KR19990074695A - Method for producing composite electrolyte for low temperature solid oxide fuel cell using sol-gel method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지르코늄 알콕사이드에 착화제(complexing agent)인 아세트산을 첨가한 다음, 물, 질산 및 이소프로판올을 함유하는 촉매 용액을 투여하여 지르코늄 알콕사이드를 부분 가수분해시키고, 이소프로판올에 용해시킨 질산이트륨을 첨가하는 것을 포함하는, 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, 이하 YSZ) 중합졸의 제조 방법에 관한 것이다.According to the present invention, the addition of acetic acid, a complexing agent, to a zirconium alkoxide, followed by administration of a catalyst solution containing water, nitric acid and isopropanol to partially hydrolyze the zirconium alkoxide, and to add the yttrium nitrate dissolved in isopropanol. It relates to a method for producing a Yttria Stabilized Zirconia (hereinafter referred to as YSZ) polymerization sol.
또한, 본 발명은 평판형 또는 원통형의, 이트리아를 도핑한 세리아(Yttria Doped Ceria, 이하 YDC), 사마리아를 도핑한 세리아(Samaria Doped Ceria, 이하 SDC), 및 가돌리니아를 도핑한 세리아(Gadolinia Doped Ceria, 이하 GDC) 기판에 상기에서 제조한 YSZ 중합졸을 스핀 코팅 또는 침지 코팅법으로 코팅한 후 열처리하는 것을 포함하는, 평판형 또는 원통형의 YSZ/YDC, YSZ/SDC 및 YSZ/GDC 복합 전해질의 제조 방법에 관한 것이다.In addition, the present invention is flat or cylindrical, yttria doped ceria (YDC), samaria doped ceria (Samaria Doped Ceria, SDC), and gadolin-doped ceria (Gadolinia). Doped Ceria, hereinafter referred to as GDC), a plate-like or cylindrical YSZ / YDC, YSZ / SDC and YSZ / GDC composite electrolyte, which comprises heat-treating the YSZ polymerized sol prepared above by spin coating or dip coating. It relates to a method for producing.
Description
본 발명은 800 ℃에서 작동가능한 저온형 고체 산화물 연료 전지(SOFC)에 사용되는 복합 전해질의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a composite electrolyte for use in a low temperature solid oxide fuel cell (SOFC) operable at 800 ° C.
보다 구체적으로, 본 발명은 지르코늄 알콕사이드에 착화제(complexing agent)인 아세트산을 첨가한 다음, 물, 질산 및 이소프로판올을 함유하는 촉매 용액을 투여하여 지르코늄 알콕사이드를 부분 가수분해시키고, 이소프로판올에 용해시킨 질산이트륨을 첨가하는 것을 포함하는, 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, 이하 YSZ) 중합졸의 제조 방법에 관한 것이다. 또한 이렇게 제조한 YSZ 중합졸을 평판형 또는 원통형의, 이트리아를 도핑한 세리아(Yttria Doped Ceria, 이하 YDC), 사마리아를 도핑한 세리아(Samaria Doped Ceria, 이하 SDC), 및 가돌리니아를 도핑한 세리아(Gadolinia Doped Ceria, 이하 GDC) 기판에 스핀 코팅 또는 침지 코팅법을 이용하여 코팅한 후 열처리하는 것을 포함하는, 평판형 또는 원통형의 YSZ/YDC, YSZ/SDC 및 YSZ/GDC 복합 전해질의 제조 방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention adds acetic acid as a complexing agent to zirconium alkoxide, and then administers a catalyst solution containing water, nitric acid and isopropanol to partially hydrolyze the zirconium alkoxide and dissolve it in isopropanol. It relates to a method for producing a Yttria Stabilized Zirconia (hereinafter referred to as YSZ) polymerization sol comprising adding a. In addition, the YSZ polymerized sol thus prepared was plated or cylindrically doped with Yttria Doped Ceria (YDC), Samaria Doped Ceria (SDC), and doped with Gadolinia. Method for producing a flat or cylindrical YSZ / YDC, YSZ / SDC and YSZ / GDC composite electrolyte comprising coating a ceria (Gadolinia Doped Ceria, GDC) substrate by spin coating or dip coating It is about.
일반적으로 SOFC는 산소 이온 전도도가 상대적으로 낮은 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, 이하 YSZ)를 전해질로 사용하기 때문에 1000 ℃ 이상의 온도에서 작동되는데, 이와 같은 고온에서는 구성요소 사이의 화학 반응이 빠르게 진행되기 때문에 전지의 수명이 짧아지는 문제가 발생한다.In general, SOFCs operate at temperatures above 1000 ° C because Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), which has a relatively low oxygen ion conductivity, is used as an electrolyte, and at such high temperatures, chemical reactions between components proceed rapidly. This causes a problem of shortening the life of the battery.
SOFC의 작동 온도를 800 ℃ 정도로 낮출 수 있다면 구성요소간의 반응성이 감소하므로 전지 수명이 연장됨은 물론, 기체 밀봉이 용이해지고 연결재(interconnect) 물질의 선택 폭이 넓어진다는 장점이 있다.If the operating temperature of the SOFC can be lowered to about 800 ° C., the reactivity between components is reduced, thereby prolonging battery life, as well as facilitating gas sealing and increasing the choice of interconnect materials.
SOFC의 작동 온도를 낮추기 위해서는 YSZ 전해질의 두께를 얇게 하거나 산소 이온 전도도가 높은 물질을 전해질로 사용하여야 하는데 저온형 SOFC에 적합한 새로운 전해질 물질로 가장 유력한 것이 세리아이다.In order to reduce the operating temperature of SOFC, the thickness of YSZ electrolyte or the high oxygen ion conductivity should be used as electrolyte. Ceria is the most powerful new electrolyte material suitable for low temperature SOFC.
그러나 세리아는 고온의 환원 분위기에서 환원된다는 약점이 있다. 세리아와 같은 환원성 물질을 SOFC 전해질로 사용하기 위한 방안으로는 연료극 쪽에 순수한 산소 이온 전도체로 알려져 있는 YSZ를 코팅하는 방법이 있다.However, ceria has the disadvantage of being reduced in a high temperature reducing atmosphere. A method for using a reducing material such as ceria as an SOFC electrolyte is to coat YSZ, which is known as a pure oxygen ion conductor, on the anode side.
즉, 이온 전도도가 우수한 도핑한 세리아(Doped Ceria)를 저온형 SOFC의 전해질로 사용하기 위해서는 고온의 환원 분위기에서 세륨이 환원되는 현상을 억제하기 위하여 산소 분압이 낮은(∼10-20atm) 연료극 쪽에 YSZ를 코팅한 복합 전해질을 형성하여야 한다(문헌 [A.V. Virkar, "Theoretical Analysis of Solid Oxide Fuel Cells with Two-Layer, Composite Electrolyte : Electrolyte Stability", J. Electrochem. Soc., 138, 1481-1487 (1991)] 참조).In other words, in order to use doped Ceria having excellent ion conductivity as an electrolyte for low-temperature SOFC, in order to suppress the reduction of cerium in a high temperature reducing atmosphere, the oxygen partial pressure (~ 10 -20 atm) toward the anode YSZ coated composite electrolyte should be formed (AV Virkar, "Theoretical Analysis of Solid Oxide Fuel Cells with Two-Layer, Composite Electrolyte: Electrolyte Stability", J. Electrochem. Soc., 138, 1481-1487 (1991) )] Reference).
YSZ와 같은 세라믹 박막을 합성하는 방법으로는 스퍼터링법(문헌 [H. Yahiro, Y. Baba, K. Eguchi, and H. Arai, "High Temperature Fuel Cell with Ceria-Yttria Solid Electrolyte", J. Electrochem. Soc., 135, 2077-2080 (1988)] 참조), 이온 플레이팅(ion-plating)법(문헌 [K. Eguchi, T. Setoguchi, T. Inoue, and H. Arai, "Electrical Properties of Ceria-Based Oxides and Their Application to Solid Oxide Fuel Cells", Solid State Ionics, 52, 165-172 (1992)] 참조), CVD/EVD법(문헌 [K. Metha, S.J. Hong, J.F. Jue, and A.V. Virkar, "Fabrication and Characterization of YSZ-Coated Ceria Electrolytes"; pp. 92-103. in Proceedings of the 3rd International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells(Honolulu, HI, July, 1993). Edited by S.C. Singhal and H. Iwahara. Electrochemical Society. Pennington, NJ, 1997] 참조)과 같은 기상법과 졸이나 슬립, 또는 슬러리를 이용하는 액상법이 있다.Methods of synthesizing ceramic thin films such as YSZ include sputtering methods (H. Yahiro, Y. Baba, K. Eguchi, and H. Arai, "High Temperature Fuel Cell with Ceria-Yttria Solid Electrolyte", J. Electrochem. Soc., 135, 2077-2080 (1988)), ion-plating method (K. Eguchi, T. Setoguchi, T. Inoue, and H. Arai, "Electrical Properties of Ceria- Based Oxides and Their Application to Solid Oxide Fuel Cells ", Solid State Ionics, 52, 165-172 (1992)), CVD / EVD methods (K. Metha, SJ Hong, JF Jue, and AV Virkar," Fabrication and Characterization of YSZ-Coated Ceria Electrolytes "; pp. 92-103. In Proceedings of the 3rd International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells (Honolulu, HI, July, 1993). Edited by SC Singhal and H. Iwahara. Electrochemical Society Pennington, NJ, 1997), and liquid phase methods using sol, slip, or slurry.
현재까지 복합 전해질의 제조에는 RF-스터퍼링법이나 EVD법 등의 기상법이 주로 사용되어져 왔다(문헌 [H. Yahiro, Y. Baba, K. Eguchi, and H. Arai, "High Temperature Fuel Cell with Ceria-Yttria Solid Electrolyte", J. Electrochem. Soc., 135, 2077-2080 (1988)], [K. Eguchi, T. Setoguchi, T. Inoue, and H. Arai, "Electrical Properties of Ceria-Based Oxides and Their Application to Solid Oxide Fuel Cells", Solid State Ionics, 52, 165-172 (1992)], 및 [K. Metha, S.J. Hong, J.F. Jue, and A.V. Virkar, "Fabrication and Characterization of YSZ-Coated Ceria Electrolytes"; pp. 92-103. in Proceedings of the 3rd International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells(Honolulu, HI, July, 1993). Edited by S.C. Singhal and H. Iwahara. Electrochemical Society. Pennington, NJ, 1997] 참조).Up to now, gas phase methods such as RF-stering method and EVD method have been mainly used for the preparation of the composite electrolyte (H. Yahiro, Y. Baba, K. Eguchi, and H. Arai, "High Temperature Fuel Cell with Ceria -Yttria Solid Electrolyte ", J. Electrochem. Soc., 135, 2077-2080 (1988)], K. Eguchi, T. Setoguchi, T. Inoue, and H. Arai," Electrical Properties of Ceria-Based Oxides and Their Application to Solid Oxide Fuel Cells ", Solid State Ionics, 52, 165-172 (1992), and K. Metha, SJ Hong, JF Jue, and AV Virkar," Fabrication and Characterization of YSZ-Coated Ceria Electrolytes " in pp. 92-103. in Proceedings of the 3rd International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells (Honolulu, HI, July, 1993) .Edited by SC Singhal and H. Iwahara.Electrochemical Society.Pennington, NJ, 1997).
그러나 기상법은 고가의 장비 및 출발물질이 요구되고 기판의 형태 및 크기에 제약을 받을 뿐 아니라 작동 온도보다 낮은 온도에서 YSZ 박막이 형성되기 때문에 작동 온도에 도달하면 열팽창 계수가 큰 도핑한 세리아 기판의 열팽창에 의하여 YSZ 박막이 인장 응력을 받아서 균열이 발생하므로 SOFC 전해질 제조에는 적합하지 않다.However, the gas phase method requires expensive equipment and starting materials, is not only limited by the shape and size of the substrate, but also forms a thin film of YSZ at a temperature lower than the operating temperature. Due to the YSZ thin film is subjected to tensile stress and cracks are not suitable for the production of SOFC electrolyte.
또한, SOFC 전해질 제조를 위해서는 평판형 뿐 아니라 원통형 기판에도 균일한 박막층을 코팅할 수 있고 기판 크기에 무관하면서도 작동 온도보다 높은 온도에서 박막을 열처리함으로써 냉각 과정에서 박막에 압축 응력이 형성되도록 할 수 있는 코팅 공정이 요구되어지는데 액상법, 특히 졸겔법을 사용하면 이들 요구조건을 쉽게 해결할 수 있다(문헌 [S. Sakka, "Sol-Gel Fibers and Coating Films"; pp. 346-374 in Sol-Gel Science and Technology. Edited by M.A. Aegerter, M. Jafelicci, Jr., D.F. Souza, and E.D. Zanotto, World Scientific, Singapore, 1989] 참조).In addition, for the production of SOFC electrolyte, it is possible to coat a uniform thin film layer not only on the plate type but also on the cylindrical substrate, and to compress compressive stress in the thin film during the cooling process by heat treating the thin film at a temperature higher than the operating temperature regardless of the substrate size. Coating processes are required, and liquid phase methods, especially sol-gel methods, can easily solve these requirements (S. Sakka, "Sol-Gel Fibers and Coating Films"; pp. 346-374 in Sol-Gel Science and Technology.Edited by MA Aegerter, M. Jafelicci, Jr., DF Souza, and ED Zanotto, World Scientific, Singapore, 1989).
그러나 이와 같은 장점에도 불구하고 현재까지 졸겔법을 이용하여 SOFC 구성요소를 제조하거나 YSZ 박막을 합성한 예는 전무한 실정이다.However, in spite of these advantages, there are no examples of producing SOFC components or synthesizing YSZ thin films using the sol-gel method.
따라서 본 발명에서는 고가의 장비나 출발 물질을 필요로 하지 않으면서도 미세 구조 제어가 용이하고 기판 형태 및 크기의 제한을 비교적 덜 받을 뿐 아니라 저온 공정이 가능하고 다양한 조성의 고순도 박막을 제조할 수 있는 졸겔법을 이용하여 세리아계 기판에 YSZ를 코팅한 복합 전해질을 제조하는 공정을 수립하였다.Therefore, in the present invention, it is easy to control the microstructure without requiring expensive equipment or starting materials, and is relatively limited in the form and size of the substrate, and can be a low temperature process and can produce a high purity thin film of various compositions. Using the gel method, a process for preparing a composite electrolyte coated with YSZ on a ceria-based substrate was established.
그러므로, 본 발명은 졸겔법을 이용하여 도핑한 세리아 기판에 YSZ를 코팅한 복합 전해질을 제조하는 방법에 관한 것이다.Therefore, the present invention relates to a method for producing a composite electrolyte coated with YSZ on a ceria substrate doped using the sol-gel method.
보다 구체적으로, 본 발명은 지르코늄 알콕사이드에 착화제인 아세트산을 첨가한 다음, 물, 질산 및 이소프로판올을 함유하는 촉매 용액을 투여하여 지르코늄 알콕사이드를 부분 가수분해시키고, 이소프로판올에 용해시킨 질산이트륨을 첨가하는 것을 포함하는 YSZ 중합졸의 제조 방법, 및 이렇게 제조한 YSZ 중합졸을 평판형 또는 원통형의 YDC, SDC 및 GDC 기판에 스핀 코팅 또는 침지 코팅법을 이용하여 코팅한 후 열처리하는 것을 포함하는, 평판형 또는 원통형의 YSZ/YDC, YSZ/SDC 및 YSZ/GDC 복합 전해질의 제조 방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention includes adding acetic acid, a complexing agent, to a zirconium alkoxide, followed by administering a catalyst solution containing water, nitric acid and isopropanol to partially hydrolyze the zirconium alkoxide, and to add yttrium nitrate dissolved in isopropanol. Method for producing an YSZ polymerization sol, and comprising the heat treatment after coating the YSZ polymerization sol thus prepared by using a spin coating or immersion coating method on a flat or cylindrical YDC, SDC and GDC substrate, YSZ / YDC, YSZ / SDC and YSZ / GDC composite electrolyte of the present invention.
도 1은 본 발명의 졸겔법(Sol-gel)을 이용한 저온형 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)용 복합 전해질 제조 방법의 공정도.1 is a process chart of the composite electrolyte manufacturing method for a low-temperature solid oxide fuel cell (SoFC) using a sol-gel method of the present invention.
도 2는 본 발명의 방법으로 제조한 복합 전해질의 표면 및 단면 사진.Figure 2 is a surface and cross-sectional photograph of the composite electrolyte prepared by the method of the present invention.
도 3은 본 발명의 방법으로 제조한 복합 전해질을 사용하여 제작한 단위전지(cell)의 개회로 전압 특성을 나타내는 도면.3 is a diagram showing the open-circuit voltage characteristics of a unit cell fabricated using the composite electrolyte prepared by the method of the present invention.
도 4는 본 발명의 제조 방법으로 제조한 복합 전해질을 사용하여 제작한 단위전지의 전류-전압 특성(전해질 두께 1.6 ㎜)을 나타내는 도면.4 is a view showing the current-voltage characteristics (electrolyte thickness 1.6 mm) of a unit cell produced using the composite electrolyte prepared by the production method of the present invention.
졸겔법을 이용하면 기상법을 이용한 코팅 공정에서와는 달리 특별한 장비 없이도 다양한 조성의 고순도 박막을 제조할 수 있을 뿐 아니라 박막의 미세구조 제어가 용이하고 기판 크기의 제한이 거의 없으며 원통형 기판에도 쉽게 코팅층을 형성할 수 있다.Unlike the vapor phase coating process, the sol-gel method can be used to produce high purity thin films of various compositions without special equipment, and it is easy to control the microstructure of the thin film. Can be.
SOFC 전해질의 형태에는 평판형과 원통형이 있는데 일반적으로 평판형은 가압 성형, 슬립 캐스팅 또는 테이프 캐스팅법으로, 원통형은 슬립 캐스팅법 또는 테이프 캐스팅법으로 제조할 수 있다.There are two types of SOFC electrolytes, plate and cylinder, and in general, plate can be manufactured by pressure molding, slip casting, or tape casting, and cylinder by slip casting or tape casting.
또한 코팅용 졸에는 입자졸(particulate sol)과 중합졸(polymeric sol)이 있으며 입자졸은 다공성 미세구조를 갖는 박막 제조에 적합하기 때문에 액체 및 기체 분리막 제조 분야에 주로 사용되는 반면(문헌 [S.H. Hyun, M.A. Anderson, and S.P. Yoon, "Development of Ceramic Composite Membranes for Gas Separation. I. Coating Characteristics of Nanoparticulate SiO2Sols," J. Kor. Ceram. Soc., 26, 496-504 (1992)] 참조), 중합졸은 치밀한 미세구조를 갖는 박막 제조에 적합하기 때문에 강유전체 박막의 제조 등, 반도체 제조 공정에 주로 사용되어지고 있다(문헌 [G. Yi and M. Sayer, "Sol-Gel Processing of Complex Oxide Films," Am. Ceram. Soc. Bull., 70, 1173-1179 (1991)] 참조).In addition, coating sol includes a particle sol (particulate sol) and a polymeric sol (particulate sol) is used mainly in the field of liquid and gas separation membrane manufacturing because it is suitable for the production of a thin film having a porous microstructure (see SH Hyun , MA Anderson, and SP Yoon, "Development of Ceramic Composite Membranes for Gas Separation. I. Coating Characteristics of Nanoparticulate SiO 2 Sols," J. Kor. Ceram. Soc., 26, 496-504 (1992)), Polymerization sol is mainly used in the semiconductor manufacturing process, such as the production of ferroelectric thin film because it is suitable for the production of thin film having a fine microstructure (G. Yi and M. Sayer, "Sol-Gel Processing of Complex Oxide Films, Am. Ceram. Soc. Bull., 70, 1173-1179 (1991).
따라서 본 발명에서는 가압 성형/슬립 캐스팅하여 제조한 이트리아(Y2O3)/사마리아(Sm2O3)/가돌리니아(Gd2O3)가 20 ㏖% 첨가된 평판형/원통형 세리아 기판에 균열 및 기공이 없는 YSZ 박막을 코팅한 복합 전해질을 제조하기 위하여 코팅에 적합한 YSZ 중합졸 합성 조건과 코팅 공정을 최적화하였다.Therefore, in the present invention, a flat / cylindrical ceria substrate in which 20 mol% of yttria (Y 2 O 3 ) / samaria (Sm 2 O 3 ) / gadolinia (Gd 2 O 3 ) prepared by pressure molding / slip casting is added. In order to prepare a composite electrolyte coated with an YSZ thin film without cracks and pores, YSZ polymerization sol synthesis conditions and coating processes suitable for coating were optimized.
이하, 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 졸겔법을 이용한 저온형 고체 산화물 연료 전지(SOFC)용 복합 전해질의 제조 공정을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a manufacturing process of a composite electrolyte for a low temperature type solid oxide fuel cell (SOFC) using the sol-gel method of the present invention as shown in FIG. 1 will be described in detail.
먼저, 지르코니아 중합졸은 출발물질인 지르코늄 알콕사이드를 부분 가수분해하여 제조한다. 출발물질의 부분 가수분해 반응을 제어하기 위하여 아세트산 및 질산을 각각 착화제 및 촉매로 사용하였으며 이로부터 코팅에 적합한 선형의 입자 구조를 갖는 지르코니아 중합졸을 제조할 수 있다.First, zirconia polymerization sol is prepared by partial hydrolysis of the starting material zirconium alkoxide. In order to control the partial hydrolysis reaction of the starting materials, acetic acid and nitric acid were used as complexing agents and catalysts, respectively, from which a zirconia polymerization sol having a linear particle structure suitable for coating can be prepared.
지르코늄 알콕사이드와 착화제인 아세트산의 비는 1:0∼2이다. 촉매 용액은 알콕사이드와 물의 비가 1:1∼4, 알콕사이드와 질산의 비가 1:0.8∼1.4, 알콕사이드와 이소프로판올의 비가 1:15가 되도록 제조한다.The ratio of zirconium alkoxide and acetic acid as a complexing agent is from 1: 0 to 2. The catalyst solution is prepared such that the ratio of alkoxide to water is 1: 1 to 4, the ratio of alkoxide to nitric acid is 1: 0.8 to 1.4, and the ratio of alkoxide to isopropanol is 1:15.
상기와 같이 제조된 지르코니아 중합졸에 이소프로판올에 용해시킨 질산이트륨 용액을 첨가하여 YSZ 중합졸을 제조한다.YSZ polymerization sol was prepared by adding a yttrium nitrate solution dissolved in isopropanol to the zirconia polymerization sol prepared as described above.
이 때, 질산이트륨과 이소프로판올의 비는 1:30 정도가 바람직하다. 또한, 질산이트륨 용액의 첨가량은 최종 YSZ 중합졸에서 지르코늄과 이트륨의 비가 (ZrO2)0.92(Y2O3)0.08에 해당하도록 조절하는 것이 바람직하다.At this time, the ratio of yttrium nitrate and isopropanol is preferably about 1:30. In addition, the addition amount of the yttrium nitrate solution is preferably adjusted so that the ratio of zirconium and yttrium in the final YSZ polymerization sol corresponds to (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 .
다음에, 진공 증발기를 이용하여 농도 및 점도가 다른 여러 가지 YSZ 중합졸을 합성하고 이들 졸을 이용하여 코팅 공정을 최적화한다.Next, various YSZ polymer sols having different concentrations and viscosities are synthesized using a vacuum evaporator, and these sols are used to optimize the coating process.
이어서, 평판형 또는 원통형의 YDC, SDC 및 GDC 기판에 YSZ 중합졸을 코팅하여 YSZ/YDC, YSZ/SDC 및 YSZ/GDC 복합 전해질을 제조한다.Subsequently, YSZ polymer sol is coated on flat or cylindrical YDC, SDC and GDC substrates to prepare YSZ / YDC, YSZ / SDC and YSZ / GDC composite electrolytes.
코팅 방법으로는 스핀 코팅과 침지 코팅이 있으며(문헌 [C.J. Brinker and G.W. Scherer, Sol-Gel Science, pp. 787-838, Academic Press, San Diego, CA, 1990] 참조), 코팅 및 열처리 공정을 반복함으로써 YSZ 박막의 두께 조절이 가능하다.Coating methods include spin coating and dip coating (see CJ Brinker and GW Scherer, Sol-Gel Science, pp. 787-838, Academic Press, San Diego, CA, 1990) and repeat coating and heat treatment processes. Thus, the thickness of the YSZ thin film can be adjusted.
코팅 방법으로 스핀 코팅법을 사용할 경우, 회전 속도는 1000∼5000 rpm이고, 이 스핀 코팅을 5∼10회 반복할 수 있다. 한편, 침지 코팅법을 사용할 경우 인상 속도는 0.50∼20 ㎜/sec이고, 이 침지 코팅을 5∼20회 반복할 수 있다.When the spin coating method is used as the coating method, the rotation speed is 1000 to 5000 rpm, and the spin coating can be repeated 5 to 10 times. On the other hand, when the dip coating method is used, the pulling speed is 0.50 to 20 mm / sec, and the dip coating can be repeated 5 to 20 times.
본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부되는 도면과 함께 제공된 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 고찰함으로써 더욱 명확하게 될 것이다.The objects, features and advantages of the present invention will become more apparent by a review of the description of the preferred embodiments of the present invention provided in conjunction with the accompanying drawings.
<실시예 1><Example 1>
먼저 출발물질인 지르코늄 n-부톡사이드 부탄올 착체 (이하 알콕사이드)와 이소프로판올의 비가 1:15인 용액에 착화제인 아세트산을 알콕사이드와 아세트산의 비가 1:0∼2가 되도록 첨가한 다음, 알콕사이드와 물의 비가 1:1∼4, 알콕사이드와 질산의 비가 1:0.8∼1.4, 알콕사이드와 이소프로판올의 비가 1:15가 되도록 제조한 촉매 용액을 투여하여 지르코니아 중합졸을 제조하였다.First, acetic acid, a complexing agent, is added so that the ratio of alkoxide and acetic acid is 1: 0 to 2, and then the ratio of alkoxide and water is 1 to a solution having a ratio of 1:15 of zirconium n-butoxide butanol complex (alkoxide) and isopropanol as a starting material. A zirconia polymerized sol was prepared by administering a catalyst solution prepared so that the ratio of 1 to 4, the alkoxide to nitric acid was 1: 0.8 to 1.4, and the ratio of alkoxide to isopropanol was 1:15.
이 지르코니아 중합졸에 질산이트륨을 이소프로판올에 용해시킨 첨가제 용액을 첨가함으로써 YSZ 조성의 중합졸을 합성하였다. 첨가제 용액은 질산이트륨과 이소프로판올의 비가 1:30이 되도록 하였으며 첨가제 용액의 첨가량은 최종 YSZ 중합졸에서 지르코늄과 이트륨의 비가 (ZrO2)0.92(Y2O3)0.08에 해당하도록 조절하였다.A polymerization sol having an YSZ composition was synthesized by adding an additive solution in which yttrium nitrate was dissolved in isopropanol to the zirconia polymerization sol. The additive solution was made to have a ratio of yttrium nitrate and isopropanol of 1:30, and the amount of the additive solution was adjusted so that the ratio of zirconium and yttrium in the final YSZ polymerization sol corresponded to (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 .
다음에, 진공 증발기를 이용하여 코팅용 YSZ 중합졸의 농도를 0.45∼1.50 ㏖/ℓ로 변화시켰다.Next, the concentration of the coating YSZ polymerization sol was changed to 0.45 to 1.50 mol / L using a vacuum evaporator.
이어서, 가압 성형 또는 슬립 캐스팅법으로 제조한 평판형의 YDC 기판에 스핀 코팅법을 이용하여 YSZ 박막을 합성하였다.Subsequently, an YSZ thin film was synthesized by using a spin coating method on a flat YDC substrate manufactured by pressure molding or slip casting.
스핀 코팅은 회전 속도 1000∼5000 rpm 범위에서 실시하였으며, 코팅 후 상온에서 12시간 동안 건조한 다음 유기물 및 휘발성분을 제거하기 위하여 공기중에서 600 ℃로 2시간 동안 예열처리(pre heat-treatment)하였다.Spin coating was performed at a rotational speed of 1000 to 5000 rpm, dried for 12 hours at room temperature, and then preheated for 2 hours at 600 ° C. in air to remove organic matter and volatiles.
세리아의 환원 억제에 적합한 두께를 얻기 위하여 코팅, 건조 및 예열처리 공정을 수차 반복하였으며 최종적으로 공기중에서 1400 ℃로 2시간 동안 열처리함으로써 코팅층에 균열 및 기공이 없으며 기판과 박막의 결합이 우수한 평판형 YSZ/YDC 복합 전해질을 제조하였다.The coating, drying, and preheating processes were repeated several times to obtain a thickness suitable for suppressing the reduction of ceria. Finally, heat treatment was carried out at 1400 ° C. for 2 hours in air, so that the coating layer was free of cracks and pores. / YDC composite electrolyte was prepared.
또한, 동일한 실험을 평판형의 SDC 및 GDC 기판에 실시한 결과 고성능 평판형 YSZ/SDC 복합 전해질 및 YSZ/GDC 복합 전해질 제조가 가능함을 확인하였다.In addition, the same experiment was carried out on the plate-like SDC and GDC substrate, it was confirmed that the high-performance plate-type YSZ / SDC composite electrolyte and YSZ / GDC composite electrolyte can be prepared.
<실시예 2><Example 2>
실시예 1에서 스핀 코팅에 사용한 졸과 동일한 졸을 이용하여 슬립 캐스팅법으로 제조한 원통형 YDC 기판에 YSZ 박막을 침지 코팅하여 코팅층에 균열 및 기공이 없으며 기판과 박막의 결합이 우수한 원통형 YSZ/YDC 복합 전해질을 제조하였다.Cylindrical YSZ / YDC composite with excellent cracking and porosity and excellent bonding of substrate and thin film by immersion coating YSZ thin film on cylindrical YDC substrate manufactured by slip casting method using the same sol as spin sol in Example 1 An electrolyte was prepared.
침지 코팅시 기판의 인상 속도는 0.50∼20 ㎜/sec로 하였으며 코팅 후 건조, 예열처리 및 반복 코팅 조건과 최종 열처리 조건은 실시예 1과 동일하다.In the dip coating, the pulling rate of the substrate was 0.50 to 20 mm / sec, and drying, preheating, and repeated coating conditions and final heat treatment conditions after coating were the same as in Example 1.
또한 동일한 침지 코팅 공정을 원통형 SDC 및 GDC 기판을 이용하여 실시함으로써 고성능 원통형 YSZ/SDC 복합 전해질 및 YSZ/GDC 복합 전해질 제조가 가능함을 확인하였다.In addition, by performing the same immersion coating process using a cylindrical SDC and GDC substrate it was confirmed that the high-performance cylindrical YSZ / SDC composite electrolyte and YSZ / GDC composite electrolyte can be prepared.
이상에서 언급한 바와 같이 본 발명은 현재까지 사용되어온 기상법을 대신하여 졸을 이용한 액상법으로 복합 전해질을 제조하는 공정을 확립하였다.As mentioned above, the present invention has established a process for producing a composite electrolyte by a liquid phase method using a sol instead of the gas phase method that has been used up to now.
도 2는 본 발명의 방법으로 제조한 복합 전해질의 표면 및 단면 사진으로서 가압 성형하여 제조한 이트리아를 도핑한 세리아(Yttira Doped Ceria, 이하 YDC) 기판에 6회 스핀 코팅하여 YSZ 박막을 합성한 것이다.Figure 2 is a surface and cross-sectional photograph of a composite electrolyte prepared by the method of the present invention synthesized YSZ thin film by spin coating six times on yttria-doped ceria (YDC) substrate prepared by pressure molding .
도면으로부터 표면 사진에서 균열이나 기공을 전혀 찾아볼 수 없을 뿐 아니라 단면 사진에서도 기판과 박막의 결합이 매우 우수함을 알 수 있다. 6회 스핀 코팅한 YSZ 박막의 두께는 약 2 ㎛ 정도인 것으로 밝혀졌는데 이 두께는 이론적인 계산으로부터 YDC 기판의 환원을 억제하는데에 적합한 것이다(문헌 [A.V. Virkar, "Theoretical Analysis of Solid Oxide Fuel Cells with Two-Layer, Composite Electrolyte : Electrolyte Stability", J. Electrochem. Soc., 138, 1481-1487 (1991)] 참조).From the drawings, not only no cracks or pores can be found in the surface photograph, but also the bonding of the substrate and the thin film is excellent in the cross-sectional photograph. The thickness of the six spin coated YSZ films was found to be about 2 μm, which is suitable for suppressing the reduction of YDC substrates from theoretical calculations (AV Virkar, “Theoretical Analysis of Solid Oxide Fuel Cells with Two-Layer, Composite Electrolyte: Electrolyte Stability ", J. Electrochem. Soc., 138, 1481-1487 (1991).
복합 전해질을 이용하여 제조한 SOFC 단위전지의 개회로 전압은 도 3에 도시한 바와 같이 이론적인 개회로 전압보다는 낮지만 YSZ를 코팅하지 않은 YDC 전해질의 개회로 전압 보다는 약간 높은 것으로 측정되었다. 이러한 개회로 전압의 상승은 YSZ 코팅층이 세리아의 환원을 억제할 뿐 아니라 전자전도를 막아주는 역할을 하기 때문에 나타나는 현상으로 이로부터 본 발명의 졸겔법으로 합성한 YSZ 박막은 YDC의 환원을 억제하는데에 매우 효과적임을 의미한다.As shown in FIG. 3, the open circuit voltage of the SOFC unit cell manufactured using the composite electrolyte was measured to be slightly higher than the open circuit voltage of the YDC electrolyte without coating the YSZ. This increase in open circuit voltage occurs because the YSZ coating layer not only suppresses the reduction of ceria, but also prevents the conduction of electrons. The YSZ thin film synthesized by the sol-gel method of the present invention suppresses the reduction of YDC. It means very effective.
또한 여러 가지 단위전지의 전류-전압 특성을 비교해 본 결과 도 4에 나타낸 바와 같이 고전류 밀도 영역에서 복합 전해질을 이용한 단위전지의 전지 전압이 YSZ 전해질을 이용한 단위전지의 전지 전압보다 높음을 알 수 있었다.As a result of comparing the current-voltage characteristics of the various unit cells, as shown in FIG. 4, the cell voltage of the unit cell using the composite electrolyte in the high current density region was higher than that of the unit cell using the YSZ electrolyte.
도 3 및 4에서 언급한 복합 전해질 단위전지의 성능은 사용한 기판의 두께 (1.6 ㎜)를 고려하였을 때 기상법으로 제조한 복합 전해질 단위전지의 성능과 일치하거나 오히려 우수한 것으로 본 발명에서 제시한 YSZ 중합졸을 이용한 졸겔 코팅법이 저온형 고체 산화물 연료 전지용 복합 전해질의 제조에 매우 적합한 방법임을 나타내는 것이다.The performance of the composite electrolyte unit cell mentioned in FIGS. 3 and 4 is consistent with or rather superior to that of the composite electrolyte unit cell prepared by the gas phase method considering the thickness of the used substrate (1.6 mm). The sol-gel coating method using is a very suitable method for the production of a composite electrolyte for low temperature solid oxide fuel cell.
본 발명에 따라 고가의 장비나 출발 물질을 필요로 하지 않으면서도 미세 구조 제어가 용이하고 기판 형태 및 크기의 제한을 비교적 덜 받을 뿐 아니라 저온 공정이 가능하고 다양한 조성의 고순도 박막을 제조할 수 있는 졸겔법을 이용하여 세리아계 기판에 YSZ를 코팅한 복합 전해질을 제조할 수 있다.According to the present invention, it is easy to control the microstructure without requiring expensive equipment or starting materials, and is relatively limited in the form and size of the substrate, and can be a low temperature process and can produce a high purity thin film of various compositions. Using the gel method, a composite electrolyte coated with YSZ on a ceria-based substrate may be prepared.
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