WO2015016565A1 - 무기 산화물 분말 및 이의 소결체를 포함하는 전해질 - Google Patents

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inorganic oxide
oxide particles
electrolyte
less
particles
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김종우
류창석
최광욱
김균중
이종진
오탁근
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주식회사 엘지화학
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present specification relates to an electrolyte including an inorganic oxide powder and a sintered body thereof.
  • a fuel cell is called a 3rd generation battery following a battery which is a 1st generation battery and a rechargeable battery which is a 2nd generation battery, and converts the chemical energy produced by the oxidation of a fuel into electrical energy directly.
  • This fuel cell is characterized by high energy efficiency because it can produce electricity semi-permanently as the reactants are continuously supplied from the outside and the reaction products are continuously removed out of the system, and there is no loss in mechanical conversion.
  • the fuel cell uses various fuels such as fossil fuel, liquid fuel, and gaseous fuel, and is divided into low temperature type and high temperature type according to operating temperature.
  • the solid oxide fuel cell is a fuel cell that uses a solid oxide having ion conductivity as an electrolyte.
  • the solid oxide fuel cell operates at the highest temperature (600 to 1000 ° C.) among the existing fuel cells, and because all components are solid, Compared with the fuel cell, the structure is simple, there is no problem of loss, replenishment and corrosion of electrolyte, no precious metal catalyst, and easy fuel supply through direct internal reforming.
  • the present specification provides an electrolyte including an inorganic oxide powder and a sintered body thereof.
  • One embodiment of the present specification is a first inorganic oxide particle; And at least one ion conductive particle comprising at least one second inorganic oxide particle bonded to a surface of the first inorganic oxide particle, wherein the particle diameter of the second inorganic oxide particle is equal to the particle diameter of the first inorganic oxide particle. 1 / 10,000 or more and 1/2 or less, and the oxygen ion conductivity of each of the said 1st inorganic oxide particle and said 2nd inorganic oxide particle provides the inorganic oxide powder which is 0.0001 S / cm or more and 0.5 S / cm or less at 800 degreeC.
  • One embodiment of the present specification is a first inorganic oxide particle; And at least one ion conductive particle comprising at least one second inorganic oxide particle bonded to a surface of the first inorganic oxide particle, wherein the particle diameter of the second inorganic oxide particle is equal to the particle diameter of the first inorganic oxide particle. It is 1 / 10,000 or more and 1/2 or less, and the oxygen ion conductivity of each of the said 1st inorganic oxide particle and the said 2nd inorganic oxide particle contains the sintered compact of the inorganic oxide powder which is 0.0001 S / cm or more and 0.5 S / cm or less at 800 degreeC. It provides an electrolyte.
  • One embodiment of the present specification is an air electrode; Fuel electrode; And it provides a solid oxide fuel cell comprising the electrolyte provided between the air electrode and the fuel electrode.
  • One embodiment of the present specification comprises the steps of forming the first inorganic oxide particles; Preparing a second inorganic oxide particle; And bonding the second inorganic oxide particles to the first inorganic oxide particles to form one or more ion conductive particles.
  • the inorganic oxide powder according to the exemplary embodiment of the present specification may enable the sintering at a sintering temperature lower than the sintering temperature of the first metal oxide particles by the second metal oxide particles, thereby reducing the process cost.
  • Inorganic oxide powder according to one embodiment of the present specification has an advantage of high dispersibility due to the particle size of the first metal oxide particles.
  • the electrolyte When the electrolyte is formed using another inorganic oxide powder in one embodiment of the present specification, the electrolyte may be lowered to the sintering temperature of the electrode layer of the solid oxide fuel cell. Therefore, when the solid oxide fuel cell is manufactured, the electrode and the electrolyte may be simultaneously fired to manufacture the unit, thereby reducing the process cost by unifying the heat treatment process.
  • Inorganic oxide powder according to an exemplary embodiment of the present specification can minimize the shrinkage of the particles due to sintering due to the low sintering temperature, it is possible to suppress the distortion at the interface between the electrolyte and the electrode of the solid oxide fuel cell.
  • FIG. 1 illustrates an example of a cross section of ion conductive particles included in an inorganic oxide powder according to one embodiment of the present specification.
  • FIG. 4 shows an image of an electrolyte prepared according to Example 2.
  • FIG. 5 shows an image of an electrolyte prepared according to Example 3.
  • FIG. 6 shows an image of an electrolyte prepared according to Comparative Example 1.
  • One embodiment of the present specification is a first inorganic oxide particle; And at least one ion conductive particle comprising at least one second inorganic oxide particle bonded to a surface of the first inorganic oxide particle, wherein the particle diameter of the second inorganic oxide particle is equal to the particle diameter of the first inorganic oxide particle. 1 / 10,000 or more and 1/2 or less, wherein the oxygen ion conductivity of each of the first inorganic oxide particles and the second inorganic oxide particles is 0.0001 S / cm or more and 0.5 S / cm or less at 800 ° C. to provide an inorganic oxide powder.
  • the particle diameter of the second inorganic oxide particles may be 1 / 5,000 or more and 1/10 or less of the particle diameter of the first inorganic oxide particles.
  • the particle diameter of the second inorganic oxide particles may be 1 / 1,000 or more and 1/20 or less of the particle diameter of the first inorganic oxide particles.
  • the inorganic oxide powder may be an electrolyte material of a solid oxide fuel cell.
  • a solid oxide fuel cell refers to a fuel cell using a solid oxide capable of permeating oxygen or hydrogen ions as an electrolyte.
  • the average particle diameter of the first inorganic oxide particles may be 200 nm or more and 20 ⁇ m or less. Further, according to one embodiment of the present specification, the average particle diameter of the first inorganic oxide particles may be 500 nm or more and 20 ⁇ m or less.
  • the average particle diameter of the second inorganic oxide particles may be 1 nm or more and 500 nm or less.
  • the first inorganic oxide particles have a relatively large particle size as the micro-size particle size, it is possible to improve dispersibility in the slurry or paste during the thick film or thin film deposition process of the inorganic oxide powder. Furthermore, the ion conductive particles may form a dense sintered body due to the first inorganic oxide particles having high crystallinity, which may increase the density of the electrolyte. Furthermore, the ion conductive particles can secure high density even when heat treated at a low temperature due to the second inorganic oxide particles having a particle size of micro size or less, and can secure a low shrinkage rate due to low heat treatment.
  • the first inorganic oxide particles may improve ionic conductivity by greatly controlling grain boundaries.
  • the improved ion conductivity may improve the ionic conductivity of the electrolyte including the sintered body of the inorganic oxide powder.
  • the dispersibility in the solution is improved to facilitate the manufacturing process of the electrolyte, the shrinkage is controlled to control the fuel cell The warping of the cell can be suppressed.
  • the second inorganic oxide particles may promote sintering and lower the sintering temperature when the inorganic oxide powder is sintered to prepare an electrolyte. Therefore, the inorganic oxide powder can form an electrolyte having a high density at a lower temperature, and has the advantage of controlling the sintering temperature of the electrolyte material to the sintering temperature of another layer such as an electrode layer. Furthermore, due to the electrolyte having a low sintering temperature, it is possible to simplify the heat treatment process through co-firing with other components such as electrodes in the manufacture of a solid oxide fuel cell. Furthermore, it is possible to improve the ionic conductivity through grain boundary control.
  • the inorganic oxide powder may have oxygen ion conductivity. Further, when the sintered body is formed by using the inorganic oxide powder to form an electrolyte, the electrolyte also has oxygen ion conductivity. Specifically, the inorganic oxide powder may be sintered at a temperature lower than the sintering temperature of the first inorganic oxide particles.
  • the inventors have invented the inorganic oxide particles capable of forming a sintered body in a compact structure at a lower temperature. Specifically, it has been found that when the electrolyte membrane is formed using the inorganic oxide powder, it can be manufactured at a lower cost, and the firing temperature can be lowered to the extent that it can be fired simultaneously with other members such as anodes and cathodes.
  • the weight ratio of the first inorganic oxide particles and the second inorganic oxide particles in the inorganic oxide powder may be 1,000: 1 to 1: 10.
  • the second inorganic oxide particles may be bonded to a part or the entire surface of the first inorganic oxide particles.
  • the content of the second inorganic oxide particles is too high, the phenomenon of aggregation of the ion conductive particles occurs, and when the inorganic oxide particles are calcined to form an electrolyte, a problem may occur in that the uniformity of the electrolyte is greatly reduced. have.
  • the content of the second inorganic oxide particles is too low, there may be a problem that the firing temperature of the inorganic oxide powder is not lowered below the required level. Therefore, when the weight ratio of the first inorganic oxide particles and the second inorganic oxide particles is within the above range, the firing temperature of the inorganic oxide powder can be sufficiently lowered, and the aggregation phenomenon can be prevented.
  • the second inorganic oxide particles may be bonded to 20% or more and 100% or less of the surface area of the first inorganic oxide particles. Specifically, according to one embodiment of the present specification, the second inorganic oxide particles may be bonded to 50% or more and 100% or less of the surface area of the first inorganic oxide particles.
  • the ion conductive particles may be included in more than 50% by weight or less than 100% by weight of the total weight of the inorganic oxide powder.
  • the inorganic oxide powder may include the ion conductive particles as a main component, and further include additional additives or impurities.
  • the first inorganic oxide particles and the second inorganic oxide particles may include the same kind or different types of compounds.
  • the first inorganic oxide particles and the second inorganic oxide particles may be the same kind of compound.
  • the first inorganic oxide particles and the second inorganic oxide particles are each a zirconia-based compound; Ceria-based compounds; It may include one or more compounds selected from the group consisting of bismuth-based compounds and lanthanum gallate-based compounds.
  • the first inorganic oxide particles and / or the second inorganic oxide particles may be zirconia doped with one or more selected from the group consisting of yttrium and scandium, respectively; Ceria doped with at least one member selected from the group consisting of gadolinium, samarium, lanthanum, ytterbium and neodymium; And lanthanum gallate doped with at least one member selected from the group consisting of strontium and magnesium. It may be any one or two or more compounds selected from the group consisting of.
  • the first inorganic oxide particles and the second inorganic oxide particles may each be a zirconia-based compound that is doped or not doped with at least one of yttrium, scandium, calcium, and magnesium; Ceria-based compounds that are doped or not doped with at least one of gadolinium, samarium, lanthanum, ytterbium and neodymium; Bismuth oxide based compounds which are doped or not doped with at least one of calcium, strontium, barium, gadolithium and yttrium; And a lanthanum gallate-based compound doped or not doped with at least one of strontium and magnesium.
  • the zirconia-based compound may be a one doped ZrO 2 is selected from the group consisting of CaO, MgO, Sc2O 3, ZrO 2 and Y 2 O 3.
  • the ceria-based compound may be CeO 2 doped with any one selected from the group consisting of Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , CeO 2 and Y 2 O 3 .
  • the bismuth-based compound may be Bi 2 O 3 .
  • the lanthanum gallate compound may have a perovskite structure.
  • the lanthanum gallate-based compound may be (La, Sr) (Ga, Mg) O 3- ⁇ or Ba (Ce, Gd) O 3- ⁇ .
  • One embodiment of the present specification is a first inorganic oxide particle; And at least one ion conductive particle comprising at least one second inorganic oxide particle bonded to a surface of the first inorganic oxide particle, wherein the particle diameter of the second inorganic oxide particle is equal to the particle diameter of the first inorganic oxide particle. It is 1 / 10,000 or more and 1/2 or less, and the oxygen ion conductivity of each of the said 1st inorganic oxide particle and the said 2nd inorganic oxide particle contains the sintered compact of the inorganic oxide powder which is 0.0001 S / cm or more and 0.5 S / cm or less at 800 degreeC. It provides an electrolyte.
  • the said inorganic oxide powder is the same as the above-mentioned inorganic oxide powder.
  • the electrolyte may include the inorganic oxide powder.
  • the electrolyte may include a sintered body in which the inorganic oxide powder is crystallized.
  • the electrolyte according to one embodiment of the present specification may be prepared by sintering the inorganic oxide powder.
  • the content of the sintered compact may be 5 wt% or more and 100 wt% or less with respect to the total weight of the electrolyte.
  • the content of the sintered compact may be 70 wt% or more and 100 wt% or less with respect to the total weight of the electrolyte.
  • the electrolyte may be formed of the sintered body, and the electrolyte may include an additive other than the sintered body.
  • the porosity of the electrolyte membrane for fuel cells may be 0% or more and 20% or less.
  • the porosity represents the density of the electrolyte, and the smaller the porosity, the higher the density of the electrolyte membrane.
  • the porosity may refer to a volume% of the empty space in the volume of the entire electrolyte.
  • the density may be a value obtained by subtracting the porosity from the volume of the entire electrolyte.
  • the first inorganic oxide particles are a zirconia-based compound
  • the sintering temperature of the inorganic oxide powder that the porosity of the electrolyte is 20% or less may be 1,100 °C or more and 1,300 °C or less.
  • the first inorganic oxide particle is a zirconia-based compound
  • the sintering temperature of the inorganic oxide powder may be at least 50 °C lower than the sintering temperature of the zirconia-based compound.
  • the first inorganic oxide particles may be a ceria-based compound, and the sintering temperature of the inorganic oxide powder having a porosity of 20% or less of the electrolyte may be 1,300 ° C. or more and 1,500 ° C. or less.
  • the first inorganic oxide particles may be a ceria-based compound, and the sintering temperature of the inorganic oxide powder may be 50 ° C. or more lower than the sintering temperature of the ceria-based compound.
  • the first inorganic oxide particles may be a bismuth-based compound, and the sintering temperature of the inorganic oxide powder having a porosity of 20% or less of the electrolyte may be 1,200 ° C. or more and 1,400 ° C. or less.
  • the first inorganic oxide particle may be a bismuth-based compound, and the sintering temperature of the inorganic oxide powder may be 50 ° C. or more lower than the sintering temperature of the bismuth-based compound.
  • the first inorganic oxide particle is a lanthanum gallate compound
  • the sintering temperature of the inorganic oxide powder having a porosity of 20% or less of the electrolyte may be 1,200 ° C. or more and 1,400 ° C. or less.
  • the first inorganic oxide particle is a lanthanum gallate compound
  • the sintering temperature of the inorganic oxide powder may be 50 ° C. or more lower than the sintering temperature of the lanthanum gallate compound.
  • the first inorganic oxide particles and the second inorganic oxide particles may include the same kind or different types of compounds.
  • the first and second inorganic oxide particles may be a zirconia-based compound.
  • the first and second inorganic oxide particles may be a ceria-based compound.
  • the first and second inorganic oxide particles may be a bismuth-based compound.
  • the first and second inorganic oxide particles may be a lanthanum gallate compound.
  • the sintering temperature of the sintered body may be 70% or more and 95% or less of the sintering temperature of the first inorganic oxide particles.
  • the "sintering temperature” means a temperature at which the porosity of the sintered body of the inorganic oxide powder can be within 20% by heat-treating the inorganic oxide powder.
  • the electrolyte according to one embodiment of the present specification may include the sintered body, and the porosity of the electrolyte may be the same as the porosity of the sintered body.
  • the electrolyte may be an electrolyte for a solid oxide fuel cell.
  • One embodiment of the present specification is an air electrode; Fuel electrode; And it provides a solid oxide fuel cell comprising the electrolyte provided between the air electrode and the fuel electrode.
  • the solid oxide fuel cell may be formed by simultaneously firing the air electrode, the fuel electrode, and the electrolyte.
  • the electrolyte since the electrolyte has a low sintering temperature, it is possible to simplify the heat treatment process through simultaneous firing with other components such as electrodes in the manufacture of a solid oxide fuel cell. Therefore, the solid oxide fuel cell according to the exemplary embodiment of the present specification can significantly reduce the process cost compared to the case in which each component is separately fired and then bonded, and has an advantage in that the bonding force at the interface between the components is excellent.
  • the solid oxide fuel cell according to the exemplary embodiment of the present specification includes an electrolyte that forms a compact structure at a low firing temperature, and thus may be co-fired with the anode and the cathode, and thus have a compact structure without degrading the performance of the anode or the cathode. It may include an electrolyte.
  • the solid oxide fuel cell may have a cylindrical shape, a tubular shape, a flat tubular shape, or a planar type.
  • the solid oxide fuel cell may be a unit cell.
  • a stack including an interconnector connecting the two or more unit cells to each other; A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And it provides a solid oxide fuel cell module comprising an air supply for supplying air to the stack.
  • the solid oxide fuel cell of the present specification may be used in the same manner as the unit cell.
  • the anode may include an anode support layer (ASL) and an anode functional layer (AFL).
  • AFL may be a porous membrane, which may be provided between the ASL and the electrolyte membrane. More specifically, the ASL may be a region in which an electrochemical reaction occurs in contact with the electrolyte membrane.
  • the ASL serves as a support layer of the anode, and for this purpose, may be formed relatively thicker than the AFL.
  • the ASL allows the fuel to smoothly reach the AFL, and may be formed with excellent electrical conductivity.
  • the cathode may include a cathode support layer (CSL) and a cathode functional layer (CFL).
  • CSL cathode support layer
  • CFL cathode functional layer
  • the CFL may be a porous membrane, which may be provided between the CSL and the electrolyte. More specifically, the CSL may be a region in contact with the electrolyte membrane, in which an electrochemical reaction occurs.
  • the CSL serves as a support layer of the cathode, and for this purpose, may be formed relatively thicker than the CFL.
  • the CSL allows the air to reach the CFL smoothly, and may be formed with excellent electrical conductivity.
  • the interconnector may include a fuel flow path through which fuel may move to each unit cell, and an air flow path through which air may move to each unit cell.
  • the stack may be a stack of two or more unit cells.
  • the interconnector may include a fuel flow path and an air flow path connecting each unit cell.
  • each stack of unit cells is stacked in series, and a separator may be further provided between the unit cells to electrically connect them.
  • One embodiment of the present specification comprises the steps of forming the first inorganic oxide particles; Preparing a second inorganic oxide particle; And bonding the second inorganic oxide particles to the first inorganic oxide particles to form one or more ion conductive particles.
  • the step of forming the first inorganic oxide particles is a zirconia-based compound; Ceria-based compounds; After heat-treating one or more compounds selected from the group consisting of bismuth-based compounds and lanthanum gallate-based compounds using flux, the particles having a particle size of 200 nm or more may be filtered.
  • the step of forming the ion conductive particles may be to use a solid phase reaction method, pyrolysis method or redox method.
  • the starting material was HAS (commercial GDC powder from Rhodia) to examine the effect of temperature on particle size.
  • GDC (Gallate doped Ceria) powder itself has a larger particle size at higher temperature, but even when heat-treated at high temperature, particles having a particle size of 1 ⁇ m or more cannot be obtained. Therefore, flux was used to further grow the particle size. Flux such as H 3 BO 3 , NH 4 Cl, NaCl, and ZnCl was used to obtain GDC particles having a size of 11 ⁇ m or more. The grown powder was dispersed in a ball mill and then filtered through the classification to filter only particles having a size of 1 ⁇ m or more to obtain first inorganic oxide particles.
  • the solution is mixed with the well dispersed first inorganic oxide particles, and then the pH is adjusted to 9 so that nano-sized GDC particles bind to the surface of the first inorganic oxide particles. Co-precipitation to prepare an inorganic oxide powder.
  • the inorganic oxide particles prepared as in Example 1 were fired at a temperature of 1350 ° C. to prepare an electrolyte.
  • the density of the electrolyte prepared according to Example 2 may be measured using a porosity, and the measured porosity was 19.9%. Therefore, the density of the electrolyte according to Example 2 was 80.1%, indicating an excellent density.
  • FIG. 4 shows an image of an electrolyte prepared according to Example 2.
  • An electrolyte was prepared in the same manner as in Example 2, except that the product was calcined at a temperature of 1450 ° C.
  • the density of the electrolyte according to Example 3 reached 99%.
  • FIG. 5 shows an image of an electrolyte prepared according to Example 3.
  • the electrolyte was prepared by firing at 1350 ° C. as in Example 2 using the raw GDC particles.
  • the density of the electrolyte according to the comparative example 1 in flesh was 65.1%.
  • FIG. 6 shows an image of an electrolyte prepared according to Comparative Example 1.
  • the electrolyte was prepared by firing at 1450 ° C. as in Example 3 using the raw GDC particles.
  • the density of the electrolyte according to the comparative example 1 in the flesh was 70.1%.
  • the electrolyte prepared according to one embodiment of the present specification exhibits high density at low temperature, which is a solid oxide fuel cell electrolyte. When used as it means that it can exhibit excellent performance. Specifically, the Examples and Comparative Examples indicate that the firing temperature of the electrolyte of the present disclosure is lowered.

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Abstract

본 명세서는 무기 산화물 분말 및 이의 소결체를 포함하는 전해질을 제공한다.

Description

무기 산화물 분말 및 이의 소결체를 포함하는 전해질
본 명세서는 2013년 8월 1일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2013-0091785호 및 2014년 7월 8일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2014-0085298호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 무기 산화물 분말 및 이의 소결체를 포함하는 전해질에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 1세대 전지인 건전지, 2세대 전지인 충전지에 이은 3세대 전지로 불리는 것으로, 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지이다.
이러한 연료 전지의 특징은 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고 반응생성물이 연속적으로 계의 바깥으로 제거되는 과정에서 반영구적으로 전기를 생산할 수 있고, 기계적 변환에서 발생하는 손실이 없기 때문에 에너지 효율이 매우 높다는 것이다. 또한, 상기 연료 전지는 화석연료, 액체연료, 기체연료 등 다양한 연료를 사용하며, 작동온도에 따라 저온형과 고온형으로도 나뉜다.
이 중에서 고체산화물 연료전지는 이온 전도성을 갖는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료 전지로써, 현존하는 연료 전지 중 가장 높은 온도(600 내지 1000℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료 전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다.
또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 상기 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 활발히 이루어지고 있다.
[선행기술문헌]
한국 공개특허공보 2012-0076335
본 명세서는 무기 산화물 분말 및 이의 소결체를 포함하는 전해질을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 무기 산화물 입자; 및 상기 제1 무기 산화물 입자의 표면에 결합된 적어도 하나의 제2 무기 산화물 입자를 포함하는 1 이상의 이온 전도성 입자를 포함하고, 상기 제2 무기 산화물 입자의 입경은 상기 제1 무기 산화물 입자의 입경의 1/10,000 이상 1/2 이하이며, 상기 제1 무기 산화물 입자 및 상기 제2 무기 산화물 입자 각각의 산소 이온 전도도는 800 ℃ 에서 0.0001 S/㎝ 이상 0.5 S/㎝ 이하인 무기 산화물 분말을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 무기 산화물 입자; 및 상기 제1 무기 산화물 입자의 표면에 결합된 적어도 하나의 제2 무기 산화물 입자를 포함하는 1 이상의 이온 전도성 입자를 포함하고, 상기 제2 무기 산화물 입자의 입경은 상기 제1 무기 산화물 입자의 입경의 1/10,000 이상 1/2 이하이며, 상기 제1 무기 산화물 입자 및 상기 제2 무기 산화물 입자 각각의 산소 이온 전도도는 800 ℃ 에서 0.0001 S/㎝ 이상 0.5 S/㎝ 이하인 무기 산화물 분말의 소결체를 포함하는 전해질을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 공기극; 연료극; 및 상기 공기극 및 상기 연료극 사이에 구비된 상기 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 무기 산화물 입자를 형성하는 단계; 제2 무기 산화물 입자를 준비하는 단계; 및 상기 제1 무기 산화물 입자에 상기 제2 무기 산화물 입자를 결합하여 1 이상의 이온 전도성 입자를 형성하는 단계를 포함하는 상기 무기 산화물 분말의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 무기 산화물 분말은 제2 금속 산화물 입자에 의하여, 제1 금속 산화물 입자의 소결 온도보다 낮은 소결 온도에서 소결을 가능하게 하여 공정 비용 절감을 가능하게 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 무기 산화물 분말은 제1 금속 산화물 입자의 입경 크기로 인하여 분산성이 높은 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 다른 무기 산화물 분말을 이용하여 전해질 형성하는 경우, 높은 밀도 및 낮은 공극율을 구현할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 다른 무기 산화물 분말을 이용하여 전해질을 형성하는 경우, 고체 산화물 연료전지의 전극층의 소결 온도까지 낮출 수 있다. 그러므로, 고체 산화물 연료전지의 제조시 전극과 전해질을 동시에 소성하여 제조할 수 있게 되어 열처리 공정을 일원화하여 공정 비용이 절감되는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 무기 산화물 분말은 낮은 소결 온도로 인하여 소결에 의한 입자의 수축을 최소화할 수 있으므로, 고체 산화물 연료전지의 전해질과 전극과의 계면에서의 뒤틀림을 억제할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 무기 산화물 분말에 포함된 이온 전도성 입자 단면의 일 예를 도시한 것이다.
도 2 및 도 3은 실시예 1에 따라 제조된 무기 산화물 입자의 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 2에 따라 제조된 전해질의 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 3에 따라 제조된 전해질의 이미지를 나타낸 것이다.
도 6는 비교예 1에 따라 제조된 전해질의 이미지를 나타낸 것이다.
도 7는 비교예 2에 따라 제조된 전해질의 이미지를 나타낸 것이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 무기 산화물 입자; 및 상기 제1 무기 산화물 입자의 표면에 결합된 적어도 하나의 제2 무기 산화물 입자를 포함하는 1 이상의 이온 전도성 입자를 포함하고, 상기 제2 무기 산화물 입자의 입경은 상기 제1 무기 산화물 입자의 입경의 1/10,000 이상 1/2 이하이며, 상기 제1 무기 산화물 입자 및 상기 제2 무기 산화물 입자 각각의 산소 이온 전도도는 800 ℃에서 0.0001 S/㎝ 이상 0.5 S/㎝ 이하인 무기 산화물 분말을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 무기 산화물 입자의 입경은 상기 제1 무기 산화물 입자의 입경의 1/5,000 이상 1/10 이하일 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 무기 산화물 입자의 입경은 상기 제1 무기 산화물 입자의 입경의 1/1,000 이상 1/20 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 무기 산화물 분말은 고체 산화물 연료전지의 전해질용 재료일 수 있다.
본 명세서에서, 고체 산화물 연료전지 (Solid oxide fuel cell)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체 산화물을 전해질로 사용하는 연료전지를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자의 평균 입경은 200 ㎚ 이상 20 ㎛ 이하일 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자의 평균 입경은 500 ㎚ 이상 20 ㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 무기 산화물 입자의 평균 입경은 1 ㎚ 이상 500 ㎚ 이하일 수 있다.
상기 제1 무기 산화물 입자는 마이크로 사이즈의 입경으로서 상대적으로 큰 입경을 가지므로 무기 산화물 분말의 후막 또는 박막 증착 공정 시 슬러리나 페이스트 내에서의 분산성을 향상시킬 수 있다. 나아가, 상기 이온 전도성 입자는 높은 결정도를 가지는 제1 무기 산화물 입자로 인하여 치밀한 소결체를 형성할 수 있으며, 이는 전해질의 치밀도를 높일 수 있다. 나아가, 상기 이온 전도성 입자는 마이크로 사이즈 이하의 입경을 가지는 제2 무기 산화물 입자로 인하여 낮은 온도에서 열처리를 하더라도 높은 치밀도를 확보할 수 있으며, 낮은 열처리로 인하여 낮은 수축율을 확보할 수 있다.
또한, 상기 제1 무기 산화물 입자는 결정립계(grain boundary)를 크게 제어하여 이온 전도도를 향상할 수 있다. 상기 향상된 이온 전도도는 상기 무기 산화물 분말의 소결체를 포함하는 전해질의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 무기 산화물 분말을 이용하여 고체 산화물 연료전지의 전해질을 형성하는 경우, 상기 제1 무기 산화물 입자로 인하여, 용액 내의 분산성이 향상되어 전해질의 제조 공정이 쉬워지며, 수축율이 제어되어 연료전지 셀의 뒤틀림을 억제할 수 있다.
상기 제2 무기 산화물 입자는 상기 무기 산화물 분말을 소결하여 전해질을 제조하는 경우, 소결을 촉진시키고 소결 온도를 낮출 수 있다. 그러므로, 상기 무기 산화물 분말은 더 낮은 온도에서 높은 밀도를 갖는 전해질을 형성할 수 있으며, 전해질 재료의 소결 온도를 전극층 등 다른 층의 소결 온도로 제어할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 낮은 소결 온도를 갖는 전해질로 인하여, 고체 산화물 연료전지의 제조시 전극 등 다른 구성과의 동시 소성을 통하여 열처리 공정을 단순화시킬 수 있다. 나아가, 그래인 바운더리 (grain boundary) 제어를 통하여 이온 전도도의 향상도 가능하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자 및 상기 제2 무기 산화물 입자는 산소 이온 전도도를 가지고 있으므로, 상기 무기 산화물 분말은 산소 이온 전도도를 가질 수 있다. 나아가, 상기 무기 산화물 분말을 이용하여 소결체를 형성하여 전해질을 형성하는 경우, 상기 전해질 또한 산소 이온 전도성을 가지게 된다. 구체적으로, 무기 산화물 분말은 상기 제1 무기 산화물 입자의 소결 온도보다 낮은 온도에서 소결이 가능하다.
일반적으로, 무기 산화물 입자를 높은 온도로 열처리 하는 경우, 보다 치밀한 구조를 형성하도록 할 수 있으나, 높은 온도를 유지하는 데에 드는 비용이 상당하고 이에 따른 장비를 구비하는 어려움이 따른다. 그러므로, 무기 산화물 입자를 보다 낮은 온도로 열처리하되 높은 치밀도를 형성할 수 있도록 하기 위한 연구가 필요하다.
이에, 본 발명자들은 보다 낮은 온도에서 치밀한 구조로 소결체를 형성할 수 있는 상기 무기 산화물 입자를 발명하였다. 구체적으로, 상기 무기 산화물 분말을 이용하여 전해질막을 형성하는 경우, 보다 낮은 비용으로 제조할 수 있으며, 애노드 및 캐소드와 같은 다른 부재와 동시에 소성할 수 있는 정도로 소성 온도를 낮출 수 있음을 밝혀내었다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 무기 산화물 분말 내에 상기 제1 무기 산화물 입자와 상기 제2 무기 산화물 입자의 중량비는 1,000 : 1 내지 1 : 10 일 수 있다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 무기 산화물 입자는 상기 제1 무기 산화물 입자의 표면의 일부 또는 전면에 결합될 수 있다. 상기 제2 무기 산화물 입자의 함량이 지나치게 높은 경우, 상기 이온 전도성 입자들끼리 응집하는 현상이 발생하게 되어 상기 무기 산화물 입자를 소성하여 전해질을 형성하는 경우, 전해질의 균일도가 크게 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 제2 무기 산화물 입자의 함량이 지나치게 낮은 경우, 상기 무기 산화물 분말의 소성 온도가 필요수준 이하로 낮아지지 않는 문제가 발생할 수 있다. 그러므로, 상기 제1 무기 산화물 입자와 상기 제2 무기산화물 입자의 중량비가 상기 범위 내인 경우, 상기 무기 산화물 분말의 소성 온도를 충분히 낮출 수 있으며, 응집 현상을 방지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 무기 산화물 입자는 상기 제1 무기 산화물 입자의 표면 면적의 20 % 이상 100 % 이하로 결합할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 무기 산화물 입자는 상기 제1 무기 산화물 입자의 표면 면적의 50 % 이상 100 % 이하로 결합할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 이온 전도성 입자는 상기 무기 산화물 분말 총 중량의 50 중량 % 이상 100 중량% 이하로 포함될 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 무기 산화물 분말은 상기 이온 전도성 입자를 주성분으로 포함하고, 추가적인 첨가물 또는 불순물을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자와 상기 제2 무기 산화물 입자는 서로 동종 또는 이종의 화합물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자와 상기 제2 무기산화물 입자는 서로 동종의 화합물일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자 및 상기 제2 무기 산화물 입자는 각각 지르코니아계 화합물; 세리아계 화합물; 비스무스계 화합물 및 란타늄갈레이트계 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자 및/또는 상기 제2 무기 산화물 입자는 각각 이트륨 및 스칸듐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 도핑된 지르코니아; 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 도핑된 세리아; 및 스트론튬 및 마그네슘 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상이 도핑된 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate);로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자 및 상기 제2 무기 산화물 입자는 각각 이트륨, 스칸듐, 칼슘 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 지르코니아계 화합물; 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 세리아계 화합물; 칼슘, 스트론튬, 바륨, 가돌리튬 및 이트륨 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 비스무스 산화물계 화합물; 및 스트론튬 및 마그네슘 중 적어도 하나로 도핑되거나 도핑되지 않은 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate)계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 지르코니아계 화합물은 CaO, MgO, Sc2O3, ZrO2 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 도핑된 ZrO2일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 세리아계 화합물은 Sm2O3, Gd2O3, CeO2 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 도핑된 CeO2일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 비스무스계 화합물은 Bi2O3일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 란타늄갈레이트계 화합물은 페로브스카이트 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 란타늄갈레이트계 화합물은 (La,Sr)(Ga,Mg)O3-δ 또는 Ba(Ce,Gd)O3-δ 일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 무기 산화물 입자; 및 상기 제1 무기 산화물 입자의 표면에 결합된 적어도 하나의 제2 무기 산화물 입자를 포함하는 1 이상의 이온 전도성 입자를 포함하고, 상기 제2 무기 산화물 입자의 입경은 상기 제1 무기 산화물 입자의 입경의 1/10,000 이상 1/2 이하이며, 상기 제1 무기 산화물 입자 및 상기 제2 무기 산화물 입자 각각의 산소 이온 전도도는 800 ℃ 에서 0.0001 S/㎝ 이상 0.5 S/㎝ 이하인 무기 산화물 분말의 소결체를 포함하는 전해질을 제공한다.
상기 무기 산화물 분말은 전술한 무기 산화물 분말과 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질은 상기 무기 산화물 분말을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질은 상기 무기 산화물 분말이 결정화된 소결체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전해질은 상기 무기 산화물 분말을 소결하여 제조된 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 소결체의 함량은 상기 전해질의 총 중량에 대하여 5 중량% 이상 100 중량% 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 소결체의 함량은 상기 전해질의 총 중량에 대하여 70 중량% 이상 100 중량% 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질은 상기 소결체로 이루어질 수 있으며, 상기 전해질은 상기 소결체 외 첨가제가 포함될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료전지용 전해질막의 공극률은 0 % 이상 20 % 이하일 수 있다.
상기 공극률은 상기 전해질의 치밀도를 나타내는 것으로서, 공극률이 작을수록 상기 전해질막의 치밀도가 높은 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 공극률은 전체 전해질의 부피 중 비어있는 공간의 부피%를 의미할 수 있다. 또한, 상기 치밀도는 전체 전해질의 부피 중 공극률을 뺀 값일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자는 지르코니아계 화합물이고, 상기 전해질의 공극률이 20 % 이하가 되는 상기 무기 산화물 분말의 소결 온도는 1,100 ℃ 이상 1,300 ℃ 이하일 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자는 지르코니아계 화합물이고, 상기 무기 산화물 분말의 소결온도는 지르코니아계 화합물의 소결 온도보다 50 ℃ 이상 낮은 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자는 세리아계 화합물이고, 상기 전해질의 공극률이 20 % 이하가 되는 상기 무기 산화물 분말의 소결 온도는 1,300 ℃ 이상 1,500 ℃ 이하일 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자는 세리아계 화합물이고, 상기 무기 산화물 분말의 소결온도는 세리아계 화합물의 소결 온도보다 50 ℃ 이상 낮은 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자는 비스무스계 화합물이고, 상기 전해질의 공극률이 20 % 이하가 되는 상기 무기 산화물 분말의 소결 온도는 1,200 ℃ 이상 1,400 ℃ 이하일 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자는 비스무스계 화합물이고, 상기 무기 산화물 분말의 소결온도는 비스무스계 화합물의 소결 온도보다 50 ℃ 이상 낮은 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자는 란타늄갈레이트계 화합물이고, 상기 전해질의 공극률이 20 % 이하가 되는 상기 무기 산화물 분말의 소결 온도는 1,200 ℃ 이상 1,400 ℃ 이하일 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자는 란타늄갈레이트계 화합물이고, 상기 무기 산화물 분말의 소결온도는 란타늄갈레이트계 화합물의 소결 온도보다 50 ℃ 이상 낮은 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자와 상기 제2 무기 산화물 입자는 서로 동종 또는 이종의 화합물을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 무기 산화물 입자는 지르코니아계 화합물일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 무기 산화물 입자는 세리아계 화합물일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 무기 산화물 입자는 비스무스계 화합물일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 무기 산화물 입자는 란타늄갈레이트계 화합물일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 소결체의 소결 온도는 상기 제1 무기 산화물 입자의 소결 온도의 70 % 이상 95 % 이하일 수 있다.
상기 "소결 온도"는 상기 무기 산화물 분말을 열처리 하여, 상기 무기 산화물 분말의 소결체의 공극률이 20 % 이내로 될 수 있는 온도를 의미한다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전해질은 상기 소결체를 포함할 수 있으며, 상기 전해질의 공극률은 상기 소결체의 공극률과 동일할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질은 고체산화물 연료전지용 전해질일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 공기극; 연료극; 및 상기 공기극 및 상기 연료극 사이에 구비된 상기 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고체 산화물 연료전지는 상기 공기극, 상기 연료극 및 상기 전해질을 동시에 소성하여 형성된 것일 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 전해질은 낮은 소결 온도를 갖으므로, 고체 산화물 연료전지의 제조시 전극 등 다른 구성과의 동시 소성을 통하여 열처리 공정을 단순화시킬 수 있다. 그러므로, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 각각의 구성을 별도로 소성한 후 접합하는 경우에 비하여 공정 단가를 대폭 낮출 수 있으며, 각 구성간의 계면에서의 접합력이 우수한 장점이 있다.
일반적으로, 고체 산화물 연료전지의 경우, 애노드 또는 캐소드를 형성한 이후 상기 애노드 또는 캐소드 상에 전해질을 형성하게 되는데, 전해질의 소성 온도가 애노드 또는 캐소드보다 높게되어, 다공성 구조가 필요한 애노드 또는 캐소드를 필요 이상의 온도에서 소성하는 결과가 되어 애노드 또는 캐소드의 치밀화가 진행된다. 즉, 일반적인 고체 산화물 연료전지의 경우, 치밀한 구조의 전해질을 형성하는 경우, 애노드 또는 캐소드의 성능 저하가 수반된다.
이에 반하여, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체 산화물 연료전지는 낮은 소성 온도에서 치밀한 구조를 형성하는 전해질을 포함하여, 애노드 및 캐소드와 동시 소성을 할 수 있으므로, 애노드 또는 캐소드의 성능 저하 없이 치밀한 구조의 전해질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고체산화물 연료전지의 형태는 원통형(tubular), 평관형(flat tubular) 또는 평판형(planar type) 일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고체산화물 연료전지는 단위셀일 수 있다.
나아가, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 2 이상의 단위셀들을 서로 연결하는 인터커넥터를 포함하는 스택; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기공급부를 포함하는 것인 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 본 명세서의 고체산화물 연료전지는 상기 단위셀과 동일하게 사용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 연료극은 ASL(Anode Support layer) 및 AFL(Anode Functional Layer)를 포함할 수 있다. 상기 AFL은 다공성 막일 수 있으며, 이는 ASL 및 전해질막 사이에 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 ASL은 전해질막과 접하여, 전기화학적 반응이 일어나는 영역이 될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 ASL는 연료극의 지지층의 역할을 하며, 이를 위하여 AFL에 비하여 상대적으로 더 두껍게 형성될 수 있다. 또한, 상기 ASL은 연료를 AFL에까지 원활하게 도달하도록 하고, 전기 전도도가 우수하게 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공기극은 CSL(Cathode Support layer) 및 CFL(Cathode Functional Layer)를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 CFL은 다공성 막일 수 있으며, 이는 CSL 및 전해질 사이에 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 CSL은 전해질막과 접하여, 전기화학적 반응이 일어나는 영역이 될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 CSL는 공기극의 지지층의 역할을 하며, 이를 위하여 CFL에 비하여 상대적으로 더 두껍게 형성될 수 있다. 또한, 상기 CSL은 공기를 CFL에까지 원활하게 도달하도록 하고, 전기 전도도가 우수하게 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 인터커넥터는 각각의 단위셀로 연료가 이동할 수 있는 연료 유로 및 각각의 단위셀로 공기가 이동할 수 있는 공기 유로를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 스택은 2 이상의 단위셀의 스택(stack)일 수 있다. 또한, 상기 인터커넥터는 각각의 단위셀을 연결하는 연료 유로 및 공기 유로를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 스택은 각각의 단위셀이 직렬로 적층되고, 상기 단위셀들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(seperator)이 더 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 무기 산화물 입자를 형성하는 단계; 제2 무기 산화물 입자를 준비하는 단계; 및 상기 제1 무기 산화물 입자에 상기 제2 무기 산화물 입자를 결합하여 1 이상의 이온 전도성 입자를 형성하는 단계를 포함하는 상기 무기 산화물 분말의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 무기 산화물 입자를 형성하는 단계는 지르코니아계 화합물; 세리아계 화합물; 비스무스계 화합물 및 란타늄갈레이트계 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 플럭스(flux)를 사용하여 열처리한 후, 200 ㎚ 이상의 입경을 가지는 입자를 필터링하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 이온 전도성 입자를 형성하는 단계는 고상 반응법, 열분해법 또는 산화환원법을 이용하는 것일 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[실시예 1]
출발 물질을 HAS(Rhodia 사의 상용 GDC 분말)로 하여 입자의 크기에 대한 온도의 영향을 살펴 보았다.
GDC (Gallate doped Ceria) 분말 자체는 온도가 높을수록 입자 크기가 커지지만 온도를 높여서 열처리를 하여도 1 ㎛ 이상의 입경을 가지는 입자를 얻을 수 없었다. 그러므로, 플럭스(Flux)를 사용하여 입자의 크기를 더 성장 시켰다. H3BO3, NH4Cl, NaCl, ZnCl 등의 Flux를 사용하였으며, 이를 통해 11 ㎛ 이상의 크기를 나타내는 GDC 입자를 얻을 수 있었다. 이렇게 성장 시킨 분말을 볼밀로 분산 시킨 후 분급을 통해 1 ㎛ 이상의 크기를 갖는 입자들만 필터링하여 제1 무기 산화물 입자를 얻었다.
나아가, 질산염 형태의 세륨과 가돌리늄을 이용하여 용액을 만든 후 잘 분산된 상기 제1 무기 산화물 입자와 혼합한 후 pH를 9로 조절하여 상기 제1 무기 산화물 입자 표면에 나노 크기의 GDC 입자가 결합하도록 공침(co-precipitation)하여 무기 산화물 분말을 제조하였다.
도 2 및 도 3은 실시예 1에 따라 제조된 무기 산화물 입자의 이미지를 나타낸 것이다.
[실시예 2]
상기 실시예 1과 같이 제조된 무기 산화물 입자를 1350 ℃의 온도로 소성하여 전해질을 제조하였다. 실시예 2에 따라 제조된 전해질의 치밀도는 공극률을 이용하여 측정할 수 있으며, 측정된 공극률은 19.9 %였다. 그러므로, 실시예 2에 따른 전해질의 치밀도는 80.1 %로서 우수한 치밀도를 나타내었다.
도 4는 실시예 2에 따라 제조된 전해질의 이미지를 나타낸 것이다.
[실시예 3]
1450 ℃의 온도로 소성한 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 전해질을 제조하였다. 상기 실시예 3에 따른 전해질의 치밀도는 99 %에 달하였다.
도 5는 실시예 3에 따라 제조된 전해질의 이미지를 나타낸 것이다.
[비교예 1]
가공되지 않은 GDC 입자를 이용하여 실시예 2에서와 같이 1350 ℃로 소성하여 전해질을 제조하였다. 살시 비교예 1에 따른 전해질의 치밀도는 65.1 %였다.
도 6는 비교예 1에 따라 제조된 전해질의 이미지를 나타낸 것이다.
[비교예 2]
가공되지 않은 GDC 입자를 이용하여 실시예 3에서와 같이 1450 ℃로 소성하여 전해질을 제조하였다. 살시 비교예 1에 따른 전해질의 치밀도는 70.1 %였다.
도 7는 비교예 2에 따라 제조된 전해질의 이미지를 나타낸 것이다.
상기 실시예 2, 3 및 비교예 1,2를 통하여 알 수 있듯이, 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 전해질은 낮은 온도에서 높은 치밀도를 나타내는 것을 알 수 있으며, 이는 고체 산화물 연료전지 l 전해질로 사용되는 경우 우수한 성능을 나타낼 수 있음을 의미한다. 구체적으로, 상기 실시예 및 비교예는 본 명세서의 전해질의 소성 온도가 낮아진 것을 나타내는 것이다.

Claims (21)

  1. 제1 무기 산화물 입자; 및 상기 제1 무기 산화물 입자의 표면에 결합된 적어도 하나의 제2 무기 산화물 입자를 포함하는 1 이상의 이온 전도성 입자를 포함하고,
    상기 제2 무기 산화물 입자의 입경은 상기 제1 무기 산화물 입자의 입경의 1/10,000 이상 1/2 이하이며,
    상기 제1 무기 산화물 입자 및 상기 제2 무기 산화물 입자 각각의 산소 이온 전도도는 800 ℃에서 0.0001 S/㎝ 이상 0.5 S/㎝ 이하인 무기 산화물 분말.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 무기 산화물 입자의 평균 입경은 200 ㎚ 이상 20 ㎛ 이하이고, 상기 제2 무기 산화물 입자의 평균 입경은 1 ㎚ 이상 500 ㎚ 이하인 것인 무기 산화물 분말.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 무기 산화물 입자와 상기 제2 무기 산화물 입자는 서로 동종 또는 이종의 화합물을 포함하는 것인 무기 산화물 분말.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 무기 산화물 입자 및 상기 제2 무기 산화물 입자는 각각 지르코니아계 화합물; 세리아계 화합물; 비스무스계 화합물 및 란타늄갈레이트계 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 포함하는 것인 무기 산화물 분말.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기 산화물 분말 내에 상기 제1 무기 산화물 입자와 상기 제2 무기 산화물 입자의 중량비는 1,000 : 1 내지 1 : 10 인 것인 무기 산화물 분말.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 무기 산화물 입자는 상기 제1 무기 산화물 입자의 표면 면적의 20 % 이상 100 % 이하로 결합하는 것인 무기 산화물 분말.
  7. 제1 무기 산화물 입자; 및 상기 제1 무기 산화물 입자의 표면에 결합된 적어도 하나의 제2 무기 산화물 입자를 포함하는 1 이상의 이온 전도성 입자를 포함하고,
    상기 제2 무기 산화물 입자의 입경은 상기 제1 무기 산화물 입자의 입경의 1/10,000 이상 1/2 이하이며,
    상기 제1 무기 산화물 입자 및 상기 제2 무기 산화물 입자 각각의 산소 이온 전도도는 800 ℃ 에서 0.0001 S/㎝ 이상 0.5 S/㎝ 이하인 무기 산화물 분말의 소결체를 포함하는 전해질.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전해질의 공극률을 0 % 이상 20 % 이하인 것인 전해질.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 무기 산화물 입자는 지르코니아계 화합물이고, 상기 전해질의 공극률이 20 % 이하가 되는 상기 무기 산화물 분말의 소결 온도는 1,100 ℃ 이상 1,300 ℃ 이하인 것인 전해질.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 무기 산화물 입자는 세리아계 화합물이고, 상기 전해질의 공극률이 20 % 이하가 되는 상기 무기 산화물 분말의 소결 온도는 1,300 ℃ 이상 1,500 ℃ 이하인 것인 전해질.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 무기 산화물 입자는 비스무스계 화합물이고, 상기 전해질의 공극률이 20 % 이하가 되는 상기 무기 산화물 분말의 소결 온도는 1,200 ℃ 이상 1,400 ℃ 이하인 것인 전해질.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 무기 산화물 입자는 란타늄갈레이트계 화합물이고, 상기 전해질의 공극률이 20 % 이하가 되는 상기 무기 산화물 분말의 소결 온도는 1,200 ℃ 이상 1,400 ℃ 이하인 것인 전해질.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 무기 산화물 입자와 상기 제2 무기 산화물 입자는 서로 동종 또는 이종의 화합물을 포함하는 것인 전해질.
  14. 청구항 7에 있어서,
    상기 소결체의 소결 온도는 상기 제1 무기 산화물 입자의 소결 온도의 70 % 이상 95 % 이하인 것인 전해질.
  15. 청구항 7에 있어서,
    상기 소결체의 함량은 상기 전해질의 총 중량에 대하여 5 중량% 이상 100 중량% 이하인 것인 전해질.
  16. 청구항 7 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 고체 산화물 연료전지용 전해질인 것인 전해질.
  17. 공기극; 연료극; 및 상기 공기극과 상기 연료극 사이에 구비된 청구항 7 내지 15 중 어느 한 항에 따른 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료전지는 상기 공기극, 상기 연료극 및 상기 전해질을 동시에 소성하여 형성된 것인 고체 산화물 연료전지.
  19. 제1 무기 산화물 입자를 형성하는 단계;
    제2 무기 산화물 입자를 준비하는 단계; 및
    상기 제1 무기 산화물 입자에 상기 제2 무기 산화물 입자를 결합하여 1 이상의 이온 전도성 입자를 형성하는 단계를 포함하는
    청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 무기 산화물 분말의 제조방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제1 무기 산화물 입자를 형성하는 단계는 지르코니아계 화합물; 세리아계 화합물; 비스무스계 화합물 및 란타늄갈레이트계 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 플럭스(flux)를 사용하여 열처리한 후, 200 ㎚ 이상의 입경을 가지는 입자를 필터링하는 것인 무기 산화물 분말의 제조방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 이온 전도성 입자를 형성하는 단계는 고상 반응법, 열분해법 또는 산화환원법을 이용하는 것인 무기 산화물 분말의 제조방법.
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