며 이러한 부피 팽창으로 인하여 도 5에서 보여지는 소결밀도의 감소가 발생하는 것으로 판단할 수 있다. The results of FIG. 6 indicate that the sintered electrolyte specimens sintered at 1200 ° C increase shrinkage as the Bi content increases, and that the reduction in the volume of the electrolyte is responsible for the increase in sintered density of the electrolyte. On the other hand, the electrolyte specimens sintered at 1300 ℃ show an increase in the shrinkage ratio with increasing Bi content, a maximum shrinkage ratio at the X = 0.05 composition, and a contraction rate lower as the Bi content increases. That is, the increase in the shrinkage ratio is a volume expansion due to the over-molding, and it can be judged that the sintering density shown in FIG. 5 is reduced due to the volume expansion.

따라서 Bi의 치환 고용 효과는 GDC 전해질의 저온 소결에 큰 기여를 하지만 과량으로 적용할 경우에는 반대의 효과가 나타남을 확인할 수 있고 구체적으로는 5mol%(X=0.05)를 넘지 않는 것이 바람직하다고 할 수 있다. Therefore, the substitution effect of Bi contributes to the low-temperature sintering of the GDC electrolyte. However, it can be confirmed that the effect of substitution is excessive when applied in an excess amount. Specifically, it is preferable that the substitution effect does not exceed 5 mol% (X = 0.05) have.

2. Bi 및 Yb 동시 치환 고용 효과 확인2. Simultaneous substitution of Bi and Yb

2-1. 세리아 전해질 조성 설계2-1. Design of ceria electrolyte composition

먼저 Gd doped ceria (이하 GDC)에 Bi 및 Yb가 동시에 치환 고용된 전해질에 대한 Bi 치환 고용 효과를 확인하기 위해서 다음 표 2와 같은 화학식을 갖는 조성을 설계하였다.First, in order to confirm the effect of Bi substitution on the electrolyte in which Bi and Yb are simultaneously substituted in Gd doped ceria (GDC), a composition having the following chemical formula was designed.

SampleSample Composition  Composition CE-1CE-1 (Gd0.9Yb0.1)0.15Ce0.85O1.925 (Gd 0.9 Yb 0.1 ) 0.15 Ce 0.85 O 1.925 Gd0.135Yb0.015Ce0.85O1.925 Gd 0.135 Yb 0.015 Ce 0.85 O 1.925 CE-2CE-2 (Gd0.9Yb0.1)0.15Bi0.01Ce0.84O1.92 (Gd 0.9 Yb 0.1 ) 0.15 Bi 0.01 Ce 0.84 O 1.92 Gd0.135Yb0.015Bi0.01Ce0.84O1.92 Gd 0.135 Yb 0.015 Bi 0.01 Ce 0.84 O 1.92 CE-3CE-3 (Gd0.9Yb0.1)0.15Bi0.02Ce0.83O1.915 (Gd 0.9 Yb 0.1 ) 0.15 Bi 0.02 Ce 0.83 O 1.915 Gd0.135Yb0.015Bi0.02Ce0.83O1.915 Gd 0.135 Yb 0.015 Bi 0.02 Ce 0.83 O 1.915 CE-4CE-4 (Gd0.9Yb0.1)0.15Bi0.03Ce0.82O1.91 (Gd 0.9 Yb 0.1 ) 0.15 Bi 0.03 Ce 0.82 O 1.91 Gd0.135Yb0.015Bi0.03Ce0.82O1.91 Gd 0.135 Yb 0.015 Bi 0.03 Ce 0.82 O 1.91 CE-5CE-5 (Gd0.9Yb0.1)0.15Bi0.04Ce0.81O1.905 (Gd 0.9 Yb 0.1 ) 0.15 Bi 0.04 Ce 0.81 O 1.905 Gd0.135Yb0.015Bi0.04Ce0.81O1.905 Gd 0.135 Yb 0.015 Bi 0.04 Ce 0.81 O 1.905 CE-6CE-6 (Gd0.9Yb0.1)0.15Bi0.05Ce0.8O1.9 (Gd 0.9 Yb 0.1 ) 0.15 Bi 0.05 Ce 0.8 O 1.9 Gd0.135Yb0.015Bi0.05Ce0.8O1.9 Gd 0.135 Yb 0.015 Bi 0.05 Ce 0.8 O 1.9

도 4는 상기 조성의 전해질들의 전체 양이온 반경의 크기를 계산한 결과이며 그 크기가 0.98~0.99(Å)의 범위에 있으며 기존 상용 GDC 전해질들이 갖는 전체 양이온 크기로 잘 제어되었음을 알 수 있다.FIG. 4 shows the results of calculation of the total cation radii of the electrolytes of the above composition, which are in the range of 0.98 to 0.99 (Å), and are well controlled by the total cation size of conventional commercial GDC electrolytes.

2-2. 전해질 시편 제조2-2. Electrolyte Specimen Manufacturing

상기 표 2 조성의 세리아계 전해질을 합성하기 위해서 Gd2O3, Yb2O3, Bi2O3 및 CeO2를 원료로 사용하였고 조성에 맞도록 칭량 후 에탄올을 용매로 그리고 5mm 직경의 지르코니아 볼을 밀링 메디아로 사용하여 습식 볼밀 혼합을 하였다.In order to synthesize the ceria electrolyte of Table 2, Gd 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Bi 2 O 3 and CeO 2 were used as raw materials, and after weighing according to the composition, ethanol was used as a solvent and zirconia balls Was mixed with a wet ball mill using a milling media.

습식 혼합된 전해질 슬러리들은 75℃에서 건조 후 일축가압성형법으로 평판형 및 원판형의 압분체로 성형하였다.The wet mixed electrolyte slurries were dried at 75 ℃ and then compacted into flat and disk-shaped green compacts by uniaxial pressing.

- 평판형 성형체 크기 : 가로 40mm, 세로 40mm, 두께 4mm- Flat-plate shaped body Size: 40mm width, 40mm length, 4mm thickness

- 원판형 성형체 크기 : 직경 27mm, 두께 3mm- Disc-shaped molded body Size: Diameter 27mm, Thickness 3mm

성형된 전해질 시편들은 1200℃에서 5시간 동안 대기 중에서 소결하였으며, 비교 평가를 위해 상용 GDC (Gd0.1Ce0.9O1.95, 일본 Anan Kasei사 LSA grade) 분말을 이용하여 전해질 시편을 제조하였다.The electrolyte specimens were sintered at 1200 ℃ for 5 hours in air. For comparative evaluation, electrolyte specimens were prepared using commercial GDC (Gd 0.1 Ce 0.9 O 1.95 , LN grade of Anan Kasei Co., Japan) powder.

2-3. 소결체의 밀도 및 수축율 확인2-3. Determination of density and shrinkage of sintered body

도 7은 상기 표 2에서 나타낸 Yb와 Bi가 동시에 치환 고용되고 1200℃에서 5시간 동안 소결한 세리아 전해질들에 대한 수축율을 나타낸 결과이며 도 6에서 확인한 1200℃에서 소결된 전해질들의 수축율 거동과 동일한 경향을 나타내었으며 결과적으로 Bi가 5mol% 이하로 적용되어도 목표로 하는 저온 소결 특성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.FIG. 7 is a graph showing the shrinkage ratio for ceria electrolytes sintered at 1200 ° C. for 5 hours at the same time as Yb and Bi shown in Table 2 are substituted at the same time, and the same tendency as the shrinkage rate behavior of sintered electrolytes at 1200 ° C. As a result, it can be confirmed that the target low-temperature sintering characteristics can be secured even if Bi is applied at 5 mol% or less.

특히, 도 7과 같이 고상반응법으로 합성되고 1200℃에서 5시간 동안 소결한 샘플에서 10% 이상의 수축율을 가지는 실시예 CE-3 내지 CE-6와 같이 Bi를 2mol% 이상 적용하는 경우 저온 소결 특성 확보에 더욱 바람직하다.Particularly, when Bi is added in an amount of 2 mol% or more as in Examples CE-3 to CE-6 having a shrinkage ratio of 10% or more in a sample synthesized by a solid-phase reaction method and sintered at 1200 ° C for 5 hours as shown in FIG. 7, .

2-4. 이온전도도 확인2-4. Ion conductivity checking

도 8은 1200℃에서 5시간 동안 소결한 CE-1~6 평판형 전해질 시편들을 가로 2mm, 세로 2mm 및 길이 20mm 크기의 바(bar) 형태로 가공한 후 직류 4단자법을 이용하여 온도에 따른 이온 전도도의 변화를 비교 분석한 결과이다.FIG. 8 is a graph showing the results of processing of CE-1 to 6 flat electrolyte specimens sintered at 1200 ° C for 5 hours in a bar shape of 2 mm in width, 2 mm in length and 20 mm in length, This is the result of comparative analysis of changes in ionic conductivity.

형석형 구조를 갖는 세리아계 및 지르코니아계 전해질들의 이온 전도도는 일반적으로 산소 공공의 농도가 높을수록, 소결 밀도가 높을수록 그리고 산소 공공 형성을 위해 치환 고용된 양이온의 이온 반경이 주격자의 이온(Ce4+ 또는 Zr4+) 반경과 유사할수록 증가하는 것으로 알려져 있다.The ionic conductivities of ceria and zirconia type electrolytes having a fluorite structure are generally as follows: the higher the oxygen vacancy concentration, the higher the sintering density, and the larger the ion radius of the cation exchanged for oxygen vacancy formation, 4+ or Zr 4+ ) radii.

도 8의 결과를 통해 CE-1에서 CE-4로 Bi의 치환 고용량이 증가할수록 이온 전도도가 증가하고 더불어 1400℃에서 소결한 상용 GDC 전해질의 이온 전도도에 근접하는 결과를 확인할 수 있으며 이러한 주된 이유는 결과적으로 Bi 함량 증가에 따른 소결 밀도 및 산소 공공의 증가로 설명할 수 있다. Bi는 Gd3+ 및 Yb3+와 동일하게 Bi3+로 전해질 격자 내에 존재하며 따라서 산소 공공을 형성한다.The results of FIG. 8 show that as the substitutional amount of Bi increases from CE-1 to CE-4, the ionic conductivity increases and the ionic conductivity of commercial GDC electrolyte sintered at 1400 ° C. is close to that of main electrode As a result, the sintering density and oxygen vacancy increase with increasing Bi content can be explained. Bi, like Gd 3+ and Yb 3+ , is present in the electrolyte lattice as Bi 3+ and thus forms oxygen vacancies.

특히, 도 8과 같이 실제로 SOFC 구동온도로서 가장 널리 적용되는 700℃~800℃에서 0.02S/cm 이상의 이온 전도도를 가지는 실시예 CE-3 내지 CE-5와 같이 Bi를 2mol% 내지 4mol%을 적용하는 것이 더욱 바람직하다.Particularly, as shown in Fig. 8, 2mol% to 4mol% of Bi is applied as in Examples CE-3 to CE-5 having ionic conductivities of 0.02S / cm or more at 700 ° C to 800 ° C, .

2-5. 상용 GDC 전해질과 비교2-5. Comparison with commercial GDC electrolytes

CE-3 조성의 세리아 전해질을 상용화 합성 공정인 습식 공침법을 이용하여 합성하였으며, 수용성 Gd nitrate (Gd(NO3)3·6H2O), Yb nitrate (Yb(NO3)3·6H2O), Bi nitrate (Bi(NO3)3·5H2O) 및 Ce nitrate (Ce(NO3)3·6H2O)를 순수한 물에 녹여 0.25M의 혼합 질산염 수용액으로 제조하였다.The ceria electrolyte of CE-3 was synthesized by the wet coprecipitation method which is a commercial synthesis process. The water-soluble Gd nitrate (Gd (NO 3 ) 3 · 6H 2 O), Yb nitrate (Yb (NO 3 ) 3 · 6H 2 O ), Bi nitrate (Bi (NO 3 ) 3 · 5H 2 O) and Ce nitrate (Ce (NO 3 ) 3 · 6H 2 O) were dissolved in pure water to prepare a 0.25M mixed nitrate solution.

혼합 질산염을 지속적으로 교반하면서 침전제로서 암모니아수(NH4OH)를 pH가 10이 되도록 혼합 질산염에 100cc/min의 속도로 정량 펌프를 이용하여 적가하고, 침전된 비정질 금속 수화물을 5차례 수세한 후 전해질 분말의 입자 성장 및 결정화를 위해 970℃에서 3시간 동안 하소 열처리를 한 후 습식 볼밀 및 건조를 통해 최종 CE-3 전해질 분말을 합성하였다.Ammonia water (NH 4 OH) as a precipitant was added dropwise to the mixed nitrate at a rate of 100 cc / min using a metering pump while the mixed nitrate was continuously stirred, and the precipitated amorphous metal hydrate was washed 5 times, The final CE-3 electrolyte powder was synthesized by wet ball milling and drying after calcination heat treatment at 970 ℃ for 3 hours for grain growth and crystallization of powders.

공침법으로 합성된 CE-3 분말 및 비교 평가용 Anan Kasei사 LSA grade 분말을 일축가압성형법으로 평판형 및 원판형의 압분체로 성형하였다.The CE-3 powders synthesized by coprecipitation method and Lans grade powder of Anan Kasei for comparative evaluation were compacted into flat and disk-shaped green compacts by uniaxial pressing.

- 평판형 성형체 크기 : 가로 40mm, 세로 40mm, 두께 4mm- Flat-plate shaped body Size: 40mm width, 40mm length, 4mm thickness

- 원판형 성형체 크기 : 직경 27mm, 두께 3mm- Disc-shaped molded body Size: Diameter 27mm, Thickness 3mm

성형된 전해질 시편들은 1100~1400℃에서 5시간 동안 대기 중에서 소결하였다.The formed electrolyte specimens were sintered in air at 1100 ~ 1400 ℃ for 5 hours.

도 9는 공침법으로 합성한 CE-3 전해질과 비교 평가용 상용 Anan kasei사 GDC 전해질을 동일 온도에서 소결한 시편들의 소결 온도에 따른 수축율을 비교한 결과이다. CE-3 전해질은 1200℃에서 이미 최대 수축율을 나타내었으나 상용 GDC는 소결 온도가 높아질수록 지속적으로 수축율이 증가하는 경향을 보여주고 있다.FIG. 9 shows the results of comparing shrinkage ratios of CE-3 electrolytes prepared by coprecipitation and commercial sintered Anan kasei GDC electrolytes at the same temperature. The CE-3 electrolyte showed the maximum shrinkage at 1200 ° C, but the shrinkage rate of commercial GDC tends to increase with increasing sintering temperature.

도 10은 공침법으로 합성한 CE-3 전해질과 비교 평가용 상용 Anan kasei사 GDC 전해질을 동일 온도에서 소결한 시편들의 소결 온도에 따른 소결 밀도를 비교한 결과로, 수축율 평가와 동일한 경향을 보여주고 있으며, 즉 CE-3 전해질은 1200℃에서 이미 수축 소결이 완료되고 소결 온도가 높아지면서 결정립 성장 및 과소결이 진행되는 것으로 판단할 수 있으며 상용 GDC는 1400℃까지 지속적인 수축 및 소결이 진행되는 것으로 분석할 수 있다.10 shows the results of comparing the sintered densities of the CE-3 electrolytes prepared by the coprecipitation method with those of the commercial Anan kasei GDC electrolyte sintered at the same temperature, In other words, the CE-3 electrolyte can be judged to have undergone shrinkage sintering at 1200 ° C and to undergo grain growth and over-sintering as the sintering temperature becomes higher. Commercial GDC shows continuous shrinkage and sintering until 1400 ° C can do.

이러한 결과는 도 11의 주사전자현미경을 이용한 미세구조 분석 결과를 통해서도 확인할 수 있으며, 상용 GDC는 소결온도가 증가할수록 치밀화와 결정립 성장이 동시에 진행하는 반면에 CE-3 전해질은 이미 1100℃에서 치밀화가 거의 이루어지고 소결 온도가 높아짐에 따라 결정립 성장만이 지속적으로 진행하고 있다.The results of the microstructure analysis using the scanning electron microscope of FIG. 11 show that the densification and grain growth of the commercial GDC are progressed at the same time as the sintering temperature is increased, while the CE-3 electrolyte is already densified at 1100 ° C. As the sintering temperature increases, the grain growth only continues.

도 12는 1200℃에서 소결한 CE-3 및 상용 GDC 전해질 시편을 X-선 회절분석기를 이용하여 결정구조를 분석한 결과이며 두 시편 모두 동일한 패턴을 보여주고 있지만 상대적으로 저온 소결 영역에서 CE-3 전해질이 높은 결정성을 보여주고 있다.FIG. 12 shows the crystal structure of CE-3 and commercial GDC electrolyte specimens sintered at 1200 ° C using an X-ray diffractometer, and both specimens showed the same pattern. However, in the relatively low temperature sintered region, CE- The electrolyte shows high crystallinity.

도 13은 공침법으로 합성하고 1200℃, 1300℃ 및 1400℃에서 소결한 CE-3 전해질 시편들을 실제로 SOFC 구동온도로서 가장 널리 적용되는 700℃~800℃에 서 이온 전도도를 측정한 결과이다. 소결 밀도 및 수축율이 가장 높은 1200℃에서 소결한 CE-3 전해질 시편의 이온 전도도가 동일한 온도에서 가장 높은 이온 전도도를 나타내고 있으며 소결 온도가 높아질수록 이온 전도도가 낮아짐을 확인할 수 있다.FIG. 13 shows the result of measurement of ion conductivity at 700 ° C to 800 ° C, which is most widely used as a SOFC driving temperature, in CE-3 electrolyte specimens synthesized by coprecipitation and sintered at 1200 ° C, 1300 ° C and 1400 ° C. The ionic conductivity of CE-3 electrolyte specimens sintered at 1200 ℃, which has the highest sintering density and shrinkage ratio, shows the highest ionic conductivity at the same temperature, and the higher the sintering temperature, the lower the ionic conductivity.

이러한 이유는 소결 온도가 높아지면서 과소결로 인하여 소결 밀도가 반대로 낮아지고 또한 Bi 원소는 고온에서 휘발하는 특성이 있어 이에 따른 기공 형성 및 산소 공공의 저하 효과로 판단할 수 있다.The reason for this is that as the sintering temperature increases, the sintering density is lowered due to the undersurface condensation, and the Bi element has a characteristic of volatilizing at high temperature, which can be judged as a pore formation and a reduction effect of oxygen vacancies.

도 14는 공침법으로 합성하고 1150℃에서 소결한 CE-3 전해질 시편과 1300℃에서 소결한 상용 GDC 전해질 시편의 작동온도에 따른 이온 전도도를 비교한 것으로 700℃ 이상에서 작동온도가 증가할수록 CE-3 전해질의 이온 전도도가 더욱 높게 측정됨을 확인할 수 있다.FIG. 14 is a graph comparing the ionic conductivities of the CE-3 electrolyte specimens sintered at 1150 ° C. and the commercial GDC electrolyte specimens sintered at 1300 ° C. according to the coprecipitation method. As the operating temperature increases over 700 ° C., 3, the ionic conductivity of the electrolyte is measured to be higher.

2-6. 단위전지 제작2-6. Unit cell production

본 실시예에서는 공침법으로 합성한 CE-3 전해질 분말을 단위전지의 반응 방지막으로 도입한 단위전지의 출력 특성을 분석한 실시예를 나타내었다.In this example, the output characteristics of the unit cell in which the CE-3 electrolyte powder synthesized by the coprecipitation method was introduced as the reaction prevention film of the unit cell was analyzed.

단위전지는 전해질 지지체형(ESC : electrolyte supported cell)으로 구성하였으며 단위전지의 제작 순서는 전해질 지지체 성형 → 전해질 지지체 소결 → 연료극 코팅 및 열처리 → 공기극 코팅 및 열처리 단계로 제작될 수 있다. The unit cell is composed of an electrolyte supported cell (ESC). The manufacturing sequence of the unit cell can be fabricated by forming the electrolyte support, sintering the electrolyte support, coating the anode and heat treatment, and coating the cathode and heat treatment.

LSM(Sr doped LaMnO3) 공기극을 적용한 단위전지(ESC-1)는 상기 공정에 의해 제작하였으며 LSCF(Sr & Co doped LaFeO3) 공기극을 적용한 단위전지(ESC-2)는 공기극 형성 단계 이전에 CE-3 전해질을 코팅 및 열처리를 부가로 적용하였다.A unit cell (ESC-1) using LSM (Sr doped LaMnO 3 ) air electrode was fabricated by the above process and a unit cell (ESC-2) using LSCF (Sr & Co doped LaFeO 3 ) -3 electrolyte was coated and heat treated.

전해질 지지체 성형 단계: Electrolytic support forming step:

10Sc1CeSZ(10mol% Sc2O3 + 1mol% CeO2 + 89mol% ZrO2) 전해질 분말을 일축가압성형하여 직경 25mm, 두께 2mm의 원판형 성형체를 제조하였다. 10Sc1CeSZ (10 mol% Sc 2 O 3 + 1 mol% CeO 2 + 89 mol% ZrO 2 ) electrolyte powder was uniaxially pressed to produce a disc-shaped molded product having a diameter of 25 mm and a thickness of 2 mm.

전해질 지지체 소결 :Electrolytic support sintering:

원판형 전해질 성형체는 1450℃에서 5시간 동안 대기 중에서 소결하였고 직경 20mm, 두께 300um의 전해질 지지체로 가공하였다.The disk-shaped electrolytic shaped body was sintered at 1450 ° C for 5 hours in the atmosphere and processed into an electrolyte support having a diameter of 20 mm and a thickness of 300 μm.

연료극 코팅 및 열처리 :Anode coating and heat treatment:

연료극 복합체 분말(NiO : 10Sc1CeSZ = 57 : 43 wt%)을 인쇄용 페이스트(paste)로 제조 후 스크린 프린팅 공정을 통해 직경 10mm의 연료극을 코팅하고 1250℃에서 3시간 동안 대기 중에서 열처리하였다.A fuel electrode composite powder (NiO: 10Sc1CeSZ = 57: 43 wt%) was prepared as a printing paste, coated with a 10 mm diameter anode through a screen printing process, and heat-treated at 1250 ° C for 3 hours in the air.

반응 방지막 코팅 및 열처리 :Reaction barrier coating and heat treatment:

LSCF 공기극용 단위전지(ESC-2)의 경우에는 공침법으로 합성한 CE-3 전해질 분말을 연료극과 동일한 방법으로 코팅 후 1150℃에서 3시간 동안 대기 중에서 열처리 하였다. In the case of the LSCF air electrode unit cell (ESC-2), the CE-3 electrolyte powder synthesized by coprecipitation was coated in the same manner as the fuel electrode and then heat-treated at 1150 ° C. for 3 hours in the air.

공기극 코팅 및 열처리 : Air electrode coating and heat treatment:

ESC-1 및 ESC-2용 공기극 소재로서 각각 LSM(La0.7Sr0.3MnO3) 공기극 및 LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3) 공기극을 적용하였으며 ESC-1의 경우에는 공기극 복합체(LSM : 10Sc1CeSZ = 60 : 40 wt%)와 LSM 공기극을 연속 공정으로 코팅하고 1050℃에서 3시간 동안 열처리하였다. LSM (La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 ) air electrode and LSCF (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ) air electrode were used as the cathode material for ESC-1 and ESC-2, : 10Sc1CeSZ = 60: 40 wt%) and LSM air electrode were coated by a continuous process and heat-treated at 1050 ° C for 3 hours.

ESC-2의 경우에는 공기극 복합체(LSCF : CE-3 = 60 : 40 wt%)와 LSCF 공기극을 연속 공정으로 코팅하고 1050℃에서 3시간 동안 열처리하였다. In the case of ESC-2, the air electrode composite (LSCF: CE-3 = 60: 40 wt%) and the LSCF air electrode were coated by a continuous process and heat-treated at 1050 ° C for 3 hours.

본 실시예에서는 공기극 열처리 온도를 1050℃로 하였으나 공기극 분말의 입도 제어 등을 통해 공기극 열처리 온도는 1000℃~1200℃로 다양화할 수 있다. In this embodiment, although the air electrode heat treatment temperature is set to 1050 캜, the air electrode heat treatment temperature may be varied from 1000 캜 to 1200 캜 through particle size control of the air electrode powder.

2-7. 단위전지 출력특성 확인2-7. Confirmation of unit cell output characteristics

도 15는 본 실시 예를 통해 제작된 ESC-1 및 ESC-2의 파단면에 대한 미세구조 분석 결과이며 치밀한 전해질과 다공성 공기극 미세구조가 잘 나타나고 있으며 특히 ESC-2에 적용된 CE-3 반응 방지막의 경우 1150℃의 저온 열처리를 통해치밀하면서 전해질과의 계면 접착력이 우수한 것을 확인할 수 있다. FIG. 15 is a microstructure analysis result of ESC-1 and ESC-2 produced by this embodiment, showing a dense electrolyte and a porous air electrode microstructure. Particularly, ESC-2 and CE- It is possible to confirm that the interfacial adhesion strength to the electrolyte is excellent while being dense through the low temperature heat treatment at 1150 ° C.

ESC-1 및 ESC-2를 이용하여 일반적인 ESC 구동 온도인 850℃에서 출력 특성을 평가하였으며 공기극 및 연료극에는 공기 및 수소가 각각 분당 150cc 및 50cc로 공급되었다. 도 16은 ESC-1 및 ESC-2의 출력 특성을 비교하여 도시한 결과이며 ESC-1 및 ESC-2의 최대 출력밀도는 각각 0.61W/cm2 및 0.81W/cm2였으며 1A/cm2에의 전류밀도 조건에서는 각각 0.58W/cm2 및 0.68W/cm2의 출력밀도를 나타내었다. The ESC-1 and ESC-2 were used to evaluate the output characteristics at 850 ° C, which is the normal ESC driving temperature. Air and hydrogen were supplied to the air electrode and fuel electrode at 150cc and 50cc per minute, respectively. Figure 16 is the maximum output density of the ESC-1 and is illustrated by comparing the results for the output characteristics of the ESC-2 ESC-1 and the ESC-2 are each 0.61W / cm 2 and 0.81W / cm 2 was 1A / cm 2 by And the output densities were 0.58 W / cm 2 and 0.68 W / cm 2 at the current density condition, respectively.

결과적으로 저온 열처리를 통해 구성된 CE-3 반응 방지막과 LSCF 혼합 전도성 공기극이 적용된 ESC-2는 LSM 공기극을 적용한 ESC-1보다 동일 온도에서 30% 이상의 높은 최대 출력밀도를 나타내었다. As a result, ESC-2, which is composed of CE-3 reaction barrier and LSCF mixed conductive cathode formed by low-temperature heat treatment, showed 30% higher maximum power density than ESC-1 using LSM air electrode at the same temperature.

본 발명은 고출력 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC라고 한다)를 위한 구성 요소 중 혼합전도성 공기극과 지르코니아계 전해질의 계면 반응 방지를 위한 세리아계 반응 방지막용 세리아계 전해질에 관한 것으로, 기존의 세리아계 반응 방지막 소재인 Gd doped CeO2 (GDC) 소재보다 낮은 온도에서 소결이 가능하고 전체 양이온 반경을 조절하여 기존 GDC 전해질 소재와 동등한 이온 전도성을 확보한 세리아계 전해질 조성을 제공한다.The present invention relates to a ceria-based electrolyte for a ceria-based reaction preventive membrane for preventing interfacial reaction between a mixed conducting cathode and a zirconia-based electrolyte among components for a high-power solid oxide fuel cell (SOFC) (GDC), which is a ceria-based reaction preventive material, can be sintered at a lower temperature than that of the GD-doped CeO 2 (GDC) material and can control the total cation radius to provide a ceria electrolyte composition ensuring ion conductivity equal to that of a conventional GDC electrolyte material.

본 발명에 따른 세리아 전해질의 특징은 Gd와 아울러 Bi와 Yb를 동시에 치환 고용하여 Bi의 도입에 따른 저온 소결 특성을 확보하고 Yb의 도입에 의해 산소 이온 전도성 확보를 위한 전체 양이온 반경을 제어한다.The ceria electrolyte according to the present invention is characterized in that Bi and Yb are substituted by Gd at the same time to secure the low-temperature sintering property according to the introduction of Bi and control the total cation radius for ensuring oxygen ion conductivity by introduction of Yb.

고온 소결에 따른 지르코니아계 전해질과 세리아계 전해질의 확산 고용을 방지하고, 저온 소결을 통해서 안정적으로 반응 방지막으로 구성할 수 있으며, 새로운 세리아계 반응 방지막의 도입을 통해 약 30% 이상의 출력 증가를 이룰 수 있는 고체산화물연료전지를 제조할 수 있다.It is possible to prevent diffuse employment of zirconia-based electrolyte and ceria-based electrolyte due to high-temperature sintering, and to stably form a reaction prevention film through low-temperature sintering. By introducing a new ceria-based reaction prevention film, A solid oxide fuel cell can be manufactured.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. And will be apparent to those skilled in the art.

Claims (11)

가돌리움(Gd), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되는 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 1의 조성을 가지며,
상기 가돌리움(Gd), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온 반경의 크기가 0.98-0.99Å이고,
1200℃의 소결온도에서 95% 이상의 소결밀도를 가지는 세리아 전해질
[화학식 1]
GdxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ
- 0.05≤X<0.15, 0.005≤Y<0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.06≤X+Y+Z≤0.25, δ=(X+Y+Z)/2
Gadol Solarium (Gd), data biyum (Yb) and bisseu mousse (Bi) having the same time as replacement of ceria (CeO 2) the electrolytes employed, the composition of the formula,
Wherein the total cation radius of the ceria (CeO 2 ) electrolyte in which the gadolinium (Gd), erbium (Yb) and bismuth (Bi) are solubilized at the same time is 0.98-0.99 Å,
A ceria electrolyte having a sintered density of 95% or more at a sintering temperature of 1200 캜
[Chemical Formula 1]
Gd x Yb y Bi z Ce 1- xy z O 2 -?
Y = 0.05, 0.005? Y? 0.05, 0.06? X + Y + Z? 0.25,? = (X + Y + Z) / 2
삭제delete 연료극;
상기 연료극과 동시에 소결하여 형성하는 지르코니아 전해질;
상기 지르코니아 전해질 표면에 제1항의 세리아 전해질을 코팅한 후 1100℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 열처리하여 형성된 세리아 반응 방지막; 및
상기 세리아 반응 방지막 표면에 코팅 및 열처리하여 제조한 공기극을 포함하는 고체산화물연료전지
Fuel electrode;
A zirconia electrolyte formed by sintering simultaneously with the anode;
A ceria reaction prevention film formed by coating the ceria electrolyte of claim 1 on the surface of the zirconia electrolyte and then heat-treating the ceria electrolyte at a temperature ranging from 1100 ° C to 1200 ° C; And
A solid oxide fuel cell including an air electrode prepared by coating and heat-treating the surface of the ceria-
제3항에 있어서,
상기 지르코니아 전해질은 형석형 구조의 지르코니아계 전해질로서, 하기 화학식 2의 조성을 가지는 고체산화물연료전지
[화학식 2]
(Re2O3)x(ZrO2)1-x
- Re = Y, Sc, Yb, Ce, Gd, Sm 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.04≤X≤0.11
The method of claim 3,
Wherein the zirconia electrolyte is a zirconia-based electrolyte having a fluorite structure, the solid oxide fuel cell having a composition represented by the following formula (2)
(2)
(Re 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x
- Re = at least one element selected from Y, Sc, Yb, Ce, Gd and Sm, 0.04? X?
제3항에 있어서,
상기 공기극은 전자 및 산소 이온 전도성을 동시에 갖는 페롭스카이트(ABO3)계 결정구조의 혼합전도체로서, 하기 화학식 3의 조성을 가지는 고체산화물연료전지
[화학식 3]
ABO3
- A = La, Sm, Pr, Ba, Sr, Ca 중에서 선택되는 하나 이상의 원소
- B = Fe, Co, Ni, Cu 중에서 선택되는 하나 이상의 원소
- A 및 B의 함량비는 0.95≤A/B≤1
The method of claim 3,
The air electrode is a mixed conductor of a perovskite (ABO 3 ) crystal structure having both electron and oxygen ion conductivity, and is a solid oxide fuel cell having a composition represented by the following formula
(3)
ABO 3
- At least one element selected from among La, Sm, Pr, Ba, Sr and Ca
- B = at least one element selected from Fe, Co, Ni and Cu
- the content ratio of A and B is 0.95? A / B? 1
삭제delete 제3항에 있어서,
상기 공기극은 50 내지 70wt%의 페롭스카이트(ABO3)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 1의 조성을 가지는 고체산화물연료전지
[화학식 1]
GdxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ
- 0.05≤X≤0.15, 0.005≤Y≤0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.06≤X+Y+Z≤0.25, δ=(X+Y+Z)/2
The method of claim 3,
Wherein the cathode comprises a mixture conductor of 50 to 70 wt% of a perovskite (ABO 3 ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria electrolyte is a solid oxide fuel cell
[Chemical Formula 1]
Gd x Yb y Bi z Ce 1- xy z O 2 -?
- 0.05? X? 0.15, 0.005? Y? 0.05, 0.005? Z? 0.05, 0.06? X + Y + Z? 0.25,? = (X + Y + Z) / 2
제3항에 있어서,
상기 공기극은 50 내지 70wt%의 페롭스카이트(ABO3)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 하기 화학식 5의 조성을 가지는 고체산화물연료전지
[화학식 5]
RexCe1-xO2-δ
- Re = Gd, Sm, Y, Nd, Pr 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.05≤X≤0.2, δ= X/2
The method of claim 3,
Wherein the cathode comprises a mixed conductor of 50 to 70 wt% of a perovskite (ABO 3 ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the cathode comprises a solid oxide fuel cell
[Chemical Formula 5]
Re x Ce 1-x O 2-隆
- Re = at least one element selected from Gd, Sm, Y, Nd and Pr, 0.05? X? 0.2,? = X / 2
제3항에 있어서,
상기 연료극은 30 내지 50wt%의 형석형 구조의 지르코니아계 전해질 및 50 내지 70wt%의 NiO로 이루어지는 고체산화물연료전지
The method of claim 3,
Wherein the fuel electrode comprises a solid oxide fuel cell comprising a zirconia-based electrolyte having a fluorite structure of 30 to 50 wt% and NiO of 50 to 70 wt%
제3항에 있어서,
상기 고체산화물연료전지는 연료극 지지체형 단위전지(ASC : anode supported cell), 전해질 지지체형 단위전지(ESC : electrolyte supported cell), 또는 금속 지지체형 단위전지(MSC : metal supported cell) 구조인 고체산화물연료전지
The method of claim 3,
The solid oxide fuel cell includes an anode supported cell (ASC), an electrolyte supported cell (ESC), or a solid oxide fuel (MSC) structure having a metal supported cell (MSC) battery
제10항에 있어서,
상기 단위전지는 평판형(planer-type), 원통형(tubular-type) 또는 평관형(flat-tube type) 형태인 고체산화물연료전지
11. The method of claim 10,
The unit cell may be a solid oxide fuel cell, such as a planer-type, a tubular-type, or a flat-tube type,
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