KR20130055939A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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류한일
이태원
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서울대학교산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A solid oxide fuel cell is provided to form a thin and dense zirconia-based electrolyte on a ceria-based electrolyte membrane and to expand electrolyte region without degrading ion conductivity, thereby improving performance of the solid oxide fuel cell. CONSTITUTION: A solid oxide fuel cell(1) comprises a negative electrode(10); a first electrolyte membrane(20) on the negative electrode; a second electrolyte membrane(30) which is located on the first electrolyte membrane and is thin; and a positive electrode(40) located in the second electrolyte membrane. The thickness ratio of the second electrolyte membrane to the first electrolyte membrane is determined by average ion conductivity and ion transportability of the membranes. The ion transportability is 0.9 or more. The average ion conductivity is 90% or more of the first electrolyte membrane.

Description

고체산화물 연료전지{SOLID OXIDE FUEL CELL}Solid Oxide Fuel Cell {SOLID OXIDE FUEL CELL}

본 발명은 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell.

일반적으로 고체산화물 연료전지는 연료극, 공기극, 및 그 사이의 전해질막으로 구성된다. 상기 전해질막으로 이온전도도가 높은 세리아계 전해질막이 제안되고 있으나, 상기 세리아계 전해질막은 연료극의 산소 분압이 전해질 영역을 벗어나기 때문에 열린 회로 기전력이 작게 나타나는 문제가 있다.In general, a solid oxide fuel cell includes a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane therebetween. Although a ceria-based electrolyte membrane having high ion conductivity has been proposed as the electrolyte membrane, the ceria-based electrolyte membrane has a problem in that open circuit electromotive force is small because the oxygen partial pressure of the anode is out of the electrolyte region.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 성능이 향상된 고체산화물 연료전지를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a solid oxide fuel cell with improved performance.

본 발명의 실시예들에 따른 고체산화물 연료전지는, 음극, 상기 음극 위에 배치되는 제1 전해질막, 상기 제1 전해질막 위에 배치되고, 상기 제1 전해질막보다 얇은 두께를 갖는 제2 전해질막, 및 상기 제2 전해질막 위에 배치되는 양극을 포함한다.A solid oxide fuel cell according to embodiments of the present invention includes a cathode, a first electrolyte membrane disposed on the cathode, a second electrolyte membrane disposed on the first electrolyte membrane, and having a thickness thinner than that of the first electrolyte membrane, And an anode disposed on the second electrolyte membrane.

상기 제1 전해질막 대 상기 제2 전해질막의 두께 비는 상기 제1 및 제2 전해질막들의 평균 이온나름수와 평균 이온전도도에 의해 결정될 수 있다. 상기 평균 이온나름수는 0.9 이상일 수 있고, 상기 평균 이온전도도는 상기 제1 전해질막의 이온전도도의 90% 이상일 수 있다. 상기 제1 전해질막 대 상기 제2 전해질막의 두께 비의 하한은 상기 평균 이온나름수에 의해 결정될 수 있고, 상기 두께 비의 상한은 상기 평균 이온나름수에 의해 결정될 수 있다. The thickness ratio of the first electrolyte membrane to the second electrolyte membrane may be determined by the average number of ions and the average ion conductivity of the first and second electrolyte membranes. The average ion number may be 0.9 or more, and the average ion conductivity may be 90% or more of the ion conductivity of the first electrolyte membrane. The lower limit of the thickness ratio of the first electrolyte membrane to the second electrolyte membrane may be determined by the average ion number, and the upper limit of the thickness ratio may be determined by the average ion number.

상기 두께 비는 800 ~ 1000℃에서 1:8.6×10-5 ~ 1:0.22일 수 있다. 상기 두께 비는, 800℃에서 1:8.6×10-5 ~ 1:9.5×10-2이고, 900℃에서 1:3.0×10-4 ~ 1:0.14이며, 1000℃에서 1:1.0×10-3 ~ 1:0.22일 수 있다. 상기 두께 비는 1:1.0×10-3일 수 있다.The thickness ratio may be 1: 8.6 × 10 −5 to 1: 0.22 at 800 to 1000 ° C. The thickness ratio is 1 eseo 800 ℃: 8.6 × 10 -5 ~ 1: 9.5 × 10 -2 and 1 eseo 900 ℃: 3.0 × 10 -4 ~ 1: 0.14 , and 1 eseo 1000 ℃: 1.0 × 10 - 3 to 1: 0.22. The thickness ratio may be 1: 1.0 × 10 −3 .

상기 제1 전해질막은 세리아계 전해질막이고, 상기 제2 전해질막은 지르코니아계 전해질막일 수 있다.The first electrolyte membrane may be a ceria-based electrolyte membrane, and the second electrolyte membrane may be a zirconia-based electrolyte membrane.

상기 세리아계 전해질막은, Ce1 - xM1 xO2 -x/2의 화학식을 갖고, 상기 지르코니아계 전해질막은, Zr1 - xM2 xO2 -x/2의 화학식을 가질 수 있으며, 상기 화학식에서, M1은 Gd, Sm, Tb, 또는 Y이고, M2는 Y 또는 Sc일 수 있다. The ceria-based electrolyte membrane may have a chemical formula of Ce 1 - x M 1 x O 2 -x / 2 , and the zirconia-based electrolyte membrane may have a chemical formula of Zr 1 - x M 2 x O 2 -x / 2 , In the above formula, M 1 may be Gd, Sm, Tb, or Y, and M 2 may be Y or Sc.

상기 제1 전해질막은 GDC(Gd-Doped Ceria), SDC(Sm-Doped Ceria), 및 YDB(Y-Doped Bismuth oxide) 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 제2 전해질막은 YSZ(Yittria Stablized Zirconia)를 포함할 수 있다.The first electrolyte membrane may include at least one selected from Gd (Doped Ceria), SDC (Sm-Doped Ceria), and Y-Doped Bismuth oxide (YDB), and the second electrolyte membrane may be Yittria Stablized Zirconia (YSZ). ) May be included.

상기 음극과 상기 양극은 다공성 구조를 가질 수 있고, 상기 제1 전해질막과 상기 제2 전해질막은 치밀한 구조를 가질 수 있다.The negative electrode and the positive electrode may have a porous structure, and the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane may have a dense structure.

본 발명의 실시예들에 따르면, 세리아계 전해질막 위의 양극 쪽에 지르코니아계 전해질막을 치밀하고 얇게 형성함으로써 이온전도도가 저하되지 않으면서 전해질 영역이 확장되어 고체산화물 연료전지의 성능이 향상될 수 있다.According to embodiments of the present invention, by forming a dense and thin zirconia-based electrolyte membrane on the anode side of the ceria-based electrolyte membrane, the electrolyte region may be expanded without deteriorating ion conductivity, thereby improving performance of the solid oxide fuel cell.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 고체산화물 연료전지를 나타낸다.
도 2는 산소이온 전해질 영역에서 산소 분압에 대한 이온 나름수와 전도도의 관계를 나타낸다.
도 3은 지르코니아계 및 세리아계 산소이온 전해질 영역을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 전해질막을 나타낸다.
도 5는 YSZ막 대 GDC막의 두께 비에 따른 계면에서의 산소분압을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6c는 YSZ막 대 GDC막의 두께 비에 따른 이중 전해질막의 평균 이온나름수를 나타낸다.
도 7a 내지 도 7c는 YSZ막 대 GDC막의 두께 비에 따른 이중 전해질막의 평균 이온전도도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 전해질막의 XRD를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 전해질막의 SEM사진을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 전해질막의 산소 분압에 따른 전기전도도를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 전해질막, GDC 단일막, 및 YSZ 단일막의 산소 분압에 따른 전자전도도를 나타낸다.
도 12는 전자전도도와 이온전도도가 같아지는 산소 분압을 결정하는 방법을 나타낸다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 전해질막과 GDC 단일막, YSZ 단일막의 전해질 영역을 비교한 것을 나타낸다.
1 illustrates a solid oxide fuel cell according to embodiments of the present invention.
Figure 2 shows the relationship between the ion number and conductivity for the oxygen partial pressure in the oxygen ion electrolyte region.
3 shows the zirconia-based and ceria-based oxygen ion electrolyte regions.
4 shows a double electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
5 shows the oxygen partial pressure at the interface according to the thickness ratio of the YSZ film to the GDC film.
6A to 6C show the average ion number of the double electrolyte membrane according to the thickness ratio of the YSZ membrane to the GDC membrane.
7A to 7C show average ion conductivity of the double electrolyte membrane according to the thickness ratio of the YSZ membrane to the GDC membrane.
8 shows XRD of a double electrolyte membrane prepared according to an embodiment of the present invention.
9 is a SEM photograph of a double electrolyte membrane prepared according to an embodiment of the present invention.
10 shows the electrical conductivity according to the oxygen partial pressure of the double electrolyte membrane prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 shows electron conductivity according to oxygen partial pressure of a double electrolyte membrane, a GDC single membrane, and an YSZ single membrane prepared according to an embodiment of the present invention.
12 shows a method for determining the oxygen partial pressure at which the electron conductivity and the ion conductivity are the same.
13 and 14 illustrate a comparison between electrolyte regions of a double electrolyte membrane prepared according to an embodiment of the present invention, a GDC single membrane, and an YSZ single membrane.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The objects, features and advantages of the present invention will be easily understood by the following embodiments. The present invention is not limited to the embodiments described herein, but may be embodied in other forms. The embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure may be thorough and complete, and that those skilled in the art will be able to convey the spirit of the invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

어떤 층이 다른 층 또는 다른 요소 위에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 다른 요소 위에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 도면들에서, 층 또는 영역들의 두께 등은 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.When it is mentioned that a layer is on another layer or another element, it means that it can be formed directly on another layer or another element or a third layer can be interposed therebetween. In the drawings, the thickness of layers or regions may be exaggerated for clarity. In the drawings, the size of elements, or the relative sizes between elements, may be somewhat exaggerated for a clearer understanding of the present invention. In addition, the shape of the elements shown in the drawings may be somewhat changed by variations in the manufacturing process. Accordingly, the embodiments disclosed herein are not to be limited to the shapes shown in the drawings unless specifically stated, it should be understood to include some modification.

본 명세서에서 사용된 "치밀하다"는 용어는 박막에 있어서 상기 박막의 밀도가 그 이론 밀도값의 95% 이상인 경우를 나타낼 수 있으며, 가스를 밀폐시킬 수 있는 밀도를 갖는 박막의 구조를 나타낼 수 있다.
As used herein, the term " dense " may refer to a case in which the density of the thin film in the thin film is 95% or more of the theoretical density value, and may indicate a structure of the thin film having a density capable of sealing gas. .

<고체산화물 연료전지><Solid Oxide Fuel Cell>

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 고체산화물 연료전지를 나타낸다.1 illustrates a solid oxide fuel cell according to embodiments of the present invention.

도 1을 참조하면, 고체산화물 연료전지(1)는 음극(10), 제1 전해질막(20), 제2 전해질막(30), 및 양극(40)을 포함한다. 음극(10) 위에 제1 전해질막(20)이 배치되고, 제1 전해질막(20) 위에 제2 전해질막(30)이 배치되며, 제2 전해질막(30) 위에 양극(40)이 배치된다.Referring to FIG. 1, the solid oxide fuel cell 1 includes a cathode 10, a first electrolyte membrane 20, a second electrolyte membrane 30, and an anode 40. The first electrolyte membrane 20 is disposed on the cathode 10, the second electrolyte membrane 30 is disposed on the first electrolyte membrane 20, and the anode 40 is disposed on the second electrolyte membrane 30. .

음극(10)은 산화 반응을 일으켜 전자를 내놓는 전극으로 연료극으로 호칭될 수 있다. 음극(10)에는 산화될 수 있는 연료, 예를 들어 수소, 탄화수소, 알코올 등이 제공될 수 있다. 음극(10)은 다공성 구조를 가질 수 있고, Ni-Zr1-xYxO2-x/2, Ni-Ce1-xGdxO2-x/2 등을 포함할 수 있다.The cathode 10 may be referred to as a fuel electrode as an electrode that generates an oxidation reaction and emits electrons. Cathode 10 may be provided with a fuel that can be oxidized, such as hydrogen, hydrocarbons, alcohols, and the like. The negative electrode 10 may have a porous structure, and may include Ni—Zr 1-x Y x O 2-x / 2 , Ni-Ce 1-x Gd x O 2-x / 2 , and the like.

제1 전해질막(20)은 치밀한 구조를 갖는 세리아계 전해질막일 수 있다. 상기 세리아계 전해질막은 Ce1 - xM1 xO2 -x/2의 화학식을 가질 수 있고, 상기 화학식에서, M1은 Gd, Sm, Tb, 또는 Y일 수 있다. 제1 전해질막(20)은 GDC(Gd-Doped Ceria), SDC(Sm-Doped Ceria), 및 YDB(Y-Doped Bismuth oxide) 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.The first electrolyte membrane 20 may be a ceria-based electrolyte membrane having a dense structure. The ceria-based electrolyte membrane may have a chemical formula of Ce 1 - x M 1 x O 2 -x / 2 , in which M 1 may be Gd, Sm, Tb, or Y. The first electrolyte membrane 20 may include one or more selected from Gd-Doped Ceria (GDC), Sm-Doped Ceria (SDC), and Y-Doped Bismuth oxide (YDB).

제2 전해질막(30)은 치밀한 구조를 갖는 지르코니아계 전해질막일 수 있다. 상기 지르코니아계 전해질막은, Zr1 - xM2 xO2 -x/2의 화학식을 가질 수 있으며, 상기 화학식에서 M2는 Y 또는 Sc일 수 있다. 제2 전해질막(30)은 YSZ(Yittria Stablized Zirconia)를 포함할 수 있다.The second electrolyte membrane 30 may be a zirconia-based electrolyte membrane having a dense structure. The zirconia-based electrolyte membrane may have a chemical formula of Zr 1 - x M 2 x O 2- x / 2 , in which M 2 may be Y or Sc. The second electrolyte membrane 30 may include Yttria Stablized Zirconia (YSZ).

제2 전해질막(30)의 두께(Lz)는 제1 전해질막(20)의 두께(Lc)보다 얇다. 제1 전해질막(20) 대 제2 전해질막(30)의 두께 비(Lz/Lc)는 제1 및 제2 전해질막들(20, 30)의 평균 이온나름수와 평균 이온전도도에 의해 결정될 수 있다. 제1 전해질막(20) 대 상기 제2 전해질막(30)의 두께 비(Lz/Lc)의 하한은 상기 평균 이온나름수에 의해 결정될 수 있고, 바람직하게 상기 평균 이온나름수는 0.9 이상일 수 있다. 두께 비(Lz/Lc)의 상한은 상기 평균 이온나름수에 의해 결정될 수 있고, 바람직하게 상기 평균 이온전도도는 제1 전해질막(20)의 이온전도도의 90% 이상일 수 있다. 상기 두께 비(Lz/Lc)는 800 ~ 1000℃에서 1:8.6×10-5 ~ 1:0.22일 수 있다. 예를 들어, 상기 두께 비는, 800℃에서 1:8.6×10-5 ~ 1:9.5×10-2이고, 900℃에서 1:3.0×10-4 ~ 1:0.14이며, 1000℃에서 1:1.0×10-3 ~ 1:0.22일 수 있다. 바람직하게, 상기 두께 비는 1:1.0×10-3일 수 있다.The thickness Lz of the second electrolyte membrane 30 is thinner than the thickness Lc of the first electrolyte membrane 20. The thickness ratio Lz / Lc of the first electrolyte membrane 20 to the second electrolyte membrane 30 may be determined by the average number of ions and the average ion conductivity of the first and second electrolyte membranes 20 and 30. have. The lower limit of the thickness ratio Lz / Lc of the first electrolyte membrane 20 to the second electrolyte membrane 30 may be determined by the average ion number, and preferably, the average ion number may be 0.9 or more. . The upper limit of the thickness ratio Lz / Lc may be determined by the average ion number, and preferably, the average ion conductivity may be 90% or more of the ion conductivity of the first electrolyte membrane 20. The thickness ratio Lz / Lc may be 1: 8.6 × 10 −5 to 1: 0.22 at 800 to 1000 ° C. For example, the thickness ratio is 1: 8.6 × 10 −5 to 1: 9.5 × 10 −2 at 800 ° C., 1: 3.0 × 10 −4 to 1: 0.14 at 900 ° C., and 1: 1 at 1000 ° C. 1.0 × 10 −3 to 1: 0.22. Preferably, the thickness ratio may be 1: 1.0 × 10 −3 .

양극(40)은 환원 반응을 일으켜 전자를 받아들이는 전극으로 공기극으로 호칭될 수 있다. 양극(10)에는 산화제, 예를 들어 공기 등이 제공될 수 있다. 양극(40)은 다공성 구조를 가질 수 있고, La1 - xSrxMnO3, La1 - xSrxCo1 - yFeyO3 등을 포함할 수 있다.
The anode 40 may be referred to as an air electrode as an electrode which receives a electron by causing a reduction reaction. The anode 10 may be provided with an oxidizing agent, for example air. A positive electrode 40 may have a porous structure, La 1 -, and the like y FeyO 3 - x Sr x MnO 3, La 1 - x Sr x Co 1.

산소이온 전해질 영역Oxygen ion electrolyte area

도 2는 산소이온 전해질 영역에서 산소 분압에 대한 이온 나름수와 전도도의 관계를 나타낸다. Figure 2 shows the relationship between the ion number and conductivity for the oxygen partial pressure in the oxygen ion electrolyte region.

도 2를 참조하면, 산소이온 전해질 영역에서 산소 분압에 대한 이온나름수(tion)와 열린 회로 기전력(OCV: Open Circuit Voltage)은 각각 수학식 1 및 2로 표현될 수 있다.
Referring to FIG. 2, the ion number of the oxygen partial pressure and the open circuit electromotive force (OCV) in the oxygen ion electrolyte region may be represented by Equations 1 and 2, respectively.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001

Figure pat00001

상기 수학식 1에서, σi는 이온전도도를 나타내고, σe는 전자전도도(전자 또는 정공에 의한 전도도)를 나타낸다.In Equation 1, sigma i represents ion conductivity and sigma e represents electron conductivity (conductivity by electrons or holes).

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure pat00002

Figure pat00002

전자에 의한 전도도와 이온전도도가 같아지는 산소분압은 Pn, 정공에 의한 전도도와 이온전도도가 같아지는 산소분압을 Pp은 정의되고, 상기 Pn, Pp에서 이온나름수(tion)는 0.5가 된다. 정공에 의한 전해질 영역이 넓을수록 평균 이온나름수는 1에 가깝게 되고 전해질 영역이 좁을수록 평균 이온나름수가 1보다 작아지게 된다. 일반적으로, 고체산화물 연료전지용 전해질의 경우 공기극에서는 이온나름수가 1이고, 연료극에서는 금속 환원 등에 의한 전자전도도의 증가로 이온나름수가 1보다 작아지게 된다. 이와 같이, 평균 이온나름수가 1보다 작아지게 되면 열린 회로 기전력이 감소된다. 고체전해질의 이온전도도는 고체산화물 연료전지의 이온 전류의 크기에 정비례하므로, 고체산화물 연료전지는 전해질 영역이 넓을수록 그리고 이온전도도의 크기가 클수록 우수한 성능을 가지게 된다.
The oxygen partial pressure at which the electron conductivity and the ion conductivity are the same is Pn, and Pp is the oxygen partial pressure at which the electron conductivity and the ion conductivity are the same, and the ion number (t ion ) is 0.5 at the Pn and Pp. The wider the area of the electrolyte by holes, the closer the average ion number is to 1, and the narrower the area of the electrolyte, the smaller the average ion number is. In general, in the case of an electrolyte for a solid oxide fuel cell, the number of ions in the air electrode is 1, and the number of ions in the fuel electrode is smaller than 1 due to an increase in electron conductivity due to metal reduction. In this manner, when the average number of ion numbers becomes smaller than 1, the open circuit electromotive force is reduced. Since the ion conductivity of the solid electrolyte is directly proportional to the magnitude of the ion current of the solid oxide fuel cell, the solid oxide fuel cell has excellent performance as the electrolyte region and the size of the ion conductivity are larger.

지르코니아계Zirconia  And 세리아계Ceria 산소이온 전해질 영역 Oxygen ion electrolyte area

도 3은 지르코니아계 및 세리아계 산소이온 전해질 영역을 나타낸다. 도 3에는 지르코니아계 산소이온 전해질 영역과 세리아계 산소이온 전해질 영역의 전기전도도와 고체산화물 연료전지의 구동조건 하에서 연료극(fuel로 표기)과 공기극(air로 표기)에서의 산소분압이 나타나 있다.3 shows the zirconia-based and ceria-based oxygen ion electrolyte regions. FIG. 3 shows the electrical conductivity of the zirconia-based oxygen ion electrolyte region and the ceria-based oxygen ion electrolyte region and the oxygen partial pressure at the fuel electrode (expressed as fuel) and the air electrode (expressed as air) under the driving conditions of the solid oxide fuel cell.

도 3을 참조하면, 지르코니아계 산소이온 전해질 영역의 경우 연료극과 공기극의 산소분압이 전해질 영역 안에 위치하므로 이상적인 값과 비교하여 열린 회로 기전력의 감소가 없다. 그리나 세리아계 산소이온 전해질 영역의 경우 연료극의 산소분압이 전해질 영역을 벗어나므로 열린 회로 기전력이 이상적인 값에 비해 작게 나타난다. 한편, 이온전도도의 경우 세리아계 전해질이 지르코니아계 전해질보다 수 배 이상 높은 것으로 알려져 있다.
Referring to FIG. 3, in the case of the zirconia-based oxygen ion electrolyte region, since the oxygen partial pressures of the anode and the cathode are located in the electrolyte region, there is no reduction in open circuit electromotive force compared to the ideal value. However, in the case of the ceria-based oxygen ion electrolyte region, since the partial pressure of oxygen of the anode is out of the electrolyte region, the open circuit electromotive force appears smaller than the ideal value. On the other hand, in the case of ion conductivity, ceria-based electrolytes are known to be several times higher than zirconia-based electrolytes.

본 발명의 The 실시예들에In embodiments 따른 전해질 영역 According to the electrolyte area

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질막을 나타낸다. 4 shows an electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 상기 전해질막은 연료극(도 1의 10)에 접하는 GDC막과 공기극(도 1의 40)에 접하는 YSZ막의 이중 전해질막으로 구성될 수 있다. Lc는 GDC막의 두께를 나타내고, Lz는 YSZ막의 두께를 나타낸다. 이중 전해질막 대 GDC막의 두께 비가 t라면 YSZ막 대 GDC막의 두께 비(Lz/Lc)는 (1-t)/t로 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 4, the electrolyte membrane may include a double electrolyte membrane of a GDC membrane in contact with the anode (10 in FIG. 1) and an YSZ membrane in contact with the cathode (40 in FIG. 1). Lc represents the thickness of the GDC film, and Lz represents the thickness of the YSZ film. If the thickness ratio of the double electrolyte membrane to the GDC membrane is t, the thickness ratio Lz / Lc of the YSZ membrane to the GDC membrane may be represented by (1-t) / t.

상기 이중 전해질막에서는 정상상태에서 단위시간당 각 막을 통과하는 산소의 양이 같아야 하므로 하기 수학식 3을 만족한다.
In the double electrolyte membrane, the amount of oxygen passing through each membrane per unit time in the steady state is equal to the following Equation 3.

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure pat00003

Figure pat00003

연료극의 산소분압을 Po2', GDC막과 YSZ막의 계면에서의 산소분압을 Po2'', 공기극의 산소분압을 Po2'''로 두면, 상기 수학식 3으로부터 하기 수학식 4가 도출될 수 있다.If the oxygen partial pressure of the anode is Po 2 ′, the oxygen partial pressure at the interface between the GDC film and the YSZ film is Po 2 '', and the oxygen partial pressure of the air electrode is Po 2 '', the following Equation 4 Can be.

[수학식 4]&Quot; (4) &quot;

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 수학식 4에서 ln(Po2/Po2 *)을 x로 두고 정리하면, 하기 수학식 5가 도출될 수 있다. 상기 Po2 *는 전자에 의한 전자전도도와 정공에 의한 전자전도도가 같아지는 산소분압을 나타낸다.
If ln (Po 2 / Po 2 * ) is arranged as x in Equation 4, Equation 5 may be derived. Po 2 * denotes an oxygen partial pressure in which electron conductivity by electrons and electron conductivity by holes are the same.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00005

Figure pat00005

상기 수학식 5에서 아래첨자 C는 GDC를, Z는 YSZ를 나타내고, σel ,m은 Po2 *에서의 전자 또는 정공에 의한 전자전도도를 나타낸다.
In Equation 5, the subscript C represents GDC, Z represents YSZ, and σ el and m represent electron conductivity by electrons or holes in Po 2 * .

도 5는 YSZ막 대 GDC막의 두께 비에 따른 계면에서의 산소분압을 나타낸다.5 shows the oxygen partial pressure at the interface according to the thickness ratio of the YSZ film to the GDC film.

도 5를 참조하면, 상기 수학식 3 내지 5로부터 800, 900, 및 1000℃에서 YSZ막 대 GDC막의 두께 비(Lz/Lc)에 따른 계면에서의 산소분압이 계산될 수 있다.
Referring to FIG. 5, the partial pressure of oxygen at the interface according to the thickness ratio Lz / Lc of the YSZ film to the GDC film at 800, 900, and 1000 ° C. can be calculated from Equations 3 to 5 above.

도 5를 이용하여 YSZ막 대 GDC막의 두께 비(Lz/Lc)에 따른 이중 전해질막의 평균 이온나름수(tion bilayer)를 계산할 수 있으며, 하기 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
The average ion number t ion bilayer of the double electrolyte membrane according to the thickness ratio Lz / Lc of the YSZ membrane to the GDC membrane may be calculated using FIG. 5, and may be represented by Equation 6 below.

[수학식 6]&Quot; (6) &quot;

Figure pat00006

Figure pat00006

도 6a 내지 도 6c는 상기 수학식 6에 의해 계산된 평균 이온나름수를 나타낸다. 도 6a는 800℃에서 YSZ막 대 GDC막의 두께 비에 따른 이중 전해질막의 평균 이온나름수를 나타내고, 도 6b는 900℃에서 YSZ막 대 GDC막의 두께 비에 따른 이중 전해질막의 평균 이온나름수를 나타내며, 도 6c는 1000℃에서 YSZ막 대 GDC막의 두께 비에 따른 이중 전해질막의 평균 이온나름수를 나타낸다.6A to 6C show average ion counts calculated by Equation 6 above. Figure 6a shows the average ion number of the double electrolyte membrane in accordance with the thickness ratio of the YSZ membrane to GDC membrane at 800 ℃, Figure 6b shows the average ion number of the double electrolyte membrane in accordance with the thickness ratio of the YSZ membrane to GDC membrane at 900 ℃, 6C shows the average ion number of the double electrolyte membrane according to the thickness ratio of the YSZ membrane to the GDC membrane at 1000 ° C.

도 6a 내지 도 6c를 참조하면, GDC막 위에 GDC막 두께의 1/1000정도의 두께를 갖는 치밀한 YSZ막을 코팅하는 경우 800℃에서 이중 전해질막의 평균 이온나름수가 약 0.99로 나타난다. GDC 단일막의 경우 평균 이온나름수가 0.72인 것과 비교하면 열린 회로 기전력이 35% 이상 향상됨을 알 수 있다. 또, 900℃와 1000℃에서는 이중 전해질막의 평균 이온나름수가 각각 0.96과 0.90으로 GDC 단일막의 평균 이온나름수와 비교하여 열린 회로 기전력이 각각 48%, 61% 향상 될 수 있다.6A to 6C, when a dense YSZ membrane having a thickness of about 1/1000 of the thickness of the GDC membrane is coated on the GDC membrane, the average ion number of the double electrolyte membrane is about 0.99 at 800 ° C. In the case of the GDC single layer, the open circuit electromotive force is improved by more than 35% compared to the average ion number of 0.72. In addition, at 900 ° C. and 1000 ° C., the average ion carry number of the double electrolyte membrane is 0.96 and 0.90, respectively, and the open circuit electromotive force can be improved by 48% and 61%, respectively, compared with the average ion carry number of the GDC single membrane.

이중 전해질막은 전기적으로 GDC막과 YSZ막의 직렬회로로서 이온저항은 직렬연결이고 전도도는 저항의 역에 비례하므로 이중 전해질막의 평균 이온전도도(σi bilayer)는 하기 수학식 7로 나타낼 수 있다.
Since the double electrolyte membrane is an electrically series circuit of the GDC membrane and the YSZ membrane, since the ionic resistance is in series connection and the conductivity is proportional to the inverse of the resistance, the average ion conductivity (σ i bilayer ) of the double electrolyte membrane may be represented by the following equation.

[수학식 7] [Equation 7]

Figure pat00007

Figure pat00007

도 7a 내지 도 7c는 상기 수학식 7에 의해 계산된 평균 이온전도도를 나타낸다. 도 7a는 800℃에서 YSZ막 대 GDC막의 두께 비에 따른 이중 전해질막의 평균 이온전도도를 나타내고, 도 7b는 900℃에서 YSZ막 대 GDC막의 두께 비에 따른 이중 전해질막의 평균 이온전도도를 나타내며, 도 7c는 1000℃에서 YSZ막 대 GDC막의 두께 비에 따른 이중 전해질막의 평균 이온전도도를 나타낸다.7A to 7C show average ion conductivity calculated by Equation (7). FIG. 7A shows the average ion conductivity of the double electrolyte membrane according to the thickness ratio of the YSZ membrane to the GDC membrane at 800 ° C., FIG. 7B shows the average ion conductivity of the double electrolyte membrane according to the thickness ratio of the YSZ membrane to the GDC membrane at 900 ° C., FIG. 7C Shows the average ion conductivity of the double electrolyte membrane according to the thickness ratio of the YSZ membrane to the GDC membrane at 1000 ° C.

도 7a 내지 도 7c를 참조하면, GDC막 위에 GDC막 두께의 1/1000정도의 두께를 갖는 치밀한 YSZ막을 코팅하는 경우 이중 전해질막의 평균 이온전도도는 GDC 단일막의 평균 이온전도도에 비하여 1% 이하로 감소함을 알 수 있다.
7A to 7C, when the dense YSZ film having a thickness of about 1/1000 of the GDC film is coated on the GDC film, the average ion conductivity of the double electrolyte membrane is reduced to 1% or less compared to the average ion conductivity of the GDC film. It can be seen.

상기와 같이, 공기극 쪽의 GDC막 위에 매우 얇고 치밀한 YSZ막을 코팅하는 경우(예를 들어, Lz/Lc=1/1000), GDC 단일막에 비하여 전자전도도가 크게 억제되어 열린 회로 기전력이 크게 향상되고, 이온전도도는 1% 이하로 감소하므로, 이중 전해질막을 포함하는 전해질의 성능이 크게 향상됨을 알 수 있다.
As described above, in the case of coating a very thin and dense YSZ film on the GDC film on the cathode side (for example, Lz / Lc = 1/1000), the electron conductivity is greatly suppressed compared to the GDC single film, and the open circuit electromotive force is greatly improved. Since the ion conductivity is reduced to 1% or less, it can be seen that the performance of the electrolyte including the double electrolyte membrane is greatly improved.

< 고체산화물 연료전지의 제조 ><Fabrication of Solid Oxide Fuel Cells>

다시 도 1을 참조하면, 음극(10) 위에 제1 전해질막(20), 제2 전해질막(30), 및 양극(40)이 형성된다.Referring back to FIG. 1, the first electrolyte membrane 20, the second electrolyte membrane 30, and the anode 40 are formed on the cathode 10.

음극(10)은 박막 형성 공정, 예를 들어 PLD(Pulsed Laser Deposition)법, 스크린 프린트(screen print)법, 스핀 코팅(spin coating)법, 딥 코팅(dip coating)법에 의해 형성될 수 있다. 음극(10)은 Ni-Zr1 - xYxO2 -x/2, Ni-Ce1 - xGdxO2 -x/2 등의 물질로 다공성 구조를 갖도록 형성될 수 있다.The cathode 10 may be formed by a thin film forming process, for example, a pulsed laser deposition (PLD) method, a screen print method, a spin coating method, and a dip coating method. The cathode 10 may be formed to have a porous structure made of a material such as Ni—Zr 1 - x Y x O 2 -x / 2 , Ni-Ce 1 - x Gd x O 2 -x / 2, and the like.

제1 전해질막(20)은 박막 형성 공정, 예를 들어 PLD(Pulsed Laser Deposition)법, 스크린 프린트(screen print)법, 스핀 코팅(spin coating)법, 딥 코팅(dip coating)법에 의해 형성될 수 있다. 제1 전해질막(20)은 세리아계 전해질막으로 치밀한 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 세리아계 전해질막은 Ce1 - xM1 xO2 -x/2의 화학식을 가질 수 있고, 상기 화학식에서, M1은 Gd, Sm, Tb, 또는 Y일 수 있다. 제1 전해질막(20)은 GDC(Gd-Doped Ceria), SDC(Sm-Doped Ceria), 및 YDB(Y-Doped Bismuth oxide) 중에서 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.The first electrolyte membrane 20 may be formed by a thin film forming process, for example, a pulsed laser deposition (PLD) method, a screen print method, a spin coating method, or a dip coating method. Can be. The first electrolyte membrane 20 may be formed to have a dense structure as a ceria-based electrolyte membrane. The ceria-based electrolyte membrane may have a chemical formula of Ce 1 - x M 1 x O 2 -x / 2 , in which M 1 may be Gd, Sm, Tb, or Y. The first electrolyte membrane 20 may be formed of at least one selected from Gd (Doped Ceria), Sm-Doped Ceria (SDC), and Y-Doped Bismuth oxide (YDB).

제2 전해질막(30)은 박막 형성 공정, 예를 들어 PLD(Pulsed Laser Deposition)법, 스크린 프린트(screen print)법, 스핀 코팅(spin coating)법, 딥 코팅(dip coating)법에 의해 형성될 수 있다. 제2 전해질막(30)은 지르코니아계 전해질막으로 치밀한 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 지르코니아계 전해질막은, Zr1 -xM2 xO2-x/2의 화학식을 가질 수 있으며, 상기 화학식에서 M2는 Y 또는 Sc일 수 있다. 제2 전해질막(30)은 YSZ(Yittria Stablized Zirconia)로 형성될 수 있다.The second electrolyte membrane 30 may be formed by a thin film forming process, for example, a pulsed laser deposition (PLD) method, a screen print method, a spin coating method, or a dip coating method. Can be. The second electrolyte membrane 30 may be formed to have a dense structure as a zirconia-based electrolyte membrane. The zirconia-based electrolyte membrane may have a chemical formula of Zr 1 -x M 2 x O 2-x / 2 , wherein M 2 may be Y or Sc. The second electrolyte membrane 30 may be formed of Yttria Stablized Zirconia (YSZ).

제2 전해질막(30)은 제1 전해질막(20)보다 얇게 형성된다. 제1 전해질막(20) 대 제2 전해질막(30)의 두께 비(Lz/Lc)는 제1 및 제2 전해질막들(20, 30)의 평균 이온나름수와 평균 이온전도도에 의해 결정될 수 있다. 제1 전해질막(20) 대 상기 제2 전해질막(30)의 두께 비(Lz/Lc)의 하한은 상기 평균 이온나름수에 의해 결정될 수 있고, 바람직하게 상기 평균 이온나름수는 0.9 이상일 수 있다. 두께 비(Lz/Lc)의 상한은 상기 평균 이온나름수에 의해 결정될 수 있고, 바람직하게 상기 평균 이온전도도는 제1 전해질막(20)의 이온전도도의 90% 이상일 수 있다. 상기 두께 비(Lz/Lc)는 800 ~ 1000℃에서 1:8.6×10-5 ~ 1:0.22일 수 있다. 예를 들어, 상기 두께 비는, 800℃에서 1:8.6×10-5 ~ 1:9.5×10-2이고, 900℃에서 1:3.0×10-4 ~ 1:0.14이며, 1000℃에서 1:1.0×10-3 ~ 1:0.22일 수 있다. 바람직하게, 상기 두께 비는 1:1.0×10-3일 수 있다.The second electrolyte membrane 30 is formed thinner than the first electrolyte membrane 20. The thickness ratio Lz / Lc of the first electrolyte membrane 20 to the second electrolyte membrane 30 may be determined by the average number of ions and the average ion conductivity of the first and second electrolyte membranes 20 and 30. have. The lower limit of the thickness ratio Lz / Lc of the first electrolyte membrane 20 to the second electrolyte membrane 30 may be determined by the average ion number, and preferably, the average ion number may be 0.9 or more. . The upper limit of the thickness ratio Lz / Lc may be determined by the average ion number, and preferably, the average ion conductivity may be 90% or more of the ion conductivity of the first electrolyte membrane 20. The thickness ratio Lz / Lc may be 1: 8.6 × 10 −5 to 1: 0.22 at 800 to 1000 ° C. For example, the thickness ratio is 1: 8.6 × 10 −5 to 1: 9.5 × 10 −2 at 800 ° C., 1: 3.0 × 10 −4 to 1: 0.14 at 900 ° C., and 1: 1 at 1000 ° C. 1.0 × 10 −3 to 1: 0.22. Preferably, the thickness ratio may be 1: 1.0 × 10 −3 .

양극(40)은 박막 형성 공정, 예를 들어 PLD(Pulsed Laser Deposition)법, 스크린 프린트(screen print)법, 스핀 코팅(spin coating)법, 딥 코팅(dip coating)법에 의해 형성될 수 있다. 양극(10)은 La1 - xSrxMnO3, La1 - xSrxCo1 - yFeyO3 등의 물질로 다공성 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
The anode 40 may be formed by a thin film forming process, for example, a pulsed laser deposition (PLD) method, a screen print method, a spin coating method, and a dip coating method. The anode 10 may be formed to have a porous structure with a material such as La 1 - x Sr x MnO 3 and La 1 - x Sr x Co 1 - y FeyO 3 .

이중 double 전해질막의Electrolyte membrane 제조예Manufacturing example

약 1mm의 GDC막 위에 PLD법을 이용하여 약 1㎛의 YSZ막을 증착시켰다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 전해질막의 XRD(X-Ray Diffraction)를 나타내고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 전해질막의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진을 나타낸다.
An YSZ film of about 1 mu m was deposited on the GDC film of about 1 mm by the PLD method. FIG. 8 illustrates X-ray diffraction (XRD) of a double electrolyte membrane prepared according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 illustrates a scanning electron microscopy (SEM) photograph of the double electrolyte membrane prepared according to an embodiment of the present invention. Indicates.

이중 double 전해질막의Electrolyte membrane 이온전도도 측정 Ionic conductivity measurement

상기 이중 전해질막의 이온전도도를 세미-4 프로브 임피던스 스펙트로스코피를 이용하여 측정하였다. Ionic conductivity of the double electrolyte membrane was measured using a semi-4 probe impedance spectroscopy.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 전해질막의 산소 분압에 따른 이온전도도를 나타낸다.10 illustrates ion conductivity according to oxygen partial pressure of a double electrolyte membrane prepared according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 이중 전해질막의 이온전도도는 GDC 단일막의 이온전도도와 비슷한 값을 나타낸다.
Referring to FIG. 10, the ion conductivity of the double electrolyte membrane has a value similar to that of the GDC single membrane.

이중 double 전해질막의Electrolyte membrane 전자전도도 측정 Electronic conductivity measurement

상기 이중 전해질막의 전자전도도를 헵-와그너(Hebb-Wagner) 분극법을 이용하여 측정하였다.Electron conductivity of the double electrolyte membrane was measured using Hebb-Wagner polarization method.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 전해질막, GDC 단일막, 및 YSZ 단일막의 산소 분압에 따른 전자전도도를 나타낸다.FIG. 11 shows electron conductivity according to oxygen partial pressure of a double electrolyte membrane, a GDC single membrane, and an YSZ single membrane prepared according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 이중 전해질막의 전자전도도는 GDC 단일막의 전자전도도보다 약 10배에서 100배 정도 작은 값을 나타낸다.
Referring to FIG. 11, the electron conductivity of the double electrolyte membrane is about 10 to 100 times smaller than the electron conductivity of the GDC single membrane.

전해질 영역 결정Determine electrolyte area

도 12는 전자전도도와 이온전도도가 같아지는 산소 분압(Pn)을 결정하는 방법을 나타낸다. 상기 Pn 값이 작을수록 전해질 영역이 넓은 것으로 이해할 수 있다.12 shows a method of determining the oxygen partial pressure Pn at which the electron conductivity and the ion conductivity are the same. It can be understood that the smaller the Pn value, the wider the electrolyte region.

도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 전해질막과 GDC 단일막, YSZ 단일막의 전해질 영역을 비교한 것을 나타낸다.13 and 14 illustrate a comparison between electrolyte regions of a double electrolyte membrane prepared according to an embodiment of the present invention, a GDC single membrane, and an YSZ single membrane.

도 13을 참조하면, 이중 전해질막의 Pn은 GDC 단일막의 Pn보다 작고 YSZ 단일막의 Pn보다 큼을 알 수 있다.Referring to FIG. 13, it can be seen that Pn of the double electrolyte membrane is smaller than Pn of the GDC single membrane and larger than Pn of the YSZ single membrane.

도 14를 참조하면, GDC의 Pn은 일반적인 고체산화물 연료전지 연료의 산소분압(보라색 실선)보다 높으므로 열린 회로 기전력의 크기는 이온나름수가 1인 네른스트 기전력(Nernst voltage)보다 작게 나타난다. 그러나, 이중 전해질막(GDC/YSZ Bilayer)의 Pn은 일반적인 고체산화물 연료전지 연료의 산소분압보다 낮으므로 이중 전해질막의 열린 회로 기전력은 이론적인 네른스트 기전력의 값을 나타낸다.
Referring to FIG. 14, since the Pn of the GDC is higher than the oxygen partial pressure (purple solid line) of the general solid oxide fuel cell fuel, the size of the open circuit electromotive force is smaller than the Nernst voltage of 1 ion number. However, since the Pn of the double electrolyte membrane (GDC / YSZ Bilayer) is lower than the oxygen partial pressure of a general solid oxide fuel cell fuel, the open circuit electromotive force of the double electrolyte membrane shows a theoretical value of Nernst electromotive force.

본 발명의 일 실시예에 따른 이중 전해질막과 같이, 전해질 영역은 좁으나 이온전도도가 큰 GDC 막 위에 얇은 YSZ를 공기극 쪽에 치밀하게 코팅하는 경우, 이중 전해질막의 이온전도도는 GDC 단일막의 이온전도도에 가까우나, Pn은 GDC에 비해 약 100만배 이상 작게 나타난다. 이 값은 고체산화물 연료전지 연료의 산소 분압보다 낮으므로 이중 전해질막의 열린 회로 기전력은 GDC 단일막의 열린 회로 기전력보다 크게 나타난다. 즉, 공기극 쪽에 치밀하게 코팅된 YSZ막이 GDC막의 높은 이온전도도는 저하시키지 않으면서 전해질 영역을 크게 확장시키는 것을 알 수 있다.
As in the double electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention, when the electrolyte region is narrow but the thin YSZ is densely coated on the cathode side on the GDC membrane having high ion conductivity, the ion conductivity of the double electrolyte membrane is close to the ion conductivity of the GDC single membrane. Pn appears to be about 1 million times smaller than GDC. Since this value is lower than the partial pressure of oxygen of the solid oxide fuel cell fuel, the open circuit electromotive force of the double electrolyte membrane is larger than that of the GDC single membrane. In other words, it can be seen that the YSZ film closely coated on the cathode side greatly expands the electrolyte region without lowering the high ion conductivity of the GDC film.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention have been described. 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 by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

1 : 고체산화물 연료전지 10 : 음극
20 : 제1 전해질막 30 : 제2 전해질막
40 : 양극
1: solid oxide fuel cell 10: negative electrode
20: first electrolyte membrane 30: second electrolyte membrane
40: anode

Claims (10)

음극;
상기 음극 위에 배치되는 제1 전해질막;
상기 제1 전해질막 위에 배치되고, 상기 제1 전해질막보다 얇은 두께를 갖는 제2 전해질막; 및
상기 제2 전해질막 위에 배치되는 양극을 포함하는 고체산화물 연료전지.
cathode;
A first electrolyte membrane disposed on the cathode;
A second electrolyte membrane disposed on the first electrolyte membrane and having a thickness thinner than that of the first electrolyte membrane; And
A solid oxide fuel cell comprising an anode disposed on the second electrolyte membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 전해질막 대 상기 제2 전해질막의 두께 비는 상기 제1 및 제2 전해질막들의 평균 이온나름수와 평균 이온전도도에 의해 결정되며,
상기 평균 이온나름수는 0.9 이상이고,
상기 평균 이온전도도는 상기 제1 전해질막의 이온전도도의 90% 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The thickness ratio of the first electrolyte membrane to the second electrolyte membrane is determined by the average number of ions and the average ion conductivity of the first and second electrolyte membranes,
The average ion number is 0.9 or more,
The average ion conductivity is a solid oxide fuel cell, characterized in that more than 90% of the ion conductivity of the first electrolyte membrane.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 전해질막 대 상기 제2 전해질막의 두께 비의 하한은 상기 평균 이온나름수에 의해 결정되고,
상기 두께 비의 상한은 상기 평균 이온나름수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
3. The method of claim 2,
The lower limit of the thickness ratio of the first electrolyte membrane to the second electrolyte membrane is determined by the average ion number;
And the upper limit of the thickness ratio is determined by the average ion number.
제 2 항에 있어서,
상기 두께 비는 800 ~ 1000℃에서 1:8.6×10-5 ~ 1:0.22인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
3. The method of claim 2,
The thickness ratio is a solid oxide fuel cell, characterized in that 1: 8.6 × 10 -5 to 1: 0.22 at 800 to 1000 ° C.
제 4 항에 있어서,
상기 두께 비는,
800℃에서 1:8.6×10-5 ~ 1:9.5×10-2이고,
900℃에서 1:3.0×10-4 ~ 1:0.14이며,
1000℃에서 1:1.0×10-3 ~ 1:0.22인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 4, wherein
The thickness ratio,
1: 8.6 × 10 −5 to 1: 9.5 × 10 −2 at 800 ° C.,
1: 3.0 × 10 −4 to 1: 0.14 at 900 ° C.,
Solid oxide fuel cell, characterized in that 1: 1.0 × 10 -3 ~ 1: 0.22 at 1000 ℃.
제 2 항에 있어서,
상기 두께 비는 1:1.0×10- 3 인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
3. The method of claim 2,
The thickness ratio is 1: 1.0 × 10 - a solid oxide fuel cell, characterized in that 3.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 전해질막은 세리아계 전해질막이고,
상기 제2 전해질막은 지르코니아계 전해질막인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The first electrolyte membrane is a ceria-based electrolyte membrane,
And the second electrolyte membrane is a zirconia-based electrolyte membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 세리아계 전해질막은, Ce1 - xM1 xO2 -x/2의 화학식을 갖고,
상기 지르코니아계 전해질막은, Zr1 - xM2 xO2 -x/2의 화학식을 가지며,
상기 화학식에서, M1은 Gd, Sm, Tb, 또는 Y이고, M2는 Y 또는 Sc인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The ceria-based electrolyte membrane has a chemical formula of Ce 1 - x M 1 x O 2 -x / 2 ,
The zirconia-based electrolyte membrane has a chemical formula of Zr 1 - x M 2 x O 2- x / 2 ,
In the formula, M 1 is Gd, Sm, Tb, or Y, M 2 is Y or Sc solid oxide fuel cell, characterized in that.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 전해질막은 GDC(Gd-Doped Ceria), SDC(Sm-Doped Ceria), 및 YDB(Y-Doped Bismuth oxide) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
상기 제2 전해질막은 YSZ(Yittria Stablized Zirconia)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The first electrolyte membrane includes one or more selected from Gd-Doped Ceria (GDC), Sm-Doped Ceria (SDC), and Y-Doped Bismuth oxide (YDB),
The second electrolyte membrane comprises YSZ (Yittria Stablized Zirconia) solid oxide fuel cell, characterized in that.
제 1 항에 있어서,
상기 음극과 상기 양극은 다공성 구조를 갖고,
상기 제1 전해질막과 상기 제2 전해질막은 치밀한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The anode and the anode has a porous structure,
And the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane have a dense structure.
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