KR20200072002A - Electrolyte for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell and method of preparing solid oxide fuel cell - Google Patents

Electrolyte for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell and method of preparing solid oxide fuel cell Download PDF

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Abstract

Provided is a solid electrolyte for a solid oxide fuel cell, capable of implementing excellent electrical and ionic conductivity while improving durability. The solid electrolyte includes a ceramic solid oxide layer; and a reaction inhibitory layer including a compound expressed by chemical formula 1, Ce_aM_bBi_cSc_dO_2, where M is one selected from the group consisting of Gd, Sm, Pr, Y and a combination thereof, a + b + c + d = 1, 0 < a <= 0.80, 0 < b <= 0.2, 0 < c <= 0.03, 0 < d <= 0.03, and 0 < b + c + d <= 0.20.

Description

고체산화물 연료전지용 고체 전해질, 고체산화물 연료전지 및 이를 제조하는 방법{ELECTROLYTE FOR SOLID OXIDE FUEL CELL, SOLID OXIDE FUEL CELL AND METHOD OF PREPARING SOLID OXIDE FUEL CELL}Solid electrolyte for solid oxide fuel cells, solid oxide fuel cells and a method for manufacturing the same {ELECTROLYTE FOR SOLID OXIDE FUEL CELL, SOLID OXIDE FUEL CELL AND METHOD OF PREPARING SOLID OXIDE FUEL CELL}

본 발명은 고체산화물 연료전지용 고체 전해질, 고체산화물 연료전지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중온 영역에서 작동시켜 내구성을 높이면서도, 우수한 전기 전도도 및 이온 전도도를 구현할 수 있는 고체산화물 연료전지용 고체 전해질의 소재를 개발하고, 이를 이용한 고체산화물 연료전지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid electrolyte for a solid oxide fuel cell, a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same, and more specifically, a solid oxide fuel capable of realizing excellent electrical conductivity and ion conductivity while increasing durability by operating in a medium temperature region The present invention relates to a material for developing a solid electrolyte for a battery, a solid oxide fuel cell using the same, and a method for manufacturing the same.

연료전지란 연료와 산화제를 전기화학적으로 산화환원 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 산화환원 반응은 촉매에 의하여 이루어지며, 일반적으로 연료를 계속적으로 공급하여 지속적으로 전기를 생산할 수 있다.A fuel cell generates electric energy by reacting a fuel and an oxidizing agent with an electrochemical reduction reaction. The redox reaction is carried out by a catalyst, and generally can continuously produce electricity by continuously supplying fuel.

연료전지의 하나의 종류로서 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 현존하는 연료전지 중에서 가장 높은 온도 700~1000℃)에서 작동한다. 고체산화물 연료전지는 각 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다.As one type of fuel cell, a solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell that uses solid oxide as an electrolyte and operates at the highest temperature of 700 to 1000°C among existing fuel cells. The solid oxide fuel cell has a simple structure compared to other fuel cells because each component is made of a solid, and there is no problem of electrolyte loss and replenishment and corrosion.

일반적인 고체산화물 연료전지는 산소 이온 전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 (cathode, 양극) 및 연료극 (anode, 음극)으로 이루어져 있다. 공기극 (cathode)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극 (anode)로 이동하여, 다시 연료극 (anode)에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이때, 연료극 (anode)에서 전자가 생성되고, 공기극 (cathode)에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다. A typical solid oxide fuel cell is composed of an oxygen ion conductive electrolyte and cathodes (cathode) and anodes (anode, cathode) located on both sides. The oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen at the cathode move to the anode through the electrolyte, and then react with hydrogen supplied to the anode to produce water, and at this time, the anode (anode) Electrons are generated in ), and electrons are consumed in the cathode, so the basic operation principle is to connect two electrodes to each other to generate a current.

높은 에너지 효율의 장점과 연료의 다변화가 가능한 고체산화물 연료전지 (SOFC: solid oxide fuel cell)는 건물용 연료전지와 더불어 대용량 분산 발전용으로 개발이 활발히 진행되고 있다.A solid oxide fuel cell (SOFC) capable of diversifying fuels with advantages of high energy efficiency has been actively developed for large-scale distributed power generation in addition to a building fuel cell.

분산 발전용 SOFC는 SOFC로부터 배출되는 고온 폐열을 이용하여 가스터빈 및 마이크로터빈을 구동하는 복합 발전시스템으로 개발되고 있다.SOFC for distributed power generation is being developed as a combined power generation system that drives gas turbines and microturbines using high-temperature waste heat discharged from SOFCs.

분산 발전용 연료전지는 약 800 ℃ 이상의 고온에서 작동하여 고온의 폐열을 회수함으로써 높은 에너지 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 반면, 이러한 고온에서 작동하는 분산 발전용 연료전지는 고온에서 장시간 작동할 경우, 단전지로부터 출력 저하가 일어나는 문제가 있다. 이러한 열화의 원인 중 하나는 양극 소재로부터 Mn, Sr 산화물과 같은 절연성 물질이 전해질/전극 계면에 석출되어 전기화학적 반응을 지연시키는 점을 들 수 있다. 다른 원인으로는 고온 작용에 따른 주로 금속인 주변 배관부품으로부터의 오염을 들 수 있다. The fuel cell for distributed power generation has an advantage of obtaining high energy efficiency by operating at a high temperature of about 800°C or higher and recovering high-temperature waste heat. On the other hand, a fuel cell for distributed power generation operating at such a high temperature has a problem in that output decreases from a single cell when operated at a high temperature for a long time. One of the causes of the deterioration is that an insulating material such as Mn and Sr oxide is deposited on the electrolyte/electrode interface from the anode material to delay the electrochemical reaction. Another cause is contamination from peripheral piping parts, which are mainly metal due to high temperature action.

저온 활성 전극 물질을 사용하게 되면, 작동 온도를 낮출 수 있어서, 전술한 고온 영역에서 작동하는 연료전지의 문제점인 출력 저하 및 내구성 문제를 해결할 수 있다.When a low-temperature active electrode material is used, the operating temperature can be lowered, thereby solving the problem of power deterioration and durability, which are problems of the fuel cell operating in the above-described high temperature region.

중온 영역에서 작동하는 연료전지를 제작하기 위해 저온에서 활성이 높은 양극 소재를 사용할 수 있다. 이러한 양극 소재의 대표적인 예는 LSCF와 같은 코발트 및 철계 페로브스카이트 (perovskite) 또는 La2NiO4와 같은 Ruddlesden-Popp 구조의 신물질을 들 수 있다. In order to fabricate a fuel cell operating in a medium temperature region, a positive electrode material having high activity at a low temperature may be used. Representative examples of such a positive electrode material include a new material having a cobalt and iron-based perovskite such as LSCF or a Ruddlesden-Popp structure such as La 2 NiO 4 .

그러나, 상기 고활성 양극 소재는 지르코니아계 전해질 소재와 반응하여 절연성 이차상을 생성하는 문제가 있다.However, the highly active positive electrode material has a problem of generating an insulating secondary phase by reacting with a zirconia-based electrolyte material.

또한, 세리아 산화물계 전해질은 공소결 과정에서 지르코니아계 전해질과 고용상 (Solid solution)을 생성하여 이온 전도도를 낮추는 문제가 있다.In addition, ceria oxide-based electrolytes have a problem of lowering the ionic conductivity by generating a zirconia-based electrolyte and a solid solution in the co-sintering process.

본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상기 고활성 양극 소재는 지르코니아계 전해질 소재와 반응하여 절연성 이차상을 생성하지 않는 저온 소결 가능한 세리아계 소재를 전해질의 코팅 소재로서 개발하고자 한다. An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and the high-active positive electrode material is to develop a low-temperature sinterable ceria-based material that does not generate an insulating secondary phase by reacting with a zirconia-based electrolyte material as a coating material of the electrolyte.

본 발명의 또 다른 목적은 전술한 다른 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고체산화물 연료전지의 공소결 과정에서 지르코니아계 전해질과 고용상을 생성하지 않는 저온 소결 가능한 세리아계 소재를 전해질의 코팅 소재로서 개발하고자 한다.Another object of the present invention is to solve the other problems described above, and to develop a low temperature sinterable ceria-based material that does not generate a zirconia-based electrolyte and a solid solution in a co-sintering process of a solid oxide fuel cell as a coating material of an electrolyte. do.

본 발명의 따른 고체산화물 연료전지용 고체 전해질은 저온 소결 가능한 세리아계 소재로써 세라믹 고체산화물층의 전해질 재료를 코팅하기 때문에, 상기 고활성 양극 소재가 상기 세라믹 고체산화물층과 반응하여 절연성 이차상을 생성하지 않도록 하여, 전기 전도도의 감소 문제를 해결할 수 있다.Since the solid electrolyte for a solid oxide fuel cell according to the present invention is a ceria-based material capable of low-temperature sintering, the electrolyte material of the ceramic solid oxide layer is coated, so that the highly active anode material reacts with the ceramic solid oxide layer to not produce an insulating secondary phase. This can solve the problem of reduction in electrical conductivity.

본 발명의 따른 고체산화물 연료전지용 고체 전해질은 저온 소결 가능한 세리아계 소재의 반응억제층을 포함하여 형성되기 때문에 고체산화물 연료전지의 공소결시 온도를 낮출 수 있게 됨에 따라, 고온에서 소결시 세리아계 소재의 반응억제층과 지르코니아계 전해질과 고용상을 생성하지 않도록 하여, 이온 전도도의 감소 문제를 해결할 수 있다.Since the solid electrolyte for a solid oxide fuel cell according to the present invention is formed by including a reaction inhibiting layer of a ceria-based material capable of low-temperature sintering, the temperature of the solid oxide fuel cell during sintering can be lowered. The problem of reducing the ion conductivity can be solved by preventing the formation of a reaction inhibiting layer, a zirconia-based electrolyte, and a solid solution phase.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 고체 전해질은 상기 고활성 양극 소재가 상기 세라믹 고체산화물층과 반응하여 절연성 이차상을 생성하지 않도록 하여, 중온 영역에서 활성을 나타내는 양극 소재를 사용한 고체산화물 연료전지에서도 우수한 전기 전도도를 구현한다.The solid electrolyte for a solid oxide fuel cell according to the present invention is excellent in a solid oxide fuel cell using a positive electrode material exhibiting activity in a medium temperature region by preventing the highly active positive electrode material from reacting with the ceramic solid oxide layer to form an insulating secondary phase. Implement electrical conductivity.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 고체 전해질은 고체산화물 연료전지의 공소결시 온도를 낮출 수 있게 됨에 따라, 고온에서 소결시 세리아계 소재의 반응억제층과 지르코니아계 전해질과 고용상을 생성하지 않도록 하여, 중온 영역에서 활성을 나타내는 양극 소재를 사용한 고체산화물 연료전지에서도 우수한 이온 전도도를 구현한다.The solid electrolyte for a solid oxide fuel cell according to the present invention is capable of lowering the temperature during co-sintering of the solid oxide fuel cell. Even in a solid oxide fuel cell using a positive electrode material exhibiting activity in a medium temperature region, excellent ionic conductivity is realized.

도 1은 본 발명에 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 고체 전해질의 구조의 모식적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 또 다른 구현예에 따른 고체산화물 연료전지의 구조의 모식적인 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 각각 실시예 1, 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 3에서 제조된 반응억제층의 SEM 이미지이다.
도 7은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 각각 형성된 반응억제층의 기공률을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1, 3-5 및 비교예 1, 3에서 각각 형성된 반응억제층의 전기 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 8의 결과를 소결 밀도에 대한 전기전도도의 결과 그래프이다.
1 is a schematic cross-sectional view of the structure of a solid electrolyte for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of the structure of a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention.
3 to 6 are SEM images of the reaction inhibiting layers prepared in Example 1, Example 3, Comparative Example 1 and Comparative Example 3, respectively.
7 is a graph showing porosity of the reaction inhibiting layers formed in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, respectively.
8 is a graph showing the electrical conductivity of the reaction inhibiting layers formed in Examples 1, 3-5 and Comparative Examples 1 and 3, respectively.
FIG. 9 is a graph of the results of electrical conductivity with respect to the sintering density of the results of FIG. 8.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 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. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms or words used in the present specification and claims should not be interpreted as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. Based on the principle that it can be, it should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical spirit of the present invention. In addition, the embodiments shown in the embodiments and the drawings shown in the present specification are only one of the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention, and can be replaced at the time of application. It should be understood that there may be various equivalents and variations.

본 발명의 일 구현예에서,In one embodiment of the invention,

세라믹 고체산화물층; 및Ceramic solid oxide layer; And

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 반응억제층;Reaction inhibiting layer comprising a compound represented by the formula (1);

을 포함하는 고체산화물 연료전지용 고체 전해질을 제공한다.It provides a solid electrolyte for a solid oxide fuel cell comprising a.

<화학식 1><Formula 1>

CeaMbBicScdO2 Ce a M b Bi c Sc d O 2

상기 식에서, In the above formula,

M은 Gd, Sm, Pr, Y 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 나타내고,M represents one selected from the group consisting of Gd, Sm, Pr, Y and combinations thereof,

a+b+c+d=1, 0<a≤0.80, 0<b≤0.2, 0<c≤0.03, 0<d≤0.03, 0<b+c+d≤0.20 이다.a+b+c+d=1, 0<a≤0.80, 0<b≤0.2, 0<c≤0.03, 0<d≤0.03, 0<b+c+d≤0.20.

도 1은 본 발명에 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지용 고체 전해질의 구조의 모식적인 단면도이다. 도 1에서, 고체산화물 연료전지용 고체 전해질 (10)는 세라믹 고체산화물층 (1) 및 반응억제층 (2)이 차례로 적층되어 형성된다.1 is a schematic cross-sectional view of the structure of a solid electrolyte for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the solid electrolyte 10 for a solid oxide fuel cell is formed by sequentially stacking a ceramic solid oxide layer 1 and a reaction inhibiting layer 2.

고체산화물 연료전지는 산소 이온 전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 (cathode, 양극) 및 연료극 (anode, 음극)으로 이루어져 있다. 공기극 (cathode)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극 (anode)로 이동하여, 다시 연료극 (anode)에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이때, 연료극 (anode)에서 전자가 생성되고, 공기극 (cathode)에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다.A solid oxide fuel cell is composed of an oxygen ion conductive electrolyte and cathodes (cathode) and anodes (anode, cathode) located on both sides. The oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen at the cathode move to the anode through the electrolyte, and then react with hydrogen supplied to the anode to produce water, and at this time, the anode (anode) Electrons are generated in ), and electrons are consumed in the cathode, so the basic operation principle is to connect two electrodes to each other to generate a current.

상기 고체산화물 연료전지용 고체 전해질은 상기 공기극와 상기 연료극 사이에 개재될 수 있다.The solid electrolyte for the solid oxide fuel cell may be interposed between the cathode and the anode.

약 800 ℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체산화물 연료전지는 고온의 폐열을 회수함으로써 높은 에너지 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 반면, 이러한 고온에서 작동하는 고체산화물 연료전지는 고온에서 장시간 작동할 경우, 단전지로부터 출력 저하가 일어나는 문제가 있다. 이러한 열화의 원인 중 하나는 양극 소재로부터 Mn, Sr 산화물과 같은 절연성 물질이 전해질/전극 계면에 석출되어 전기화학적 반응을 지연시키는 점을 들 수 있다. 다른 원인으로는 고온 작용에 따른 주로 금속인 주변 배관부품으로부터의 오염을 들 수 있다. A solid oxide fuel cell operating at a high temperature of about 800° C. or higher has an advantage of obtaining high energy efficiency by recovering high-temperature waste heat. On the other hand, a solid oxide fuel cell operating at such a high temperature has a problem in that output decreases from a single cell when operating at a high temperature for a long time. One of the causes of the deterioration is that an insulating material such as Mn and Sr oxide is deposited on the electrolyte/electrode interface from the anode material to delay the electrochemical reaction. Another cause is contamination from peripheral piping parts, which are mainly metal due to high temperature action.

따라서, 작동 온도를 낮춘 중온 영역에서 작동하는 연료전지의 경우 내구성을 높일 수 있는 이점이 있다.Therefore, in the case of a fuel cell operating in a medium temperature region with a lower operating temperature, there is an advantage of increasing durability.

약 500 내지 약 750 ℃의 중온 영역에서 작동하는 연료전지를 제작하기 위해 저온에서 활성이 높은 양극 소재를 사용할 수 있다. 이러한 양극 소재의 대표적인 예는 LSCF와 같은 코발트 및 철계 페로브스카이트 (perovskite) 또는 La2NiO4와 같은 Ruddlesden-Popp 구조의 신물질을 들 수 있다. A positive electrode material having high activity at low temperature may be used to manufacture a fuel cell operating in a medium temperature region of about 500 to about 750°C. Representative examples of such a positive electrode material include a new material having a cobalt and iron-based perovskite such as LSCF or a Ruddlesden-Popp structure such as La 2 NiO 4 .

상기 고활성 양극 소재는 지르코니아계 전해질 소재와 반응하여 절연성 이차상을 생성하는 문제가 있다.The highly active positive electrode material has a problem of generating an insulating secondary phase by reacting with a zirconia-based electrolyte material.

상기 고체산화물 연료전지용 고체 전해질의 상기 반응억제층 (2)은 공기극을 전술한 고활성 소재로 사용하는 경우 상기 고체 전해질의 상기 세라믹 고체산화물층 (1)과 상기 공기극이 반응하여 절연성 이차상을 생성하는 것을 막는 역할을 한다.In the reaction inhibiting layer 2 of the solid electrolyte for the solid oxide fuel cell, when the cathode is used as the above-described high-active material, the ceramic solid oxide layer 1 of the solid electrolyte reacts with the cathode to generate an insulating secondary phase. It serves to prevent it.

상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 상대적으로 낮은 소결 온도에서 세리아계 산화물에 도판트를 도핑하여 형성될 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 이와 같이 상대적으로 낮은 소결 온도에서 열처리하지만, 소결성이 향상되어 상기 반응억제층 (2)은 보다 치밀하게 형성되고, 그에 따라 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. The compound represented by Chemical Formula 1 may be formed by doping a dopant with a ceria-based oxide at a relatively low sintering temperature. The compound represented by Chemical Formula 1 is heat treated at a relatively low sintering temperature, but the sinterability is improved, so that the reaction inhibiting layer 2 is more densely formed, and accordingly, electrical conductivity can be improved.

또한 상기 반응억제층 (2)이 치밀하게 형성됨으로써, 공기극의 원소 (예를 들어, Sr, Mn) 확산을 효과적으로 방지하여 장기간 성능을 유지할 수 있다. In addition, by forming the reaction inhibiting layer 2 densely, it is possible to effectively prevent diffusion of elements (eg, Sr, Mn) of the cathode and maintain performance for a long time.

또한, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 상대적으로 낮은 소결 온도에서 세리아 산화물에 도판트를 도핑하여 형성되기 때문에, 고체산화물 연료전지의 공소결 과정 중 상기 세리아계 산화물이 상기 세라믹 고체산화물층 (1)과 고용상 (solid solution)을 생성하는 것을 방지함으로써 이온 전도도를 개선할 수 있다. In addition, since the compound represented by Formula 1 is formed by doping a dopant with ceria oxide at a relatively low sintering temperature, the ceria-based oxide is the ceramic solid oxide layer (1) during the co-sintering process of a solid oxide fuel cell. It is possible to improve the ionic conductivity by preventing the formation of a super solid solution.

예를 들어, 상기 세라믹 고체산화물층 (1)으로 지르코니아계 전해질 소재를 사용하는 경우, 고체산화물 연료전지의 고온 열처리 과정 중에서 상기 세리아 산화물이 상기 지르코니아계 전해질 소재와 (Zr, Ce)O2 과 같은 고용상을 생성하게 되면, 이온 전도도를 낮추는 문제가 있을 수 있기 때문이다. For example, when a zirconia-based electrolyte material is used as the ceramic solid oxide layer 1, during the high-temperature heat treatment process of the solid oxide fuel cell, the ceria oxide is the same as the zirconia-based electrolyte material and (Zr, Ce)O 2 This is because when a solid solution phase is generated, there may be a problem of lowering the ionic conductivity.

상기 세라믹 고체산화물층 (1)은 Bi2O3, YSZ (Yttria-stabilized zirconia)과 같은 플루오라이트계 산화물, LSGM ((La,Sr)(Ga,Mg)O3)과 같은 페로브스카이트계 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.The ceramic solid oxide layer (1) is a fluorite-based oxide such as Bi 2 O 3, YSZ (Yttria-stabilized zirconia), a perovskite-based oxide such as LSGM ((La,Sr)(Ga,Mg)O 3 ) And combinations thereof.

본 발명의 다른 구현예에서, In another embodiment of the invention,

음극층(NiO-YSZ) 및 세라믹 고체산화물층(전해질층)을 순차적으로 적층하여 공소결(1300 내지 1400℃)하는 단계; 금속 도핑된 세리아 산화물을 상기 세라믹 고체산화물층 상에 도포하여 반응억제층을 형성한 뒤, 보다 낮은 온도(1100 내지 1250℃)에서 열처리하는 단계; 및 양극층(LSCF와 같은)을 열처리(800 내지 1000℃) 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제조하는 방법을 제공한다.Sequentially sintering (1300 to 1400°C) by sequentially laminating a cathode layer (NiO-YSZ) and a ceramic solid oxide layer (electrolyte layer); Applying a metal-doped ceria oxide on the ceramic solid oxide layer to form a reaction inhibiting layer, followed by heat treatment at a lower temperature (1100 to 1250°C); And it provides a method for manufacturing a solid oxide fuel cell comprising a heat treatment (800 to 1000 ℃) step of the anode layer (such as LSCF).

본 발명의 또 다른 구현예에서,In another embodiment of the invention,

음극층(NiO-YSZ)/ 세라믹 고체산화물층(전해질층)/금속도핑된 세리아 산화물층(반응억제층)을 순차적으로 적층하여 공소결(1200 내지 1250℃)하는 단계; 양극층(LSCF와 같은)을 열처리(800 내지 1000℃) 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제조하는 방법을 제공한다.Cathode layer (NiO-YSZ) / ceramic solid oxide layer (electrolyte layer) / metal-doped ceria oxide layer (reaction inhibiting layer) by sequentially laminating (sintering 1200 to 1250 ℃); It provides a method for manufacturing a solid oxide fuel cell comprising a heat treatment (800 to 1000 ℃) step of the anode layer (such as LSCF).

상기 세라믹 고체산화물층은 전술한 세라믹 고체산화물층 (1)과 동일하고, 전해질 소재로 형성될 수 있으며, 구체적인 예는 전술한 바와 같다.The ceramic solid oxide layer is the same as the ceramic solid oxide layer 1 described above, and may be formed of an electrolyte material, and specific examples are as described above.

상기 세라믹 고체산화물층은 이미 소결이 완료된 상태이다.The ceramic solid oxide layer has already been sintered.

상기 고체산화물 연료전지를 제조하는 방법 중 형성된 반응억제층 (2)에 대한 상세한 설명은 전술한 바와 같다.The detailed description of the reaction inhibiting layer 2 formed in the method for manufacturing the solid oxide fuel cell is as described above.

상기 적층체는 1200℃ 내지 1250℃에서 공소결할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 소결 온도가 상대적으로 낮기 때문에, 상기 금속 도핑된 세리아 산화물층과 상기 세라믹 고체산화물층이 고용상을 생성하는 것을 방지할 수 있다.The laminate may be co-sintered at 1200°C to 1250°C. As described above, since the sintering temperature is relatively low, it is possible to prevent the metal-doped ceria oxide layer and the ceramic solid oxide layer from generating a solid solution phase.

소결 후 얻어진 상기 반응억제층 (2)은 Bi 및 Si를 함께 상기 금속 도핑된 세리아 산화물층에 도핑하여 형성됨으로써 소결 온도를 저하함과 동시에 소결성을 향상시켜 소결 밀도를 높일 수 있다.The reaction inhibiting layer 2 obtained after sintering is formed by doping Bi and Si together with the metal-doped ceria oxide layer, thereby reducing the sintering temperature and improving the sintering property, thereby increasing the sintering density.

소결 후 얻어진 상기 반응억제층 (2)은 기공률이 낮다. 구체적으로, 상기 반응억제층 (2)의 기공률은 1 내지 20 부피% 일 수 있다. The reaction inhibiting layer 2 obtained after sintering has a low porosity. Specifically, the porosity of the reaction inhibiting layer 2 may be 1 to 20% by volume.

본 발명의 또 다른 구현예에서, In another embodiment of the invention,

음극층; 상기 고체산화물 연료전지용 고체 전해질; 및 양극층;을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.Cathode layer; A solid electrolyte for the solid oxide fuel cell; And an anode layer; provides a solid oxide fuel cell comprising a.

도 2는 본 발명에 또 다른 구현예에 따른 고체산화물 연료전지의 구조의 모식적인 단면도이다. 도 2에서, 고체산화물 연료전지 (100)는 음극층 (20), 고체 전해질층 (10) 및 양극층 (30)이 차례로 적층되어 형성된다.2 is a schematic cross-sectional view of the structure of a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention. In FIG. 2, the solid oxide fuel cell 100 is formed by sequentially stacking the cathode layer 20, the solid electrolyte layer 10, and the anode layer 30.

상기 고체 전해질 (10)에 관한 상세한 설명은 전술하여 설명한 바와 같다.The detailed description of the solid electrolyte 10 is as described above.

상기 양극층 (30)은 LSM (La1-xSrxMnO3, 여기서 x=0.1∼0.3), La1-xSrxFeO3,(이를테면 여기서 x=0.3), La1-xSrxCoyFe1-yO3 (이를테면 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3) 및/또는 Pr1-xSrxMnO3 (이를테면 Pr0.8Sr0.2MnO3) 중 적어도 하나로 형성될 수 있으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한 다른 재료가 사용될 수 있다. 예컨대, 별법으로 Ruddlesden-Popper 니켈레이트 및 La1-xCaxMnO3 (이를테면 La0.8Ca0.2MnO3) 재료가 사용될 수 있다. The anode layer 30 is LSM (La 1-x Sr x MnO 3 , where x=0.1∼0.3), La 1-x Sr x FeO 3 ,(such as x=0.3), La 1-x Sr x Co y Fe 1-y O 3 (such as La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ) and/or Pr 1-x Sr x MnO 3 (such as Pr 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ) may be formed, but the present invention Other materials may be used as long as it does not deviate from the range of. For example, alternatively Ruddlesden-Popper nickelate and La 1-x Ca x MnO 3 (such as La 0.8 Ca 0.2 MnO 3 ) materials can be used.

상기 음극층 (20)은 전해질 재료 (세라믹 고체산화물층의 재료)와 유사한 재료를 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 음극층 (20)은 다공성 YSZ 층으로 제조될 수 있고, 이에 한정되지 않는다. The cathode layer 20 may be made of a material similar to the electrolyte material (the material of the ceramic solid oxide layer). Specifically, the cathode layer 20 may be made of a porous YSZ layer, but is not limited thereto.

상기 고체산화물 연료전지는 연료극 지지체형, 공기극 지지체형, 전해질 지지체형 등으로 다양한 공지된 구조에 따라 제조될 수 있다.The solid oxide fuel cell may be manufactured according to various known structures such as an anode support type, an anode support type, and an electrolyte support type.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐이고 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. The following examples are only examples of the present invention, and the present invention is not limited to the examples below.

(실시예)(Example)

실시예 1-5는 CeO2에 Gd2O3, Bi2O3 및 Sc2O3 도펀트의 함량이 하기 표 1에서와 같이 하여 15at%이 되도록 시편을 제조하였다.Example 1-5 was prepared so that the content of Gd 2 O 3 , Bi 2 O 3 and Sc 2 O 3 dopant in CeO 2 is 15at% as shown in Table 1 below.

비교예 1-3은 CeO2에 Gd2O3 및 Bi2O3 도펀트의 함량이 하기 표 1에서와 같이 하여 15at%이 되도록 시편을 제조하였다.Comparative Example 1-3 was prepared so that the content of Gd 2 O 3 and Bi 2 O 3 dopant in CeO 2 is 15at% as shown in Table 1 below.

구분division 시편 중 도펀트 함량비 (atomic%) 총 15at%Dopant content ratio in specimen (atomic%) 15at% in total 실시예 1Example 1 Gd:Bi:Sc=12:1:2Gd:Bi:Sc=12:1:2 실시예 2Example 2 Gd:Bi:Sc=11:2:2Gd:Bi:Sc=11:2:2 실시예 3Example 3 Gd:Bi:Sc=10:3:2Gd:Bi:Sc=10:3:2 실시예 4Example 4 Gd:Bi:Sc=11:3:1Gd:Bi:Sc=11:3:1 실시예 5Example 5 Gd:Bi:Sc=13:1:1Gd:Bi:Sc=13:1:1 비교예 1Comparative Example 1 Gd:Bi=14:1Gd:Bi=14:1 비교예 2Comparative Example 2 Gd:Bi=13:2Gd:Bi=13:2 비교예 3Comparative Example 3 Gd:Bi=12:3Gd:Bi=12:3

실험예 1Experimental Example 1

실시예 1, 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 3에서 제조된 반응억제층의 주사전자현미경 (SEM) 분석을 실시하였다.Scanning electron microscope (SEM) analysis of the reaction inhibiting layers prepared in Example 1, Example 3, Comparative Example 1 and Comparative Example 3 was performed.

도 3 내지 도 6은 각각 실시예 1, 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 3에서 제조된 반응억제층의 SEM 이미지이다.3 to 6 are SEM images of the reaction inhibiting layers prepared in Example 1, Example 3, Comparative Example 1 and Comparative Example 3, respectively.

도 3 내지 도 6을 비교해보면, 도 3 및 도 4의 실시예 1 및 실시예 3의 반응억제층은 각각 동일한 Bi 도핑량을 가지는 도 5 및 도 6의 비교예 1 및 비교예 3의 반응억제층보다 치밀하게 형성되어서 소결 밀도가 증가함을 확인할 수 있다. 또한, 도 3의 실시예 1의 반응억제층의 Bi와 Sc의 도핑 농도의 합과 도 6의 비교예 3의 반응억제층의 Bi의 도핑 농도가 모두 3 at%로 동일하지만, 도 3의 실시예 1의 반응억제층이 더욱 치밀하게 형성되어서 소결 밀도가 증가함을 확인할 수 있다.3 to 6, the reaction suppressing layers of Examples 1 and 3 of FIGS. 3 and 4 have the same Bi doping amount, respectively, and the reaction inhibition of Comparative Examples 1 and 3 of FIGS. 5 and 6 is suppressed. It can be seen that the sintered density is increased because it is more densely formed than the layer. In addition, although the sum of the doping concentrations of Bi and Sc in the reaction suppressing layer of Example 1 in FIG. 3 and the doping concentrations of Bi in the reaction suppressing layer in Comparative Example 3 in FIG. 6 are all equal to 3 at%, the embodiment of FIG. 3 is performed. It can be seen that the reaction inhibitory layer of Example 1 is formed more densely, so that the sintering density increases.

실험예 2Experimental Example 2

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 각각 형성된 반응억제층의 기공률을 평가하였다. The porosity of the reaction inhibiting layers formed in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, respectively, was evaluated.

도 7은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 각각 형성된 반응억제층의 기공률을 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing porosity of the reaction inhibiting layers formed in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, respectively.

실시예 1-3 및 비교예 1-3은 모두 Bi 도핑량이 증가할수록, 기공률이 감소하였지만, 실시예 1 내지 실시예 3은 각각 동일 Bi 도핑량을 가지는 비교예 대비하여 모두 기공률이 감소하였다.In Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3, the porosity decreased as the amount of Bi doping increased, but in Examples 1 to 3, the porosity decreased in comparison with Comparative Examples having the same amount of Bi doping, respectively.

실험예 3Experimental Example 3

실시예 1, 3-5 및 비교예 1, 3에서 각각 형성된 반응억제층의 전기 전도도를 평가하였다. The electrical conductivity of the reaction inhibiting layers formed in Examples 1, 3-5 and Comparative Examples 1 and 3, respectively, was evaluated.

전기 전도도는 Source-Measure Unit (K2400, Keithley) 를 사용하여 측정하였다.Electrical conductivity was measured using a Source-Measure Unit (K2400, Keithley).

도 8은 실시예 1, 3-5 및 비교예 1, 3에서 각각 형성된 반응억제층에 대하여 전기로 내에서 합성된 공기를 흘려 750℃에서 측정된 전기 전도도를 나타낸 그래프이다. 도 8에서 괄호 내 %는 측정된 소결 밀도 기록한 것이다.8 is a graph showing electrical conductivity measured at 750° C. by flowing air synthesized in an electric furnace with respect to the reaction inhibiting layers formed in Examples 1, 3-5 and Comparative Examples 1 and 3, respectively. 8,% in parentheses is a record of the measured sinter density.

동일 Bi 도핑량을 가지는 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 5의 경우와, 비교예 3, 실시예 4 및 실시예 5의 경우를 살펴보면, 모두 Sc 함량이 증가할수록, 전기 전도도가 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 그러나 전기 전도도의 증가는 Sc의 도핑량이 1 at%에 이르면 Sc 도핑량을 증가해도 전기전도도의 변화가 없다. Looking at the case of Comparative Example 1, Example 1 and Example 5 and Comparative Example 3, Example 4 and Example 5 having the same Bi doping amount, both the Sc content increases, the electrical conductivity tends to increase can confirm. However, the increase in electrical conductivity does not change the electrical conductivity even if the Sc doping amount is increased when the Sc doping amount reaches 1 at%.

1 at% 이상의 Sc 도핑한 실시예에서 나타난 전기전도도 증가는 소결 밀도의 증가가 원인으로 판단된다.The increase in electrical conductivity seen in the Sc doped example of 1 at% or more is considered to be caused by an increase in sintering density.

도 9는 도 8의 결과를 소결 밀도에 대한 전기전도도의 결과 그래프이다. 도 9는 각 조성에 대해 전기전도도가 소결 밀도에 비례한다는 것, 소결 밀도는 Sc과 Bi 를 동시에 도핑함으로써 증가한다는 것을 보여준다.FIG. 9 is a graph of the results of electrical conductivity with respect to the sintering density of the results of FIG. 8. 9 shows that for each composition, the electrical conductivity is proportional to the sintering density, and that the sintering density increases by doping Sc and Bi simultaneously.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It should be understood that the above-described embodiments are illustrative and non-limiting in all respects, and the scope of the present invention will be indicated by the following claims rather than the above detailed description. And it should be interpreted that the meaning and scope of the claims to be described later, as well as all alterable and deformable forms derived from the equivalent concept, are included in the scope of the present invention.

1: 세라믹 고체산화물층
2: 반응억제층
10: 고체 전해질층
20: 음극층
30: 양극층
100: 고체산화물 연료전지
1: Ceramic solid oxide layer
2: Reaction inhibiting layer
10: solid electrolyte layer
20: cathode layer
30: anode layer
100: solid oxide fuel cell

Claims (7)

세라믹 고체산화물층; 및
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 반응억제층;
을 포함하는 고체산화물 연료전지용 고체 전해질.
<화학식 1>
CeaMbBicScdO2
상기 식에서,
M은 Gd, Sm, Pr, Y 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 나타내고,
a+b+c+d=1, 0<a≤0.80, 0<b≤0.2, 0<c≤0.03, 0<d≤0.03, 0<b+c+d≤0.20 이다.
Ceramic solid oxide layer; And
Reaction inhibiting layer comprising a compound represented by the formula (1);
Solid electrolyte for a solid oxide fuel cell comprising a.
<Formula 1>
Ce a M b Bi c Sc d O 2
In the above formula,
M represents one selected from the group consisting of Gd, Sm, Pr, Y and combinations thereof,
a+b+c+d=1, 0<a≤0.80, 0<b≤0.2, 0<c≤0.03, 0<d≤0.03, 0<b+c+d≤0.20.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 고체산화물층은 Bi2O3, 플루오라이트계 산화물 페로브스카이트계 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
고체산화물 연료전지용 고체 전해질:
According to claim 1,
The ceramic solid oxide layer includes one selected from the group consisting of Bi 2 O 3, a fluorite-based perovskite-based oxide, and combinations thereof.
Solid electrolyte for solid oxide fuel cells:
제1항에 있어서,
상기 반응억제층의 기공률이 1 내지 20 부피%인
고체산화물 연료전지용 고체 전해질.
According to claim 1,
The porosity of the reaction inhibiting layer is 1 to 20% by volume
Solid electrolyte for solid oxide fuel cells.
음극층;
제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 따른 고체 전해질; 및
양극층;
을 포함하는 고체산화물 연료전지.
Cathode layer;
The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3; And
Anode layer;
Solid oxide fuel cell comprising a.
제4항에 있어서,
상기 양극층은 La1-xSrxMnO3 (여기서, x=0.1∼0.3), La1-xSrxFeO3 (여기서, x=0.3), La1-xSrxCoyFe1-yO3 (여기서, 0.1≤x≤0.4, 0.1≤y≤0.9) Pr1-xSrxMnO3 (여기서, 0.1≤x≤0.3), Ruddlesden-Popper 니켈레이트, La1-xCaxMnO3 (여기서, 0.1≤x≤0.4) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
고체산화물 연료전지.
According to claim 4,
The anode layer is La 1-x Sr x MnO 3 (here, x=0.1 to 0.3), La 1-x Sr x FeO 3 (here, x=0.3), La 1-x Sr x Co y Fe 1-y O 3 (where 0.1≤x≤0.4, 0.1≤y≤0.9) Pr 1-x Sr x MnO 3 (where 0.1≤x≤0.3), Ruddlesden-Popper nickelate, La 1-x Ca x MnO 3 ( Here, at least one selected from the group consisting of 0.1≤x≤0.4) and combinations thereof
Solid oxide fuel cell.
음극층 및 세라믹 고체산화물층을 순차적으로 적층하여 공소결하는 단계;
금속 도핑된 세리아 산화물을 상기 세라믹 고체산화물층 상에 도포하여 반응억제층을 형성한 뒤, 상기 공소결 온도 보다 낮은 온도서 열처리하는 단계; 및
양극층을 열처리하는 단계;
를 포함하고,
상기 금속 도핑된 세리아 산화물층은 하기 화학식 1로 표시되는
고체산화물 연료전지를 제조하는 방법:
<화학식 1>
CeaMbBicScdO2
상기 식에서,
M은 Gd, Sm, Pr, Y 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 나타내고,
a+b+c+d=1, 0<a≤0.80, 0<b≤0.2, 0<c≤0.03, 0<d≤0.03, 0<b+c+d≤0.20 이다.
A step of sequentially sintering the cathode layer and the ceramic solid oxide layer in sequence;
Applying a metal-doped ceria oxide on the ceramic solid oxide layer to form a reaction inhibiting layer, followed by heat treatment at a temperature lower than the co-sintering temperature; And
Heat-treating the anode layer;
Including,
The metal-doped ceria oxide layer is represented by the following formula (1)
Method for manufacturing a solid oxide fuel cell:
<Formula 1>
Ce a M b Bi c Sc d O 2
In the above formula,
M represents one selected from the group consisting of Gd, Sm, Pr, Y and combinations thereof,
a+b+c+d=1, 0<a≤0.80, 0<b≤0.2, 0<c≤0.03, 0<d≤0.03, 0<b+c+d≤0.20.
음극층, 세라믹 고체산화물층 및 금속도핑된 세리아 산화물층을 순차적으로 적층하여 공소결하는 단계; 및 양극층을 열처리하는 단계;를 포함하고,
상기 금속 도핑된 세리아 산화물층은 하기 화학식 1로 표시되는
고체산화물 연료전지를 제조하는 방법:
<화학식 1>
CeaMbBicScdO2
상기 식에서,
M은 Gd, Sm, Pr, Y 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 나타내고,
a+b+c+d=1, 0<a≤0.80, 0<b≤0.2, 0<c≤0.03, 0<d≤0.03, 0<b+c+d≤0.20 이다.
Sequentially sintering by sequentially stacking a cathode layer, a ceramic solid oxide layer, and a metal-doped ceria oxide layer; And heat-treating the anode layer.
The metal-doped ceria oxide layer is represented by the following formula (1)
Method for manufacturing a solid oxide fuel cell:
<Formula 1>
Ce a M b Bi c Sc d O 2
In the above formula,
M represents one selected from the group consisting of Gd, Sm, Pr, Y and combinations thereof,
a+b+c+d=1, 0<a≤0.80, 0<b≤0.2, 0<c≤0.03, 0<d≤0.03, 0<b+c+d≤0.20.
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