KR20160088498A - 중·저온 구동형 고체산화물 연료전지용 고 이온전도성 세리아 전해질 - Google Patents

중·저온 구동형 고체산화물 연료전지용 고 이온전도성 세리아 전해질 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질로서, 산화 가돌리움(Gd2O3) 또는 산화 사마리움(Sm2O3) 중에 선택되는 산화물과 산화 이터비윰(Yb2O3)이 동시에 치환 고용된 안정화된 세리아(CeO2) 전해질로서, 산화 이터비윰(Yb2O3)이 2 내지 4 mol% 치환 고용되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질에 관한 것이다.

Description

중·저온 구동형 고체산화물 연료전지용 고 이온전도성 세리아 전해질 {HIGH IONIC CONDUCTIVE CERIA ELECTROLYTE FOR INTERMEDIATE-TEMPERATURE SOLID OXIDE FUEL CELLS}
본 발명은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, 이하 SOFC라고 한다)의 고 이온전도성 세리아 전해질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화 가돌리움(Gd2O3) 또는 산화 사마리움(Sm2O3) 중에 선택되는 산화물과 산화 이터비윰(Yb2O3)이 동시에 치환 고용되어 안정화된 세리아(CeO2) 전해질에 관한 것이다.
세라믹 전극 및 전해질 소재를 사용한 세라믹 단전지(unit cell)를 핵심 부품으로 적용하는 SOFC는 여러 연료전지 유형 중, 가장 고온에서 작동할 수 있고, 이러한 고온 구동으로 인하여 가장 높은 에너지 변환효율을 얻을 수 있는 연료전지의 일종이다. SOFC의 특성은 작동온도와 밀접한 관련성이 있으며 고온 구동을 통해 배출되는 양질의 폐열과 스팀(steam)을 가스터빈 또는 마이크로가스터빈 등과 복합발전시스템으로 구축하여 75%에 이르는 높은 효율을 얻을 수 있다. 그러나 반대로 이러한 고온 구동은 SOFC의 고온 안정성과 장기 내구성 확보에 있어 악 영향을 주고 있으며 고가의 내열 금속 접속자 등이 적용되어 가격 경쟁력에 있어서도 불리하다. 이러한 문제점을 근본적으로 해결하기 위해서는 SOFC의 작동온도를 600-750℃의 중ㅇ저온 영역으로 낮추는 것이 가장 이상적이다.
SOFC의 높은 출력을 유지하면서 동시에 작동온도를 낮출 수 있는 유일한 방법은 기존의 이트리아 안정화 지르코니아 전해질(8mol% yttria stabilized zirconia, 이하 8YSZ라고 한다) 보다 동일 온도에서 높은 이온전도성을 갖는 새로운 전해질 소재를 적용하는 것이다.
기존에 SOFC용 전해질로서 널리 적용되어 왔던 8YSZ 전해질은 800℃ 정도에서 0.04S/cm의 높은 이온전도도를 유지하지만 작동온도가 낮아짐에 따라 급격한 이온전도성의 하락을 나타내어 중·저온 구동용 SOFC에 적용하는데 있어 한계를 보인다. 이러한 이유로 SOFC 상용화 기술을 주도하고 있는 선진국들에서는 중ㅇ저온 구동의 온도에서도 높은 산소 이온전도성을 갖는 새로운 전해질 소재를 개발하기 위해서 많은 노력을 하고 있다.
8YSZ 전해질 대비 세리아계 전해질(Gd or Sm doped CeO2)은 동일 온도에서 3배 이상으로 높은 산소 이온전도성을 보이고 있어 향후 700℃ 이하에서 구동하는 중ㅇ저온용 SOFC를 위한 고체 전해질 후보로 주목받고 있다.
세리아계 전해질은 지르코니아계 전해질과 동일한 형석형 결정구조를 이루고 있으며 또한 주 격자 이온(Ce4+ 또는 Zr4+)은 4가의 산화수를 갖는다. 이러한 형석형 구조의 전해질들이 산소 이온전도성을 갖기 위해서는 주 격자 이온의 일부를 산화수가 낮은 3가의 희토류 산화물로 치환 고용시켜야 한다. 세리아 및 지르코니아계 전해질들의 산소 이온전도도는 도입된 치환 고용 원소의 종류와 함량 그리고 이온 반경에 따라 달라진다.
이러한 이유로 새로운 전해질 신소재를 개발하기 위한 재료 설계 과정에서 도입되는 고용 원소의 종류(이온 반경) 및 고용량은 가장 중요한 설계 인자로 인식되고 있으며 이를 바탕으로 한 전해질 신소재의 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2013-0040640호 2. 한국공개특허번호 제10-2013-0099704호
본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 종래에 개발된 Gd doped CeO2(GDC) 및 Sm doped CeO2(SDC) 전해질의 Gd3+ 및 Sm3+의 이온 반경보다 이온 반경이 상대적으로 작은 새로운 희토류 Yb3+ 을 추가로 치환 고용시켜 기존 세리아 전해질보다 이온전도도를 향상시킨 고 이온전도성 세리아 전해질을 제공하기 위한 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질은 산화 가돌리움(Gd2O3)과 산화 이터비윰(Yb2O3)이 동시에 치환 고용된 안정화된 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 1]
GdxYbyCezOδ
- 0.02≤Y≤0.04, 0.15≤X+Y≤0.2, 0.8≤Z≤0.85, δ=2-((X+Y)/2)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 화학식 1의 X+Y가 0.2인 조성을 가질 수 있다.
Ce4+, Gd3+ 및 Yb3+ 양이온 반경은 각각 0.097nm, 0.1053nm 및 0.0985nm이며 상기 화학식 1에서 가장 작은 전체 양이온 반경을 갖는 조성(X+Y=0.15, Y=0.04)은 Gd0.11Yb0.04Ce0.85O1.925이며 이 조성의 경우 전체 양이온들의 평균 반경은 (0.1053nm×0.11mol)+(0.0985nm×0.04mol)+(0.097nm×0.85mol)=0.09797nm으로 계산된다. 또한 상기 화학식 1에서 가장 큰 전체 양이온 반경을 갖는 조성(X+Y=0.2, Y=0.02)은 Gd0.18Yb0.02Ce0.8O1.9이며 이 조성의 전체 양이온 반경은 (0.1053nm×0.18mol)+(0.0985nm×0.02mol)+(0.097nm×0.8mol)=0.09852nm으로 계산할 수 있다. 따라서 본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 가돌리움(Gd)과 이터비윰(Yb)이 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온들의 평균 이온 반경의 크기가 0.09797 내지 0.09852nm일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 가돌리움(Gd)과 이터비윰(Yb)이 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온들의 평균 이온 반경은 0.09839 내지 0.09852nm일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질은 산화 사마리움(Sm2O3)과 산화 이터비윰(Yb2O3)이 동시에 치환 고용된 안정화된 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 2의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 2]
SmxYbyCezOδ
- 0.02≤Y≤0.04, 0.15≤X+Y≤0.2, 0.8≤Z≤0.85, δ=2-((X+Y)/2)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 화학식 2의 X+Y가 0.2인 조성을 가질 수 있다.
Ce4+, Sm3+ 및 Yb3+ 양이온 반경은 각각 0.097nm, 0.1079nm 및 0.0985nm이며 상기 화학식 1에서 가장 작은 전체 양이온 반경을 갖는 조성(X+Y=0.15, Y=0.04)은 Sm0.11Yb0.04Ce0.85O1.925이며 전체 양이온 반경은 (0.1079nmㅧ0.11mol)+
(0.0985nmㅧ0.04mol)+(0.097nmㅧ0.85mol)=0.09826nm으로 계산된다. 또한 상기 화학식 1에서 가장 큰 전체 양이온 반경을 갖는 조성(X+Y=0.2, Y=0.02)은 Sm0.18Yb0.02Ce0.8O1.9이며 이 조성의 경우 전체 양이온들의 평균 반경은(0.1079nm×0.18mol)+(0.0985nm×0.02mol)+(0.097nm×0.8mol)=0.09899nm으로 계산할 수 있다. 따라서 본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 사마리움(Sm)과 이터비윰(Yb)이 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온들의 평균 이온 반경의 크기가 0.09826 내지 0.09899nm일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 사마리움(Sm)과 이터비윰(Yb)이 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온 반경의 크기가 0.0988 내지 0.09899nm일 수 있다.
본 발명에 따른 고 이온전도성 세리아 전해질은 산화 가돌리움(Gd2O3)과 산화 이터비윰(Yb2O3)이 동시에 치환 고용되거나, 산화 사마륨(Sm2O3)과 산화 이터븀(Yb2O3)이 동시에 치환 고용되어 안정화된 세리아(CeO2) 전해질로서, Gd3+ 및 Sm3+의 이온 반경보다 이온 반경이 상대적으로 작은 새로운 희토류 Yb3+ 을 추가로 치환 고용시켜 기존 세리아 전해질보다 높은 이온전도성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 고 이온전도성 세리아 전해질은 이온전도성을 향상시키고 효율적으로 SOFC의 구동 온도를 낮춘 중·저온 구동형 SOFC를 제공하여 고온 안정성 및 장기 내구성 확보할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 순수한 GDC 전해질 및 Yb가 추가로 치환 고용된 GDC 전해질들에 대한 작동온도에 따른 이온전도도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 순수한 GDC 전해질 및 Yb가 추가로 치환 고용된 GDC 전해질들에 대한 대표적인 저온(650℃), 중온(750℃) 및 고온(850℃)에서 측정한 전해질 조성에 따른 이온전도도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 순수한 GDC 전해질 및 SDC 전해질과 Yb가 추가로 치환 고용된 GDC 전해질 및 SDC 전해질들에 대한 조성에 따른 전체 양이온 반경을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 850℃에서 측정한 순수한 GDC 및 SDC 전해질과 Yb가 추가로 치환 고용된 GDC 및 SDC 전해질들에 대한 조성에 따른 이온전도도 값을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질은 일 실시예로서, 산화 가돌리움(Gd2O3)과 산화 이터비윰(Yb2O3)이 동시에 치환 고용된 안정화된 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 1]
GdxYbyCezOδ
- 0.02≤Y≤0.04, 0.15≤X+Y≤0.2, 0.8≤Z≤0.85, δ=2-((X+Y)/2)
특히, 상기 화학식 1의 X+Y가 0.2인 조성인 안정화된 세리아(CeO2) 전해질을 가질 수 있고, 상기 가돌리움(Gd)과 이터비윰(Yb)이 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온들의 평균 이온 반경의 크기가 0.09797 내지 0.09852nm일 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질은 다른 실시예로서, 산화 사마리움(Sm2O3)과 산화 이터비윰(Yb2O3)이 동시에 치환 고용된 안정화된 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 2의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 2]
SmxYbyCezOδ
- 0.02≤Y≤0.04, 0.15≤X+Y≤0.2, 0.8≤Z≤0.85, δ=2-((X+Y)/2)
특히, 상기 화학식 1의 X+Y가 0.2인 조성인 안정화된 세리아(CeO2) 전해질을 가질 수 있고, 상기 사마리움(Sm)과 이터비윰(Yb)이 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온들의 평균 이온 반경의 크기가 0.09826 내지 0.09899nm일 수 있다.
현재 상용화된 세리아계 전해질들은 RexCe1-xO2-y의 화학식을 갖으며 Re=Gd or Sm, x=0.1~0.2, y=x/2이다. 주 격자 이온인 Ce4+의 일부를 Gd3+ 또는 Sm3+으로 치환 고용시키게 되면 격자 내부에 산소 공공(vacancy)이 형성되게 되고 이러한 산소 공공은 산소 이온의 확산 이동 경로가 된다. Gd3+ 또는 Sm3+이 치환 고용된 세리아 전해질을 각각 Gd doped ceria (이하 GDC) 및 Sm doped ceria (이하 SDC) 전해질이라고 명명하고 있다.
GDC와 SDC 전해질들은 Gd 또는 Sm의 치환 고용량이 증가할수록 이온 전도도가 높아지지만 과량으로 고용될 경우에는 산소 공공이 결합하여 오히려 이온 전도도가 하락하게 된다. 통상적으로 세리아(CeO2) 전해질에 고용되는 Gd 또는 Sm의 고용량은 10~20mol%이며 이 범위에서 가장 높은 이온 전도도가 나타나고 있으며 연구진마다 가장 높은 이온 전도도가 확보되는 조성은 다르게 발표되고 있다. 또한 세리아(CeO2) 전해질들은 650℃ 이하의 환원 분위기에서 Ce4+가 Ce3+ 이온으로 환원되는 단점이 있으며 따라서 실제로는 SOFC용 전해질로 사용되기 보다는 최근에는 전극 소재 및 반응 방지막(buffer layer) 용도로 주로 사용되고 있다.
Ce4+의 이온 반경은 0.097nm인 반면에, Gd3+ 및 Sm3+의 이온 반경은 각각 0.105nm 및 0.108nm로 주 격자 이온인 Ce4+의 이온 반경보다 상대적으로 크다. 결과적으로 이러한 Ce4+의 일부를 Gd3+ 및 Sm3+으로 치환 고용시킴에 의해서 전해질의 격자 내부에서 산소 공공이 형성되고 산소 이온 전도체로서 활용이 가능하게 된다. 상대적으로 이온 반경이 큰 Gd3+ 및 Sm3+의 치환 고용은 산소 이온의 확산 이동을 위한 산소 공공을 형성시키지만 보다 큰 이온 반경을 갖는 양이온들이 고용됨에 따라 국부적으로 산소 공공을 압박하여 산소 이온의 이동을 방해할 수 있다.
따라서 Gd3+ 및 Sm3+ 이온 반경보다 상대적으로 작고 Ce4+ 이온 반경과 유사한 이온 반경을 갖는 3가의 양이온을 추가로 고용한다면 이론적으로 세리아 전해질의 이온 전도도를 개선할 수 있다. Yb3+의 이온 반경은 0.0985nm로 Gd3+ 및 Sm3+ 이온 반경보다 작고 Ce4+ 이온 반경보다 큰 특징을 갖고 있다. 본 발명에서는 Yb를 추가 고용 원소로 이용하고 2~4mol%의 범위에서 치환 고용시켜 이온전도도가 향상되도록 전체 양이온 반경을 최적화하였다. Yb가 4mol% 이하로 고용된 GDC 및 SDC 전해질은 Yb가 고용됨에 따라 전체 양이온들의 평균 이온 반경이 작아지면서 이온전도도가 증가하는 효과를 나타내었다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명 과정의 세부 사항을 설명하고자 한다.
1. 세리아 전해질 조성 설계
먼저 Gd doped ceria (이하 GDC) 및 Sm doped ceria (이하 SDC) 전해질에 대한 산화 이터비윰(Yb2O3)의 치환 고용 효과를 확인하기 위해서 다음 표 1과 같은 화학식을 갖는 조성을 설계하였다.
Yb doped GDC Yb doped SDC
비교예E1 Gd0.1Ce0.9O1.95 Sm0.1Ce0.9O1.95
비교예E2 Gd0.2Ce0.8O1.9 Sm0.2Ce0.8O1.9
실시예E3 Gd0.18Yb0.02Ce0.8O1.9 Sm0.18Yb0.02Ce0.8O1.9
실시예E4 Gd0.16Yb0.04Ce0.8O1.9 Sm0.16Yb0.04Ce0.8O1.9
비교예E5 Gd0.14Yb0.06Ce0.8O1.9 Sm0.14Yb0.06Ce0.8O1.9
비교예E6 Gd0.12Yb0.08Ce0.8O1.9 Sm0.12Yb0.08Ce0.8O1.9
비교예E7 Gd0.1Yb0.1Ce0.8O1.9 Sm0.1Yb0.1Ce0.8O1.9
본 실험예에서는 Yb가 고용되지 않은 순수한 GDC 및 SDC 전해질(E1, E2)과 E2 조성에서 Gd 및 Sm의 일부를 2~10mol%의 Yb로 치환 고용시킨 전해질(E3-E7)로 조성을 설계하였다.
2. 전해질 시편 제조
전해질 시편 준비를 위한 출발 물질로서는 희토류 산화물(CeO2, Gd2O3, Sm2O3 and Yb2O3)들을 적용하였고 본 실험예에서는 산화물을 이용한 고상반응법을 적용하였으나 수용성 희토류 염화물(chloride) 또는 질산염(nitrate) 등을 이용한 공침법 등의 습식 합성공정을 이용할 수 있다.
조성 설계의 표에 나타낸 조성에 맞도록 희토류 산화물들을 칭량하고 에탄올 용매와 지르코니아(ZrO2) 볼을 이용한 볼밀 공정을 통해 균일한 슬러리(slurry)로 제조하였다. 배합된 슬러리는 열풍건조기 내에서 충분히 건조시킨 후 건식 분쇄 후 일축가압성형 공정을 이용하여 가로, 세로 및 두께가 각각 40mm×40mm×4mm의 크기의 성형체로 제조하였다.
전해질 소결체들을 이용하여 이온전도성 평가를 수행하기 위해서 전해질 소결체들은 기계적 가공을 통해 가로, 세로 및 길이가 각각 2mm×2mm×25mm의 크기를 갖는 전도도 시편으로 제조하였다.
3. 이온전도도 확인
전해질들의 이온전도도 측정은 직류 4단자법을 이용하였고 전류 인가에 따른 전압을 측정하고 시편의 단면적과 길이를 적용하여 저항과 전도도를 계산하였다. 측정 분위기는 상압 대기 중에서 측정하였고 측정 온도는 SOFC의 구동온도 영역인 500~850℃의 온도영역에서 측정하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 순수한 GDC 전해질 및 Yb가 추가로 치환 고용된 GDC 전해질들에 대한 작동온도에 따른 이온전도도를 나타낸 그래프이다. 순수한 GDC 전해질(E1, E2)과 Yb가 치환 고용된 GDC 전해질(E3-E7, 이하 GYDC로 약함)의 작동온도에 따른 이온전도도로서, 순수한 GDC 및 GYDC 전해질 모두 전형적인 온도에 따른 전도도 거동을 보여주었으며 온도 증가에 따른 이온전도도의 증가는 지수함수적인 증가 곡선을 잘 나타내었다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 순수한 GDC 전해질 및 GYDC 전해질들에 대한 조성에 따른 이온전도도를 650℃, 750℃ 및 850℃에서 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 2는 도 1의 결과를 전해질 조성에 따른 이온전도도의 변화로서 나타낸 그래프로서, E1(Gd0.1Ce0.9O1.95) 전해질 대비 E2(Gd0.2Ce0.8O1.9) 전해질에서 Gd의 고용량이 10mol%에서 20mol%로 증가함에 따른 전도도의 증가 효과를 확인할 수 있다. E2 전해질에 대한 Yb의 치환 고용 효과를 분석해 보면 E3 및 E4 전해질 조성의 경우에는 순수한 E2 전해질보다 높은 이온전도도를 나타냄을 확인할 수 있으며 E5 전해질부터는 Yb의 함량이 증가할수록 오히려 점차 이온전도도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
이러한 원인은 도 3의 자료를 통해 해석이 가능하다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 순수한 GDC 전해질 및 SDC 전해질과 Yb가 추가로 치환 고용된 GDC 전해질 및 SDC 전해질들에 대한 조성에 따른 전체 양이온 반경을 나타낸 그래프이다. E2 조성의 GDC 및 SDC 전해질들은 Yb의 치환 고용량이 증가함에 따라서 전체 양이온들의 평균 이온 반경의 크기가 선형적으로 감소함을 알 수 있다. 이러한 주요 이유는 Yb3+의 이온 반경은 Gd3+ 및 Sm3+의 이온 반경보다 작기 때문이며 따라서 Yb의 고용량이 증가할수록 전체 양이온들의 평균 이온 반경(전체 양이온 반경 : 전해질을 구성하는 양이온들의 평균 이온 반경, 예/GdxYbyCezO2-(x+y)/2에서 평균 이온 반경은(Gd3+ 이온반경 × x)+(Yb3+ 이온반경 × y)+(Ce4+ 이온반경 × z))이 작아지는 경향을 보여준다.
E3 및 E4 전해질 조성에서 E2 전해질 조성보다 높은 전도도를 나타내고 E5~E7 전해질들은 반대로 E2 전해질 조성보다 낮은 전도도를 나타낸다. 따라서 2~4mol%의 Yb가 고용될 경우에 산소 이온 전도도에 유리한 평균 양이온 반경이 확보됨을 알 수 있다. 또한 Yb의 고용량이 6mol% 이상에서 계속 증가함에 따라서 상대적으로 이온 전도도가 낮은 E1 전해질 조성이 갖는 평균 양이온 반경에 가까워지고 이온 전도도 또한 낮아짐을 확인할 수 있었다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 850℃에서 측정한 순수한 GDC 및 SDC 전해질과 Yb가 추가로 치환 고용된 GDC 및 SDC 전해질들에 대한 조성에 따른 이온전도도 값을 나타낸 그래프이다. Yb의 치환 고용 효과는 GDC 및 SDC 전해질 모두에서 동일한 결과를 나타내고, 큰 차이는 없으나 상대적으로 모든 전해질 조성에서 GDC 계열의 이온전도도가 상대적으로 SDC 계열의 결과보다 낮은 값을 나타낸다.
위에서 살펴본 바와 같이, 새로운 조성의 세리아 전해질은 전해질의 이온전도도를 향상시키기 위해서 Gd3+ 및 Sm3+의 이온 반경보다 작은 이온 반경을 갖는 Yb3+ 이온을 2~4mol%의 범위에서 추가로 치환 고용시켜 이온전도도가 향상되도록 전체 양이온 반경을 최적화하였다.
SOFC용으로 적용되는 단전지의 출력밀도(W/cm2)은 직접적으로 작동 온도가 높아질수록 그리고 전해질 내부에서의 산소 이온의 확산 이동 속도가 증가할수록 증가하는 특성을 보여준다. 따라서 결론적으로 Yb3+ 이온을 2~4mol%의 범위로 고용된 GDC 및 SDC 전해질을 SOFC용 단전지에 적용할 경우, 기존의 순수한 GDC 및 SDC 전해질을 적용한 단전지보다 출력 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (4)

  1. 산화 가돌리움(Gd2O3)과 산화 이터비윰(Yb2O3)이 동시에 치환 고용되어 안정화된 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 1의 조성을 가지는 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질.
    [화학식 1]
    GdxYbyCezOδ
    - 0.02≤Y≤0.04, 0.15≤X+Y≤0.2, 0.8≤Z≤0.85, δ=2-((X+Y)/2)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가돌리움(Gd)과 이터비윰(Yb)이 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전전체 양이온들의 평균 이온 반경은 0.09797 내지 0.09852nm인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질.
  3. 산화 사마리움(Sm2O3)과 산화 이터비윰(Yb2O3)이 동시에 치환 고용되어 안정화된 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 2의 조성을 가지는 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질.
    [화학식 2]
    SmxYbyCezOδ
    - 0.02≤Y≤0.04, 0.15≤X+Y≤0.2, 0.8≤Z≤0.85, δ=2-((X+Y)/2)
  4. 제4항에 있어서,
    상기 사마리움(Sm)과 이터비윰(Yb)이 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온들의 평균 이온 반경은 0.09826 내지 0.09899nm인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질.
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