KR20000013388A - Method for improving capacity of solid oxide fuel cell cathode using yttria stabilized zirconia sol - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for improving the capacity of a Solid Oxide Fuel Cell(SOFC) cathode is provided to improve the capacity of the cathode by coating the SOFC cathode with an Yttria Stabilized Zirconia(YSZ) sol, by fabricating a slurry by injecting a conventional SOFC cathode powder into the YSZ sol and coating the SOFC electrolyte with the slurry, by coating the surface of the conventional SOFC cathode powder with the YSZ using the YSZ sol and by using the cathode powder coated with the YSZ as the SOFC cathode material. CONSTITUTION: The capacity of a Solid Oxide Fuel Cell(SOFC) cathode is improved using an Yttria Stabilized Zirconia(YSZ) sol. The capacity of the SOFC cathode is improved by coating the SOFC cathode fabricated by a conventional material and method with an Yttria Stabilized Zirconia(YSZ) sol. The capacity of a Solid Oxide Fuel Cell(SOFC) cathode is improved by fabricating a slurry by injecting a conventional SOFC cathode powder into the YSZ sol and coating the SOFC electrolyte with the slurry. The capacity of a Solid Oxide Fuel Cell(SOFC) cathode is improved by coating the surface of the conventional SOFC cathode powder with the YSZ using the YSZ sol and by using the cathode powder coated with the YSZ as the SOFC cathode material.

Description

이트리아 안정화 지르코니아 졸을 이용한 고체 산화물 연료 전지 공기극의 성능 향상 방법Method for Improving Performance of Solid Oxide Fuel Cell Electrode Using Yttria Stabilized Zirconia Sol

본 발명은 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, 이하 YSZ) 졸(sol)을 이용하여 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)에 사용되는 공기극(cathode)의 성능을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 1) YSZ 졸을 기존의 재료 및 방법을 사용하여 제조된 SOFC 공기극에 코팅함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법, 2) YSZ 졸에 기존의 SOFC 공기극 분말을 분산하여 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 SOFC 전해질에 코팅하여 공기극을 제조함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법, 그리고 3) YSZ 졸을 이용하여 기존의 SOFC 공기극 분말 표면에 YSZ를 코팅하고, YSZ가 코팅된 공기극 분말을 SOFC 공기극 재료로 사용함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for improving the performance of a cathode used in a solid oxide fuel cell (SOFC) using a yttria stabilized zirconia (YSZ) sol. will be. More specifically, the present invention provides a method for improving the performance of a cathode by coating an YSZ sol on an SOFC cathode prepared using conventional materials and methods, and 2) dispersing the conventional SOFC cathode powder on an YSZ sol to obtain a slurry. After the preparation, the slurry is coated on SOFC electrolyte to produce a cathode, and 3) a method of improving cathode performance, and 3) a cathode powder coated with YSZ on an existing SOFC cathode powder surface using an YSZ sol. The present invention relates to a method for improving the performance of an air electrode by using the as an SOFC cathode material.

SOFC의 공기극 재료로는 일반적으로 전자 전도성 세라믹 물질인 La1-xSrxMnO3(x:0.05∼0.85, 이하 LSM)이 사용되고 있으며(문헌 M. J. L. Ostergard and M. Mogensen, Electrochemica Acta. 38, 2015-2020 (1993) 및 H. Kamata, A. Hosaka, Yuji Ikegami and J. Mizusaki, H. Tagawa, in first European Solid Oxide Fuel Cell Forum, eds. Ulf Bossel, Proceedings vol 2, 725-733 (1994) 참조), 전해질과의 열팽창 특성을 고려하여 LSM에 SOFC 전해질 재료인 YSZ 또는 도핑된 세리아(doped CeO2, 이하 DC) 등의 물질을 첨가하여 사용하기도 한다. 이러한 공기극 물질들은 YSZ 또는 DC 등의 이온 전도성 고체 산화물로 제조된 치밀한 전해질의 한 쪽 표면에 접합되어 SOFC를 구성한다.As a cathode material of SOFC, La 1-x Sr x MnO 3 (x: 0.05 to 0.85, LSM), which is an electron conductive ceramic material, is generally used (MJL Ostergard and M. Mogensen, Electrochemica Acta. 38, 2015- 2020 (1993) and H. Kamata, A. Hosaka, Yuji Ikegami and J. Mizusaki, H. Tagawa, in first European Solid Oxide Fuel Cell Forum, eds.Ulf Bossel, Proceedings vol 2, 725-733 (1994). and also consideration of the thermal expansion characteristics of the electrolyte, use by the addition of substances, such as SOFC electrolyte material is YSZ or doped ceria (CeO 2 doped, hereinafter DC) in LSM. These cathode materials are bonded to one surface of a dense electrolyte made of an ion conductive solid oxide such as YSZ or DC to form an SOFC.

700∼1000 ℃에서 작동되는 일반적인 SOFC에 있어서, 공기극의 성능은 연료극의 성능에 비해 매우 낮아 그 성능을 향상시킬 필요가 있다.In general SOFCs operating at 700 to 1000 ° C., the performance of the cathode is very low compared to that of the anode and it is necessary to improve its performance.

SOFC 공기극의 성능은 크게 공기극에서의 전기 화학 반응에 의해 발생되는 전극 반응 저항과 공기극과 전해질의 접촉에서 발생되는 계면 저항에 의하여 결정되며, 이러한 저항 값을 감소시킴으로써 공기극의 성능 향상이 가능하다. 특히 700∼800 ℃에서 작동되는 저온형 SOFC의 경우에는 공기극에서의 전극 반응 저항과 전극-전해질 간의 계면 저항에 의하여 SOFC 성능이 큰 영향을 받으므로(문헌 T. Tsai and S. A. Barnett, in Solid Oxide Fuel Cells Ⅴ, eds. U. Stimming, S. C. Singhal, H. Tagawa and W Lehnert, The Electrochemical Society Proceedings Series PV 97-40, 368-375 (1997) 및 M. Suzuki, H. Sasaki, S. Otoshi, A. Kajimura, N. Sugiura, and M. Ippommatsu, J. Electrochem. Soc. 141, 1928-1931 (1994) 참조), 고성능 SOFC를 제작하기 위하여 반드시 공기극에서의 전극 반응 저항 및 공기극-전해질 간의 계면 저항을 감소시켜야 한다.The performance of the SOFC cathode is largely determined by the electrode reaction resistance generated by the electrochemical reaction at the cathode and the interface resistance generated at the contact of the cathode and the electrolyte. By reducing this resistance value, the performance of the cathode can be improved. Particularly in the case of low temperature SOFC operated at 700 to 800 ° C., SOFC performance is greatly affected by the electrode reaction resistance and the electrode-electrolyte interface resistance in the air electrode (T. Tsai and SA Barnett, in Solid Oxide Fuel). Cells V, eds.U. Stimming, SC Singhal, H. Tagawa and W Lehnert, The Electrochemical Society Proceedings Series PV 97-40, 368-375 (1997) and M. Suzuki, H. Sasaki, S. Otoshi, A. Kajimura, N. Sugiura, and M. Ippommatsu, J. Electrochem.Soc. 141, 1928-1931 (1994)), in order to fabricate high-performance SOFCs, necessarily reduce the electrode reaction resistance at the cathode and the interface resistance between the cathode and the electrolyte. You have to.

그런데 SOFC 공기극에서 일어나는 전기 화학 반응(1/2 O2+ 2e → O2-)은 공기극, 전해질 및 산소가 만나는 삼상 계면(triple phase boundary)에서 일어나고, 이 삼상 계면은 전해질과 공기극의 접촉 형태에 큰 영향을 받는다.However, the electrochemical reaction (1/2 O 2 + 2e → O 2- ) in SOFC cathode occurs at the triple phase boundary where the cathode, electrolyte and oxygen meet, and the three phase interface is in contact with the electrolyte and cathode. It is greatly affected.

따라서 산소가 잘 확산되면서 전해질과 공기극의 접촉 면적을 증가시키는 구조의 공기극-전해질 계면을 형성시키면 공기극-전해질의 계면 저항이 낮아질 뿐 아니라, 반응이 일어나는 삼상 계면의 면적이 증가함으로써 전극 반응 저항 역시 감소되어 전체적으로 공기극의 성능이 향상된다.Therefore, if the cathode-electrolyte interface is formed to increase the contact area between the electrolyte and the cathode while oxygen diffuses well, the interface resistance of the cathode-electrolyte is lowered, and the electrode reaction resistance is also reduced by increasing the area of the three-phase interface at which the reaction takes place. This improves the performance of the cathode as a whole.

공기극-전해질 계면의 접촉을 향상시키는 가장 간단한 방법은 공기극-전해질의 접합 온도를 조절하는 것이다. YSZ를 전해질로 사용하여 작동되는 일반적인 SOFC의 제조 과정에서는 공기극을 전해질과 접합시키기 위하여 공기극 물질을 전해질 표면에 코팅시킨 후 1100∼1400 ℃의 온도에서 소결 과정을 거친다.The simplest way to improve the contact of the cathode-electrolyte interface is to control the junction temperature of the cathode-electrolyte. In a typical SOFC manufacturing process using YSZ as an electrolyte, the cathode material is coated on the surface of the electrolyte in order to bond the cathode with the electrolyte and then sintered at a temperature of 1100 to 1400 ° C.

그러나 LSM이 포함된 공기극 물질을 1200 ℃ 이상의 온도에서 소결하여 YSZ 전해질과 접합시키면 저항이 큰 물질인 SrZrO3또는 La2Zr2O7이 전극-전해질 계면에서 생성되어 SOFC의 성능을 감소시킨다(문헌 M. Mogensen and Steen Skaarup, Solid State Ionics 86-88, 1151-1160 (1996) 참조). 또한 소결 온도를 1200 ℃ 보다 낮게 설정할 경우에는 공기극과 전해질 계면간의 접합이 용이하지 않아 공기극-전해질의 계면 저항이 상당히 크고 따라서 SOFC의 성능이 낮아진다.However, when the cathode material containing LSM is sintered at a temperature of 1200 ° C. or higher and bonded to the YSZ electrolyte, a high resistance material, SrZrO 3 or La 2 Zr 2 O 7, is formed at the electrode-electrolyte interface, thereby reducing SOFC performance. M. Mogensen and Steen Skaarup, Solid State Ionics 86-88, 1151-1160 (1996)). In addition, when the sintering temperature is set lower than 1200 ° C, the bonding between the cathode and the electrolyte interface is not easy, so the interface resistance of the cathode-electrolyte is considerably large, and thus the performance of the SOFC is low.

공기극-전해질의 접촉 면적 및 삼상 계면의 면적을 향상시키기 위하여 현재 LSM 분말과 YSZ 분말을 고상 혼합(solid state mixing)하여 공기극 재료로 사용하는 기술이 보편적으로 사용되고 있다(문헌 T. Kenjo and M. Nishiya, Solid State Ionics 57, 295-302 (1992) 참조). 그러나 이 경우에도 공기극-전해질의 접합 온도를 잘 조절하여야 성능이 높은 전지를 제작할 수 있다. 즉, 첨가제로 사용되는 YSZ 분말의 입자 크기는 일반적으로 0.2 ㎛ 이상으로 비교적 크기 때문에 1200 ℃ 이하의 온도에서 YSZ 전해질 표면에 접합시키는 것이 용이하지 않다. 또한 접합을 용이하게 하기 위하여 소결 온도를 1200 ℃ 이상으로 증가시킬 경우 공기극-전해질 계면에 저항이 높은 화합물인 SrZrO3또는 La2Zr2O7이 형성됨으로써 전지 성능을 감소시키는 중요한 요인으로 작용하게 된다.In order to improve the contact area of the cathode-electrolyte and the area of the three-phase interface, a technique of solid state mixing of LSM powder and YSZ powder as a cathode material is commonly used (T. Kenjo and M. Nishiya). , Solid State Ionics 57, 295-302 (1992). However, even in this case, it is necessary to control the junction temperature of the cathode-electrolyte well in order to manufacture a high-performance battery. That is, since the particle size of the YSZ powder used as an additive is generally relatively large, such as 0.2 μm or more, it is not easy to bond to the surface of the YSZ electrolyte at a temperature of 1200 ° C. or less. In addition, when the sintering temperature is increased to 1200 ° C. or more in order to facilitate bonding, SrZrO 3 or La 2 Zr 2 O 7 , which is a high resistance compound, is formed at the cathode-electrolyte interface, thereby acting as an important factor in reducing battery performance. .

공기극-전해질 계면의 특성 향상을 위하여 접합 온도를 조절하거나, 공기극을 제조할 때 YSZ 분말을 첨가하는 방법 이외에도 전기화학증착(electrochemical vapor deposition, 이하 EVD)을 사용하는 방법이 제시되어 있다(문헌 M. Suzuki, H. Sasaki, S. Otoshi, A. Kajimura, N. Sugiura, and M. Ippommatsu, J. Electrochem. Soc. 141, 1928-1931 (1994) 참조). 이 방법은 LSM 공기극을 지지체로 하여 그 표면에 YSZ 전해질을 제조하는 방법으로, EVD 과정에서 일부 YSZ 층이 공기극 내부에도 형성됨으로써 삼상 계면을 확대시켜 공기극의 전극 반응 저항이 크게 감소한다고 보고되어 있다. 특히 EVD 방법은 공기극과 전해질과의 접합이 1100 ℃ 이하의 온도에서도 가능하여 LSM 전극과 YSZ 전해질 간의 계면 생성물이 형성되지 않아 공기극-전해질의 계면 저항도 낮다고 알려져 있다.In addition to controlling the junction temperature or adding YSZ powder when preparing the cathode to improve the characteristics of the cathode-electrolyte interface, a method of using electrochemical vapor deposition (EVD) has been proposed (Document M. Suzuki, H. Sasaki, S. Otoshi, A. Kajimura, N. Sugiura, and M. Ippommatsu, J. Electrochem.Soc. 141, 1928-1931 (1994). This method is a method for producing an YSZ electrolyte on the surface of the cathode by using the LSM cathode, and it is reported that some YSZ layers are also formed inside the cathode during the EVD process, thereby enlarging the three-phase interface and greatly reducing the electrode reaction resistance of the cathode. In particular, the EVD method is known that the bonding between the cathode and the electrolyte is possible even at a temperature of 1100 ° C. or lower, so that the interface product between the LSM electrode and the YSZ electrolyte is not formed, and thus the interface resistance of the cathode-electrolyte is low.

그러나 EVD 방법은 고가의 재료 및 장비를 필요로 하므로 실용화를 위해서는 보다 경제적으로 고성능 SOFC 공기극을 제작하는 방법이 요구된다.However, since the EVD method requires expensive materials and equipment, a method of manufacturing a high performance SOFC cathode more economically is required for practical use.

따라서 본 발명의 목적은 YSZ 졸을 이용하여 보다 경제적으로 SOFC에 사용되는 공기극의 성능을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 1) YSZ 졸을 기존의 재료 및 방법을 사용하여 제조된 SOFC 공기극에 코팅함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법, 2) YSZ 졸에 기존의 SOFC 공기극 분말을 분산하여 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 SOFC 전해질에 코팅하여 공기극을 제조함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법, 그리고 3) YSZ 졸을 이용하여 기존의 SOFC 공기극 분말 표면에 YSZ를 코팅하고, YSZ가 코팅된 공기극 분말을 SOFC 공기극 재료로 사용함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a method of improving the performance of the cathode used in SOFC more economically using YSZ sol. More specifically, an object of the present invention is to 1) improve the performance of the cathode by coating the YSZ sol on the SOFC cathode prepared using conventional materials and methods, 2) by dispersing the existing SOFC cathode powder in the YSZ sol After the slurry is prepared, the slurry is coated on the SOFC electrolyte to prepare the cathode, thereby improving the performance of the cathode, and 3) YSZ is coated on the surface of the existing SOFC cathode powder using the YSZ sol, and the YSZ is coated. It is to provide a method of improving the performance of the cathode by using the cathode powder as the SOFC cathode material.

도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 방법을 사용하였을 경우 공기극과 전해질의 접촉 향상 및 삼상 계면 확대 효과를 나타내는 개념도.1a and 1b is a conceptual diagram showing the effect of improving the contact between the cathode and the electrolyte and the three-phase interface expansion effect when using the method according to the invention.

도 2는 본 발명에 따른 방법을 사용하였을 경우 고체 산화물 연료 전지의 성능 향상 효과를 나타내는 도면.2 is a view showing the performance improvement effect of a solid oxide fuel cell when using the method according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 방법을 사용하였을 경우와 그렇지 않았을 경우 공기극-전해질 계면에 대한 XRD 분석 결과.3 shows the results of XRD analysis of the cathode-electrolyte interface with and without the method according to the invention.

본 발명에 따라 1) YSZ 졸을 기존의 재료 및 방법을 사용하여 제조된 SOFC 공기극에 코팅함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법, 2) YSZ 졸에 기존의 SOFC 공기극 분말을 분산하여 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 SOFC 전해질에 코팅하여 공기극을 제조함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법, 그리고 3) YSZ 졸을 이용하여 기존의 SOFC 공기극 분말 표면에 YSZ를 코팅하고, YSZ가 코팅된 공기극 분말을 SOFC 공기극 재료로 사용함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법이 제공된다.According to the present invention 1) to improve the performance of the cathode by coating the YSZ sol on the SOFC cathode prepared using conventional materials and methods, 2) after dispersing the existing SOFC cathode powder in the YSZ sol to prepare a slurry To improve the performance of the cathode by coating the slurry on the SOFC electrolyte to manufacture the cathode, and 3) coating YSZ on the surface of the existing SOFC cathode powder using YSZ sol, and applying the cathode powder coated with YSZ to the SOFC cathode. By using it as a material, a method of improving the performance of an air electrode is provided.

본 발명에서는 코팅에 적합한 입자 크기가 수 nm에 달하는 매우 미세한 YSZ 졸을 제조하였으며, 이를 이용하여 미세한 YSZ 입자가 공기극-전해질 주변에 형성되게 함으로써 공기극-전해질의 접촉 향상 효과 및 전기화학 반응이 일어나는 삼상 계면의 면적 증가 효과를 가져오게 하였다.In the present invention, a very fine YSZ sol having a particle size suitable for coating of several nm was prepared, and by using this, fine YSZ particles were formed around the cathode-electrolyte, thereby improving the contact between the cathode-electrolyte and the electrochemical reaction. The area increase effect of the interface was brought.

본 발명에 따라, 고가의 장비나 출발 물질 또는 고온 공정을 사용하지 않으면서 간단한 공정으로 합성이 가능한 YSZ 졸을 이용하여 SOFC 공기극-전해질 계면의 미세구조를 효과적으로 제어함으로써 SOFC 공기극의 성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the performance of the SOFC cathode can be improved by effectively controlling the microstructure of the SOFC cathode-electrolyte interface using an YSZ sol which can be synthesized in a simple process without using expensive equipment, starting materials, or a high temperature process. have.

도 1a 및 1b에는 YSZ 졸을 사용하였을 경우 전해질과 공기극 계면 간의 접합 효과를 보여주는 개념도가 도시되어 있다. 도 1a는 기존의 LSM 분말을 공기극 재료로 사용하는 경우, 도 1b는 LSM에 YSZ가 첨가된 혼합 분말(이하 LSM-YSZ) 또는 LSM에 Gd가 도핑된 세리아(Gd0.2Ce0.8O2, 이하 GDC)가 첨가된 혼합 분말(이하 LSM-GDC)을 공기극 재료로 사용하는 경우에 대하여 YSZ 졸을 사용함으로써 공기극의 성능이 향상되는 효과를 나타내고 있다.1A and 1B are conceptual views showing the bonding effect between the electrolyte and the cathode interface when YSZ sol is used. Figure 1a is a conventional LSM powder when used as a cathode material, Figure 1b is a mixed powder (hereinafter referred to as LSM-YSZ) LYS-added to the LSM or Ld-doped ceria (Gd 0.2 Ce 0.8 O 2 , GDC below) In the case of using a mixed powder (hereinafter referred to as LSM-GDC) added as a cathode material, the performance of the cathode is improved by using YSZ sol.

일반적으로 세라믹 분말은 입자 크기가 작을수록 분말의 표면적은 높고 소결성은 증대된다. 따라서 미세한 YSZ 입자가 분산된 졸을 제조한 후, 이를 이용하여 공기극-전해질 계면에 미세한 YSZ 입자층을 형성시키면 소결성의 증대로 인하여 공기극-전해질의 접합 특성이 향상되므로 계면 저항이 감소할 뿐 아니라, 공기극, 전해질 및 산소가 만나는 삼상 계면의 면적도 확대되어 공기극의 성능 향상이 가능하다.In general, the smaller the particle size of the ceramic powder, the higher the surface area of the powder and the higher the sintering property. Therefore, after preparing a sol in which fine YSZ particles are dispersed, forming a fine YSZ particle layer at the cathode-electrolyte interface by using the same, the bonding resistance of the cathode-electrolyte is improved due to the increase of sintering property, thereby reducing the interface resistance and the cathode. Also, the area of the three-phase interface where the electrolyte and the oxygen meet is enlarged, thereby improving the performance of the cathode.

또한 도 1b에서와 같이 LSM-YSZ 또는 LSM-GDC 혼합 분말을 공기극 재료로 사용하는 경우에는 YSZ 졸로부터 제조된 미세한 YSZ 입자는 LSM과 전해질 계면 간의 접합을 도와줄 뿐만 아니라 LSM과 함께 첨가된 YSZ 또는 GDC 분말과의 접합을 도와 더 넓은 면적의 삼상 계면을 제공할 수 있다. 특히 이온 전도도는 높으나 전해질과의 접합이 쉽지 않은 물질을 LSM 전극에 첨가하는 경우에도 YSZ 졸을 공기극에 코팅함으로써 공기극-전해질의 접합이 용이하게 되어 SOFC 공기극의 성능 향상 효과를 얻을 수 있다.In addition, when using the LSM-YSZ or LSM-GDC mixed powder as the cathode material as shown in Figure 1b, the fine YSZ particles prepared from the YSZ sol not only assists the bonding between the LSM and the electrolyte interface, but also the YSZ or Bonding with GDC powders can be provided to provide a larger area three phase interface. In particular, even when a material having high ionic conductivity but not easy to bond with an electrolyte is added to the LSM electrode, the cathode-electrolyte can be easily bonded by coating the YSZ sol on the cathode, thereby improving the performance of the SOFC cathode.

본 발명에서는 SOFC 공기극 성능 향상에 적절한 YSZ 졸의 합성 방법을 고안하였으며, 합성된 YSZ 졸을 이용하여 공기극의 성능을 향상시키는 방법을 개발하였다.In the present invention, a method for synthesizing an YSZ sol suitable for improving SOFC cathode performance was devised, and a method for improving the performance of the cathode using the synthesized YSZ sol was developed.

먼저 공기극의 성능 향상을 위해서는 도 1에 도시된 바와 같이 공기극-전해질 계면에 미세한 YSZ 입자층이 형성되어야 하므로, 이를 형성시키는데 적합하도록 YSZ 졸을 합성하였다. 이 때 YSZ 졸은 지르코니아 졸을 먼저 합성한 다음 이트륨염을 지르코니아 졸에 첨가는 방법으로 제조하였으며, 중합졸(polymeric sol) 및 입자졸(particulate sol)의 두 가지 형태로 합성하였다. YSZ 중합졸 및 입자졸의 구체적인 제조 방법은 다음과 같다.First, in order to improve the performance of the cathode, as shown in FIG. 1, a fine YSZ particle layer should be formed at the cathode-electrolyte interface. Thus, YSZ sol was synthesized to be suitable for forming the cathode. At this time, YSZ sol was prepared by first synthesizing zirconia sol and then adding yttrium salt to zirconia sol, and synthesized into two types of polymeric sol and particulate sol. The specific manufacturing method of YSZ polymerization sol and particle sol is as follows.

YSZ 중합졸은 지르코늄 알콕사이드(alkoxide)와 알코올의 혼합 용액을 출발 물질로 하여 여기에 착화제(chelating agent)로서 초산을 첨가한 다음, 물, 알코올 및 촉매로서 질산 또는 염산을 함유하는 촉매 용액을 투여하여 지르코니아 중합졸을 제조한 후, 이 지르코니아 중합졸에 이트륨염을 알코올에 용해시킨 용액을 첨가함으로써 제조할 수 있다.YSZ polymerization sol is a mixed solution of zirconium alkoxide and alcohol as a starting material, to which acetic acid is added as a chelating agent, and then a catalyst solution containing nitric acid or hydrochloric acid as water, alcohol and catalyst is administered. After preparing a zirconia polymerization sol, it can manufacture by adding the solution which dissolved the yttrium salt in alcohol to this zirconia polymerization sol.

이 때, 출발 물질에서 지르코늄 알콕사이드와 알코올의 몰 비는 1:10∼30이고, 착화제는 알콕사이드와 초산의 몰 비가 1:0∼3이 되도록 첨가하며, 촉매 용액은 알콕사이드와 물의 몰 비가 1:1∼4, 알콕사이드와 알코올의 몰 비가 1:10∼30, 알콕사이드와 질산 또는 염산의 몰 비가 1:0.5∼1.5가 되도록 제조한다.At this time, the molar ratio of zirconium alkoxide and alcohol in the starting material is 1:10 to 30, the complexing agent is added so that the molar ratio of alkoxide and acetic acid is 1: 0 to 3, and the catalyst solution is 1: molar ratio of alkoxide and water. 1-4, the molar ratio of alkoxide and alcohol is 1: 10-30, and it is manufactured so that the molar ratio of alkoxide, nitric acid, or hydrochloric acid may be 1: 0.5-1.5.

또한 이트륨염은 이트륨염과 알코올의 몰 비가 1:10∼30이 되도록 알코올에 용해시켜 최종 YSZ 중합졸에서 지르코늄과 이트륨의 몰 비가 (ZrO2)0.90∼0.97(Y2O3)0.10∼0.03이 되도록 첨가한다.In addition, the yttrium salt is dissolved in alcohol so that the molar ratio of yttrium salt and alcohol is 1: 10-30, and the molar ratio of zirconium and yttrium (ZrO 2 ) 0.90-0.97 (Y 2 O 3 ) in the final YSZ polymerization sol is 0.10 to 0.03 . Add as much as possible.

한편, YSZ 입자졸은 지르코늄 알콕사이드와 알코올의 혼합 용액을 출발 물질로 하여 여기에 물 및 촉매로서 질산 또는 염산을 첨가하여 지르코니아 입자졸을 제조한 후, 이 지르코니아 입자졸에 이트륨염을 물에 용해시킨 용액을 첨가함으로써 제조할 수 있다.On the other hand, YSZ particle sol is prepared by using a mixed solution of zirconium alkoxide and alcohol as a starting material, and adding nitric acid or hydrochloric acid as water and catalyst thereto to prepare a zirconia particle sol, and then dissolving yttrium salt in water in the zirconia particle sol. It can be prepared by adding a solution.

이 때, 출발 물질에서 지르코늄 알콕사이드와 알코올의 몰 비는 1:10∼30이고, 물은 H2O/Zr의 몰 비가 100∼200이 되도록 혼합하며, 촉매로서의 질산 또는 염산은 H+/Zr의 몰 비가 0.5∼2.0이 되도록 첨가한다.At this time, the molar ratio of zirconium alkoxide and alcohol in the starting material is 1: 10-30, water is mixed so that the molar ratio of H 2 O / Zr is 100-200, nitric acid or hydrochloric acid as a catalyst is H + / Zr It is added so that molar ratio may be 0.5-2.0.

마찬가지로, 이트륨염은 물에 용해시켜 최종 YSZ 입자졸에서 지르코늄과 이트륨의 몰 비가 (ZrO2)0.90∼0.97(Y2O3)0.10∼0.03이 되도록 첨가한다.Similarly, the yttrium salt is added so that the dissolved water in the molar ratio of zirconium and yttrium in the final sol particle YSZ (ZrO 2) 0.90~0.97 (Y 2 O 3) 0.10~0.03.

상기와 같이 제조된 YSZ 졸을 이용하여 공기극의 성능을 향상시키는 방법은 크게 세 가지로 나뉠 수 있다.There are three ways to improve the performance of the cathode using the YSZ sol prepared as described above.

첫 번째 방법은 YSZ 졸을 기존의 재료 및 방법을 사용하여 제조된 SOFC 공기극에 코팅함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법이다. 구체적으로는 본 발명에 의해 제조된 YSZ 중합졸 또는 입자졸을 기존의 방법으로 SOFC 전해질 표면에 접합되어 있는 LSM 공기극, LSM-YSZ 공기극, LSM에 도핑된 세리아가 첨가된 공기극(이하 LSM-DC) 또는 LaxSr1-xCoyFe1-yO3(x:0.05∼0.85, y:0.05∼0.85) 공기극에 반복적으로 침지 코팅(dip coating)함으로써 미세한 YSZ 입자를 공기극-전해질 계면에 형성시키는 방법이다. 도핑된 세리아로는 Y, Sm, Gd 등이 최대 20 몰% 도핑된 세리아를 사용할 수 있다.The first method is to improve the performance of the cathode by coating the YSZ sol on a SOFC cathode prepared using conventional materials and methods. Specifically, the LSM cathode, the LSM-YSZ cathode, and the ceria doped with CSM doped YSZ polymerized sol or particle sol prepared by the present invention to the SOFC electrolyte surface by the conventional method (hereinafter referred to as LSM-DC). Or La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 (x: 0.05 to 0.85, y: 0.05 to 0.85) repeatedly dip coating on the cathode to form fine YSZ particles at the cathode-electrolyte interface. Way. As the doped ceria, ceria doped with up to 20 mol% of Y, Sm, Gd and the like can be used.

이 경우 공기극-전해질의 접촉 면적이 증가하여 계면 저항이 감소될 뿐 아니라, 전기 화학 반응이 일어나는 삼상 계면의 면적도 확대되어 공기극의 성능 향상이 가능하다.In this case, the contact area of the cathode-electrolyte is increased to reduce the interface resistance, and the area of the three-phase interface at which the electrochemical reaction occurs is also enlarged, thereby improving the performance of the cathode.

두 번째 방법은 YSZ 졸에 기존의 SOFC 공기극 분말을 분산하여 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 SOFC 전해질에 코팅하여 공기극을 제조함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법이다. 구체적으로는 본 발명에 의해 제조된 YSZ 중합졸 또는 입자졸에 기존의 LSM 분말, LSM-YSZ 분말, LSM-DC 분말 또는 LaxSr1-xCoyFe1-yO3(x:0.05∼0.85, y:0.05∼0.85) 분말을 분산시켜 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 이미 제조되어 있는 SOFC 전해질의 표면에 침지 코팅, 스크린 프린팅(screen printing), 스프레이 코팅(spray coating) 또는 테잎 캐스팅(tape casting) 등의 방법으로 코팅한 후, 1000∼1200 ℃에서 소결하여 공기극을 제조함으로써 미세한 YSZ 입자를 공기극-전해질 계면에 형성시키는 방법이다. 마찬가지로, 도핑된 세리아로 Y, Sm, Gd 등이 최대 20 몰% 도핑된 세리아를 사용할 수 있다.The second method is to improve the performance of the cathode by dispersing existing SOFC cathode powder in YSZ sol to prepare a slurry, and then coating the slurry on SOFC electrolyte to prepare cathode. Specifically, the conventional LSM powder, LSM-YSZ powder, LSM-DC powder or La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 (x: 0.05 to 0.85, y: 0.05 to 0.85) to prepare a slurry by dispersing the powder, and the slurry is immersed in coating, screen printing, spray coating or tape casting on the surface of the prepared SOFC electrolyte. It is a method of forming fine YSZ particles at the cathode-electrolyte interface by coating by a method such as casting) and then sintering at 1000 to 1200 ° C. to prepare the cathode. Likewise, ceria doped with up to 20 mol% Y, Sm, Gd, etc. may be used as the doped ceria.

이 경우에도 공기극-전해질의 계면에 형성된 미세한 YSZ 입자에 의하여 계면 저항이 감소되고, 삼상 계면의 면적도 확대되어 공기극의 성능 향상이 가능하다. 특히 이 경우에는 전해질과 공기극의 접합이 1200 ℃ 이하의 비교적 저온에서도 가능하므로 일반적인 공기극의 제조 과정에서 소결 온도를 1200 ℃ 이상으로 증가시킬 경우 발생하는 계면 생성물에 의해 계면 저항이 증가하는 것을 방지할 수 있다.Even in this case, the interfacial resistance is reduced by the fine YSZ particles formed at the interface of the cathode-electrolyte, and the area of the three-phase interface is also expanded, thereby improving the performance of the cathode. In particular, in this case, the bonding between the electrolyte and the cathode can be performed at a relatively low temperature of 1200 ° C. or lower, so that the interface resistance caused by the interface product generated when the sintering temperature is increased to 1200 ° C. or higher can be prevented from increasing. have.

세 번째 방법은 YSZ 졸을 이용하여 기존의 SOFC 공기극 분말 표면에 YSZ를 코팅하고, YSZ가 코팅된 공기극 분말을 SOFC 공기극 재료로 사용함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 방법이다. 구체적으로는 본 발명에 의해 제조된 YSZ 중합졸 또는 입자졸을 기존의 LSM 분말, LSM-YSZ 분말, LSM-DC 분말 또는 LaxSr1-xCoyFe1-yO3(x:0.05∼0.85, y:0.05∼0.85) 분말과 혼합하여 겔링(gelling)을 유도한 후 건조 및 하소 과정을 거쳐 형성된 복합 분말을 공기극 재료로 사용하는 방법이다. 또한, 도핑된 세리아로 Y, Sm, Gd 등이 최대 20 몰% 도핑된 세리아를 사용할 수 있다.The third method is to improve the performance of the cathode by coating YSZ on the surface of the conventional SOFC cathode powder using the YSZ sol and using the cathode powder coated with YSZ as the SOFC cathode material. Specifically, the YSZ polymerization sol or particle sol prepared according to the present invention may be prepared using conventional LSM powder, LSM-YSZ powder, LSM-DC powder, or La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 (x: 0.05 to 0.85, y: 0.05 to 0.85) It is a method of using a composite powder formed by mixing with powder to induce gelling and then drying and calcining as a cathode material. In addition, the doped ceria may be a ceria doped with up to 20 mol% Y, Sm, Gd and the like.

이 경우에도, 앞에서 언급한 바와 같이 공기극 분말 표면에 형성된 미세한 YSZ에 의하여 소결성이 증가되어 전해질과 공기극의 접합을 1200 ℃ 이하의 온도에서도 용이하게 수행할 수 있으며, YSZ 졸 입자가 갖는 높은 표면적으로 인하여 보다 넓은 삼상 계면을 얻을 수 있어 공기극 성능이 향상된다.Even in this case, as mentioned above, the sinterability is increased by the fine YSZ formed on the surface of the cathode powder, so that the bonding between the electrolyte and the cathode can be easily performed even at a temperature of 1200 ° C. or lower, and due to the high surface area of the YSZ sol particles. A wider three-phase interface can be obtained and the cathode performance is improved.

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>

YSZ 중합졸은 다음과 같은 방법으로 합성하였다.YSZ polymerization sol was synthesized in the following manner.

먼저 출발 물질인 지르코늄 n-부톡사이드와 이소프로판올의 몰 비가 1:15인 용액에 착화제로서 초산을 알콕사이드와 초산의 몰 비가 1:2가 되도록 첨가한 다음, 알콕사이드와 물의 몰 비가 1:2, 알콕사이드와 질산의 몰 비가 1:1.2, 알콕사이드와 이소프로판올의 몰 비가 1:15가 되도록 촉매 용액을 투여하여 지르코니아 중합졸을 제조하였다.First, acetic acid was added as a complexing agent such that the molar ratio of alkoxide and acetic acid was 1: 2 to a solution having a molar ratio of zirconium n-butoxide and isopropanol 1:15, and then the molar ratio of alkoxide to water was 1: 2 and alkoxide. A zirconia polymerization sol was prepared by administering a catalyst solution such that the molar ratio of nitric acid was 1: 1.2 and the molar ratio of alkoxide and isopropanol was 1:15.

이 지르코니아 중합졸에 질산이트륨을 이소프로판올에 1:30의 몰 비로 용해시킨 용액을 첨가하여 지르코늄과 이트륨의 비가 (ZrO2)0.92(Y2O3)0.08에 해당하는 최종 YSZ 중합졸을 제조하였다.A solution in which yttrium nitrate was dissolved in isopropanol in a molar ratio of 1:30 was added to the zirconia polymerization sol to prepare a final YSZ polymerization sol having a ratio of zirconium to yttrium of (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 .

<실시예 2><Example 2>

YSZ 입자졸은 다음과 같은 방법으로 합성하였다.YSZ particle sol was synthesized in the following manner.

먼저 출발 물질인 지르코늄 이소프로폭사이드와 에탄올의 몰 비가 1:15인 용액에 증류수를 첨가하여 H2O/Zr의 몰 비가 150이 되도록 혼합하고, 촉매로서 염산을 H+/Zr의 몰 비가 1.5가 되도록 첨가한 후, 약 3시간 정도 교반하여 투명한 지르코니아 입자졸을 제조하였다.First, distilled water is added to a solution having a molar ratio of zirconium isopropoxide and ethanol as a starting material of 1:15, and mixed so that the molar ratio of H 2 O / Zr is 150.The hydrochloric acid is used as a catalyst with a molar ratio of H + / Zr of 1.5. After the addition, the mixture was stirred for about 3 hours to prepare a transparent zirconia particle sol.

그 후 부가 생성물로 얻어지는 알코올을 약 90 ℃에서 증발시키고, 지르코니아 입자졸에 염화이트륨을 증류수에 용해시킨 용액을 첨가하여 지르코늄과 이트륨의 몰 비가 (ZrO2)0.92(Y2O3)0.08에 해당하는 최종 YSZ 입자졸을 제조하였다.The alcohol obtained as an adduct is then evaporated at about 90 ° C., and the molar ratio of zirconium and yttrium corresponds to (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 by adding a solution of yttrium chloride dissolved in distilled water to the zirconia particle sol. The final YSZ particle sol was prepared.

<실시예 3><Example 3>

실시예 1에서 합성한 YSZ 중합졸을 기존의 재료 및 방법을 사용하여 제조된 SOFC 공기극에 코팅하고 SOFC의 성능 향상 효과를 파악하였다.The YSZ polymerization sol synthesized in Example 1 was coated on an SOFC cathode prepared using conventional materials and methods, and the effect of improving the performance of SOFC was determined.

실시예 1에서 합성한 YSZ 중합졸을 기존의 LSM 분말(La0.85Sr0.15MnO3)을 이용하여 제조된 공기극에 침지 코팅함으로써 미세한 YSZ 입자가 전해질과 전극 주위에 형성되도록 하였다.The YSZ polymerized sol synthesized in Example 1 was immersed and coated on an air electrode manufactured using a conventional LSM powder (La 0.85 Sr 0.15 MnO 3 ) to form fine YSZ particles around the electrolyte and the electrode.

이 때 LSM 공기극은 기존의 LSM 분말을 물과 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 직경 25 mm, 두께 1.3 mm의 YSZ 전해질 디스크 한 쪽 면에 스크린 프린팅법으로 코팅하고, 1100 ℃에서 소결하여 제작하였다. 공기극을 제조하기 전 YSZ 전해질 디스크의 다른 쪽 면에는 연료극으로 Ni/YSZ 서어멧(cermet) 전극을 제조하였다.At this time, the LSM cathode was prepared by mixing the existing LSM powder with water to prepare a slurry, and then coating the slurry on one side of the YSZ electrolyte disk having a diameter of 25 mm and a thickness of 1.3 mm by screen printing and sintering at 1100 ° C. Produced. Ni / YSZ cermet electrodes were prepared on the other side of the YSZ electrolyte disk prior to fabricating the cathode.

이렇게 제작된 LSM 공기극에 실시예 1에서 합성한 YSZ 중합졸을 3회 반복하여 침지 코팅한 후, 1000 ℃에서 SOFC의 성능을 측정하였다. 이 때 연료극으로는 3% 수증기가 포함된 수소를 100 cc/min의 속도로 공급하고, 공기극으로는 공기를 200 cc/min의 속도로 공급하였다.After immersion coating of the YSZ polymerization sol synthesized in Example 1 on the LSM air electrode thus prepared three times, the performance of SOFC was measured at 1000 ° C. At this time, hydrogen containing 3% water vapor was supplied at a rate of 100 cc / min to the anode, and air was supplied at a rate of 200 cc / min to the cathode.

도 2에는 YSZ 중합졸을 LSM 공기극에 코팅한 SOFC와 공기극에 코팅을 적용하지 않은 SOFC의 전류-전압 특성이 도시되어 있다. 도 2에서 LSM 공기극에 YSZ 졸을 코팅한 경우 기존의 LSM 공기극을 그대로 사용하는 경우에 비해 SOFC의 성능이 월등히 우수함을 알 수 있다. 즉, 기존의 LSM 공기극을 사용한 SOFC는 전류밀도 200 mA/cm2에서 0.26 V의 성능을 나타내는 반면, LSM 공기극에 YSZ 졸을 코팅하여 제조된 SOFC의 경우에는 같은 전류밀도에서 월등히 높은 0.70 V의 성능을 나타내었으며, 400 mA/cm2의 부하에서도 0.2 V 이상의 성능을 나타내었다. 따라서 기존의 재료 및 방법으로 제조된 공기극에 YSZ 중합졸을 코팅할 경우 공기극의 성능이 향상되어 SOFC의 출력이 증가할 수 있다.2 shows the current-voltage characteristics of SOFC coated with YSZ polymerized sol on LSM cathode and SOFC not coated on cathode. In the case of coating the YSZ sol on the LSM cathode in Figure 2 it can be seen that the performance of the SOFC is significantly superior to the case of using the existing LSM cathode as it is. That is, the SOFC using the conventional LSM cathode exhibits the performance of 0.26 V at the current density of 200 mA / cm 2 , while the SOFC manufactured by coating the YSZ sol on the LSM cathode has a much higher performance of 0.70 V at the same current density. It showed a performance of 0.2 V or more even at a load of 400 mA / cm 2 . Therefore, when the YSZ polymer sol is coated on the cathode manufactured by the existing materials and methods, the performance of the cathode may be improved, and thus the output of the SOFC may be increased.

<실시예 4><Example 4>

실시예 1 또는 실시예 2에서 합성한 YSZ 중합졸 또는 입자졸을 기존의 재료 및 방법을 사용하여 제조된 SOFC 공기극에 코팅하여 공기극의 성능 향상 효과를 파악하였다.The YSZ polymerized sol or particle sol synthesized in Example 1 or Example 2 was coated on an SOFC cathode prepared using existing materials and methods to determine the effect of improving the performance of the cathode.

실시예 1 또는 실시예 2에서 합성한 YSZ 중합졸 또는 입자졸을 기존의 LSM 분말(La0.85Sr0.15MnO3)을 이용하여 제조된 공기극에 침지 코팅함으로써 미세한 YSZ 입자가 전해질과 전극 주위에 형성되도록 하였다.The YSZ polymerized sol or particle sol synthesized in Example 1 or 2 was immersed in an air electrode prepared using a conventional LSM powder (La 0.85 Sr 0.15 MnO 3 ) to form fine YSZ particles around the electrolyte and the electrode. It was.

이 때 LSM 공기극은 실시예 3에서 언급한 방법으로 제작하였으며, 직경 25 mm, 두께 1.0 mm의 YSZ 전해질 디스크의 양 쪽 면에 대칭 형태로 제작하였다. YSZ 중합졸 또는 입자졸을 YSZ 전해질 디스크의 양면에 제조된 LSM 공기극에 3회 반복하여 침지 코팅한 후, 1000 ℃ 및 800 ℃에서 임피던스 분석을 수행하여 공기극의 저항을 측정하였다. 이 때 대칭 전지의 양면에는 공기를 200 cc/min의 속도로 각각 공급하였다.At this time, the LSM cathode was manufactured by the method described in Example 3, and was manufactured in a symmetrical form on both sides of the YSZ electrolyte disk having a diameter of 25 mm and a thickness of 1.0 mm. The YSZ polymerized sol or particle sol was immersed and coated three times on LSM cathodes prepared on both sides of the YSZ electrolyte disk, and then impedance analysis was performed at 1000 ° C. and 800 ° C. to measure the resistance of the cathode. At this time, air was supplied to both surfaces of the symmetrical battery at a rate of 200 cc / min.

표 1에는 실시예 1 또는 실시예 2에서 합성한 YSZ 중합졸 또는 입자졸을 기존의 LSM 공기극에 코팅할 경우 공기극의 저항 감소에 따른 공기극 성능 향상 효과가 요약되어 있다. 표 1에서 LSM 공기극에 YSZ 졸을 코팅한 경우에는 기존의 LSM 공기극을 그대로 사용하는 경우에 비해 공기극의 저항이 크게 감소되어 공기극 성능이 향상됨을 알 수 있다. 즉, 기존의 LSM 공기극의 저항은 1000 ℃ 및 800 ℃에서 각각 2.2 및 32.6 Ω-cm2인 반면, LSM 공기극에 YSZ 중합졸을 코팅하는 경우에는 공기극 저항이 1000 ℃ 및 800 ℃에서 각각 0.03 및 0.5 Ω-cm2로 기존 LSM 공기극에 비하여 저항이 1/50 이하로 감소하며, LSM 공기극에 YSZ 입자졸을 코팅하는 경우에도 LSM 공기극에 비하여 공기극 저항이 기존 1/3 이하로 감소하여 공기극의 성능이 향상되었다. 따라서 기존의 재료 및 방법으로 제조된 공기극에 YSZ 중합졸 또는 입자졸을 코팅할 경우 공기극의 성능이 향상됨을 알 수 있다.Table 1 summarizes the effect of improving the cathode performance by reducing the resistance of the cathode when the YSZ polymerized sol or particle sol synthesized in Example 1 or Example 2 is coated on a conventional LSM cathode. In Table 1, when the YSZ sol is coated on the LSM cathode, the resistance of the cathode is greatly reduced compared to the case where the conventional LSM cathode is used as it is, and thus the cathode performance is improved. That is, the resistance of the conventional LSM cathode is 2.2 and 32.6 Ω-cm 2 at 1000 ℃ and 800 ℃, respectively, whereas when the YSZ polymer sol is coated on the LSM cathode, the cathode resistance is 0.03 and 0.5 at 1000 ℃ and 800 ℃, respectively. With Ω-cm 2 , the resistance is reduced to 1/50 or less compared to the conventional LSM cathode, and even when YSZ particle sol is coated on the LSM cathode, the cathode resistance is reduced to 1/3 or less compared to the LSM cathode, resulting in improved cathode performance. Improved. Therefore, it can be seen that the performance of the cathode is improved when the YSZ polymerization sol or particle sol is coated on the cathode manufactured by the existing materials and methods.

YSZ 졸 코팅에 의한 LSM 공기극의 저항 감소 효과YSZ sol coating reduces the resistance of LSM cathode 공기극Air cathode 공기극의 저항 (Ω-cm2)Resistance of air cathode (Ω-cm 2 ) 1000℃1000 ℃ 800℃800 ℃ 기존 LSMLegacy LSM 2.22.2 32.632.6 YSZ 중합졸을 코팅한 LSMLSM Coated YSZ Polymeric Sol 0.030.03 0.50.5 YSZ 입자졸을 코팅한 LSMLSM Coated YSZ Particle Sol 0.730.73 9.69.6

<실시예 5>Example 5

실시예 1에서 제조한 YSZ 중합졸에 기존의 SOFC 공기극 분말을 분산하여 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 SOFC 전해질 표면에 코팅하여 공기극을 제조하고 공기극의 성능 향상 효과를 파악하였다.After dispersing the conventional SOFC cathode powder in the YSZ polymerization sol prepared in Example 1 to prepare a slurry, the slurry was coated on the surface of the SOFC electrolyte to prepare a cathode and to determine the effect of improving the performance of the cathode.

실시예 1에서 제조한 YSZ 중합졸에 기존의 LSM(La0.85Sr0.15MnO3) 분말을 분산시켜 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 실시예 4에서 언급한 YSZ 전해질 디스크의 양면에 스크린 프린팅법으로 코팅한 후 1100 ℃에서 소결하여 대칭 전지를 제조하였다.A slurry was prepared by dispersing a conventional LSM (La 0.85 Sr 0.15 MnO 3 ) powder in the YSZ polymerization sol prepared in Example 1, and coating the slurry on both sides of the YSZ electrolyte disk mentioned in Example 4 by screen printing. After sintering at 1100 ℃ to produce a symmetrical battery.

1000 ℃에서 임피던스 분석을 통하여 공기극의 저항을 측정한 결과 기존 LSM 공기극의 저항은 2.2 Ω-cm2인 반면, LSM 분말을 YSZ 졸에 분산시켜 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 SOFC 전해질에 코팅한 경우에는 공기극의 저항이 0.4 Ω-cm2로 YSZ 졸을 사용함으로써 공기극의 저항이 1/5 이하로 감소하였다.When the resistance of the cathode was measured by impedance analysis at 1000 ° C., the resistance of the cathode of the conventional LSM was 2.2 Ω-cm 2 , whereas the LSM powder was dispersed in an YSZ sol to prepare a slurry, and the slurry was coated on the SOFC electrolyte. The resistance of the cathode was reduced to 1/5 or less by using an YSZ sol having a cathode resistance of 0.4 Ω-cm 2 .

한편 실험 후 전지를 해체하고 공기극-전해질 계면을 XRD(X-ray diffraction) 방법으로 분석하여 계면 생성물의 존재를 조사하였다. 그 결과 도 3에 도시된 바와 같이 LSM 분말을 YSZ 졸에 분산시켜 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 YSZ 전해질에 코팅하여 공기극을 제작할 경우에는 계면 화합물이 생성되지 않은 반면, 기존 LSM 분말을 YSZ 전해질과 바로 접합시키는 경우에는 접합이 용이한 1200∼1300 ℃의 온도에서 저항이 높은 계면 화합물 La2Zr2O7이 반드시 생성되어 SOFC 성능이 감소됨을 확인하였다.Meanwhile, after the experiment, the battery was disassembled and the cathode-electrolyte interface was analyzed by XRD (X-ray diffraction) method to investigate the presence of the interface product. As a result, as shown in FIG. 3, the slurry was prepared by dispersing the LSM powder in the YSZ sol, and when the slurry was coated on the YSZ electrolyte to prepare the cathode, no interfacial compound was produced, whereas the existing LSM powder was mixed with the YSZ electrolyte. In the case of direct bonding, an interface compound La 2 Zr 2 O 7 having a high resistance was necessarily generated at a temperature of 1200 to 1300 ° C. for easy bonding to reduce SOFC performance.

<실시예 6><Example 6>

실시예 5와 같은 방법으로 실험을 수행하되 기존의 LSM 분말 대신 LSM에 YSZ가 40 vol% 첨가된 복합 공기극 분말(이하 LSM-YSZ)을 사용하여 공기극의 성능 향상 효과를 파악하였다.The experiment was carried out in the same manner as in Example 5, but using the composite cathode powder (hereinafter referred to as LSM-YSZ) in which 40 vol% of YSZ was added to the LSM instead of the conventional LSM powder, the performance improvement effect of the cathode was determined.

YSZ 졸에 LSM-YSZ 분말을 분산시켜 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 실시예 4에서 언급한 YSZ 전해질 디스크의 양면에 분무 장치를 이용하여 스프레이 코팅(spray coating)을 실시한 후, 1100 ℃에서 소결하여 대칭 전지를 제조하고 앞에서 언급한 방법으로 공기극의 성능 향상 효과를 파악하였다.The slurry was prepared by dispersing the LSM-YSZ powder in the YSZ sol, spraying the slurry on both sides of the YSZ electrolyte disk mentioned in Example 4 using a spray device, and then sintering at 1100 ° C. A symmetrical battery was fabricated and the performance improvement effect of the cathode was identified by the aforementioned method.

그 결과, 1000 ℃에서 기존 LSM-YSZ 공기극의 저항은 2.5 Ω-cm2인 반면, LSM-YSZ 공기극에 YSZ 졸을 코팅한 경우에는 공기극의 저항이 0.35 Ω-cm2로 측정되어 YSZ 졸을 사용함으로써 공기극의 저항이 1/7 이하로 감소하였다.As a result, the resistance of the conventional LSM-YSZ cathode is 2.5 Ω-cm 2 at 1000 ° C, while the resistance of the cathode is measured to 0.35 Ω-cm 2 when the YSZ sol is coated on the LSM-YSZ cathode. As a result, the resistance of the cathode decreased to 1/7 or less.

<실시예 7><Example 7>

실시예 2에서 제조한 YSZ 입자졸을 이용하여 기존의 SOFC 공기극 분말 표면에 YSZ를 코팅하고, YSZ가 코팅된 공기극 분말을 공기극 재료로 사용하여 SOFC 공기극을 제조한 후, 공기극의 성능 향상 효과를 파악하였다.After coating YSZ on the surface of the conventional SOFC cathode powder using the YSZ particle sol prepared in Example 2, and manufacturing the SOFC cathode using the cathode powder coated with YSZ as the cathode material, grasp the effect of improving the performance of the cathode. It was.

실시예 2에서 제조한 YSZ 입자졸을 기존의 LSM(La0.85Sr0.15MnO3)에 GDC(Gd0.2Ce0.8O2)가 40 vol% 첨가된 복합 공기극 분말(이하 LSM-GDC)과 혼합한 후, 혼합 용액의 pH를 암모니아수로 조절하여 겔링이 일어나게 하였다. 이 분말을 90 ℃ 건조기에서 건조한 후, 물과 메틸셀룰로오스 용액에 분산하여 슬러리를 제조하고, 실시예 5에서 언급한 방법으로 공기극을 YSZ 디스크의 양면에 제작하였다.The YSZ particle sol prepared in Example 2 was mixed with a conventional cathode powder (hereinafter referred to as LSM-GDC) in which 40 vol% of GDC (Gd 0.2 Ce 0.8 O 2 ) was added to an existing LSM (La 0.85 Sr 0.15 MnO 3 ). , The pH of the mixed solution was adjusted with ammonia water to cause gelling. The powder was dried in a 90 ° C. dryer, then dispersed in water and methylcellulose solution to prepare a slurry, and air cathodes were prepared on both sides of the YSZ disk by the method described in Example 5.

1000 ℃에서 임피던스 분석을 통하여 공기극 저항을 확인한 결과, 기존 LSM-GDC 공기극의 저항은 1.9 Ω-cm2인 반면, LSM-GDC 공기극에 YSZ 졸을 코팅한 경우에는 공기극의 저항이 0.25 Ω-cm2로 측정되어 YSZ 졸을 사용함으로써 공기극의 저항이 1/7 이하로 감소하였다.As a result of confirming the cathode resistance through impedance analysis at 1000 ℃, the resistance of the conventional LSM-GDC cathode is 1.9 Ω-cm 2 , whereas when the YSZ sol is coated on the LSM-GDC cathode, the resistance of the cathode is 0.25 Ω-cm 2. The resistance of the cathode was reduced to 1/7 or less by using YSZ sol.

본 발명에 따라 기존의 SOFC 공기극에 YSZ 졸을 코팅하여 미세한 YSZ 입자층을 공기극-전해질 계면에 형성시킴으로써 SOFC 공기극의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.According to the present invention, by coating an YSZ sol on an existing SOFC cathode, a fine YSZ particle layer is formed at the cathode-electrolyte interface, thereby greatly improving the performance of the SOFC cathode.

또한 기존의 공기극 재료인 LSM 분말 또는 LSM-YSZ, LSM-GDC 등의 혼합 분말을 사용할 경우에도 기존 공기극 분말을 YSZ 졸과 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 SOFC 전해질에 코팅하여 공기극을 제조하거나, 기존 공기극 분말 표면에 YSZ 졸을 코팅하여 사용함으로써 미세한 YSZ 입자층을 공기극-전해질 계면에 형성시켜 SOFC 공기극의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.In addition, in the case of using the conventional cathode material LSM powder or mixed powder such as LSM-YSZ, LSM-GDC, the existing cathode powder is mixed with the YSZ sol to prepare a slurry, and the slurry is coated on the SOFC electrolyte to prepare the cathode. Alternatively, by using an YSZ sol coated on the surface of the existing cathode powder, a fine YSZ particle layer may be formed at the cathode-electrolyte interface, thereby greatly improving the performance of the SOFC cathode.

특히 YSZ 졸을 기존의 공기극 분말과 함께 사용하는 경우에는 공기극-전해질의 접합이 1200 ℃ 이하의 온도에서 가능하여 저항이 높은 계면 화합물의 생성을 억제할 수 있어 접촉 저항이 감소되며, 또한 미세한 YSZ 입자층에 의하여 삼상 계면의 면적이 확대되어 공기극의 성능이 향상된다.In particular, when YSZ sol is used together with the conventional cathode powder, the cathode-electrolyte can be bonded at a temperature of 1200 ° C or lower, thereby suppressing the formation of highly resistant interfacial compounds, thereby reducing the contact resistance, and also providing a fine YSZ particle layer. As a result, the area of the three-phase interface is increased to improve the performance of the air electrode.

따라서 본 발명은 종래의 방법에 비하여 간단하고 경제적인 방법으로 기존의 SOFC 공기극의 성능을 향상시키는 매우 효과적인 방법이다. 특히 본 발명에서 제시된 공기극 성능 향상 방법을 사용하면 700∼800 ℃의 저온에서 작동되는 SOFC의 성능도 크게 향상되리라 여겨진다.Therefore, the present invention is a very effective method for improving the performance of the conventional SOFC cathode in a simple and economical way compared to the conventional method. In particular, using the method of improving the cathode performance proposed in the present invention, the performance of SOFC operating at low temperature of 700 to 800 ° C. is considered to be greatly improved.

Claims (15)

이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, 이하 YSZ) 졸(sol)을 사용하여 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC) 공기극(cathode)의 성능을 향상시키는 방법.A method of improving the performance of a solid oxide fuel cell (SOFC) cathode using a Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) sol. 제1항에 있어서, YSZ 졸을 기존의 재료 및 방법을 사용하여 제조된 SOFC 공기극에 코팅함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the YSZ sol is coated on an SOFC cathode prepared using existing materials and methods to improve the performance of the cathode. 제1항에 있어서, YSZ 졸에 기존의 SOFC 공기극 분말을 분산하여 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 SOFC 전해질에 코팅하여 공기극을 제조함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the slurry is prepared by dispersing existing SOFC cathode powder in an YSZ sol, and then coating the slurry on the SOFC electrolyte to prepare a cathode, thereby improving the performance of the cathode. 제1항에 있어서, YSZ 졸을 기존의 SOFC 공기극 분말과 혼합한 후 겔링(gelling)이 일어나게 하여 공기극 분말 표면에 YSZ를 코팅하고, YSZ가 코팅된 공기극 분말을 재료로 SOFC 공기극을 제조함으로써 공기극의 성능을 향상시키는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the YSZ sol is mixed with the existing SOFC cathode powder and then gelling occurs to coat YSZ on the cathode powder surface, and the SOFC cathode is manufactured from the cathode powder coated with YSZ. To improve performance. 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, YSZ 졸은 지르코늄 알콕사이드(alkoxide)와 알코올의 혼합 용액을 출발 물질로 하여 여기에 착화제(chelating agent)로서 초산을 첨가한 다음, 물, 알코올 및 촉매로서 질산 또는 염산을 함유하는 촉매 용액을 투여하여 지르코니아 중합졸을 제조한 후, 이 지르코니아 중합졸에 이트륨염을 알코올에 용해시킨 용액을 첨가하여 제조한 YSZ 중합졸인 방법.The YSZ sol according to claim 2, 3, or 4, wherein acetic acid is added as a chelating agent to a mixed solution of a zirconium alkoxide and an alcohol, and then water and alcohol. And an YSZ polymerization sol prepared by administering a catalyst solution containing nitric acid or hydrochloric acid as a catalyst to produce a zirconia polymerization sol, and then adding a solution in which yttrium salt is dissolved in alcohol to the zirconia polymerization sol. 제5항에 있어서, 지르코늄 알콕사이드와 알코올의 몰 비가 1:10∼30이고, 착화제는 알콕사이드와 초산의 몰 비가 1:0∼3이 되도록 첨가하며, 촉매 용액은 알콕사이드와 물의 몰 비가 1:1∼4, 알콕사이드와 알코올의 몰 비가 1:10∼30, 알콕사이드와 질산 또는 염산의 몰 비가 1:0.5∼1.5가 되도록 첨가하며, 이트륨염은 이트륨염과 알코올의 몰 비가 1:10∼30이 되도록 알코올에 용해시켜 최종 YSZ 중합졸에서 지르코늄과 이트륨의 몰 비가 (ZrO2)0.90∼0.97(Y2O3)0.10∼0.03이 되도록 첨가하는 것인 방법.The molar ratio of zirconium alkoxide and alcohol is 1: 10-30, the complexing agent is added so that the molar ratio of alkoxide and acetic acid may be 1: 0-3, and the catalyst solution has a molar ratio of alkoxide and water of 1: 1. 4, the molar ratio of alkoxide to alcohol is 1:10 to 30, the molar ratio of alkoxide to nitric acid or hydrochloric acid is 1: 0.5 to 1.5, and the yttrium salt is such that the molar ratio of yttrium salt and alcohol is 1:10 to 30. Dissolving in alcohol and adding so that the molar ratio of zirconium and yttrium in the final YSZ polymerization sol is (ZrO 2 ) 0.90 to 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.10 to 0.03 . 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, YSZ 졸은 지르코늄 알콕사이드와 알코올의 혼합 용액을 출발 물질로 하여 여기에 물 및 촉매로서 질산 또는 염산을 첨가하여 지르코니아 입자졸을 제조한 후, 이 지르코니아 입자졸에 이트륨염을 물에 용해시킨 용액을 첨가하여 제조한 YSZ 입자졸인 방법.The YSZ sol is prepared from a mixed solution of zirconium alkoxide and an alcohol as a starting material, and nitric acid or hydrochloric acid is added thereto to prepare a zirconia particle sol. A YSZ particle sol prepared by adding a solution in which yttrium salt is dissolved in water to a zirconia particle sol. 제7항에 있어서, 지르코늄 알콕사이드와 알코올의 몰 비는 1:10∼30이고, 물은 H2O/Zr의 몰 비가 100∼200이 되도록 혼합하며, 촉매로서의 질산 또는 염산은 H+/Zr의 몰 비가 0.5∼2.0이 되도록 첨가하며, 이트륨염은 물에 용해시켜 최종 YSZ 입자졸에서 지르코늄과 이트륨의 몰 비가 (ZrO2)0.90∼0.97(Y2O3)0.10∼0.03이 되도록 첨가하는 것인 방법.The method of claim 7 wherein the molar ratio of the zirconium alkoxide and the alcohol is from 1: 10 to 30, and water, and mixed such that the molar ratio of 100 to 200 in H 2 O / Zr, of nitric acid or hydrochloric acid as the catalyst is H + / Zr The molar ratio is added so as to be 0.5 to 2.0, and the yttrium salt is dissolved in water and added so that the molar ratio of zirconium and yttrium in the final YSZ particle sol is (ZrO 2 ) 0.90 to 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.10 to 0.03 . Way. 제2항 또는 제3항에 있어서, 코팅 방법으로 침지 코팅법(dip coating method)을 사용하는 것인 방법.The method according to claim 2 or 3, wherein a dip coating method is used as the coating method. 제3항 또는 제4항에 있어서, 공기극 제조 방법으로 스크린 프린팅법(screen printing method)을 사용하는 것인 방법.The method according to claim 3 or 4, wherein a screen printing method is used as the method of manufacturing the cathode. 제3항 또는 제4항에 있어서, 공기극 제조 방법으로 스프레이 코팅법(spray coating method)을 사용하는 것인 방법.The method according to claim 3 or 4, wherein a spray coating method is used as the method of manufacturing the cathode. 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, SOFC 공기극 재료로서 La1-xSrxMnO3(x: 0.05∼0.85, 이하 LSM)을 사용하는 것인 방법.The method according to claim 2, 3 or 4, wherein La 1-x Sr x MnO 3 (x: 0.05 to 0.85, hereinafter LSM) is used as the SOFC cathode material. 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, SOFC 공기극 재료로서 LSM에 YSZ를 첨가한 복합 분말을 사용하는 것인 방법.The method according to claim 2, 3 or 4, wherein a composite powder obtained by adding YSZ to the LSM is used as the SOFC cathode material. 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, SOFC 공기극 재료로서 LSM에 Y, Sm, Gd 등이 최대 20 몰% 도핑된 세리아(CeO2)를 첨가한 복합 분말을 사용하는 것인 방법.The method according to claim 2, 3 or 4, wherein as the SOFC cathode material, a composite powder obtained by adding up to 20 mol% of ceria (CeO 2 ) doped with Y, Sm, Gd, etc. to LSM is used. 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, SOFC 공기극 재료로서 LaxSr1-xCoyFe1-yO3(x:0.05∼0.85, y:0.05∼0.85)를 사용하는 것인 방법.The method according to claim 2, 3 or 4, wherein La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 (x: 0.05 to 0.85, y: 0.05 to 0.85) is used as the SOFC cathode material. Way.
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