WO2023140523A1 - 고체산화물 연료전지용 전해질 소재, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 전해질 소재, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 Download PDF

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solid oxide
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이강택
김도엽
유형민
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한국과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to an electrolyte material for a solid oxide fuel cell, and more particularly, to a triple doped bismuth oxide-based electrolyte that can be used in a solid oxide fuel cell.
  • a solid oxide fuel cell is one of the fuel cells that directly converts the chemical energy of a fuel into electrical energy through an electrochemical reaction, and the electrolyte is a solid oxide fuel cell. It consists of a porous cathode supplied with fuel, a porous anode supplied with oxygen, and a solid oxide electrolyte positioned between the anode and cathode.
  • Solid oxide fuel cells are operated at high temperatures, so they have high energy conversion efficiency compared to general heat engines, and can be operated under pressure. They do not have various operational problems that occur in low-temperature fuel cells using liquid electrolytes, such as corrosion problems by using solid oxides as electrolytes.
  • solid oxide fuel cells are attracting attention as one of the next-generation power sources in that they can solve air pollution problems by using hydrogen or hydrocarbons as fuel.
  • the solid oxide fuel cell also has limitations, and the solid oxide fuel cell has a problem of requiring high system cost due to high operating temperature and lacking long-term durability.
  • fluorite structured yttria-stabilized zirconia (YSZ), gadolinium-doped ceria (GDC), erbium-stabilized bismuth oxide (ESB), and perovskite structured lanthanum gallate-based are used as the main electrolytes.
  • erbia-stabilized bismuth oxide (ESB) is known.
  • oxygen ion conductors it has high ionic conductivity and is attracting attention as a high-efficiency solid oxide fuel cell material.
  • these stabilized bismuth oxide (SBO)-based materials have a problem in that ion conductivity decreases over time due to phase transition to a rhombohedral-fluorite structure or order-disorder transition of oxygen ions at a temperature of 700 ° C or less.
  • Korean Patent Publication No. 10-2019-0044234 (Name: Erbium-stabilized bismuth oxide-based electrolyte with enhanced high-temperature stability through double doping), which is an earlier application of the same inventor, discloses an electrolyte for a solid oxide fuel cell characterized in that bismuth oxide is doped with erbium oxide as a primary dopant and a metal oxide as a secondary dopant, but its ionic conductivity is significantly higher than that of ESB. It is not different and needs further improvement.
  • An object of the present invention to solve the above problems is to provide an electrolyte material for a solid oxide fuel cell including an erbium-stabilized bismuth oxide (ESB)-based electrolyte, a method for manufacturing the same, and a solid oxide fuel cell including the same.
  • ESD erbium-stabilized bismuth oxide
  • Another object of the present invention is to improve the high ion conductivity of the earbium-stabilized bismuth-based electrolyte and at the same time inhibit the phase of the phase transition to the square flow light structure generated by the stabilized bismuth-based material to allow the fuel cell to drive the intermediate temperature (ITS ⁇ 700 ° C.). It is to provide a solid oxide fuel cell comprising the doping and controlling the composition, the method of manufacturing the same, and the method of producing the same.
  • an electrolyte material for a solid oxide fuel cell is characterized in that bismuth oxide is doped with erbium (Er), yttrium (Y), and zirconium (Zr) and is represented by the following chemical formula.
  • Formula 1 may satisfy 0.05 ⁇ a ⁇ 0.1, 0.05 ⁇ b ⁇ 0.1, and 0.8 ⁇ c ⁇ 0.9.
  • Formula 1 may satisfy 0.01 ⁇ x ⁇ 0.03.
  • the electrolyte material may have a total doping concentration of erbium (Er), yttrium (Y), and zirconium (Zr) of 10.9 mol% or more and 22.4 mol% or less based on the total number of moles.
  • Er erbium
  • Y yttrium
  • Zr zirconium
  • the electrolyte material may have a crystal structure of a cubic-fluorite structure at room temperature of 15 ° C to 25 ° C.
  • the electrolyte material may have a crystal structure maintaining a cubic-fluorite structure after 1100 hours at 600 ° C.
  • the electrolyte material may have an ion conductivity of 1.0 S/cm or more at 700 °C.
  • a method for manufacturing an electrolyte material for a solid oxide fuel cell includes (i) mixing a bismuth oxide precursor, an erbium precursor, a yttrium precursor, and a zirconium precursor in stoichiometric amounts; and (ii) calcining the mixture to form a compound represented by the following chemical formula by doping bismuth oxide with erbium, yttrium, and zirconium.
  • the mixing in the step (i) includes 77.6 mol% or more and 89.1 mol% or less of bismuth (Bi), 4.85 mol% or more and 9.9 mol% or less of yttrium (Y) contained in the bismuth oxide precursor, erbium precursor, yttrium precursor, and zirconium precursor, and 4.85 mol% or more and 9.9 mol% or less of yttrium (Y). It may be that nium (Zr) is mixed in a molar ratio of 1 mol% or more and less than 3 mol%.
  • the calcination in step (ii) may be performed at a temperature of 650° C. or more and 850° C. or less.
  • Another embodiment of the present invention for achieving the above technical problem may include a solid oxide fuel cell electrolyte material for the solid oxide fuel cell.
  • electrolyte material for a solid oxide fuel cell having a much higher ionic conductivity than yttria-stabilized zirconia (YSZ), gadolinium-doped ceria (GDC), and erbium-stabilized bismuth oxide (ESB) known as electrolyte materials for a solid oxide fuel cell.
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • GDC gadolinium-doped ceria
  • ESD erbium-stabilized bismuth oxide
  • an electrolyte material for a solid oxide fuel cell in which there is no phase transition to a tetrahedral flowlite structure that adversely affects durability and ion conductivity even when used at a temperature of 600 ° C for a long time.
  • 1 is a flow chart of a method for manufacturing an electrolyte material for a solid oxide fuel cell.
  • 3 is data obtained by measuring ion conductivity according to temperature of an electrolyte material for a solid oxide fuel cell.
  • An electrolyte material for a solid oxide fuel cell which is an embodiment of the present invention, is characterized in that bismuth oxide is doped with erbium (Er), yttrium (Y), and zirconium (Zr), and is represented by the following chemical formula.
  • Pure bismuth oxide has polymorphism and has phases such as ⁇ , ⁇ , ⁇ , and ⁇ depending on the temperature.
  • the ⁇ phase that exists in the range from 729°C to the melting point of 824°C forms a tetraaxial fluorite structure.
  • This ⁇ phase has a very high oxygen ion conductivity of about 1 Scm -1 at 800 ° C. This is about 10 times higher than that of gadolinium-doped ceria (GDC) at the same temperature.
  • GDC gadolinium-doped ceria
  • the ⁇ phase is stable only in a very narrow temperature range, and below the temperature at which the ⁇ phase is maintained, a phase transition occurs to the ⁇ phase of a monoclinic structure with a very low ion conductivity.
  • the ⁇ phase tends to be stabilized even at a low temperature.
  • stabilized bismuth oxide (SBO) by doping tends to increase oxygen ionic conductivity as the ionic radius of the doped dopant increases.
  • the minimum dopant content required to stabilize the ⁇ phase is different for each dopant, but the oxygen ionic conductivity tends to decrease as the dopant content increases.
  • the present invention attempted a strategy of utilizing the advantages of the existing double doping by triple doping using a heterogeneous element and suppressing the phase transition, which is a problem.
  • the electrolyte material for a solid oxide fuel cell (Er a Y b Bi c ) 1-x Zr x O (hereinafter referred to as EYZB) proposed by the present invention is double doped using erbium (Er) and yttrium (Y), thereby reducing the total dopant content required for ⁇ -phase stabilization compared to conventional single doping materials, thereby improving oxygen ion conductivity, and doping with zirconium (Zr) to stabilize bismuth-based oxide (SBO)
  • Zr zirconium
  • SBO stabilized bismuth-based oxide
  • erbium (Er) was selected because it has the smallest total dopant content required for ⁇ -phase stabilization among several dopant candidates and thus shows the highest oxygen ion conductivity.
  • zirconium (Zr) As a dopant, when a tetravalent metal element such as zirconium (Zr) is doped, the cation interdiffusion coefficient tends to decrease. Reduction of the mutual diffusion coefficient means that it is possible to suppress the phase change of the stabilized bismuth-based oxide (SBO) to the rhombohedral-fluorite structure in terms of kinetics by suppressing rearrangement of side reactions of cations.
  • the present invention adopts zirconium (Zr) as a third doping element.
  • the electrolyte material for a solid oxide fuel cell is characterized in that bismuth oxide (Bi) is triple-doped with erbium (Er), yttrium (Y), and zirconium (Zr).
  • Bi bismuth oxide
  • Er erbium
  • Y yttrium
  • Zr zirconium
  • triple doping means that the three types of elements are simultaneously doped to form a compound.
  • the doping is performed by a process of artificially implanting a dopant, including a diffusion process and an ion implantation process.
  • an electrolyte material for a solid oxide fuel cell may be represented by the following [Formula 1].
  • a+b+c in Chemical Formula 1 is 1, and x may be greater than 0 and less than 1.
  • Formula 1 may satisfy 0.05 ⁇ a ⁇ 0.1, 0.05 ⁇ b ⁇ 0.1 and 0.8 ⁇ c ⁇ 0.9, and 0.01 ⁇ x ⁇ 0.03.
  • the phase change suppression effect by the metal oxide is insignificant, making it difficult to exhibit the phase change stability effect, and when the x value exceeds 0.03, the secondary phase on the cubic-Fluorite.
  • Formula 1 preferably has values of 0.05 ⁇ a ⁇ 0.1, 0.05 ⁇ b ⁇ 0.1, 0.8 ⁇ c ⁇ 0.9, and 0.01 ⁇ x ⁇ 0.03.
  • a is adjusted to have a value of 0.06
  • b is 0.06
  • c is 0.88
  • x is 0.01.
  • the electrolyte material for a solid oxide fuel cell may have a total doping concentration of erbium (Er), yttrium (Y), and zirconium (Zr) of 10.9 mol% or more and 22.4 mol% or less based on the total number of moles.
  • Er erbium
  • Y yttrium
  • Zr zirconium
  • multiple doping is more effective in stabilizing the ⁇ phase of the stabilized bismuth-based oxide (SBO) and improving the oxygen ion conductivity, even though the total dopant content is lower than in the case of single doping.
  • zirconium (Zr) in Formula 1 in order for the stabilized bismuth-based oxide (SBO) not to phase change into a rhombohedral-Fluorite structure at a temperature of 700 ° C or less, zirconium (Zr) in Formula 1 must be included as 0.01 ⁇ x ⁇ 0.03, and the corresponding minimum value of the total doping concentration by Er, Yttrium (Y) and Zr is 10 It corresponds to .9 mol%.
  • the solid oxide electrolyte material of the present invention is characterized in that the crystal structure is a cubic-fluorite structure at room temperature of 15 ° C to 25 ° C, and the crystal structure is cubic even after 1100 hours at 600 ° C. It can maintain the fluorite structure.
  • the solid oxide electrolyte material of the present invention may have an ionic conductivity of 1.0 S/cm or more at 700 °C.
  • a method for manufacturing an electrolyte material for a solid oxide fuel cell includes (i) mixing a bismuth oxide precursor, an erbium precursor, a yttrium precursor, and a zirconium precursor in stoichiometric amounts (S100); and (ii) calcining the mixture to form a compound represented by the following chemical formula by doping bismuth oxide with erbium, yttrium, and zirconium (S200).
  • the step (i) (S100) is a step of mixing a bismuth oxide (Bi) precursor, an erbium (Er) precursor, a yttrium (Y) precursor, and a zirconium (Zr) precursor in stoichiometric amounts.
  • the mixing ratio of the bismuth oxide precursor, the erbium precursor, the yttrium precursor, and the zirconium precursor is based on the molar ratio of the dopants, and the molar ratio of the dopants is determined by considering the degree of stabilization of the ⁇ phase according to the total dopant content and the effect of suppressing the phase transition to the rhombohedral-fluorite structure at a temperature of 700 ° C or lower.
  • the bismuth (Bi) may be mixed at 77.6 mol% or more and 89.1 mol% or less
  • the erbium (Er) may be mixed at 4.85 mol% or more and 9.9 mol% or less
  • the yttrium (Y) may be mixed at 4.85 mol% or more and 9.9 mol% or less
  • the zirconium (Zr) may be mixed at 1 mol% or more may be mixed in a ratio of less than 3 mol%.
  • step (ii) (S200) may be performed at a temperature of 650° C. or more and 850° C. or less.
  • step (ii) (S200) is preferably performed at a temperature of 650° C. or more and 850° C. or less.
  • the electrolyte for a solid oxide fuel cell and the solid oxide fuel cell including the same correspond to a utilization example of the electrolyte material for a solid oxide fuel cell, and since the electrolyte material for a solid oxide fuel cell is included, it is possible to provide an electrolyte for a solid oxide fuel cell having high ionic conductivity and long-term durability even when used at a temperature of 700 ° C or less and a solid oxide fuel cell including the same.
  • electrolyte materials for a solid oxide fuel cell having high ionic conductivity and long-term stability As described above, it is important to dope with an optimized material in consideration of the influence of dopants (ionic radius, content, etc.). Therefore, electrolyte materials for a solid oxide fuel cell with different composition ratios were prepared in experimental groups prior to identifying characteristics according to doping.
  • the mixture obtained through the ball-milling process was calcined at 800 ° C. for 16 hours, and the obtained sample was pulverized using a mortar and pestle, then ethanol was added and mixed and pulverized through a ball-milling process for 24 hours. A light yellow powder was obtained.
  • the solid oxide fuel cell electrolyte material powder obtained according to the above manufacturing method was put into a mold, applied with a pressure of 50 MPa using a uniaxial pressing method, and then sintered at a temperature range between 800 ° C and 850 ° C for 10 hours to make a pellet.
  • the crystal structure of the powder was refined using HighScore software.
  • FIG. 2 shows the X-ray diffraction patterns of the EY1ZB, EY3ZB, EY5ZB, and EY7ZB powders after calcination as the analysis data of this experiment. According to FIG. 2, it was confirmed that the EY1ZB powder having a Zr concentration of 0.01 mol% had a cubic-fluorite structure without a secondary phase.
  • the peak for the secondary phase is confirmed around 2 ⁇ 30°.
  • the ionic conductivity of the electrolyte material for a solid oxide fuel cell according to the temperature was analyzed for the pellets prepared according to the pellet manufacturing example.
  • FIG. 3 is data obtained by measuring ion conductivity according to temperature of EY1ZB. According to FIG. 3, it can be seen that the ionic conductivity of EY1ZB is significantly higher than that of ESB in the temperature range of 550 ° C to 700 ° C. Specifically, at 700 ° C, the ionic conductivity of ESB was measured as 0.387 S / cm and that of EY1ZB was 1.011 S / cm, showing that the ionic conductivity of EY1ZB is about 2.6 times higher than that of ESB.
  • EY1ZB The improved ionic conductivity seen in EY1ZB is because the physical properties of pure Bi 2 O 3 are better preserved because EY1ZB requires a smaller dopant content of 12%, whereas conventional ESB requires 20% of dopant content for phase stabilization.
  • FIG. 4 is data obtained by measuring the change in ion conductivity at 600° C. for 1100 hours using EY1ZB and gadolinium-doped ceria (GDC), which is known as an electrolyte material for solid oxide fuel cells, as a control.
  • GDC gadolinium-doped ceria
  • the solid oxide fuel cell electrolyte including the EY1ZB presented in the present invention and the solid oxide fuel cell including the same exhibit stable performance without a decrease in ionic conductivity even when operated at intermediate temperatures (ITs ⁇ 700 ° C) for a long time.
  • FIG. 5 is data obtained by measuring X-ray diffraction patterns of EY1ZB pellets after durability evaluation at 600 ° C for 1100 hours and EY1ZB powder immediately after calcination. According to FIG. 5, it is confirmed that the cubic flowlite structure is maintained even after durability evaluation at 600 ° C for 1100 hours.

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Abstract

본 발명의 일실시예는, 산화 비스무트에 어븀(Er), 이트륨(Y) 및 지르코늄(Zr)이 도핑되어, 이온전도도를 가지며, 700℃ 이하의 온도에서 장시간 연료전지를 구동하여도 이온전도도의 저감이나 사면체 플로우라이트 구조로의 상변이가 발생하지 않아 내구성이 우수한 고체산화물 연료전지용 소재, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전해질 및 연료전지를 제공할 수 있다. <대표도> 도 2

Description

고체산화물 연료전지용 전해질 소재, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지
본 발명은 고체산화물 연료전지용 전해질 소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체산화물 연료전지에 사용될 수 있는 삼중 도핑된 산화 비스무트계 전해질에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 전기화학 반응을 통하여 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 연료전지의 하나로 전해질이 고체산화물인 연료전지이다. 연료가 공급되는 다공성 음극, 산소가 공급되는 다공성 양극, 그리고 양극과 음극 사이에 위치하는 고체산화물 전해질로 구성된다.
고체산화물 연료전지는 고온에서 운전되어 일반적인 열기관에 비해 에너지 변환 효율이 높고 가압에서 운전이 가능하다는 장점이 있으며, 전해질로 고체산화물을 사용하여 부식 문제 등 액상 전해질을 사용하는 저온형 연료전지에서 발생하는 여러 운전상의 문제가 없다.
또한 고체산화물 연료전지는 연료로 수소 또는 탄화수소를 사용하여 대기 오염 문제를 해결할 수 있는 점에서 차세대 동력원의 하나로 주목받고 있다.
다만 고체산화물 연료전지에도 한계가 존재하는데, 고체산화물 연료전지는 높은 구동 온도로 인해 많은 시스템 비용이 요구되고 장기적인 내구성이 부족한 문제가 있다.
효과적으로 시스템 비용을 절감하고, 장기적인 내구성을 향상시키기 위하여 작동 온도를 낮추는 것은 고체산화물 연료전지의 구동에 있어 주요한 과제이며, 이를 위해 중간 온도(Intermediate temperatures; ITs < 700℃)에서 높은 이온전도도와 내구성을 가지는 연료전지 소재의 개발이 시급하다.
이와 같은 관점에서 고체산화물 연료전지의 전해질을 살펴보면, 주요 전해질 종류에는 플루오라이트 구조인 이트리아-안정화 지르코니아 (YSZ), 가돌리니움 도핑 세리아(GDC), 어븀-안정화 산화비스무트(ESB), 그리고 페로브스카이트 구조인 란타늄갈레이트계 등이 이용되고 있으며, 특히 어븀-안정화 산화비스무트(Erbia-Stabilized Bismuth oxide, ESB)는 알려진 산소이온전도체 중에서 높은 이온 전도성을 가져 고효율 고체산화물 연료전지 소재로 주목받고 있다.
그러나 이러한 안정화 산화비스무트(Stabilized Bismuth Oxide: SBO)계 물질은 700℃ 이하의 온도에서 사면체 플로우라이트 (Rhombohedral-Fluorite) 구조로의 상전이 또는 산소 이온의 질서-무질서 전이에 의해 시간에 따른 이온전도도가 저하하는 문제점을 가진다.
구체적으로 600℃의 온도에 노출될 경우 한 시간 이내로 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite) 구조에서 사면체 플로우라이트(Rhombohedral-Fluorite)구조로 변화하며 이에 따라 이온전도도가 감소하는 한계가 있다.
동일한 관점에서 동일 발명자의 선출원인 대한민국 공개특허 제10-2019-0044234호(명칭: 이중 도핑을 통해 고온안정성이 강화된 어븀-안정화 산화비스무트계 전해질)는 ESB계 전해질로, 산화비스무트에 1차 도펀트로 어븀 산화물을 도핑하고 2차 도펀트로서 금속 산화물을 도핑한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 전해질을 개시하고 있으나, 이온전도도가 ESB와 크게 다르지 않으며 더욱 개선이 필요한 실정이다.
<선행기술문헌>
대한민국 공개특허 제10-2019-0044234호
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 알려진 산소이온전도체 중에서 높은 이온 전도성을 가져 고효율 고체산화물 연료전지 소재로 주목받고 있는 어븀-안정화 산화비스무트(Erbia-Stabilized Bismuth oxide, ESB)계 전해질을 포함하는 고체산화물 연료전지용 전해질 소재, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 어븀-안정화 산화비스무트계 전해질의 높은 이온 전도성을 개선하고 동시에 안정화 산화비스무트계 물질에서 발생하는 사면체 플로우라이트 구조로의 상전이를 억제하여 중간 온도(Intermediate temperatures; ITs < 700 ℃)로 연료전지를 구동할 수 있도록 삼중 도핑을 하고 조성을 제어한 고체산화물 연료전지용 산화비스무트계 전해질 소재, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예로, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재는 산화 비스무트에 어븀(Er), 이트륨(Y) 및 지르코늄(Zr)이 도핑 되어 하기 화학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.
[화학식1]
(EraYbBic)1-xZrxO
(이때, a+b+c=1이며, 0<x<1이다.)
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 화학식1은, 0.05≤a≤0.1, 0.05≤b≤0.1 및 0.8≤c≤0.9일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 화학식1은, 0.01≤x<0.03일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전해질 소재는, 상기 어븀(Er), 이트륨(Y) 및 지르코늄(Zr)에 의한 총 도핑 농도가 총 몰 수 대비 10.9mol% 이상 22.4mol% 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전해질 소재는, 15℃ 내지 25℃의 상온에서 결정구조가 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite) 구조일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전해질 소재는, 600℃에서 1100시간 경과 후 결정구조가 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite) 구조를 유지하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전해질 소재는, 700℃에서의 이온전도도가 1.0S/cm 이상인 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 다른 실시예로 고체산화물 연료전지용 전해질 소재 제조 방법은 (i) 산화 비스무트 전구체, 어븀 전구체, 이트륨 전구체 및 지르코늄 전구체를 화학양론적 양으로 혼합하는 단계; 및 (ii) 상기 혼합물을 하소하여 산화 비스무트에 어븀, 이트륨 및 지르코늄이 도핑 되어 하기 화학식으로 표현되는 화합물을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
[화학식1]
(EraYbBic)1-xZrxO
(이때, a+b+c=1이며, 0<x<1이다.)
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (i) 단계의 혼합은, 상기 산화 비스무트 전구체, 어븀 전구체, 이트륨 전구체 및 지르코늄 전구체에 포함된 비스무트(Bi)가 77.6mol% 이상 89.1mol% 이하, 어븀(Er)이 4.85mol% 이상 9.9mol% 이하, 이트륨(Y)이 4.85mol% 이상 9.9mol% 이하 및 지르코늄(Zr)이 1mol% 이상 3mol% 미만의 몰 비로 혼합되는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계의 하소는, 650℃ 이상 850℃ 이하의 온도로 수행될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는 고체산화물 연료전지로 상기 고체산화물 연료전지용 전해질 소재를 포함하는 것일 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는,
고체산화물 연료전지용 전해질 소재로 알려진 이트리아-안정화 지르코니아 (YSZ), 가돌리니움 도핑 세리아(GDC), 어븀-안정화 산화비스무트(ESB)보다 월등히 높은 이온전도도를 갖는 고체산화물 연료전지용 전해질 소재를 제공할 수 있다.
또한 600℃의 온도로 장기간 사용을 해도 내구성 및 이온전도도에 악영향을 주는 사면체 플로우라이트 구조로의 상전이가 없는 고체산화물 연료전지용 전해질 소재를 제공할 수 있다.
또한 600℃의 온도로 장기간 사용을 해도 이온전도도의 감소 없이 유지되는 고체산화물 연료전지용 전해질 소재를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 고체산화물 연료전지용 전해질 소재 제조 방법의 순서도이다.
도2는 고체산화물 연료전지용 전해질 소재의 결정학적 상을 분석한 데이터이다.
도3은 고체산화물 연료전지용 전해질 소재의 온도에 따른 이온전도도를 측정한 데이터이다.
도4는 고체산화물 연료전지용 전해질 소재의 장기 내구성을 평가하기 위해 600℃에서 1100시간 이온전도도의 변화를 측정한 데이터이다.
도5는 고체산화물 연료전지용 전해질 소재의 장기 내구성 평가 이후 결정학적 상을 분석한 데이터이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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. 본 명세서에서, "포함하다" 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, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 본 발명의 실시예인 고체산화물 연료전지용 전해질 소재를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예인 고체산화물 연료전지용 전해질 소재는 산화 비스무트에 어븀(Er), 이트륨(Y) 및 지르코늄(Zr)이 도핑 되어 하기 화학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.
[화학식1]
(EraYbBic)1-xZrxO
(이때, a+b+c=1이며, 0<x<1이다.)
각 구성의 상세한 설명에 앞서서, 본 발명이 상기 구성을 갖는 이유를 설명하기로 한다.
순수한 산화 비스무트는 동질 이상(polymorphism)의 특성을 가지며, 온도에 따라 α, β, γ 및 δ 등의 상을 갖는다. 이 가운데서 729℃부터 녹는점 824℃까지의 영역에서 존재하는 δ상은 등축정계 형석 구조를 형성한다. 이러한 δ상은 음이온 격자 내에 내제적으로 25%의 높은 산소결함을 가지고 있기 때문에 800℃에서 약 1Scm-1에 달하는 매우 높은 산소이온전도도를 지닌다. 이는 동일 온도에서 가돌리니움 도핑 세리아(GDC) 보다 약10배 가량 높은 값이다.
하지만 δ상은 매우 좁은 온도범위에서만 안정하고 δ상을 유지하는 온도 이하에서는 매우 낮은 이온전도도를 갖는 단사정계(monoclinic) 구조의 α상으로 상변이가 일어난다. 이러한 상변이를 방지하기 위해서 격자내 비스무트(Bi)를 도펀트로 일부 치환하면 저온에서도 δ상이 안정화되는 경향을 보인다.
일반적으로 도핑에 의해 안정화된 비스무트계 산화물(Stabilized Bismuth Oxide, SBO)은 도핑된 도펀트의 이온 반지름이 커질수록 산소이온전도도가 증가하는 경향이 있다. 반면 도펀트 마다 δ상을 안정화시키는데 필요한 최소 도펀트 함량은 다르나 도펀트 함량이 많을수록 산소이온전도도가 감소하는 경향을 보인다.
따라서 이온전도도에 미치는 도펀트의 영향(이온 반지름, 함량 등)을 고려하여 최적화된 물질로 도핑하는 것이 중요하다. 이러한 맥락에서 기존에 연구된 물질로 어븀(Er)과 이트륨(Y) 등이 있으며, 각 물질이 도핑된 Er0.4Bi1.6O3 및 Y0.5Bi1.5O3는 700℃에서 약 0.32Scm-1로 높은 이온 전도도를 나타낸다.
더 높은 이온전도도를 얻기 위해서 이중 도핑 전략을 통해 여러 조합의 도펀트를 동시에 치환하는 연구가 진행되었으며, 이중 도핑을 통해서 δ상이 안정화된 안정화 비스무트계 산화물(SBO)은 대체로 단일 도핑 된 물질들보다 총 도펀트 함량이 더 낮음에도 불구하고 δ상이 안정화되는 경향을 보였으며, 낮은 도펀트 함량으로 인해서 높은 이온전도도를 보였다.
다만 기존에 시도된 이종 원소를 이용한 이중 도핑 전략은 안정화 비스무트계 산화물(SBO)의 δ상을 상온까지 안정화시켰지만, 600℃의 온도에서 1시간 이상 연료전지를 구동할 경우 산소이온전도도가 매우 저조한 사면체 플로우라이트(Rhombohedral-Fluorite) 구조로 상전이 하는 한계가 있었다.
이러한 한계를 극복하고자 본 발명은 이종 원소를 이용한 삼중 도핑으로 기존의 이중 도핑의 장점을 살리고, 문제점인 상전이를 억제하는 전략을 시도하였다.
구체적으로 본 발명이 제시하는 상기 고체산화물 연료전지용 전해질 소재 (EraYbBic)1-xZrxO (이하, EYZB라 명명함)는 어븀(Er) 및 이트륨(Y)을 이용한 이중 도핑으로 기존의 단일 도핑 물질보다 δ상 안정화에 필요한 총 도펀트 함량을 감소시켜 산소이온전도도를 향상시키고, 이에 지르코늄(Zr)을 함께 도핑하여 안정화 비스무트계 산화물(SBO)이 600℃에서 산소이온전도도가 매우 저조한 사면체 플로우라이트(Rhombohedral-Fluorite) 구조로 상전이 하는 문제를 해결하였다.
다음으로 도펀트로 채택된 각 원소를 살펴보면,
안정화 비스무트계 산화물(SBO)의 산소이온전도도에 영향을 주는 가장 큰 요인은 δ상 안정화에 투입되는 총 도펀트의 함량이다. 이러한 관점에서 어븀(Er)은 여러 도펀트 후보군 중에서 δ상 안정화에 요구되는 총 도펀트 함량이 가장 적고, 이에 따라 가장 높은 산소이온전도도를 보이기에 채택하였다.
다음으로 비스무트계 산화물(SBO)의 산소이온전도도에 영향을 주는 요인은 편극률(polarizability)과 이온 반지름이다. 이 두가지 물성이 커질수록 이온전도도는 증가한다. 이러한 관점에서 비교적 큰 이온 반지름과 편극률을 갖는 이트륨(Y)이 도펀트로 채택되었다.
다음으로 지르코늄(Zr)을 도펀트로 채택한 이유를 살피면, 지르코늄(Zr)과 같은 4가 금속 원소를 도핑 할 경우 양이온 상호 확산계수(interdiffusion coefficient)가 감소하는 경향이 있다. 상호 확산계수의 감소는 양이온 부반응의 재배열을 억제하여 동역학적인 측면에서 안정화 비스무트계 산화물(SBO)가 사면체 플로우라이트(Rhombohedral-Fluorite) 구조로 상변이 하는 것을 억제할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 측면에서 본 발명은 세번째 도핑 원소로 지르코늄(Zr)을 채택하였다.
이하 각 구성을 상세히 살피기로 한다.
본 발명에서 고체산화물 연료전지용 전해질 소재는 산화 비스무트(Bi)에 어븀(Er), 이트륨(Y) 및 지르코늄(Zr)이 삼중 도핑 되어 있는 것을 특징으로 한다. 여기서 삼중 도핑이란 상기 3 종류의 원소가 동시에 도핑 되어 화합물을 형성하는 것을 의미한다.
상기 도핑은 확산 공정(diffusion), 이온 주입 공정(ion implantation)을 포함하여 인위적으로 도펀트를 주입하는 공정으로 수행되며, 다만 이에 제한되지 않고 인위적으로 도펀트를 주입하는 공정이라면 본 발명의 도핑에 사용될 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에서 고체산화물 연료전지용 전해질 소재는 하기 [화학식1]로 표현될 수 있다.
[화학식1]
(EraYbBic)1-xZrxO
이때 상기 화학식1의 a+b+c는 1이며, x는 0초과 1미만일 수 있다.
바람직하게는 상기 화학식1은, 0.05≤a≤0.1, 0.05≤b≤0.1 및 0.8≤c≤0.9일 수 있으며, 0.01≤x<0.03일 수 있다.
구체적으로 상기 x 값이 0.01 미만인 경우 금속 산화물에 의한 상변이 억제 효과가 미미하여 상변화 안정성 효과를 나타내기 어려우며, 상기 x 값이 0.03을 초과하는 경우에는 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite) 상에 이차상(secondary phase)이 나타나는 문제점이 있다.
또한 상기 a와 상기 b의 합이 0.1 미만인 경우에는 안정화 비스무트계 산화물(SBO)의 δ상이 안정화되는 효과가 발현되지 않을 수 있으며, 상기 a와 상기 b의 합이 0.2를 초과하는 경우에는 산소이온전도도의 감소가 나타날 수 있다.
따라서 상기 화학식1은 0.05≤a≤0.1, 0.05≤b≤0.1, 0.8≤c≤0.9 및 0.01≤x<0.03의 값을 갖는 것이 바람직하다.
예를 들어 본 발명을 구현한 예에서는 a가 0.06, b가 0.06, c가 0.88 및 x가 0.01의 값을 가지도록 조절하였다.
다음으로 본 발명에서 상기 고체산화물 연료전지용 전해질 소재는 도핑으로 상기 어븀(Er), 이트륨(Y) 및 지르코늄(Zr)에 의한 총 도핑 농도가 총 몰 수 대비 10.9mol% 이상 22.4mol% 이하일 수 있다.
구체적으로 전술한 바와 같이 다중 도핑은 단일 도핑의 경우보다 총 도펀트 함량이 더 낮음에도 불구하고 안정화 비스무트계 산화물(SBO)의 δ상 안정화와 산소이온전도도 개선에 더 효과적이므로 상기 어븀(Er), 이트륨(Y) 및 지르코늄(Zr)에 의한 총 도핑 농도가 총 몰 수 대비 22.4mol% 이하로 포함될 수 있다.
또한, 700℃ 이하의 온도에서 안정화 비스무트계 산화물(SBO)이 사면체 플로우라이트(Rhombohedral-Fluorite) 구조로 상변이 하지 않기 위해서는 상기 화학식1에서 지르코늄(Zr)이 0.01≤x<0.03으로 포함되어야 하며 이에 대응되는 상기 어븀(Er), 이트륨(Y) 및 지르코늄(Zr)에 의한 총 도핑 농도의 최소값은 총 몰 수 대비 10.9mol%에 해당한다.
상기 구성에 따라 본 발명인 고체산화물 전해질 소재는 15℃ 내지 25℃의 상온에서 결정구조가 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite) 구조인 것을 특징으로 하며, 600℃에서 1100시간 경과 후에도 결정구조가 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite) 구조를 유지할 수 있다.
또한 상기 구성에 따라 본 발명인 고체산화물 전해질 소재는 700℃에서의 이온전도도가 1.0S/cm 이상일 수 있다.
이하 도1을 참조하여 본 발명의 다른 실시예인 고체산화물 연료전지용 전해질 소재 제조 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다. 설명에서 있어서 상기 고체산화물 연료전지용 소재와 중복된 구성은 동일하게 해석되어야 하며, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 있어서 고체산화물 연료전지용 전해질 소재 제조 방법은 (i) 산화 비스무트 전구체, 어븀 전구체, 이트륨 전구체 및 지르코늄 전구체를 화학양론적 양으로 혼합하는 단계(S100); 및 (ii) 상기 혼합물을 하소하여 산화 비스무트에 어븀, 이트륨 및 지르코늄이 도핑 되어 하기 화학식으로 표현되는 화합물을 형성하는 단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식1]
(EraYbBic)1-xZrxO
(이때, a+b+c=1이며, 0<x<1이다.)
각 단계를 상세히 살펴보면, 우선 상기 (i) 단계(S100)는 산화 비스무트(Bi) 전구체, 어븀(Er) 전구체, 이트륨(Y) 전구체 및 지르코늄(Zr) 전구체를 화학양론적 양으로 혼합하는 단계이다.
이때 상기 (i) 단계(S100)의 혼합에 있어서, 상기 산화 비스무트 전구체, 어븀 전구체, 이트륨 전구체 및 지르코늄 전구체의 혼합비는 도펀트의 몰 비를 기준으로 하며, 상기 도펀트의 몰 비는 총 도펀트 함량에 따른 δ상 안정화 정도와 700℃ 이하의 온도에서 사면체 플로우라이트(Rhombohedral-Fluorite) 구조로의 상변이를 억제하는 효과를 고려하여 결정한다.
이에 따라 상기 (i) 단계(S100)의 혼합은, 상기 비스무트(Bi)가 77.6mol% 이상 89.1mol% 이하로 혼합될 수 있으며, 상기 어븀(Er)이 4.85mol% 이상 9.9mol% 이하로 혼합될 수 있으며, 상기 이트륨(Y)이 4.85mol% 이상 9.9mol% 이하로 혼합될 수 있으며, 상기 지르코늄(Zr)이 1mol% 이상 3mol% 미만의 비로 혼합될 수 있다.
다음으로 상기 (ii) 단계(S200)의 하소는, 650℃ 이상 850℃ 이하의 온도로 수행될 수 있다.
상기 하소 온도가 650℃ 미만인 경우에는 상(phase) 형성에 필요한 충분한 에너지가 공급되지 않아 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite) 상이 형성되지 않을 수 있으며, 850℃를 초과하는 경우에는 비스무트(Bi)가 증발할 수 있다. 따라서 상기 (ii) 단계(S200)의 하소는 650℃ 이상 850℃ 이하의 온도로 수행하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 또 다른 실시예인 고체산화물 연료전지용 전해질 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지를 상세히 설명하기로 한다. 설명에서 있어서 상기 고체산화물 연료전지용 소재 및 이의 제조 방법과 중복된 구성은 동일하게 해석되어야 하며, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지용 전해질 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지는 상기 고체산화물 연료전지용 전해질 소재의 활용예에 해당하며, 상기 고체산화물 연료전지용 전해질 소재를 포함함에 따라 700℃ 이하의 온도에서 사용되어도 높은 이온전도도와 장기 내구성을 갖는 고체산화물 연료전지용 전해질 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공할 수 있다.
제조예
(1) 고체산화물 연료전지용 전해질 소재의 제조
1) 개요
높은 이온전도도와 동시에 장기 안정성을 갖는 고체산화물 연료전지용 전해질 소재를 개발하기 위해서는 전술한 바와 같이 도펀트의 영향(이온 반지름, 함량 등)을 고려하여 최적화된 물질로 도핑하는 것이 중요하므로, 도핑에 따른 특성 파악에 앞서서 실험군으로 조성 비를 달리하는 고체산화물 연료전지용 전해질 소재를 제조하였다.
2) (i) 산화 비스무트 전구체, 어븀 전구체, 이트륨 전구체 및 지르코늄 전구체를 화학양론적 양으로 혼합하는 단계
(Er0.06Y0.06Bi0.88)1-xZrxO에 있어서, x를 각각 0.01, 0.03, 0.05, 0.07로 하여 제조하였으며, 이하 실험에 있어서, 하기 표1과 같이 명명하기로 한다.
실험군 정리
EY1ZB Er0.0594Y0.0594Bi0.8712Zr0.01
EY3ZB Er0.0582Y0.0582Bi0.8536Zr0.03
EY5ZB Er0.057Y0.057Bi0.836Zr0.05
EY7ZB Er0.0558Y0.0558Bi0.8184Zr0.07
고상법 공정(Solid-state method)을 통해 제조하였으며, 전구체로 Er2O3(Alfa Aesar, 99.99%), Y2O3(Alfa Aesar, 99.99%), Bi2O3(Alfa Aesar, 99.9995%), ZrO2(Alfa Aesar, 99.7%)을 상기 표1의 실험군에 따라 각각의 화학양론적 양으로 혼합하였다.혼합에 있어서 지르코니아 볼과 함께 볼-밀링 공정을 통해 24시간 동안 혼합 및 분쇄를 수행하였으며, 이후 에탄올을 첨가하여 다시 24시간 동안 볼-밀링 공정을 통해 분쇄 및 혼합하였다.
3) (ii) 혼합물을 하소하여 산화 비스무트에 어븀, 이트륨 및 지르코늄이 도핑된 화합물을 형성하는 단계
상기 볼-밀링 공정을 통해 얻어진 혼합물을 800℃에서 16시간동안 하소하였으며, 얻어진 시료를 막자 사발과 유봉을 사용하여 분쇄한 후 에탄올을 첨가하여 다시 24시간 동안 볼-밀링 공정을 통해 혼합 및 분쇄 후 연 노란색 분말을 얻었다.
(2) 펠렛(Pellet)의 제조
상기 제조 방법에 따라 얻어진 고체산화물 연료전지용 전해질 소재 분말을 금형에 넣고 일축가압성형(uniaxial pressing) 방식을 이용하여 50MPa의 압력을 가한 뒤 800℃에서 850℃ 사이의 온도 영역에서 10시간 동안 소결하여 pellet을 제작하였다.
실험예1
고체산화물 연료전지용 전해질 소재 분말의 결정학적 상 분석 실험
(1) 실험 개요
상기 제조예에 따라 제조한 고체산화물 연료전지용 전해질 소재의 결정학적 상을 분석하고자 수행하였으며, 분말 상태로 제조하여 분석을 수행하였다.
XRD 측정은 Cu Kα 방사선(λ = 1.5418 Å)으로 20°~80°의 2θ 범위에서 X선 회절 분석기(RIGAKU, SmartLab)를 사용하여 수행되었다. 분말의 결정 구조는 HighScore 소프트웨어를 사용하여 정제되었다.
(2) 결과 분석
도2는 본 실험의 분석 데이터로 하소 이후의 EY1ZB, EY3ZB, EY5ZB, EY7ZB 분말에 대한 X-선 회절 패턴을 보여준다. 도2에 따르면 Zr농도가 0.01mol%인 EY1ZB, 분말은 이차상(Secondary phase) 없이 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite)구조를 갖는 것이 확인되었다.
반면 EY3ZB, EY5ZB, EY7ZB 분말에 대한 XRD 패턴에서는 2θ 30° 부근에서 이차상에 대한 peak이 확인된다.
따라서 Zr 0.01mol%의 농도에서 총 도핑 농도12%의 안정한 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite)구조 비스무트 산화물이 형성되는 것이 확인되었다.
실험예2
고체산화물 연료전지용 전해질 소재의 이온전도도 분석 실험
(1) 실험 개요
상기 펠렛 제조예에 따라 제조된 펠렛을 대상으로 온도에 따른 고체산화물 연료전지용 전해질 소재의 이온전도도를 분석하고자 수행하였다.
앞선 실험예1에서 이차상 피크를 보이지 않은 EY1ZB를 대상으로 수행하였으며, 준비된 EY1ZB pellet의 이온전도도는 potentiostat(VMP-300, Bio-Logic)를 사용하여 550℃~750℃의 온도 범위에서 측정하였다.
(2) 결과 분석
도3은 EY1ZB의 온도에 따른 이온전도도를 측정한 데이터이다. 도3에 따르면 550℃~700℃의 온도 범위에서 ESB 대비 EY1ZB의 이온전도도가 월등히 높은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 700℃에서 ESB의 이온전도도가 0.387S/cm, EY1ZB의 이온전도도가 1.011S/cm로 측정되어 EY1ZB의 이온전도도가 ESB 대비 약 2.6배 이상의 높은 이온전도도를 보였다.
EY1ZB에서 보이는 향상된 이온전도도는 상 안정화를 위해 기존 ESB에서는 20%의 도펀트 함량이 요구되는 반면에 EY1ZB에서는 12%로 더 적은 함량을 요구하기 때문에 순수한 Bi2O3의 물성을 더 잘 보존하기 때문이다.
실험예3
장기 내구성 평가 - 이온전도도 변화 측정 실험
(1) 실험 개요
이온전도도 변화를 기준으로 장기 내구성을 평가하기 위해 수행하였으며, 앞서 실험예1에서 이차상 피크를 보이지 않은 EY1ZB를 대상으로 600℃에서 1100시간 동안 이온전도도 변화를 측정하였다.
(2) 결과 분석
도4는 EY1ZB와 대조군으로 고체산화물 연료전지용 전해질 소재로 알려진 가돌리니움 도핑 세리아(GDC)를 채택하여 600℃에서 1100시간 동안의 이온전도도 변화를 측정한 데이터이다.
도4에 따르면, EY1ZB의 이온전도도가 600℃에서의 1100시간 측정 동안 감소 없이 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.
이를 통해 본 발명에서 제시하는 EY1ZB를 포함하는 고체산화물 연료전지용 전해질 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지가 중간 온도(Intermediate temperatures; ITs < 700 ℃)에서 장시간 구동 되어도 이온전도도의 감소 없이 안정한 성능을 나타냄을 확인하였다.
실험예4
장기 내구성 평가 - 결정학적 상 분석 실험
(1) 실험 개요
장기 사용에도 내구성 및 이온전도도에 악영향을 주는 사면체 플로우라이트 구조로의 상전이가 발생하지 않음을 확인하고자 본 실험을 수행하였으며, EY1ZB를 펠렛 상태로 제조하여 600℃ 및 1100시간 사용 전후의 결정학적 상 측정을 수행하였다.
펠렛의 XRD 측정은 Cu Kα 방사선(λ = 1.5418 Å)으로 20°~80°의 2θ 범위에서 X선 회절 분석기(RIGAKU, SmartLab)를 사용하여 수행하였으며, 해당 펠렛의 결정구조는 HighScore 소프트웨어를 사용하여 정제하였다.
(2) 결과 분석
도5는 600°C에서 1100시간 내구성 평가 이후 EY1ZB 펠렛과 하소 직후의 EY1ZB 분말에 대한 X-선 회절 패턴을 측정한 데이터이다. 도5에 따르면, 600°C에서 1100시간 내구성 평가 이후에도 입방 플로우라이트 구조를 유지하고 있는 것이 확인된다.
따라서 600°C의 온도에서 장시간 사용하여도 입방 플로우라이트 구조에서 사면체 플로우라이트 구조로 변화하여 이온전도도가 저하하는 현상이 본 발명이 제시하는 다중 도핑 전략을 통해 효과적으로 억제된다는 것을 확인하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 산화 비스무트에 어븀(Er), 이트륨(Y) 및 지르코늄(Zr)이 도핑 되어 하기 화학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재.
    [화학식1]
    (EraYbBic)1-xZrxO
    (이때, a+b+c=1이며, 0<x<1이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식1은, 0.05≤a≤0.1, 0.05≤b≤0.1 및 0.8≤c≤0.9인 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식1은, 0.01≤x<0.03인 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전해질 소재는,
    상기 어븀(Er), 이트륨(Y) 및 지르코늄(Zr)에 의한 총 도핑 농도가 총 몰 수 대비 10.9mol% 이상 22.4mol% 이하인 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 소재는, 15℃ 내지 25℃의 상온에서 결정구조가 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite) 구조인 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 소재는, 600℃에서 1100시간 경과 후 결정구조가 입방 플로우라이트(Cubic-Fluorite) 구조를 유지하는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 소재는, 700℃에서의 이온전도도가 1.0S/cm 이상인 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재.
  8. (i) 산화 비스무트 전구체, 어븀 전구체, 이트륨 전구체 및 지르코늄 전구체를 화학양론적 양으로 혼합하는 단계; 및
    (ii) 상기 혼합물을 하소하여 산화 비스무트에 어븀, 이트륨 및 지르코늄이 도핑 되어 하기 화학식으로 표현되는 화합물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재 제조 방법.
    [화학식1]
    (EraYbBic)1-xZrxO
    (이때, a+b+c=1이며, 0<x<1이다.)
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (i) 단계의 혼합은, 상기 산화 비스무트 전구체, 어븀 전구체, 이트륨 전구체 및 지르코늄 전구체에 포함된 비스무트(Bi)가 77.6mol% 이상 89.1mol% 이하, 어븀(Er)이 4.85mol% 이상 9.9mol% 이하, 이트륨(Y)이 4.85mol% 이상 9.9mol% 이하 및 지르코늄(Zr)이 1mol% 이상 3mol% 미만의 몰 비로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (ii) 단계의 하소는, 650℃ 이상 850℃ 이하의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는, 고체산화물 연료전지용 전해질 소재 제조 방법.
  11. 제1항의 고체산화물 연료전지용 전해질 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
PCT/KR2022/021406 2022-01-18 2022-12-27 고체산화물 연료전지용 전해질 소재, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 WO2023140523A1 (ko)

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