KR20210045118A - Solid oxide electrolyte including thin film electrolyte layer of multiple repetitive structures, method for manufacturing the same, solid oxide fuel cell and solid oxide electrolysis cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to: a solid oxide electrolyte including a thin film electrolyte layer of a multi-repeating structure, capable of solving problems such as low reproducibility and durability of a thin film electrolyte; a method for manufacturing the same; a single cell including the same; a solid oxide fuel cell including the single cell; and a solid oxide electrolyzer including the single cell. Accordingly, the multi-layered electrolyte has the advantage that the stress at the interface of adjacent electrolyte-layers may be stably distributed due to a difference in thermal expansion coefficient.

Description

다중 반복 구조의 박막 전해질층을 포함하는 고체산화물 전해질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 전해조{Solid oxide electrolyte including thin film electrolyte layer of multiple repetitive structures, method for manufacturing the same, solid oxide fuel cell and solid oxide electrolysis cell comprising the same}Solid oxide electrolyte including thin film electrolyte layer of multiple repetitive structures, method for manufacturing the same, solid oxide fuel cell and solid oxide electrolysis cell comprising the same}

본 발명은 다중 반복 구조의 박막 전해질층을 포함하는 고체산화물 전해질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 전해조에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide electrolyte including a multi-repeated thin film electrolyte layer, a method of manufacturing the same, a solid oxide fuel cell including the same, and a solid oxide electrolyzer.

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) 또는 고체산화물 전해조(Solid Oxide Elctrolysis Cells, SOEC)는 셀을 구성하는 기본 요소인 전해질 및 전극이 모두 내열성이 우수한 세라믹으로 구성되어 있다.Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) or Solid Oxide Elctrolysis Cells (SOEC) are composed of ceramics with excellent heat resistance, both of which are the basic elements of the cell, including electrolytes and electrodes.

고체산화물 연료전지(SOFC)는 인산형 연료전지 및 용융탄산염형 연료전지보다 뒤늦게 개발이 시작되었다. 상기 SOFC는 여러 연료전지 유형 중 에너지 효율이 가장 높고, 최고 1000 ℃ 에 이르는 높은 운전 온도로 인해 고가의 외부 개질장치 없이 LPG, LNG 등의 탄화수소를 직접 연료로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 운전 시 공해 물질의 배출이 연소기관에 비해 매우 적다는 장점을 가지고 있다.Solid oxide fuel cells (SOFCs) began to be developed later than phosphoric acid fuel cells and molten carbonate fuel cells. The SOFC has the highest energy efficiency among several fuel cell types, and due to its high operating temperature up to 1000 ℃, hydrocarbons such as LPG and LNG can be directly used as fuel without an expensive external reformer, as well as pollutants during operation. It has the advantage that the emission of gas is very small compared to the combustion engine.

따라서, 최근에는 SOFC 의 운전 중 발생하는 양질의 고온 폐열을 가정용이나 열병합 발전에 접목하여 열효율을 극대화할 수 있다는 점 때문에, 현장 발전 등의 중소형 발전 시스템뿐만 아니라 대형 발전 시스템으로도 각광받고 있다.Therefore, in recent years, since it is possible to maximize thermal efficiency by grafting high-quality high-temperature waste heat generated during operation of the SOFC to household or cogeneration power generation, it has been in the spotlight as a large power generation system as well as small and medium-sized power generation systems such as field power generation.

고체산화물 전해조(Solid Oxide Electrolysis Cells, SOEC) 는 연료전지의 역반응 공정에 의해 증기로부터 수소를 생산하는 고온전기분해 장치로 사용할 수 있으며, 미국에서는 초고온가스(Very High Temperature Reactor, VHTR)와 연계한 원자력 이용 고온전기분해 수소 생산 기술을 개발 중에 있고, 국내에서도 스택 규모의 고온전기분해 수소생산시스템을 개발하여 수소생산을 실증한 바 있다. 이러한 SOFC 또는 SOEC는 공기극과 연료극 및 전해질로 구성되는 단위전지(cell) 의 다층 구조물(stack)로 형성된다. 이 중에서, SOFC 또는 SOEC의 전해질층은 산소가 이온상태로 이동하는 통로를 제공하는 역할을 하는 것으로, 상기 전해질층은 고체산화물 연료전지 또는 고체산화물 전해조의 생산성 및 성능에 가장 큰 영향을 미친다. 최근에는 표면적이 넓은 전극 상에 치밀한 박막 형태로 형성된 박막 전해질을 포함하는 SOFC 또는 SOEC에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC) can be used as high-temperature electrolysis devices that produce hydrogen from steam by the reverse reaction process of fuel cells, and in the US, nuclear power is used in conjunction with Very High Temperature Reactor (VHTR). High-temperature electrolysis hydrogen production technology is being developed, and hydrogen production has been demonstrated by developing a stack-scale high-temperature electrolysis hydrogen production system in Korea. These SOFCs or SOECs are formed as a multi-layered structure (stack) of a unit cell (cell) composed of a cathode, an anode, and an electrolyte. Among them, the electrolyte layer of SOFC or SOEC serves to provide a passage through which oxygen moves in an ionic state, and the electrolyte layer has the greatest influence on the productivity and performance of a solid oxide fuel cell or a solid oxide electrolyzer. Recently, a lot of research on SOFC or SOEC including a thin film electrolyte formed in the form of a dense thin film on an electrode with a large surface area has been conducted.

일반적인 박막 전해질은 주 전해질인 A, 그리고 공기극과의 반응으로 생기는 2차상 형성을 막기 위한 버퍼층(buffer layer) 으로서 전해질 B가 A-B 형태로 존재한다.In general, thin-film electrolytes exist in the form of A-B as a buffer layer to prevent the formation of a secondary phase caused by reaction with A, which is a main electrolyte, and a cathode.

전해질 A와 B는 고온 작동에서 열팽창으로 인한 박리 혹은 크랙을 방지하기 위해서 열팽창 계수가 비슷한 물질로 사용하는 것이 일반적이다. 한편, 전해질 A와 B가 서로 다른 물질이기 때문에 열팽창 계수에 다소 차이는 있을 수 있다. 이러한 경우, 두꺼운 전해질의 경우 충분한 기계적 강도를 가지므로 해당 열팽창에 의한 내부 응력을 충분히 버틸 수 있지만 수 마이크로미터 이하의 두께를 갖는 박막 전해질의 경우 낮은 기계적 강도와 대단히 큰 고-종횡비로 인해 아주 작은 열팽창계수의 차이로도 큰 열충격을 받을 수 있다.Electrolytes A and B are generally used as materials with similar coefficients of thermal expansion in order to prevent peeling or cracking due to thermal expansion in high temperature operation. On the other hand, since electrolytes A and B are different materials, there may be some differences in the coefficient of thermal expansion. In this case, since the thick electrolyte has sufficient mechanical strength, it can sufficiently withstand the internal stress caused by the corresponding thermal expansion, but the thin film electrolyte having a thickness of several micrometers or less has very small thermal expansion due to low mechanical strength and a very large high-aspect ratio. Even the difference in coefficient can be subject to great thermal shock.

도 1은 종래의 A-B 형 박막 전해질이 받는 내부응력 분포도를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing an internal stress distribution diagram that a conventional A-B type thin film electrolyte receives.

상기 A-B 형태의 전해질 구조는 열팽창 계수 차이로 인해 400 ℃ 이상의 작동 온도에서는 A-B 사이의 계면에서의 내부 응력이 도 1과 같이 형성된다. 이에 따라, 두 전해질 층 모두가 위쪽에서 팽창 응력, 아래쪽에서 압축 응력이 걸리면서 볼록하게 휘어지려는 힘을 받게 되어 구조적으로 불안정한 문제가 있었다.In the A-B type electrolyte structure, an internal stress at the interface between A-B is formed as shown in FIG. 1 at an operating temperature of 400° C. or higher due to a difference in coefficient of thermal expansion. Accordingly, both of the electrolyte layers are subjected to a force to be convexly bent while an expansion stress is applied from an upper side and a compressive stress is applied from a lower side, which causes structural instability.

즉, 상기 A-B 형태의 전해질 구조는 A와 B의 작은 열팽창 계수 차이로 인하여 A-B 계면에서 발생하는 응력이 열충격에 의한 휘어짐, 깨짐, 박리 등의 가능성이 존재하여, 열적으로 불안정한 문제가 있었다.That is, in the A-B type electrolyte structure, due to a small difference in coefficient of thermal expansion between A and B, there is a possibility that the stress generated at the A-B interface is bent, cracked, or peeled due to thermal shock, and there is a problem of thermal instability.

대한민국 등록특허 제10-0692642호Korean Patent Registration No. 10-0692642

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 박막 전해질의 낮은 재현성과 열적 내구성 등의 문제를 해결할 수 있는 다중 반복 구조의 박막 전해질층을 포함하는 고체산화물 전해질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 단전지, 단전지를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 단전지를 포함하는 고체산화물 전해조를 제공하고자 한다.The present invention is to solve the above-described problems, a solid oxide electrolyte including a thin film electrolyte layer having a multi-repeating structure capable of solving problems such as low reproducibility and thermal durability of the thin film electrolyte, a method of manufacturing the same, and a unit cell including the same , To provide a solid oxide fuel cell including a single cell and a solid oxide electrolyzer including a single cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,

고체산화물 전해질로서, As a solid oxide electrolyte,

연료극과 공기극 사이에 다층 구조의 전해질층을 포함하며, 상기 다층 구조의 전해질층은 적어도 3층으로 이루어지며, 서로 상이한 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 갖는 두 종류의 전해질층이 순차적으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질을 제공한다.It includes a multi-layered electrolyte layer between the anode and the air electrode, and the multi-layered electrolyte layer consists of at least three layers, and two types of electrolyte layers having different coefficients of thermal expansion are sequentially stacked. It provides a solid oxide electrolyte, characterized in that the structure.

또한, 본 발명은,In addition, the present invention,

연료극 상에 적어도 3층으로 이루어진 다층 구조의 전해질층을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하며,It includes the step of sequentially laminating an electrolyte layer of a multilayer structure consisting of at least three layers on the anode,

상기 다층 구조의 전해질층은 서로 상이한 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 갖는 두 종류의 전해질층이 순차적으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질의 제조방법을 제공한다.The multi-layered electrolyte layer provides a method of manufacturing a solid oxide electrolyte, characterized in that a structure in which two kinds of electrolyte layers having different coefficients of thermal expansion are sequentially stacked.

또한, 본 발명은,In addition, the present invention,

상기 고체산화물 전해질을 포함하는 단전지를 제공한다.It provides a unit cell comprising the solid oxide electrolyte.

또한, 본 발명은,In addition, the present invention,

상기 단전지를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.It provides a solid oxide fuel cell including the unit cell.

또한, 본 발명은,In addition, the present invention,

상기 단전지를 포함하는 고체산화물 전해조를 제공한다.It provides a solid oxide electrolyzer comprising the unit cell.

본 발명의 다중 반복 구조의 박막 전해질층을 포함하는 고체산화물 전해질에 따르면, 다층 구조의 전해질층은 서로 인접하는 계면에서 열팽창 계수의 차이로 인하여 서로 인접하는 전해질층의 응력이 안정적으로 분포할 수 있다.According to the solid oxide electrolyte including the multi-repeated thin film electrolyte layer of the present invention, the stress of the electrolyte layers adjacent to each other can be stably distributed due to the difference in the coefficient of thermal expansion at the interface adjacent to each other in the electrolyte layer of the multilayer structure. .

이에 따라, 고체산화물 연료전지 또는 고체산화물 전해조의 승온 및 운전 과정에서 전해질 층에 발생할 수 있는 열충격을 줄일 수 있으며, 본 발명에서 제안하는 다중 반복 구조 전해질의 한 형태인 A-B-A-B 형태의 전해질 구조 형성을 통해 구조적으로 열적 내구성이 향상된 고체산화물 전해질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 단전지, 단전지를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 단전지를 포함하는 고체산화물 전해조를 제공할 수 있다.Accordingly, it is possible to reduce the thermal shock that may occur in the electrolyte layer during the heating and operation of the solid oxide fuel cell or solid oxide electrolyzer, and through the formation of an ABAB-type electrolyte structure, which is a form of the multi-repetitive electrolyte proposed in the present invention. Structurally, a solid oxide electrolyte having improved thermal durability, a method of manufacturing the same, a unit cell including the same, a solid oxide fuel cell including the unit cell, and a solid oxide electrolyzer including the unit cell may be provided.

도 1은 종래의 A-B 형 박막 전해질이 받는 내부응력 분포도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 A-B-A-B 형태의 전해질층을 갖는 고체산화물 전해질을 도입한 단전지의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 A-B-A-B 형태의 전해질층을 갖는 고체산화물 전해질의 내부응력 분포도를 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예에서 제조된 고체산화물 셀의 단면구조를 확인하기 위하여, 고체산화물 전기화학 셀의 작동 후에 상기 고체산화물 셀의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다. 도 4(a)는 실시예의 A-B-A-B 형 박막 전해질을 적용한 고체산화물 연료전지 단면을 나타내는 사진이며, 도 4(b)는 실시예의 A-B-A-B 형 박막 전해질 단면의 미세구조를 나타낸 확대사진이다.
도 5는 비교예에서 제조된 고체산화물 셀의 단면구조를 확인하기 위하여, 고체연료전지의 작동 후에 상기 고체산화물 셀의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 6은 실시예에서 제조된 고체산화물 연료전지 셀의 성능 시험 결과를 보여주는 그래프로, 단위전지의 출력을 보여주는 그래프이다.
도 7은 실시예에서 제조된 고체산화물 연료전지 셀의 성능 시험 결과를 보여주는 그래프로, 단위전지의 저항을 보여주는 그래프이다.
도 8은 비교예에서 제조된 고체산화물 연료전지 셀의 출력을 보여주는 그래프이다.
1 is a diagram showing an internal stress distribution diagram of a conventional AB type thin film electrolyte.
2 is a schematic diagram of a single cell into which a solid oxide electrolyte having an ABAB-type electrolyte layer according to the present invention is introduced.
3 is a diagram showing an internal stress distribution diagram of a solid oxide electrolyte having an ABAB type electrolyte layer according to the present invention.
4 is a photograph taken with a scanning electron microscope (SEM) of a cross section of the solid oxide cell after operation of the solid oxide electrochemical cell in order to confirm the cross-sectional structure of the solid oxide cell prepared in Example. FIG. 4(a) is a photograph showing a cross-section of a solid oxide fuel cell to which the ABAB-type thin film electrolyte of the embodiment was applied, and FIG. 4(b) is an enlarged photograph showing the microstructure of the cross-section of the ABAB-type thin film electrolyte of the embodiment.
5 is a photograph taken with a scanning electron microscope (SEM) of a cross section of the solid oxide cell after operation of the solid fuel cell in order to confirm the cross-sectional structure of the solid oxide cell prepared in Comparative Example.
6 is a graph showing the results of a performance test of the solid oxide fuel cell cell prepared in Example, and is a graph showing the output of a unit cell.
7 is a graph showing the results of a performance test of the solid oxide fuel cell cell prepared in Example, and is a graph showing the resistance of a unit cell.
8 is a graph showing the output of the solid oxide fuel cell cell manufactured in Comparative Example.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 발명에서, “포함한다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance the possibility of the presence or addition.

본 발명은 다중 반복 구조의 박막 전해질층을 포함하는 고체산화물 전해질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 단전지, 단전지를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 단전지를 포함하는 고체산화물 전해조에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide electrolyte including a multi-repeated thin film electrolyte layer, a method of manufacturing the same, a unit cell including the same, a solid oxide fuel cell including the unit cell, and a solid oxide electrolyzer including the unit cell.

종래의 A-B 형태의 박막 전해질 구조를 갖는 고체산화물 연료전지 또는 고체산화물 전해조는 열팽창 계수 차이로 인해 400 ℃ 이상의 높은 작동 온도에서는 A-B 사이의 계면에서의 내부 응력이 도 1과 같이 형성된다. 이에 따라, 두 전해질 층 모두가 위쪽에서 팽창 응력, 아래쪽에서 압축 응력이 걸리면서 볼록하게 휘어지려는 힘을 받게 되어 구조적으로 불안정한 문제가 있었다.In a conventional solid oxide fuel cell or solid oxide electrolyzer having an A-B type thin film electrolyte structure, an internal stress at the interface between A and B is formed as shown in FIG. 1 at a high operating temperature of 400° C. or higher due to a difference in thermal expansion coefficient. Accordingly, both of the electrolyte layers are subjected to a force to be convexly bent while an expansion stress is applied from an upper side and a compressive stress is applied from a lower side, which causes structural instability.

즉, 종래의 A-B 형 박막 전해질의 경우에는 두께가 수 마이크로미터 이하로서 매우 얇고, 고-종횡비가 대단히 크므로, 약간의 열팽창 계수 차이로도 박막 내부에서의 응력 분포에 의한 휘는 방향으로 전단 변형력이 걸려 열적으로 불안정한 문제가 있었다.That is, in the case of the conventional AB type thin-film electrolyte, the thickness is very thin as a few micrometers or less, and the high-aspect ratio is very large, so even a slight difference in the coefficient of thermal expansion causes the shear strain in the bending direction due to the stress distribution inside the thin film. There was a problem that was caught and thermally unstable.

이에 본 발명은 위와 같은 문제로 인한 박막 전해질의 낮은 재현성과 내구성 등의 문제를 해결할 수 있는 다중 반복 구조를 갖는 전해질층을 포함하는 고체산화물 전해질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 단전지, 단전지를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 단전지를 포함하는 고체산화물 전해조를 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention includes a solid oxide electrolyte including an electrolyte layer having a multi-repetitive structure capable of solving problems such as low reproducibility and durability of a thin film electrolyte due to the above problems, a method of manufacturing the same, a unit cell including the same, and a unit cell. It is intended to provide a solid oxide electrolyzer including a solid oxide fuel cell and a single cell.

특히, 본 발명에 따른 다중 반복 구조를 갖는 박막 전해질층을 포함하는 고체산화물 전해질은 서로 인접하는 계면에서 열팽창 계수의 차이로 인하여 서로 인접하는 전해질층의 응력이 안정적으로 분포할 수 있다. 이에 따라, 고체산화물 연료전지 및 전해조의 승온 및 운전 과정에서 발생할 수 있는 전해질 층의 열충격을 줄일 수 있으며, 다중 반복 구조의 한 형태인 A-B-A-B 형태의 전해질 구조 형성을 통해 구조적으로 내구성이 향상된 고체산화물 연료전지 및 전해조를 제공할 수 있는 이점이 있다. 한편, 이하에서, 본 발명의 전해질을 A-B-A-B 형태 또는 제1 내지 제4 전해질층을 갖는 것으로 후술하였으나, 전해질층의 개수는 이에 한정되는 것은 아니다.Particularly, in the solid oxide electrolyte including the thin film electrolyte layer having a multi-repetition structure according to the present invention, stresses in the electrolyte layers adjacent to each other can be stably distributed due to a difference in coefficient of thermal expansion at an interface adjacent to each other. Accordingly, it is possible to reduce the thermal shock of the electrolyte layer that may occur during the heating and operation of the solid oxide fuel cell and the electrolytic cell, and structurally improved durability through the formation of an ABAB-type electrolyte structure, which is a form of a multi-repetition structure. There is an advantage to be able to provide a battery and an electrolyzer. Meanwhile, hereinafter, the electrolyte of the present invention will be described later as having an A-B-A-B type or first to fourth electrolyte layers, but the number of electrolyte layers is not limited thereto.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

도 2는 본 발명에 따른 A-B-A-B 형태의 전해질층을 갖는 고체산화물 전해질을 도입한 단전지의 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 A-B-A-B 형태의 전해질층을 갖는 고체산화물 전해질의 내부응력 분포도를 나타낸 도면이다. FIG. 2 is a schematic diagram of a single cell in which a solid oxide electrolyte having an ABAB-type electrolyte layer according to the present invention is introduced, and FIG. 3 is a diagram showing an internal stress distribution diagram of a solid oxide electrolyte having an ABAB-type electrolyte layer according to the present invention. to be.

도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고체산화물 전해질은 연료극과 공기극 사이에 다층 구조를 포함한다. 이때, 상기 다층 구조의 전해질층은 적어도 3층으로 이루어지고, 서로 상이한 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 갖는 두 종류의 전해질층이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.As shown in Fig. 2, the solid oxide electrolyte of the present invention includes a multilayer structure between the anode and the cathode. In this case, the multilayered electrolyte layer may be composed of at least three layers, and two types of electrolyte layers having different coefficients of thermal expansion may be sequentially stacked.

도 3을 참조하여, 본 발명의 다층 구조의 전해질층의 내부 응력을 설명하도록 한다. 도 3을 참조하면, A1-B1-A2-B2 형태의 전해질층은 A1-B1, B1-A2, A2-B2 계면에서 열팽창 계수의 차이로 인하여 B1 층과 A2 층의 응력이 안정적으로 분포하게 된다. 특히, B1 이 압축 응력에 의하여 안정화되면서 A2 전해질이 함께 안정화되는 현상을 기대할 수 있다.Referring to FIG. 3, the internal stress of the electrolyte layer of the multilayer structure of the present invention will be described. Referring to FIG. 3, in the A1-B1-A2-B2 type electrolyte layer, stresses between the B1 layer and the A2 layer are stably distributed due to the difference in the coefficient of thermal expansion at the interfaces A1-B1, B1-A2, and A2-B2. . In particular, it can be expected that the A2 electrolyte is stabilized together while B1 is stabilized by the compressive stress.

전해질층의 계면 응력은 하기와 같이 계산될 수 있다.The interfacial stress of the electrolyte layer can be calculated as follows.

σ = Eε σ = Eε

E : Young's modulus (영률), ε : 변형률E: Young's modulus, ε: strain

한편, 변형률은 열팽창에 의해 발생하므로 하기의 식이 성립된다.On the other hand, since the strain is generated by thermal expansion, the following equation is established.

ε = ΔL/L0 = αΔT ε = ΔL/L0 = αΔT

α : 열팽창계수, ΔT : 온도차이 (Tcell - T0 >0) α: Coefficient of thermal expansion, ΔT: temperature difference (T cell -T 0 >0)

그러므로, 응력 σ = Eε = EαΔT 이다.Therefore, the stress σ = Eε = EαΔT.

A층이 이트리아-안정화 지르코니아 (YSZ)이고, B층이 가돌리늄-도핑 세리아 (GDC)의 경우에 αB > αA 이므로 ΔLB > ΔLA 이지만 계면에서 박리가 일어나지 않는다고 가정하면 이론적으로 계산되는 변형률의 반대방향으로 응력이 발생한다. 이에 따라, 전해질층의 계면에서 걸리는 내부 응력 방향은 도 3과 같이 분포하게 된다.In the case of layer A is yttria-stabilized zirconia (YSZ) and layer B is gadolinium-doped ceria (GDC), α B > α A, so ΔL B > ΔL A. Stress occurs in the opposite direction of the strain. Accordingly, the direction of internal stress applied at the interface of the electrolyte layer is distributed as shown in FIG. 3.

참고로, 본 발명은 상술한 구조적 특징으로 인하여 종래기술 대비 높은 열적 내구성에 따른 높은 기전력 및 전기화학적 성능에서 우수한 효과를 발견하였는데, 이는 실험예에서 후술하도록 한다. 본 발명의 다중 반복 구조 고체산화물 전해질 층은, 연료극 상에 제1전해질층, 제2전해질층 및 제3전해질층이 순차적으로 적층된 구조이다. 이때, 상기 제2전해질층은, 제1전해질층 및 제3전해질층과 상이한 물질로서, 상이한 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 갖는 것을 특징으로 한다.For reference, the present invention has found excellent effects in high electromotive force and electrochemical performance due to high thermal durability compared to the prior art due to the above-described structural features, which will be described later in experimental examples. The multi-repeated solid oxide electrolyte layer of the present invention has a structure in which a first electrolyte layer, a second electrolyte layer, and a third electrolyte layer are sequentially stacked on a fuel electrode. In this case, the second electrolyte layer is a material different from the first and third electrolyte layers and has a different coefficient of thermal expansion.

아울러, 제1전해질층 및 제3전해질층은, 서로 동일한 열 팽창계수를 가질 수 있다.In addition, the first electrolyte layer and the third electrolyte layer may have the same coefficient of thermal expansion.

나아가, 제3전해질층 상에 제4전해질층이 적층된 구조이며, 상기 제4전해질층은 제2전해질층과 동일한 열 팽창계수를 가질 수 있다.Further, a structure in which a fourth electrolyte layer is stacked on a third electrolyte layer, and the fourth electrolyte layer may have the same coefficient of thermal expansion as that of the second electrolyte layer.

보다 구체적으로, 본 발명의 고체산화물 전해질은, 평균온도 400 ℃ 내지 900 ℃ 에서 하기 식 1을 만족할 수 있다.More specifically, the solid oxide electrolyte of the present invention may satisfy Equation 1 below at an average temperature of 400°C to 900°C.

[식 1][Equation 1]

│CTEa - CTEb│≤10×10-6/K│CTE a -CTE b │≤10×10 -6 /K

식 1에서, CTEa 는 제1전해질층 및 제3전해질층의 열팽창계수이며, CTEb 는 제2전해질층 및 제4전해질층의 열팽창계수이다.In Equation 1, CTE a is the thermal expansion coefficient of the first and third electrolyte layers, and CTE b is the thermal expansion coefficient of the second and fourth electrolyte layers.

만일, 상기 범위에서 │CTEa - CTEb│ 값이 10×10-6/K 를 초과하는 경우, 각각의 전해질층의 열팽창계수 차이가 너무 커서, 고체산화물 연료전지의 승온 및 운전 과정에서 각 소자에 크랙(crack) 등의 구조적 문제가 발생할 수 있으므로, │CTEa - CTEb│ 범위가 10×10-6/K 이하인 것이 바람직하다. If the value of │CTE a -CTE b │ exceeds 10×10 -6 /K in the above range, the difference in the coefficient of thermal expansion of each electrolyte layer is too large. Since structural problems such as cracks may occur, it is preferable that the range of │CTE a -CTE b │ is 10×10 -6 /K or less.

즉, 고체산화물 전해질이 식 1을 만족할 때, 각각의 전해질층이 접하는 계면에서 열팽창 계수의 차이로 인하여, 서로 다른 소자의 열팽창계수 차이에 의한 응력 발생과 열피로를 억제하여 구조적으로 안정화될 수 있다.That is, when the solid oxide electrolyte satisfies Equation 1, due to the difference in the coefficient of thermal expansion at the interface where each electrolyte layer contacts, it can be structurally stabilized by suppressing the generation of stress and thermal fatigue due to the difference in the coefficient of thermal expansion of different elements. .

상기 제1전해질층 및 제3전해질층은 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ, Yttria-stabilized zirconia), 스칸디아 안정화 지르코니아 (SSZ, scandia-stabilized zirconia), 이트륨 도핑된 바륨 지르코니네이트(BZY, yttrium doped barium zirconate), 이트륨 도핑된 바륨 세레이트(BCY, yttrium doped barium cerate), 이트륨 도핑된 바륨 지르코네이트와 바륨 세레이트의 고용체(BZCY) 또는 스트론튬 망간 도핑 란타늄 갈레이트 (LSGM, strontium manganese-doped lanthanum gallate) 를 포함할 수 있으며, 제2전해질층 및 제4전해질층은 가돌리늄-도핑 세리아(GDC, Gadolinium-doped ceria), 사마륨 도핑 세리아(SDC, samarium-doped ceria), 이트륨 도핑 세리아(YDC, Yittrium -Doped ceria) 또는 란타늄 도핑 세리아(LDC, Lanthanum-Doped Ceria)를 포함할 수 있다.The first and third electrolyte layers are yttria-stabilized zirconia (YSZ, Yttria-stabilized zirconia), scandia-stabilized zirconia (SSZ), yttrium-doped barium zirconate (BZY, yttrium doped barium). zirconate), yttrium doped barium cerate (BCY), a solid solution of yttrium-doped barium zirconate and barium serate (BZCY), or strontium manganese-doped lanthanum gallate (LSGM) ), and the second and fourth electrolyte layers are gadolinium-doped ceria (GDC), samarium-doped ceria (SDC), and yttrium-doped ceria (YDC, Yittrium- Doped ceria) or lanthanum-doped ceria (LDC).

구체적으로, 제1전해질층 및 제3전해질층은 YSZ(Zr0.84Y0.16O2-δ), SSZ(Zr 1-x Sc x O 2-δ ), BZY(BaZr 0.8 Y 0.2 O 3-δ ), BCY(BaCe 0.8 Y 0.2 O 3-δ ), BZCY(BaZr x Ce 0.8-x Y 0.2 O 3-δ ) 또는 LSGM(La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3-δ ) 를 포함할 수 있으며, 제2전해질층 및 제4전해질층은 GDC(Ce0.9Gd0.1O2-δ), SDC(Sm x Ce 1-x O 2-δ ), YDC(Y x Ce 1-x O 2-δ ) 또는 LDC(La x Ce 1-x O 2-δ )를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1전해질층 및 제3전해질층은 이트리아-안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia, Zr0.84Y0.16O2-δ) 를 포함할 수 있으며, 제2전해질층 및 제4전해질층은 가돌리늄-도핑 세리아(Gadolinium-doped ceria, Ce0.9Gd0.1O2-δ)를 포함할 수 있다.Specifically, the first and third electrolyte layers are YSZ (Zr 0.84 Y 0.16 O 2-δ ), SSZ ( Zr 1-x Sc x O 2-δ ), BZY ( BaZr 0.8 Y 0.2 O 3-δ ) , BCY ( BaCe 0.8 Y 0.2 O 3-δ ), BZCY ( BaZr x Ce 0.8-x Y 0.2 O 3-δ ) or LSGM ( La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3-δ ), The second and fourth electrolyte layers are GDC (Ce 0.9 Gd 0.1 O 2-δ ), SDC ( Sm x Ce 1-x O 2-δ ), YDC ( Y x Ce 1-x O 2-δ ) or LDC ( La x Ce 1-x O 2-δ ) may be included. For example, the first and third electrolyte layers may include yttria-stabilized zirconia (Zr 0.84 Y 0.16 O 2-δ ), and the second and fourth electrolyte layers Gadolinium-doped ceria (Gadolinium-doped ceria, Ce 0.9 Gd 0.1 O 2-δ ) may be included.

이때, 제1전해질층 및 제3전해질층의 두께는 0.1 내지 10 ㎛ 일 수 있으며, 제2전해질층 및 제4전해질층의 두께는 0.1 내지 5 ㎛ 일 수 있다.In this case, the thickness of the first and third electrolyte layers may be 0.1 to 10 μm, and the thickness of the second and fourth electrolyte layers may be 0.1 to 5 μm.

만일, 제1, 3전해질층의 두께가 0.1 ㎛ 미만인 경우에는, 상기된 박막 코팅 기술로는 충분히 치밀한 전해질 박막을 얻을 수 없으며, 10 ㎛ 를 초과하는 경우에는 박막 전해질의 범위를 벗어나므로 본 발명의 고체산화물 전해질에 적합하지 않을 수 있다. 또한, 제2, 4 전해질 층의 두께가 0.1 ㎛ 미만인 경우에는, 상술한 바와 마찬가지로, 치밀한 전해질 박막을 얻을 수 없으며, 5 ㎛ 를 초과하는 경우에는 버퍼층으로서의 범위 밖에 있으므로 본 발명의 고체산화물 전해질에 적합하지 않을 수 있다.If the thickness of the first and third electrolyte layers is less than 0.1 μm, a sufficiently dense electrolyte thin film cannot be obtained with the thin film coating technology described above, and if it exceeds 10 μm, it is out of the range of the thin film electrolyte. It may not be suitable for solid oxide electrolytes. In addition, when the thickness of the second and fourth electrolyte layers is less than 0.1 μm, as described above, a dense electrolyte thin film cannot be obtained, and when it exceeds 5 μm, it is outside the range of the buffer layer, so it is suitable for the solid oxide electrolyte of the present invention. I can't.

특정 양태로서, 고체산화물 전해질은 제1전해질층, 제2전해질층 및 제3전해질층을 포함할 수 있으며, 이때, 제1전해질층 및 제3전해질층은 가돌리늄-도핑 세리아(GDC, Gadolinium-doped ceria), 사마륨 도핑 세리아(SDC, samarium-doped ceria), 이트륨 도핑 세리아(YDC, Yittrium-Doped ceria) 또는 란타늄 도핑 세리아(LDC, Lanthanum-Doped Ceria)를 포함할 수 있으며, 제2전해질층은, 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ, Yttria-stabilized zirconia), 스칸디아 안정화 지르코니아 (SSZ, scandia-stabilized zirconia), 이트리륨 도핑된 바륨 지르코니네이트(BZY, yttrium doped barium zirconate), 이트리륨 도핑된 바륨 세레이트(BCY, yttrium doped barium cerate), 이트륨 도핑된 바륨 지르코네이트와 바륨 세레이트의 고용체(BZCY) 또는 스트론튬 망간 도핑 란타늄 갈레이트 (LSGM, strontium manganese-doped lanthanum gallate) 를 포함할 수 있다. In a specific embodiment, the solid oxide electrolyte may include a first electrolyte layer, a second electrolyte layer, and a third electrolyte layer, wherein the first and third electrolyte layers are gadolinium-doped ceria (GDC). ceria), samarium-doped ceria (SDC), yttrium-doped ceria (YDC), or lanthanum-doped ceria (LDC), and the second electrolyte layer, Yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SSZ), yttrium doped barium zirconate (BZY), yttrium doped barium Serate (BCY, yttrium doped barium cerate), a solid solution of yttrium doped barium zirconate and barium serate (BZCY), or strontium manganese-doped lanthanum gallate (LSGM).

예를 들면, 제1전해질층 및 제3전해질층은, 가돌리늄-도핑 세리아(GDC, Gadolinium-doped ceria)를 포함할 수 있으며, 제2전해질층은, 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ, Yttria-stabilized zirconia) 를 포함할 수 있다.For example, the first and third electrolyte layers may include gadolinium-doped ceria (GDC), and the second electrolyte layer is yttria-stabilized zirconia (YSZ, Yttria-stabilized ceria). zirconia).

이때, 제1전해질층 및 제3전해질층의 두께는 0.1 내지 5 ㎛ 일 수 있으며, 제2전해질층의 두께는 0.1 내지 10 ㎛ 일 수 있다.In this case, the thickness of the first electrolyte layer and the third electrolyte layer may be 0.1 to 5 μm, and the thickness of the second electrolyte layer may be 0.1 to 10 μm.

또한, 본 발명은,In addition, the present invention,

연료극 상에 적어도 3층으로 이루어진 다층 구조의 전해질층을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하며,It includes the step of sequentially laminating an electrolyte layer of a multilayer structure consisting of at least three layers on the anode,

상기 다층 구조의 전해질층은 서로 상이한 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 갖는 두 종류의 전해질층이 순차적으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질의 제조방법을 제공한다.The multi-layered electrolyte layer provides a method of manufacturing a solid oxide electrolyte, characterized in that a structure in which two kinds of electrolyte layers having different coefficients of thermal expansion are sequentially stacked.

구체적으로, 상기 다층의 전해질층을 순차적으로 적층하는 단계는, 물리적 기상 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition), 화학적 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 화학적 용액 증착법(CSD, Chemical Solution Deposition) 및 스프레이 열분해(Spray pyrolysis), 졸겔법(sol-gel), 스프레이 코팅법(spray coating) 및 스핀 코팅법(spin coating)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 박막 공정으로 수행할 수 있다.Specifically, the step of sequentially laminating the multi-layered electrolyte layer includes a physical vapor deposition method (PVD, Physical Vapor Deposition), a chemical vapor deposition method (CVD, Chemical Vapor Deposition), a chemical solution deposition method (CSD, Chemical Solution Deposition), and spraying. It can be performed by any one thin film process selected from the group consisting of a spray pyrolysis, a sol-gel method, a spray coating method, and a spin coating method.

또한, 본 발명은In addition, the present invention

상기 고체산화물 전해질을 포함하는 단전지를 제공한다.It provides a unit cell comprising the solid oxide electrolyte.

구체적으로, 상기 단전지는 연료극(fuel electrode)과 전해질(electrolyte) 및 공기극(air electrode) 으로 구성되는 단위전지(cell)를 의미할 수 있다.Specifically, the unit cell may mean a unit cell composed of a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode.

여기서, 상기 단위전지에서, 상기 연료극은 니켈 옥사이드(Nickel Oxide, 이하, 'NiO'라 한다)이 첨가된 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia, 이하, 'YSZ'라 한다)로 형성될 수 있다.Here, in the unit cell, the anode may be formed of Yttria Stabilized Zirconia (hereinafter referred to as'YSZ') to which nickel oxide (hereinafter, referred to as'NiO') is added.

상기 단전지는 연료극, 연료극 상부에 적층되며, 적어도 두 층으로 이루어지는 제1전해질층 및 제1전해질층과 3전해질층의 사이에 위치하는 제2전해질층을 포함하는 전해질층 및 전해질층의 상부에 적층되는 공기극을 포함하며, 상기 제2전해질층은 제1전해질층과 상이한 열 팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 가질 수 있다.The unit cell is stacked on the anode and the anode, and is stacked on top of the electrolyte layer and the electrolyte layer including a first electrolyte layer consisting of at least two layers, and a second electrolyte layer positioned between the first and third electrolyte layers And a cathode, and the second electrolyte layer may have a different coefficient of thermal expansion than the first electrolyte layer.

전해질은 상술한 바와 같으므로, 구체적인 설명은 생략하도록 한다. Since the electrolyte is the same as described above, a detailed description will be omitted.

공기극의 경우 대부분의 일반적인 공기극이 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 LSCF-GDC 로 제작하였다. LSCF-GDC 는 공기극 촉매인 LSCF 와 완충층 소재인 GDC 의 복합물 소재이며, 스크린 프린팅을 통하여 코팅 후 열처리하였다. LSCF 는 란탄 스트론튬 코발트 철 복합산화물(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) 이며, GDC 는 가돌리늄-도핑 세리아(Gadolinium Doped Ceria) 이다.In the case of the air electrode, most common air electrodes can be used, and in this example, it was made of LSCF-GDC. LSCF-GDC is a composite material of LSCF, which is a cathode catalyst, and GDC, which is a material for a buffer layer, and was coated and heat treated through screen printing. LSCF is Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite, and GDC is Gadolinium-Doped Ceria.

아울러, 연료극은, 다공성의 지지체; 및 다공성의 지지체의 상부에 적층되는 연료극 기능층을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 NiO-YSZ 테이프를 소결하여 단일층 구조의 다공성 기판을 준비하고, 상기 다공성 기판 위에 같은 물질의 페이스트를 이용하여 스핀코팅 공정하여 열처리하여 연료극 기능층을 제조할 수 있다.In addition, the anode, a porous support; And an anode functional layer stacked on the porous support. In an exemplary embodiment of the present invention, a porous substrate having a single-layer structure is prepared by sintering a NiO-YSZ tape, and a spin coating process is performed using a paste of the same material on the porous substrate to heat-treat the anode functional layer.

또한, 본 발명은 상기 단전지를 포함하는 고체산화물 연료전지와 단전지를 포함하는 고체산화물 전해조를 제공한다. 단전지의 구조는 상술한 바와 같으므로, 단전지의 구체적인 설명은 생략하도록 한다.In addition, the present invention provides a solid oxide fuel cell including the unit cell and a solid oxide electrolyzer including the unit cell. Since the structure of the unit cell is the same as described above, a detailed description of the unit cell will be omitted.

특히, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 전해조는 다중 반복 구조의 박막 전해질층을 포함하는 고체산화물 전해질을 포함하고 있어, 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 전해조의 승온 및 운전 과정에서 전해질 층에 발생할 수 있는 열충격을 줄일 수 있다. 또한, 상기 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 전해조는 구조적으로 열적 내구성이 향상될 수 있다.In particular, the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolyzer according to the present invention contain a solid oxide electrolyte including a multi-repeated thin film electrolyte layer, so that the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolyzer contain a solid oxide electrolyte. It can reduce the thermal shock that may occur. In addition, the solid oxide fuel cell and the solid oxide electrolyzer may structurally improve thermal durability.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예를 통해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and experimental examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following Examples and Experimental Examples.

<실시예> <Example>

연료극 제조Anode manufacturing

NiO-YSZ 테이프를 1000 ℃ 에서 4 시간 소결하여 만든 단일층 구조의 다공성 기판을 준비하였다. 그 다음, 다공성 기판 위에 같은 물질의 페이스트를 이용해 Spin coating 공정 후 섭씨 1300도에서 4시간 열처리를 하여 연료극 기능층을 제작하였다. 기판의 두께는 약 400 ㎛, 기능층의 두께는 약 10~20 ㎛ 정도이다.A single-layer porous substrate made by sintering a NiO-YSZ tape at 1000° C. for 4 hours was prepared. Then, after the spin coating process using a paste of the same material on the porous substrate, heat treatment was performed at 1300 degrees Celsius for 4 hours to prepare a functional anode layer. The thickness of the substrate is about 400 µm, and the thickness of the functional layer is about 10 to 20 µm.

전해질층 제조Electrolyte layer manufacturing

상기 연료극 기능층 상에 전해질을 적층하였다. 먼저, 상기 연료극 기능층 상에 YSZ 층, GDC 층, YSZ 층, GDC 층을 순차적으로 적층하였다.An electrolyte was laminated on the anode functional layer. First, an YSZ layer, a GDC layer, an YSZ layer, and a GDC layer were sequentially stacked on the anode functional layer.

구체적으로, 순서대로 물리기상 증착법의 일종인 스퍼터링(Sputtering)을 이용하여 공정압 5 mTorr 에서 증착하여 연료극 상에 A-B-A-B 형태의 전해질 층을 형성하였다. 이때, 연료극 상에 증착된 YSZ 층은 1 ㎛ 였으며, GDC 층은 300 nm 이었다.Specifically, an A-B-A-B-type electrolyte layer was formed on the anode by depositing at a process pressure of 5 mTorr using sputtering, a kind of physical vapor deposition in order. At this time, the YSZ layer deposited on the anode was 1 μm, and the GDC layer was 300 nm.

공기극 제조Air cathode manufacturing

공기극은 중량비 6:4의 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ와 Ce0.9Gd0.1O2-δ 복합 페이스트를 이용하여 전해질 표면에 스크린 프린팅 하였다. 섭씨 970도에서 2시간 열처리를 통해 소결하여 공기극을 제작 완료하였고, 공기극의 총 두께는 약 20 ㎛ 이였다.The cathode was screen-printed on the surface of the electrolyte using a composite paste of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ and Ce 0.9 Gd 0.1 O 2-δ at a weight ratio of 6:4. The cathode was manufactured by sintering through heat treatment at 970°C for 2 hours, and the total thickness of the cathode was about 20 μm.

이에 따라, A-B-A-B 형태의 전해질을 포함하는 단위전지를 제조하였다.Accordingly, a unit cell including an A-B-A-B type electrolyte was prepared.

<비교예><Comparative Example>

A-B 형태의 전해질 층을 포함하는 것을 제외하고, 실시예와 동일한 방법으로 단위전지를 제조하였다.A unit cell was manufactured in the same manner as in Example, except that the A-B type electrolyte layer was included.

<실험예><Experimental Example>

실험예 1. 고체산화물 셀의 단면구조 촬영Experimental Example 1. Photographing the cross-sectional structure of a solid oxide cell

실시예 및 비교예에서 제조된 고체산화물 셀의 단면구조를 확인하기 위하여 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하였다.In order to confirm the cross-sectional structure of the solid oxide cells prepared in Examples and Comparative Examples, photographs were taken with a scanning electron microscope (SEM).

그리고, 그 결과를 도 4 와 도 5에 나타내었다.And, the results are shown in FIGS. 4 and 5.

먼저, 도 4는 실시예에서 제조된 고체산화물 셀의 단면구조를 확인하기 위하여, 고체산화물 전기화학 셀의 작동 후에 상기 고체산화물 셀의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다. 도 4(a)는 실시예의 A-B-A-B 형 박막 전해질을 적용한 고체산화물 연료전지 단면을 나타내는 사진이며, 도 4(b)는 실시예의 A-B-A-B 형 박막 전해질 단면의 미세구조를 나타낸 확대사진이다.First, FIG. 4 is a photograph taken with a scanning electron microscope (SEM) of a cross section of the solid oxide cell after the operation of the solid oxide electrochemical cell in order to confirm the cross-sectional structure of the solid oxide cell prepared in Example. Figure 4(a) is a photograph showing a cross-section of a solid oxide fuel cell to which the A-B-A-B type thin film electrolyte of the embodiment is applied, and FIG. 4(b) is an enlarged photograph showing the microstructure of the cross-section of the A-B-A-B type thin film electrolyte of the embodiment.

도 4를 참조하면, 실시예에서 제조한 고체산화물 셀은 박막 전해질에 크랙이나 박리 현상이 발생하지 않음을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the solid oxide cell prepared in the embodiment does not cause cracks or peeling in the thin film electrolyte.

도 5는 비교예에서 제조된 고체산화물 셀의 단면구조를 확인하기 위하여, 고체산화물 전기화학 셀의 작동 후에 상기 고체산화물 셀의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다. 5 is a photograph taken with a scanning electron microscope (SEM) of a cross section of the solid oxide cell after operation of the solid oxide electrochemical cell in order to confirm the cross-sectional structure of the solid oxide cell prepared in Comparative Example.

도 5를 참조하면, 박막 전해질 표면에 크랙과 박리현상이 발생하여 기판에서 떨어진 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that cracks and peeling phenomena occur on the surface of the thin film electrolyte and are separated from the substrate.

이는, A-B 형의 작은 열팽창 계수 차이로 인하여, A-B 계면에서 발생하는 내부응력이 열충격에 의하여 크랙 및 박리가 일어난 것으로 보인다.This is, due to the small difference in the coefficient of thermal expansion of the A-B type, it seems that the internal stress generated at the A-B interface cracks and peels due to thermal shock.

실험예 2. 고체산화물 셀의 전기화학적 성능 평가Experimental Example 2. Evaluation of electrochemical performance of solid oxide cell

실시예 및 비교예에서 제조된 고체산화물 셀의 전기화학적 성능을 평가하였다. 구체적으로, 직류 전자부하와 직류 전원 공급 장치를 이용하여 단위전지에 흐르는 전압을 변화시키면서 전류밀도의 변화를 측정하였다.The electrochemical performance of the solid oxide cells prepared in Examples and Comparative Examples were evaluated. Specifically, the change in current density was measured while changing the voltage flowing through the unit cell using a DC electronic load and a DC power supply.

실시예의 작동 온도를 550 ℃, 600 ℃, 650 ℃ 로 변화시키면서 단위전지의 성능을 측정하였다. 그리고, 3% 수분(H2O) 를 포함한 수소(H2)를 100 ml/min 의 속도로 연료극에 흐르게 하고, 공기를 150 ml/min 의 속도로 공기극에 흐르게 하면서 단위전지의 전류-전압(I-V) 커브를 측정하고, 직후 개회로 상태에서 임피던스 측정에 의한 단위전지의 전기화학적 저항을 측정하였다.The performance of the unit cell was measured while changing the operating temperature of the examples to 550° C., 600° C., and 650° C. In addition, hydrogen (H 2 ) containing 3% moisture (H 2 O) flows through the anode at a rate of 100 ml/min, and air flows through the cathode at a rate of 150 ml/min, while the current-voltage ( IV) After measuring the curve, the electrochemical resistance of the unit cell was measured by impedance measurement immediately after the open circuit state.

한편, 비교예는 650 ℃ 의 작동 온도에서 단위전지의 성능을 측정하였으며, 나머지 실험 조건은 실시예와 동일하게 하였다.Meanwhile, in the comparative example, the performance of the unit cell was measured at an operating temperature of 650° C., and the remaining experimental conditions were the same as in the example.

그리고, 그 결과를 도 6 내지 도 8에 나타내었다. 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 성능 시험 결과에 대해 간략하게 설명한다. And, the results are shown in Figs. 6 to 8. With reference to FIGS. 6 to 8, the results of the performance test according to embodiments of the present invention will be briefly described.

참고로, 도 6은 실시예에서 제조된 고체산화물 연료전지 셀의 성능 시험 결과를 보여주는 그래프로, 단위전지의 출력을 보여주는 그래프이며, 도 7은 실시예에서 제조된 고체산화물 연료전지 셀의 전기화학적 저항을 나타내는 그래프이다.For reference, FIG. 6 is a graph showing the performance test results of the solid oxide fuel cell cell manufactured in the Example, a graph showing the output of the unit cell, and FIG. 7 is an electrochemical diagram of the solid oxide fuel cell cell manufactured in the Example. It is a graph showing the resistance.

도 6과 도 7을 참조하면, 실시예에서 제조된 고체산화물 연료전지 셀은 개회로 전압이 이론 값에 근사하게 나타났으며(~ 1.1 V), 신소재의 사용 없이도 충분히 높은 성능을 보여주고 있다.Referring to FIGS. 6 and 7, the solid oxide fuel cell prepared in the Example has an open circuit voltage close to the theoretical value (~ 1.1 V), and shows sufficiently high performance without the use of a new material.

도 8은 비교예에서 제조된 고체산화물 연료전지 셀의 출력을 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 비교예에서 제조된 고체산화물 연료전지 셀은 전해질의 크랙 및 박리 현상에 의해 현저히 낮은 기전력을 보였고, 이에 따라 실시예 대비 출력값이 현저하게 낮은 것을 확인하였다.8 is a graph showing the output of the solid oxide fuel cell cell manufactured in Comparative Example. Referring to FIG. 8, it was confirmed that the solid oxide fuel cell cell prepared in the comparative example exhibited remarkably low electromotive force due to cracking and peeling of the electrolyte, and accordingly, the output value was significantly lower than that of the example.

이는, 실시예에서 제조된 고체산화물 연료전지 셀은 상이한 열응력계수를 갖는 A-B-A-B 형태의 전해질을 포함함으로써 열충격에 의한 응력 분포를 안정화할 수 있는 고체산화물 전기화학 셀을 제공할 수 있다. 이에 따라, 연료극과 공기극과의 계면, 전해질의 각 층 간의 계면에서 충분히 접촉 면적을 확보할 수 있어, 산소이온의 이동 저항을 억제하고, 반응장을 확대할 수 있는 효과가 있어 기전력 및 전기화학적 성능이 향상되는 것으로 보인다.This may provide a solid oxide electrochemical cell capable of stabilizing a stress distribution due to thermal shock by including an A-B-A-B type electrolyte having a different thermal stress coefficient. Accordingly, it is possible to secure a sufficient contact area at the interface between the anode and the cathode and between each layer of the electrolyte, thereby suppressing the movement resistance of oxygen ions and expanding the reaction field, resulting in electromotive force and electrochemical performance. It seems to be improving.

이러한 결과를 통해 본 발명에 따른 다중 반복 구조 전해질을 포함하는 고체산화물 전기화학 셀은 종래의 고체산화물 전기화학 셀에 비해 월등히 우수한 열적 내구성 및 이에 따른 전기화학적 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the solid oxide electrochemical cell including the multi-repetitive structure electrolyte according to the present invention has superior thermal durability and thus electrochemical performance compared to the conventional solid oxide electrochemical cell.

Claims (18)

연료극과 공기극 사이에 다층 구조의 전해질층을 포함하며, 상기 다층 구조의 전해질층은 적어도 3층으로 이루어지며, 서로 상이한 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 갖는 두 종류의 전해질층이 순차적으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질.
It includes a multi-layered electrolyte layer between the anode and the air electrode, and the multi-layered electrolyte layer consists of at least three layers, and two types of electrolyte layers having different coefficients of thermal expansion are sequentially stacked. Solid oxide electrolyte, characterized in that the structure.
제1항에 있어서,
다층 구조의 전해질 층은, 연료극 상에 제1전해질층, 제2전해질층 및 제3전해질층이 순차적으로 적층된 구조이며,
상기 제2전해질층은, 제1전해질층 및 제3전해질층과 상이한 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 갖는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질.
The method of claim 1,
The electrolyte layer of a multilayer structure is a structure in which a first electrolyte layer, a second electrolyte layer, and a third electrolyte layer are sequentially stacked on a fuel electrode,
The solid oxide electrolyte, wherein the second electrolyte layer has a different coefficient of thermal expansion than the first and third electrolyte layers.
제2항에 있어서,
제1전해질층 및 제3전해질층은, 서로 동일한 열 팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질.
The method of claim 2,
A solid oxide electrolyte, wherein the first electrolyte layer and the third electrolyte layer have the same coefficient of thermal expansion.
제2항에 있어서,
제3전해질층 상에 제4전해질층이 적층된 구조이며,
상기 제4전해질층은 제2전해질층과 동일한 열 팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질.
The method of claim 2,
It is a structure in which a fourth electrolyte layer is stacked on the third electrolyte layer,
The solid oxide electrolyte, wherein the fourth electrolyte layer has the same coefficient of thermal expansion as the second electrolyte layer.
제4항에 있어서,
고체산화물 전해질은, 평균 온도 400 내지 900 ℃ 에서 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질:

[식 1]
│CTEa - CTEb│≤10×10-6/K
식 1에서, CTEa 는 제1전해질층 및 제3전해질층의 열팽창계수이며, CTEb 는 제2전해질층 및 제4전해질층의 열팽창계수이다.
The method of claim 4,
The solid oxide electrolyte is a solid oxide electrolyte, characterized in that it satisfies the following formula 1 at an average temperature of 400 to 900°C:

[Equation 1]
│CTE a -CTE b │≤10×10 -6 /K
In Equation 1, CTE a is the thermal expansion coefficient of the first and third electrolyte layers, and CTE b is the thermal expansion coefficient of the second and fourth electrolyte layers.
제4항에 있어서,
제1전해질층 및 제3전해질층은 이트리움-안정화 지르코니아(YSZ, Yttria-stabilized zirconia), 스칸디아 안정화 지르코니아 (SSZ, scandia-stabilized zirconia), 이트륨 도핑된 바륨 지르코니네이트(BZY, yttrium doped barium zirconate), 이트륨 도핑된 바륨 세레이트(BCY, yttrium doped barium cerate), 이트륨 도핑된 바륨 지르코네이트와 바륨 세레이트의 고용체(BZCY) 또는 스트론튬 망간 도핑 란타늄 갈레이트 (LSGM, strontium manganese-doped lanthanum gallate) 를 포함하며,
제2전해질층 및 제4전해질층은 가돌리늄-도핑 세리아(GDC, Gadolinium-doped ceria), 사마륨 도핑 세리아(SDC, samarium-doped ceria), 이트륨 도핑 세리아(YDC, Yittrium -Doped ceria) 또는 란타늄 도핑 세리아(LDC, Lanthanum-Doped Ceria)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질.
The method of claim 4,
The first and third electrolyte layers are yttrium-stabilized zirconia (YSZ, Yttria-stabilized zirconia), scandia-stabilized zirconia (SSZ), yttrium-doped barium zirconate (BZY, yttrium doped barium zirconate). ), yttrium doped barium cerate (BCY), a solid solution of yttrium doped barium zirconate and barium serate (BZCY) or strontium manganese-doped lanthanum gallate (LSGM) Including,
The second and fourth electrolyte layers are gadolinium-doped ceria (GDC), samarium-doped ceria (SDC), yttrium-doped ceria (YDC), or lanthanum-doped ceria. A solid oxide electrolyte comprising (LDC, Lanthanum-Doped Ceria).
제4항에 있어서,
제1전해질층 및 제3전해질층은 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ, Yttria-stabilized zirconia)를 포함하며,
제2전해질층 및 제4전해질층은 가돌리늄-도핑 세리아(GDC, Gadolinium-doped ceria)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질.
The method of claim 4,
The first electrolyte layer and the third electrolyte layer include yttria-stabilized zirconia (YSZ, Yttria-stabilized zirconia),
The second and fourth electrolyte layers are solid oxide electrolytes, characterized in that they contain gadolinium-doped ceria (GDC).
제4항에 있어서,
제1전해질층 및 제3전해질층의 두께는 0.1 내지 10 ㎛ 이고,
제2전해질층 및 제4전해질층의 두께는 0.1 내지 5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질.
The method of claim 4,
The thickness of the first electrolyte layer and the third electrolyte layer is 0.1 to 10 μm,
The solid oxide electrolyte, characterized in that the thickness of the second electrolyte layer and the fourth electrolyte layer is 0.1 to 5 ㎛.
제2항에 있어서, 제1전해질층 및 제3전해질층은, 가돌리늄-도핑 세리아(GDC, Gadolinium-doped ceria), 사마륨 도핑 세리아(SDC, samarium-doped ceria), 이트륨 도핑 세리아(YDC, Yittrium-Doped ceria) 또는 란타늄 도핑 세리아(LDC, Lanthanum-Doped Ceria)를 포함하며,
제2전해질층은, 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ, Yttria-stabilized zirconia), 스칸디아 안정화 지르코니아 (SSZ, scandia-stabilized zirconia), 이트륨 도핑된 바륨 지르코니네이트(BZY, yttrium doped barium zirconate), 이트륨 도핑된 바륨 세레이트(BCY, yttrium doped barium cerate), 이트륨 도핑된 바륨 지르코네이트와 바륨 세레이트의 고용체(BZCY) 또는 스트론튬 망간 도핑 란타늄 갈레이트 (LSGM, strontium manganese-doped lanthanum gallate) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질.
The method of claim 2, wherein the first and third electrolyte layers are gadolinium-doped ceria (GDC), samarium-doped ceria (SDC), and yttrium-doped ceria (YDC). Doped ceria) or Lanthanum-Doped Ceria (LDC),
The second electrolyte layer is yttria-stabilized zirconia (YSZ, Yttria-stabilized zirconia), scandia-stabilized zirconia (SSZ), yttrium-doped barium zirconate (BZY, yttrium doped barium zirconate), yttrium doped. Containing yttrium doped barium cerate (BCY), a solid solution of yttrium doped barium zirconate and barium serate (BZCY), or strontium manganese-doped lanthanum gallate (LSGM). Solid oxide electrolyte, characterized in that.
제2항에 있어서, 제1전해질층 및 제3전해질층은, 가돌리늄-도핑 세리아(GDC, Gadolinium-doped ceria)를 포함하며,
제2전해질층은, 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ, Yttria-stabilized zirconia) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질.
The method of claim 2, wherein the first and third electrolyte layers include gadolinium-doped ceria (GDC),
The second electrolyte layer is a solid oxide electrolyte comprising yttria-stabilized zirconia (YSZ).
제9항에 있어서,
제1전해질층 및 제3전해질층의 두께는 0.1 내지 5 ㎛ 이고,
제2전해질층의 두께는 0.1 내지 10 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질.
The method of claim 9,
The thickness of the first electrolyte layer and the third electrolyte layer is 0.1 to 5 μm,
Solid oxide electrolyte, characterized in that the thickness of the second electrolyte layer is 0.1 to 10 ㎛.
연료극 상에 적어도 3층으로 이루어진 다층 구조의 전해질층을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하며,
상기 다층 구조의 전해질층은 서로 상이한 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 갖는 두 종류의 전해질층이 순차적으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질의 제조방법.
It includes the step of sequentially laminating an electrolyte layer of a multilayer structure consisting of at least three layers on the anode,
The method of manufacturing a solid oxide electrolyte, wherein the multi-layered electrolyte layer has a structure in which two types of electrolyte layers having different coefficients of thermal expansion are sequentially stacked.
제12항에 있어서,
다층의 전해질층을 순차적으로 적층하는 단계는, 물리적 기상 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition), 화학적 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 화학적 용액 증착법(CSD, Chemical Solution Deposition) 및 스프레이 열분해(Spray pyrolysis), 졸겔법(sol-gel), 스프레이 코팅법(spray coating) 및 스핀 코팅법(spin coating) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 박막 공정으로 수행하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 전해질의 제조방법.
The method of claim 12,
The steps of sequentially laminating multi-layered electrolyte layers include physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), chemical solution deposition (CSD), and spray pyrolysis. ), a sol-gel method, a spray coating method, and a spin coating method.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 고체산화물 전해질을 포함하는 단전지.
A single cell comprising the solid oxide electrolyte according to any one of claims 1 to 11.
제14항에 있어서,
단전지는, 연료극;
연료극 상부에 적층되며, 적어도 두 층으로 이루어지는 제1전해질층 및 제1전해질층과 3전해질층의 사이에 위치하는 제2전해질층을 포함하는 전해질층; 및
전해질층의 상부에 적층되는 공기극; 을 포함하며,
상기 제2전해질층은 제1전해질층과 상이한 열 팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 갖는 것을 특징으로 하는 단전지.
The method of claim 14,
The unit cell, the fuel electrode;
An electrolyte layer stacked on the anode and including a first electrolyte layer comprising at least two layers and a second electrolyte layer positioned between the first and third electrolyte layers; And
An air electrode stacked on the electrolyte layer; Including,
The unit cell, wherein the second electrolyte layer has a different coefficient of thermal expansion than the first electrolyte layer.
제14항에 있어서,
연료극은, 다공성의 지지체; 및 다공성의 지지체의 상부에 적층되는 연료극 기능층을 포함하는 단전지.
The method of claim 14,
The anode, a porous support; And an anode functional layer stacked on the porous support.
제14항에 따른 단전지를 포함하는 고체산화물 연료전지.
A solid oxide fuel cell comprising the unit cell according to claim 14.
제14항에 따른 단전지를 포함하는 고체산화물 전해조.A solid oxide electrolyzer comprising the unit cell according to claim 14.
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