KR20110109104A - 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 - Google Patents

금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 25중량％ 내지 75중량％ 및 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 75중량％ 내지 25중량％를 포함하는 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체에 관련된다.
또한, 본 발명은 상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체를 연료극층 또는 연료극층의 지지체층으로 채용한 고체산화물 연료전지에 관련된다.

Description

금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지{Metal Oxide-Yttria Stabilized Zirconia Composite and Solid Oxide Fuel Cell Using Them}
본 발명은 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 산소 또는 수소 이온전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하여 연료전지 중 가장 높은 온도(700 - 1000 ℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이한 장점이 있다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 21세기 초 상업화를 목표로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.
일반적인 고체산화물 연료전지는 산소 이온전도성이 치밀한 전해질층과 그 양면에 위치한 다공성의 공기극(cathode)층 및 연료극(anode)층으로 이루어져 있다.
고체산화물 연료전지(SOFC)의 기본적인 동작원리를 살펴보면, 고체산화물 연료전지는 기본적으로 수소 및 일산화탄소의 산화반응으로 발전하는 장치이고, 연료극층 및 공기극층에서는 아래의 반응식 1과 같은 전극 반응이 진행된다.
(반응식 1)
연료극층: H2 + O2- → H2O + 2e- , CO + O2- → CO2 + 2e-
공기극층: O2 + 4e- → 2O2-
전반응: H2 + CO + O2 → H20 + CO2
즉, 다공성의 공기극층에서 산소가 투과하여 전해질에 이르고 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 치밀한 전해질층을 통해 연료극층으로 이동하여 다시 다공성의 연료극층에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 된다. 이때, 연료극층에서는 전자가 생성되고 공기극층에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다.
이러한 연료전지는 산소와 수소가 투과하는 다공성의 공기극층과 연료극층의 기공률을 증가시켜 가스투과율을 높임으로써 연료전지의 효율을 향상시키는 것이 중요하다. 그러나, 연료극층은 기공률에 비례하여 전극의 강도가 감소하는 문제가 있다. 이러한 연료극층의 강도 감소는 연료전지의 기계적 수명을 감소시켜 40000만 시간 이상의 장기 내구성을 확보해야 하는 연료전지 단위셀에 해결해야 할 문제점으로 인식되고 있다.
또한, 종래의 고체산화물 연료전지(SOFC)는 강도 및 경제적인 측면에서 연료극 지지체 타입을 많이 사용한다. 그리고 이러한 연료극 지지체 타입의 고체산화물 연료전지는 전기화학반응이 전해질층과의 계면에서 90% 정도가 일어나기 때문에 연료극층에서도 기능적인 부분을 담당하는 층(기능층)과 지지체로서 부분을 담당하는 층(지지체층)으로 나뉜다.
이때 지지체층은 전기 전도성 및 기공률을 일정수준 이상으로 유지하기 위해, 그 재료로 8㏖％의 이트리아(Y2O3)가 첨가된 이트리아 안정화 지르코니아를 사용하였다. 반면에 지지체층의 강도를 일정수준 이상으로 유지하기 위해 지지체층의 두께는 두꺼워졌다. 이는 8㏖％의 이트리아가 첨가된 이트리아 안정화 지르코니아는 산소 이온전도성은 우수하지만, 3㏖％의 이트리아가 첨가된 이트리아 안정화 지르코니아에 비해서 강도가 4배 정도 낮기 때문이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 고체산화물 연료전지에서 연료극층 또는 연료극층의 지지체층을 담당하는 재료로서, 기존의 이트리아 안정화 지르코니아 재료와 우수한 기밀성을 갖고, 강도가 우수한 동시에 지지체층의 두께를 감소시킬 수 있는 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체를 제안하는 것을 목적으로 한다.
이러한 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 고체산화물 연료전지의 연료극층 또는 연료극층의 지지체층으로 사용될 수 있으며, 종래의 연료극층을 구성하는 8㏖％의 이트리아(Y2O3)가 첨가된 이트리아 안정화 지르코니아의 강도를 개선하기 위하여 산소 이온전도성은 낮으나 기계적 강도가 우수한 3㏖％의 이트리아(Y2O3)가 첨가된 이트리아 안정화 지르코니아를 일정한 성분비로 구성한다.
또한, 본 발명은 우수한 강도와 산소 이온전도성을 갖는 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체를 연료극층 또는 연료극층의 지지체층으로 채용한 고체산화물 연료전지를 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 금속 산화물-지르코니아 복합체에 관한 것으로 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 25중량％ 내지 75중량％ 및 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 75중량％ 내지 25중량％를 포함한다.
또한, 상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 상기 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 45중량％ 내지 55중량％ 및 상기 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 55중량％ 내지 45중량％로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 금속 산화물이 니켈 산화물 또는 구리산화물인 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은 상기 금속 산화물-지르코니아 복합체를 포함하는 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 연료가스와 유체소통하되, 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 25중량％ 내지 75중량％ 및 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 75중량％ 내지 25중량％로 구성된 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체를 포함하는 연료극층, 상기 연료극층 상에 형성되는 전해질층 및 상기 전해질층 상에 형성되며 산소가스와 유체소통하는 공기극층을 포함한다.
또한, 상기 연료극층의 상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 상기 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 45중량％ 내지 55중량％ 및 상기 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 55중량％ 내지 45중량％로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료극층의 상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 금속 산화물이 니켈 산화물 또는 구리산화물인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료극층은 지지체층 및 상기 지지체층 상에 형성되며 상기 전해질층에 접촉하는 기능층을 포함하며, 상기 지지체층은 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 25중량％ 내지 75중량％ 및 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 75중량％ 내지 25중량％로 구성된 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체로 구성되며, 상기 기능층은 금속 산화물-이트리아가 안정화 지르코니아로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지체층의 상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 상기 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 45중량％ 내지 55중량％ 및 상기 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 55중량％ 내지 45중량％로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 기공율 및 산소 이온전도성이 우수하고, 슬림하면서 강도가 뛰어나다.
또한, 본 발명에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체를 연료극층 또는 연료극층의 지지체층으로 채용한 고체산화물 연료전지는 동일한 강도를 갖더라도 슬림한 구성이 가능하며, 연료전지를 장기간 사용하더라도 산소 이온전도성을 유지하면서, 연료극층의 강도를 유지할 수 있어 고체산화물 연료전지의 기계적 수명이 연장된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체의 SEM 이미지이다.
도 4는 이트리아 안정화 지르코니아 복합체의 이트리아 몰％에 따른 밴딩 강도를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체에 있어서, 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체와 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체의 중량％에 따른 밴딩 강도를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체에 있어서, 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체와 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체의 중량％에 따른 파괴 인성을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체를 연료극층으로 채용한 고체산화물 연료전지를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체를 연료극층의 지지체층으로 채용한 고체산화물 연료전지를 간략하게 도시한 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체의 SEM 이미지이다.
이하, 이를 참조하여 본 발명의 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정된 지르코니아 복합체를 25중량％ 내지 75중량％ 포함하고, 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정된 지르코니아 복합체를 75중량％ 내지 25중량％ 포함한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아(이하, MO-3YSZ)와 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아(이하, MO-8YSZ)가 소정의 중량비를 갖는다. 도 1에 도시된 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 MO-3YSZ와 MO-8YSZ가 75중량％ : 25중량％의 중량비를 갖고, 도 2 및 도 3은 각각 50중량％ : 50중량％, 25중량％ : 75중량％의 중량비를 갖는다.
도 1에는 단사정형(monoclinic phase)의 MO-3YSZ가 많은 비율을 차지하고 있고, 입방정형(cubic phase)의 MO-8YSZ는 적은 비율로 형성되어 있다. 또한, 도 2 및 도 3으로 갈수록 입방정형(cubic phase)의 MO-8YSZ 비율이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 고체산화물 연료전지의 연료극층 또는 연료극층의 지지체층(이하, 연료극)으로 채용될 수 있다.
특히, 연료극 지지체형 고체산화물 연료전지에 채용되는 경우 연료극층은 다층구조 단전지의 지지체 역할을 해야 하기에 기계적인 물성을 갖춰야 하며, 동시에 연료의 산화반응을 위한 전기 화학적인 물성을 만족시켜야 한다. 또한, 전기전도성이나 가스투과성이 우수해야 하며, 연료의 산화반응시 생성되는 수증기를 원활하게 배출시켜야 하기 때문에 기공을 포함하는 다공성 구조를 가져야 한다. 본 발명의 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아와 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아가 소정의 중량비를 가져 상기와 갖은 특징을 만족시킨다.
본 발명에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 먼저 금속 산화물(MO)과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)로 구성된다.
금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 다공성 구조를 갖는데, 금속 산화물(MO)은 연료에 대해 촉매 활성과 전자전도성을 갖고, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)는 산화물로서 이온전도성을 갖는다. 이때, 금속 산화물은 전이금속 산화물을 채용하는 것이 바람직하며, 특히 전자전도성이 높은 니켈 산화물 또는 구리 산화물을 채용하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 복합체에서 금속 산화물(MO)과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 조성중량비는 기계적 강도, 열팽창계수, 전기전도성과 가스투과성를 고려하여 조절될 수 있다. 예를 들면, 금속 산화물(MO)과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 중량비는 70중량％ : 30중량％ 내지 50중량％ : 50중량％를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 금속산화물(MO)과 이트리아 안정화 지르코니아의 중량비가 동일(또는 대등한 중량비를 가짐)하지만 이트리아 안정화 지르코니아(이하, YSZ)에 첨가된 이트리아(Y2O3)의 몰％가 다른 2개의 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아(MO-YSZ)의 복합체이다.
이러한 2개의 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아(MO-YSZ)는 각각 3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아(이하, 3YSZ)와 8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아(이하, 8YSZ)를 채용한다.
즉, 본 발명에 따른 복합체는 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아(이하, MO-3YSZ)와 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아(이하, MO-8YSZ)의 복합체이다.
한편, YSZ의 산소 이온전도성은 산소 공공(empty hole) 농도에 기인하며, 강도는 YSZ에 첨가된 이트리아의 몰％의 변화에 따라 발생하는 YSZ의 부피증가에 기인한다. 예를 들면, 단사정형(monoclinic phase)에서 정방정형(tetragonal phase)로 변태 할 때 부피는 약 4.5% 증가하고 강도는 감소한다.
여기서, 도 4를 참조하여 YSZ의 이트리아 몰％에 따른 밴딩 강도에 대해 검토하기로 한다. 도 4에 도시한 것과 같이, 3YSZ와 8YSZ의 중간 조성에서 밴딩 강도가 직선적으로 감소한다는 것을 알 수 있다. 이는 YSZ에 첨가된 이트리아의 함량이 약 4몰％ 내지 6몰％인 경우 t'-form 정방정형 YSZ가 대부분을 구성하기 때문이다.
정방정형(tetragonal phase)의 YSZ는 이트리아의 몰％에 따라 달리 존재하는데, 이트리아의 몰％가 증가함에 따라 t-form, t'-form, t"-form의 형태로 존재한다. t-form은 ‘변태를 할 수 있는’정방정형 YSZ라 불리며 3몰％ 이트리아가 첨가된 YSZ까지 존재하고, t'-form은 ‘변태를 하기 힘든’정방정형 YSZ라 불리며 6.5몰％ 이트리아가 첨가된 YSZ까지 존재하며, t"-form은 입방정형에 가까운 정방정형 YSZ로써 7몰％ 이트리아가 첨가된 YSZ에서 존재한다.
상기와 같이, 넓은 범위에서 정방정형으로 존재하는 YSZ는 강도가 저하된다. 한편, 이트리아가 8몰％ 이하에서는 정방정형(tetragonal phase)과 육방정형(cubic phase)이 혼재하며 8몰％ 이상에서는 육방정형으로 존재한다.
반면에, 이트리아의 몰％가 증가함에 따라 산소 공공(empty hole) 농도가 증가하여 이온전도성은 증가한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 3YSZ를 포함하는 MO-3YSZ가 복합체의 강도를 증가시키고, 8YSZ를 포함하는 MO-8YSZ는 이온전도성을 향상시킨다.
그에 따라, 본 발명의 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 슬림한 두께를 갖더라도 일정수준 이상의 강도를 갖고, 이온전도성은 향상된다.
이때, 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체의 강도와 이온전도성은 3YSZ와 8YSZ의 중량비에 따라 달라지는데, 이는 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체에 있어서, 3YSZ와 8YSZ의 중량％에 따른 밴딩 강도를 도시한 그래프이다(이는 MO-3YSZ와 MO-8YSZ의 밴딩 강도와 그 비율이 매우 유사하다).
3YSZ가 100중량％를 차지하는 경우, 밴딩 강도는 1000㎫이다. 그러나, 8YSZ의 함량이 0％이기 때문에 이온전도성은 매우 빈약하다.
3YSZ이 75 중량％이며, 8YSZ가 25 중량％인 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 상대적으로 강도가 유지되며, 이온전도성이 향상된다. 그리고, 3YSZ이 25 중량％이며, 8YSZ가 75 중량％인 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 8YSZ가 100중량％를 차지하는 경우에 비해 강도는 향상되며, 이온전도성은 대등하게 유지된다.
이때, 3YSZ이 45중량％ 내지 55중량％이며, 8YSZ 55중량％ 내지 45중량％인 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 가장 바람직하다. 이러한 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 3YSZ가 75 중량％이며, 8YSZ가 25 중량％인 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체에 비해 밴딩 강도는 약 50㎫ 감소하는 반면 이온전도성은 매우 향상된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체에 있어서, 3YSZ와 8YSZ의 중량％에 따른 파괴 인성을 도시한 그래프이다(이는 MO-3YSZ와 MO-8YSZ의 파괴 인성과 그 비율이 매우 유사하다).
도 6에 도시된 그래프를 참고하면, 도 5에 도시된 그래프에서 얻은 결과와 매우 유사한 결과를 얻게 된다. 따라서, 이온전도성 대비 파괴 인성 면에서도 3YSZ이 45중량％ 내지 55중량％이며, 8YSZ 55중량％ 내지 45중량％인 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 가장 바람직하다.
상술한 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체의 제조방법에 대해 검토한다. MO-3YSZ와 MO-8YSZ이 소정의 중량비로 혼합된 분말을 지르코니아 자아(jar)에서 에탄올과 함께 24시간 동안 건조한다. 다음, 금형 몰드(예를 들어 바(bar) 형태)에 상기 과정을 거친 혼합분말을 채우고 75MPa 압력의 조건으로 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체의 그린바디(green body)를 제작한다. 그 후 1400℃에서 3시간 동안 소결하면 본 발명에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 제조된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체를 연료극층으로 채용한 고체산화물 연료전지를 간략하게 도시한 단면도이다. 이하, 이를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체산화물 연료전지를 설명한다.
도 7에 도시된 것과 같이, 고체산화물 연료전지(1)는 연료가스와 유체소통하는 연료극층(10), 전해질층(20), 산소가스와 유체소통하는 공기극층(30)을 포함한다.
연료극층(10)은 도 1 내지 도 6을 참조하여 상술한 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 채용된다. 상기 복합체를 채용하면, 이온전도성은 유지하면서, 강도를 향상시켜 고체산화물 연료전지를 장기간 사용하더라도 연료극층(10)의 불량을 방지할 수 있고, 고체산화물 연료전지에 포함된 단위셀의 두께를 감소시킬 수 있다. 특히, 연료극 지지체형 고체산화물 연료전지에 적합하다.
여기서, 전해질층(20)은 연료극층(10) 상에 형성된다. 전해질층(10)은 고체 산화물 전해질층으로 수용액이나 용융염과 같은 액체 전해질에 비하여 이온 전도율이 낮으므로 저항 분극으로 인한 전압 강하를 적게하기 때문에 가급적이면 얇게 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 전해질층(20)의 재료는 일반적으로 연료극층(10)에 사용되는 이온전도성 산화물과 동일한 소재가 채용될 수 있고, 8YSZ가 채용되는 것이 바람직하며, 사마리움(Sm) 또는 가돌리움(Gd)이 첨가된 세리아(Ceria)가 채용될수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
그리고, 공기극층(30)은 전해질층(20) 상에 형성되며, 산소가스와 유체소통한다. 일반적으로 공기극층(30)은 페롭스카이트 구조(ABO3, A=희토류 및 알카리토류 금속, B=전이금속, O=산소)를 갖는 스트론튬(Sr)이 첨가된 란탄(La) 망간(Mn) 옥사이드(La1-xSrxMnO3 : 이하 LSM이라고 약칭) 또는 LSM/YSZ 복합체가 채용될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지(1)는 상술한 연료극층(10), 전해질층(20), 및 공기극층(30)을 포함하되, 평판형, 원통형 등 다양한 형태로 제작될 수 있고, 특정한 형태의 연료전지에 한정되지 아니한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체를 연료극층의 지지체층으로 채용한 고체산화물 연료전지를 간략하게 도시한 단면도이다. 이하, 이를 참조하여 고체산화물 연료전지를 설명하기로 한다. 다만, 도 7에서 설명한 구성요소와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략한다.
도 8에 도시된 고체산화물 연료전지(1')는 연료극층(10)이 지지체층(10-1)과 기능성층(10-2)을 포함한다.
지지체층(10-1)은 예를 들어, 다층구조 단전지에서 지지체 역할을 해야하기 때문에 기계적 물성을 갖추어야하며 연료의 산화반응을 위한 전기 화학적물성을 만족시켜야 한다. 따라서, 지지체층(10-1)은 도 1 내지 도 6을 참조하여 상술한 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 채용된다.
기능층(10-2)은 지지체층(10-1) 상에 형성되며 상기 전해질층(20)에 접촉한다. 즉, 기능층(10-2)은 지지체층(10-1)과 전해질층(20) 사이에 형성된다. 기능층(10-2)은 금속 산화물-이트리아가 안정화 지르코니아가 채용될 수 있고, 특히 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아(8YSZ)가 채용되는 것이 바람직하다.
연료극층(10)을 구성하는 지지체층(10-1)과 기능층(10-2)은 역할을 분담하고 상호보완하는데, 전기화학적 활성은 떨어지더라도 기체투과성이 향상된 기공율을 갖는 지지체층(10-1)을 채용하여 이온을 전해질층 가까이에 빠르게 이동시키고, 지지체층에서 감소된 전기화학적인 활성을 확보하기 위해 지지체층(10-1)과 전해질층(20) 사이에 기능층(10-2)을 채용하여 전해질층(20)과의 활성을 향상시킨다.
한편 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
100-1, 100-2, 100-3 : 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체
1, 1' : 고체산화물 연료전지 10 : 연료극층
10-1 : 지지체층 10-2 : 기능층
20 : 전해질층 30 : 공기극층

Claims (8)

  1. 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 25중량％ 내지 75중량％; 및
    금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 75중량％ 내지 25중량％;
    를 포함하는 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 상기 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 45중량％ 내지 55중량％ 및 상기 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 55중량％ 내지 45중량％로 구성된 것을 특징으로 하는 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 금속 산화물이 니켈 산화물 또는 구리산화물인 것을 특징으로 하는 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체.
  4. 연료가스와 유체소통하되, 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 25중량％ 내지 75중량％ 및 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 75중량％ 내지 25중량％로 구성된 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체를 포함하는 연료극층;
    상기 연료극층 상에 형성되는 전해질층; 및
    상기 전해질층 상에 형성되며, 산소가스와 유체소통하는 공기극층;
    을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료극층의 상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 상기 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 45중량％ 내지 55중량％ 및 상기 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 55중량％ 내지 45중량％로 구성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료극층의 상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 금속 산화물이 니켈 산화물 또는 구리산화물인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료극층은 지지체층 및 상기 지지체층 상에 형성되며 상기 전해질층에 접촉하는 기능층을 포함하며,
    상기 지지체층은 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 25중량％ 내지 75중량％ 및 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 75중량％ 내지 25중량％로 구성된 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체로 구성되며,
    상기 기능층은 금속 산화물-이트리아가 안정화 지르코니아로 구성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 지지체층의 상기 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체는 상기 금속 산화물-3몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체가 45중량％ 내지 55중량％ 및 상기 금속 산화물-8몰％ 이트리아 안정화 지르코니아 복합체 55중량％ 내지 45중량％로 구성된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
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