KR101840094B1 - Ceria electrolyte for low temperature sintering and solid oxide fuel cells using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질로서, 사마리움(Sm), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되는 세리아(CeO2) 전해질로서, 비스무스가 0.5 내지 5 mol% 치환 고용되어 저온 소결 특성을 가지는 고체산화물 연료전지용 세리아 전해질에 관한 것이다.The present invention relates to a ceria electrolyte for a solid oxide fuel cell, which is a ceria (CeO 2 ) electrolyte in which samarium (Sm), ether bis (Yb) and bismuth (Bi) To a ceria electrolyte for a solid oxide fuel cell having low-temperature sintering characteristics.
Description
본 발명은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, 이하 SOFC라고 한다)의 저온 소결용 세리아 전해질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사마리움(Sm), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되어 저온 소결 특성을 가지는 세리아(CeO2) 전해질 및 이를 이용한 고체산화물연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a ceria electrolyte for low temperature sintering of solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as SOFC), and more particularly to a ceria electrolyte for low temperature sintering of solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as SOFC) Cerium (CeO 2 ) electrolyte having a low temperature sintering property at the same time and a solid oxide fuel cell using the same.
최근 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC라고 한다)의 고온 안정성 확보를 위한 작동 온도의 감소 그리고 작동 온도의 감소에 따른 출력 저하를 막기 위해서 고성능 소재의 적용이 활발히 진행되고 있다. 현재 SOFC용 단위전지(unit cell)를 위한 전해질 소재로서 8YSZ(8mol% Y2O3 stabilized ZrO2)와 같은 지르코니아계 전해질이 가장 널리 사용되고 있다.2. Description of the Related Art In recent years, high performance materials have been actively applied to a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") in order to prevent a decrease in operating temperature for ensuring high temperature stability and a decrease in output due to a decrease in operating temperature. Currently, zirconia-based electrolytes such as 8YSZ (8 mol% Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 ) are the most widely used electrolyte materials for unit cells of SOFC.
초기에는 8YSZ와 같은 지르코니아계 전해질을 적용한 단위전지의 경우, 공기극 소재로서 순수한 전자 전도체인 LSM(Sr doped LaMnO3) 소재와 전해질 소재를 혼합한 복합체 소재를 사용하였으나, 최근에는 단위전지의 출력밀도(W/cm2)를 높이기 위해서 낮은 온도에서도 높은 전기전도성과 산소 이온화를 위한 우수한 촉매 특성을 나타내는 LSCF(Sr & Co doped LaFeO3)와 같은 혼합전도성(MIEC : mixed ionic and electronic conductor) 공기극 소재의 사용이 빠르게 증가하고 있는 추세이다. Initially, a unit cell using a zirconia-based electrolyte such as 8YSZ was used as a composite material made of a mixture of an LSM (Sr doped LaMnO 3 ) material and an electrolyte material, which are pure electron conductors as an air electrode material. the mixed conducting (MIEC such as LSCF (Sr & Co doped LaFeO 3 ) exhibits excellent catalytic properties for the purpose of high electrical conductivity and oxygen ionization at low temperatures in order to increase the W / cm 2): mixed ionic and electronic conductor) use of the air electrode material Is rapidly increasing.
그러나 LSCF와 같은 대부분의 혼합전도성 공기극 소재들은 공기극의 열처리 온도 영역에서 지르코니아 전해질과 계면에서 반응하여 부도체 특성의 반응 생성물을 형성하는 단점을 나타내고 있어, LSCF와 같은 혼합전도성 공기극과 지르코니아계 전해질의 고온 반응을 방지하기 위해서 최근에는 공기극과 전해질 사이에 반응 방지막(BL : buffer layer)을 추가로 도입하고 있다.However, most mixed conducting cathode materials, such as LSCF, exhibit disadvantages in that they react at the interface with zirconia electrolyte at the heat treatment temperature range of the air electrode to form reaction products of non-conducting properties. Therefore, the high- temperature reaction of mixed conducting cathode such as LSCF and zirconia- Recently, a buffer layer (BL) is additionally introduced between the air electrode and the electrolyte.
특히 순수한 CeO2에 Gd2O3 또는 Sm2O3가 5~10mol%로 적용된 세리아계 전해질(Gd or Sm doped CeO2)은 높은 산소 이온 전도성을 가지면서도 MIEC 공기극들과 반응이 발생하지 않아, SOFC의 지르코니아(ZrO2)계 전해질 막과 혼합 전도성 공기극 층의 중간에 구성되어 전해질과 공기극의 반응 생성물 방지를 위한 반응 방지막 소재로 가장 널리 적용되고 있다.Particularly, the ceria electrolyte (Gd or Sm doped CeO 2 ) in which Gd 2 O 3 or Sm 2 O 3 is applied to pure CeO 2 at a concentration of 5 to 10 mol% has high oxygen ion conductivity and does not react with the MIEC air electrodes, And is most widely applied as an anti-reaction film material for preventing the reaction product between the electrolyte and the air electrode, which is formed between the zirconia (ZrO 2 ) electrolyte membrane of the SOFC and the mixed conducting cathode layer.
이러한 반응 방지막으로 적용되는 세리아계 전해질은 1300℃ 이상의 고온에서 지르코니아 전해질과 전율 고용체를 형성하는 특성을 갖고 있으며, 상호 확산을 통해 고온에서 형성되는 고용체는 매우 낮은 이온 전도성을 갖기 때문에 결과적으로 단위 전지의 출력을 저하시키는 요인으로 작용하고 있다.The ceria electrolyte, which is applied as a reaction preventive layer, has a characteristic of forming a zirconia electrolyte and a zirconia electrolyte at a high temperature of 1300 ° C or higher. Since the solid solution formed at a high temperature through mutual diffusion has a very low ion conductivity, Which is a cause of lowering the output.
현재 세리아계 반응 방지막을 이용하여 단위전지를 제작하는 방법으로는 연료극 지지체, 지르코니아계 전해질 및 세리아 전해질을 적층 성형체로 성형한 다음 동시 소결하는 방법과, 연료극 지지체와 지르코니아 전해질만을 적층 성형하고 소결한 후 전해질 막 표면에 세리아 방지막을 코팅 및 열처리하는 2가지 방법이 적용되고 있다.Currently, a method of manufacturing a unit cell using a ceria-based reaction preventive film includes a method of forming a fuel electrode support, a zirconia-based electrolyte, and a ceria electrolyte into a laminated molded body and then performing simultaneous sintering; a method in which only an anode support and a zirconia electrolyte are laminated and sintered Two methods of coating and heat-treating the ceria-containing film on the surface of the electrolyte membrane have been applied.
따라서 세리아계 전해질을 지르코니아 전해질과 동시 소결을 통해서 단위전지를 제작하는 경우에는 1300℃ 이하의 온도에서 동시 소결하는 기술이 요구되지만, 통상적으로 전해질로서 요구되는 95% 이상의 치밀한 미세구조를 갖기 위해서 지르코니아 전해질은 1350℃ 이상의 소결 조건이 필요하다.Therefore, when a unit cell is manufactured through simultaneous sintering of a ceria electrolyte with a zirconia electrolyte, a technique of co-sintering at a temperature of 1300 ° C or less is required, but in order to have a dense microstructure of 95% or more required as an electrolyte, Sintering conditions of 1350 캜 or higher are required.
또한 1350℃ 이상에서 소결하여 치밀한 전해질을 형성한 다음, 전해질 표면에 코팅 및 열처리를 통해 세리아계 반응 방지막을 형성하는 경우에는 이미 소결된 전해질 막이 함께 수축을 하지 않아 치밀한 세리아계 전해질을 형성하기 어려운 문제점이 있으며, 코팅 및 열처리 공정이 추가되어 공정 시간과 공정 비용이 증가하는 단점이 있다.In addition, when sintering at 1350 DEG C or higher to form a dense electrolyte, and then forming a ceria-based reaction preventive film through coating and heat treatment on the surface of the electrolyte, the already sintered electrolyte membrane does not shrink together and thus it is difficult to form a dense ceria electrolyte And coating and heat treatment processes are added to increase processing time and process cost.
따라서 반응 방지막으로 사용되는 세리아계 전해질의 열처리 온도를 공기극 열처리 온도 영역까지 낮출 수 있으면, 세리아계 전해질과 공기극을 동시에 열처리할 수 있어 공정 시간을 단축하고 낮은 온도에서도 치밀한 미세구조 확보할 수 있어 단위전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.Therefore, if the heat treatment temperature of the ceria-based electrolyte used as the reaction prevention film can be lowered to the heat treatment temperature region of the air electrode, the ceria-based electrolyte and the air electrode can be heat-treated at the same time, shortening the process time and ensuring a dense fine structure even at a low temperature. Can be improved.
위와 같이, 세리아계 전해질의 열처리 온도를 공기극 열처리 온도 영역인 1150℃ 까지 낮출 수 있는 기술이 필요한 실정이다.As described above, there is a need for a technique capable of lowering the heat treatment temperature of the ceria-based electrolyte to 1150 占 폚, which is the heat treatment temperature region of the air electrode.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 종래에 개발된 Sm doped CeO2(SDC) 전해질에 열처리 온도를 공기극 열처리 온도 영역인 1150 ℃ 까지 낮추기 위하여 Bi를 추가로 고용시킴과 아울러 Bi의 추가 고용에 따른 전체 양이온 반경의 증가와 이에 따른 이온 전도도의 하락을 방지하기 위해서 미량의 Yb를 동시에 고용시켜 기존 세리아 전해질 대비 소결 온도를 낮춘 세리아 전해질을 제공하기 위한 것이다.The present invention was conceived in view of the above-mentioned necessity. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a Sm doped CeO 2 (SDC) electrolyte by further employing Bi to lower the heat treatment temperature to 1150 ° C, The present invention is to provide a ceria electrolyte having a low sintering temperature compared to conventional ceria electrolytes by simultaneously using a small amount of Yb in order to prevent an increase in total cation radius due to employment and a decrease in ion conductivity.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 저온 소결용 세리아 전해질은 사마리움(Sm), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되어 저온 소결 조건을 가지는 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.In order to accomplish the above object, the ceria electrolyte for low temperature sintering according to the present invention is characterized in that cerium (CeO) having low-temperature sintering condition is prepared by substituting samarium (Yb) and bismuth (Bi) 2 ) As the electrolyte, it may have a composition represented by the following formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
SmxYbyBizCe1 -x-y- zO2 -δ Sm x Yb y Bi z Ce 1 -xy- z O 2 -δ
- 0.1≤X≤0.17, 0.005≤Y≤0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.11≤X+Y+Z≤0.27, δ=(X+Y+Z)/2- 0.17? 0.005? Y? 0.05, 0.005? Z? 0.05, 0.11? X + Y + Z? 0.27,? = (X + Y + Z) / 2
상기 사마리움(Sm), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온 반경의 크기가 0.98-0.99Å일 수 있다.The total cation radius of the ceria (CeO 2 ) electrolyte in which samarium (Sm), erbium (Yb) and bismuth (Bi) are simultaneously solubilized can be 0.98-0.99 Å.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 저온 소결용 세리아 전해질을 이용한 고체산화물연료전지는 연료극, 상기 연료극과 동시에 소결하여 형성하는 지르코니아 전해질, 상기 지르코니아 전해질 표면에 상기 저온 소결용 세리아 전해질을 코팅한 후 1100℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 열처리하여 형성된 세리아 반응 방지막 및 상기 세리아 반응 방지막 표면에 코팅 및 열처리하여 제조한 공기극을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell including a fuel electrode, a zirconia electrolyte formed by sintering at the same time as the fuel electrode, a ceria electrolyte for low temperature sintering on the surface of the zirconia electrolyte, And then heat-treated at a temperature ranging from 1100 ° C to 1200 ° C, and an air electrode prepared by coating and heat-treating the surface of the ceria reaction prevention film.
상기 지르코니아 전해질은 형석형 구조의 지르코니아계 전해질로서, 하기 화학식 2의 조성을 가질 수 있다.The zirconia electrolyte is a zirconia-based electrolyte having a fluorite structure, and may have a composition represented by the following formula (2).
[화학식 2](2)
(Re2O3)x(ZrO2)1-x (Re 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x
- Re = Y, Sc, Yb, Ce, Gd, Sm 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.04≤X≤0.11- Re = at least one element selected from Y, Sc, Yb, Ce, Gd and Sm, 0.04? X?
상기 공기극은 전자 및 산소 이온 전도성을 동시에 갖는 페롭스카이트(ABO3)계 결정구조의 혼합전도체로서, 하기 화학식 3의 조성을 가질 수 있다.The air electrode is a mixed conductor of a perovskite (ABO 3 ) crystal structure having both electron and oxygen ion conductivity, and may have a composition represented by the following formula (3).
[화학식 3](3)
ABO3 ABO 3
- A = La, Sm, Pr, Ba, Sr, Ca 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- At least one element selected from among La, Sm, Pr, Ba, Sr and Ca
- B = Fe, Co, Ni, Cu 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- B = at least one element selected from Fe, Co, Ni and Cu
- A 및 B의 함량비는 0.95≤A/B≤1- the content ratio of A and B is 0.95? A / B? 1
상기 공기극은 전자 및 산소 이온 전도성을 동시에 갖는 이중층 페롭스카이트(ABC2O5+δ)계 결정구조의 혼합전도체로서, 하기 화학식 4의 조성을 가질 수 있다.The air electrode is a mixed conductor having a double layer perovskite (ABC 2 O 5 + delta ) crystal structure having both electron and oxygen ion conductivity, and may have a composition represented by the following formula (4).
[화학식 4][Chemical Formula 4]
ABC2O5+δ ABC 2 O 5 + 隆
- A = La, Sm, Nd, Pr 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- one or more elements selected from A = La, Sm, Nd and Pr
- B = Ba, Sr, Ca 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- B = at least one element selected from Ba, Sr and Ca
- C = Co, Fe, Ni, Cu, Mn 중에서 선택되는 하나 이상의 원소
- δ는 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다.- at least one element selected from C = Co, Fe, Ni, Cu, Mn
- δ represents oxygen excess or oxygen deficiency.
상기 공기극은 50 내지 70wt%의 이중층 페롭스카이트(ABC2O5+δ)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.Wherein the cathode comprises a mixed conductor of 50 to 70 wt% of a double layer perovskite (ABC 2 O 5 + delta ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria electrolyte has a composition represented by the following formula .
[화학식 1][Chemical Formula 1]
SmxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ Sm x Yb y Bi z Ce 1-xyz O 2 -?
- 0.1≤X≤0.17, 0.005≤Y≤0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.11≤X+Y+Z≤0.27, δ=(X+Y+Z)/2- 0.17? 0.005? Y? 0.05, 0.005? Z? 0.05, 0.11? X + Y + Z? 0.27,? = (X + Y + Z) / 2
상기 공기극은 50 내지 70wt%의 이중층 페롭스카이트(ABC2O5+δ)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 5의 조성을 가질 수 있다.Wherein the cathode comprises a mixed conductor of 50 to 70 wt% of a double layer perovskite (ABC 2 O 5 + δ ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria electrolyte has a composition represented by the following formula .
[화학식 5][Chemical Formula 5]
RexCe1-xO2-δ Re x Ce 1-x O 2-隆
- Re = Gd, Sm, Y, Nd, Pr 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.05≤X≤0.2, δ= X/2- Re = at least one element selected from Gd, Sm, Y, Nd and Pr, 0.05? X? 0.2,? = X / 2
상기 연료극은 30 내지 50wt%의 형석형 구조의 지르코니아계 전해질 및 50 내지 70wt%의 NiO로 이루어질 수 있다. The fuel electrode may be composed of 30 to 50 wt% of a zirconia-based electrolyte having a fluorite structure and 50 to 70 wt% of NiO.
상기 고체산화물연료전지는 연료극 지지체형 단위전지(ASC : anode supported cell), 전해질 지지체형 단위전지(ESC : electrolyte supported cell), 또는 금속 지지체형 단위전지(MSC : metal supported cell) 구조일 수 있다.The solid oxide fuel cell may be an anode supported cell (ASC), an electrolyte supported cell (ESC), or a metal supported cell (MSC) structure.
상기 단위전지는 평판형(planer-type), 원통형(tubular-type) 또는 평관형(flat-tube type) 형태일 수 있다.The unit cell may be in the form of a planer-type, a tubular-type, or a flat-tube type.
본 발명에 따른 저온 소결용 세리아 전해질은 사마리움(Sm), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되어 저온 소결 특성을 가지는 세리아(CeO2) 전해질로서, 기존 SDC 전해질이 갖는 유사한 전체 양이온 반경을 나타내어 기존 SDC 전해질이 갖는 높은 산소 이온 전도성을 유지하면서 1150℃의 소결온도에서도 95% 이상의 높은 소결밀도를 나타낼 수 있다.The ceria electrolyte for low temperature sintering according to the present invention is a ceria (CeO 2 ) electrolyte having a low temperature sintering property by simultaneously substituting samarium (Sm), erbium (Yb) and bismuth (Bi) It exhibits a similar total cation radius and can exhibit high sintered density of 95% or more even at a sintering temperature of 1150 ° C while maintaining the high oxygen ion conductivity of conventional SDC electrolytes.
본 발명에 따른 저온 소결용 세리아 전해질을 이용한 고체산화물연료전지는 1350℃ 이상에서 소결한 치밀한 전해질 막 위에 세리아계 전해질의 열처리 온도를 공기극 열처리 온도인 1150℃ 이하로 낮추어 전해질 막과의 견고한 접착력을 확보할 수 있다.In the solid oxide fuel cell using the ceria electrolyte for low temperature sintering according to the present invention, the heat treatment temperature of the ceria electrolyte is lowered to 1150 ° C or less, which is the heat treatment temperature of the air electrode, on the dense electrolyte membrane sintered at 1350 ° C or higher to secure a firm adhesion with the electrolyte membrane can do.
또한 세리아 반응 방지막과 LSCF와 같은 혼합전도성 공기극을 연속 코팅 후 동시 열처리하여 공정 시간을 단축하는 동시에, 높은 출력밀도를 갖는 단위전지를 제작할 수 있다.In addition, the ceria reaction preventive film and the mixed conducting cathode such as LSCF are continuously coated and then simultaneously heat-treated to shorten the processing time, and a unit cell having a high output density can be manufactured.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. The effects of the present invention described above are exemplarily described, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 상용화된 SDC 전해질의 전체 양이온 반경을 나타낸 그래프이다.
도 2는 Bi가 추가 치환 고용된 SDC 전해질의 전체 양이온 반경을 나타낸 그래프이다
도 3은 Yb가 추가 치환 고용된 SDC 전해질의 전체 양이온 반경을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고상반응법에 의한 Bi 고용량 증가 및 소결 온도 증가에 따른 SBC 전해질의 소결밀도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고상반응법에 의한 Bi 고용량 증가 및 소결 온도 증가에 따른 SBC 전해질의 수축율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에서 구연산법으로 합성한 일반 SDC 전해질과 SYBC 전해질을 동일한 방법으로 성형 후 소결 온도에 따른 소결 수축율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에서 구연산법으로 합성한 일반 SDC 전해질과 SYBC 전해질을 동일한 방법으로 성형 후 소결 온도에 따른 기공율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에서 구연산법으로 합성한 일반 SDC 전해질과 SYBC 전해질을 동일한 방법으로 성형 후 소결 온도에 따른 소결 밀도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에서 구연산법으로 합성한 일반 SDC 전해질과 SYBC 전해질을 동일한 방법으로 성형 후 소결 온도에 따른 미세구조를 주사전자현미경을 통해 분석한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에서 구연산법으로 합성한 일반 SDC 전해질과 SYBC 전해질을 동일한 방법으로 성형 후 1100℃에서 소결하고 X-선 회절 분석을 통해 결정구조를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예를 통해 구연산법으로 합성하고 1100℃~1400℃에서 소결한 일반 SDC 전해질을 직류 4단자법을 이용하여 작동 온도별 이온 전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예를 통해 구연산법으로 합성하고 1100℃~1400℃에서 소결한 SYBC 전해질을 직류 4단자법을 이용하여 작동 온도별 이온 전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예를 통해 구연산법으로 합성하고 1100℃~1400℃에서 소결한 SDC 및 SYBC 전해질의 이온 전도도를 750℃에서 측정하여 비교한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예를 통해 구연산법으로 합성하고 저온 소결 구간인 1100℃ 및 1200℃에서 소결한 SDC 및 SYBC 전해질의 이온 전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에서 LSM 공기극을 적용한 ESC와 LSCF 공기극과 반응 방지막으로 SYBC 전해질을 적용한 ESC에 대한 미세구조를 비교하여 도시한 사진이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에서 LSM 공기극을 적용한 ESC를 750℃, 800℃ 및 850℃에서 구동하여 출력밀도를 평가한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에서 LSCF 공기극과 반응 방지막으로 SYBC 전해질을 적용한 ESC를 750℃, 800℃ 및 850℃에서 구동하여 출력밀도를 평가한 그래프이다.1 is a graph showing the total cation radius of a commercially available SDC electrolyte.
2 is a graph showing the total cation radii of SDC electrolytes in which Bi is additionally substituted and solubilized
3 is a graph showing the total cation radii of SDC electrolytes in which Yb is additionally substituted and solubilized.
FIG. 4 is a graph showing the sintered density of the SBC electrolyte according to the increase of the high capacity of Bi and the increase of the sintering temperature according to the solid state reaction method according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the increase of the Bi capacity by the solid-phase reaction method and the shrinkage ratio of the SBC electrolyte according to the sintering temperature increase according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing sintering shrinkage ratios according to sintering temperatures after molding the common SDC electrolyte and SYBC electrolyte synthesized by the citric acid method in the embodiment of the present invention by the same method.
FIG. 7 is a graph showing the porosity of a conventional SDC electrolyte synthesized by a citric acid method and a SYBC electrolyte according to an embodiment of the present invention after molding according to the sintering temperature.
8 is a graph showing sintering densities of conventional SDC electrolytes synthesized by the citric acid method and SYBC electrolytes in accordance with the sintering temperature after molding according to the same method.
FIG. 9 is a photograph of a microstructure of a conventional SDC electrolyte synthesized by a citric acid method and a SYBC electrolyte formed by the same method and analyzing the microstructure according to a sintering temperature through a scanning electron microscope.
10 is a graph showing the crystal structure of a general SDC electrolyte synthesized by a citric acid method and a SYBC electrolyte by sieving the same at 1100 ° C and X-ray diffraction analysis.
FIG. 11 is a graph showing the comparison of the ionic conductivities of the general SDC electrolytes prepared by the citric acid method and sintered at 1100.degree. C. to 1400.degree. C. by the direct current four-terminal method according to the embodiment of the present invention.
12 is a graph showing ion conductivity of SYBC electrolytes sintered at 1100 ° C. to 1400 ° C. by a citric acid method through an embodiment of the present invention and comparing the ionic conductivities of the SYBC electrolytes at different operating temperatures using a DC four terminal method.
13 is a graph comparing ionic conductivities of SDC and SYBC electrolytes synthesized by a citric acid method and sintered at 1100 ° C to 1400 ° C at 750 ° C according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a graph comparing the ionic conductivities of SDC and SYBC electrolytes sintered at 1100 ° C. and 1200 ° C., which are synthesized by the citric acid method through the embodiments of the present invention and which are low temperature sintering sections.
FIG. 15 is a photograph showing a comparison of the microstructures of ESC applied with LSM air electrode and ESC applied with SYBC electrolyte as LSCF air electrode and reaction preventive membrane in the embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a graph illustrating the output density of an embodiment of the present invention by driving an ESC applying LSM air electrode at 750 ° C, 800 ° C, and 850 ° C.
17 is a graph illustrating ESD performance by driving an ESC using SYBC electrolyte as an LSCF air electrode and an anti-reaction membrane at 750 DEG C, 800 DEG C, and 850 DEG C in the embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. The scope of technical thought is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items. The same reference numerals denote the same elements at all times. Further, the various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing depicted in the accompanying drawings.
본 발명에 따른 저온 소결용 세리아 전해질은 사마리움(Sm), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용되어 저온 소결 조건을 가지는 세리아(CeO2) 전해질로서, 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.The ceria electrolyte for low temperature sintering according to the present invention is a ceria (CeO 2 ) electrolyte having low temperature sintering conditions by simultaneously substituting samarium (Sm), erbium (Yb) and bismuth (Bi) Lt; / RTI >
[화학식 1][Chemical Formula 1]
SmxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ Sm x Yb y Bi z Ce 1-xyz O 2 -?
- 0.1≤X≤0.17, 0.005≤Y≤0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.11≤X+Y+Z≤0.27, δ=(X+Y+Z)/2- 0.17? 0.005? Y? 0.05, 0.005? Z? 0.05, 0.11? X + Y + Z? 0.27,? = (X + Y + Z) / 2
현재 상용화된 세리아계 전해질 중 하나인 SmxCe1-xO2-δ의 화학식을 갖으며,주 격자 이온인 Ce4+의 일부를 Sm3+으로 치환 고용시키게 되면 격자 내부에 산소 공공(vacancy)이 형성되게 되고 이러한 산소 공공은 산소 이온의 확산 이동 경로가 된다. Sm이 치환 고용된 세리아 전해질을 각각 Sm doped ceria (이하 SDC) 전해질이라고 명명하고 있다.Sm x Ce 1-x O 2-δ , which is one of the currently commercialized ceria electrolytes, and has a formula of Sm 3+ substituted with a part of Ce 4+ which is the main lattice ion, vacancy ) Is formed, and this oxygen vacancy becomes a diffusion path of oxygen ions. Sm-substituted ceria electrolyte is named Sm-doped ceria (hereinafter SDC) electrolyte.
본 발명에 따른 저온 소결용 세리아 전해질은 SDC 전해질의 저온 소결 특성 확보와 높은 이온 전도성을 유지하기 위한 것으로 저온 소결 특성을 위한 추가 치환 고용 원소로서 비스무스(Bi)를 도입하고 Bi 도입에 따른 전체 양이온 반경의 증가를 억제하기 위해서 Yb를 추가 치환 원소로 도입할 수 있다. Sm3+, Bi3+, Ce4+ 및 Yb3+의 양이온 반경은 각각 1.079Å, 1.17Å, 0.97Å, 0.985Å이다.The ceria electrolyte for low-temperature sintering according to the present invention is used for securing the low-temperature sintering property of the SDC electrolyte and maintaining high ion conductivity and introducing bismuth (Bi) as an additional substituting solid element for low temperature sintering characteristics, It is possible to introduce Yb as an additional substituting element. The cation radii of Sm 3+ , Bi 3+ , Ce 4+ and Yb 3+ are 1.079 Å, 1.17 Å, 0.97 Å and 0.985 Å, respectively.
현재 가장 높은 이온 전도도를 갖는 조성으로서 상용화되어 사용되고 있는 SDC 전해질의 조성은 SmxCe1-xO2-(x/2), X=0.1~0.2이며 이러한 조성에 따른 전체 양이온들의 평균 이온 반경은 아래와 도 1과 같이 도시할 수 있다. 상기 계산된 결과에서와 같이 상용화된 SDC 전해질들이 갖는 양이온 반경의 크기는 약 0.98~0.99(Å)임을 알 수 있다.The composition of the SDC electrolyte, which is currently used as a composition having the highest ionic conductivity, is Sm x Ce 1-x O 2- (x / 2) and X = 0.1 to 0.2. The average ion radius of all cations As shown in FIG. As can be seen from the above calculation results, the size of the cation radius of the commercialized SDC electrolytes is about 0.98 to 0.99 (Å).
SDC 전해질의 저온 소결성 확보를 위해서 Sm의 일부를 Bi로 치환할 경우, 즉 Bi가 추가 치환 고용된 SDC 전해질(Sm0.15BixCe0.85-xO2-(0.15+x)/2)의 경우에 대한 양이온 반경의 변화는 도 2의 결과와 같으며 Sm 및 Ce보다 상대적으로 이온 반경이 큰 Bi가 치환 고용되고 그 치환 고용량이 증가할수록 전체 양이온 반경은 커지는 것을 계산을 통해 확인할 수 있다. Bi의 함량 즉 X가 0.02 이상일 경우에는 전체 양이온 반경의 크기가 0.99 (Å) 이상으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.In the case of replacing a part of Sm with Bi, that is, in the case of an SDC electrolyte (Sm 0.15 Bi x Ce 0.85-x O 2- (0.15 + x) / 2 ) in which Bi is additionally substituted and solved for ensuring low temperature sinterability of the SDC electrolyte The change in the cation radius is shown in Fig. 2, and it can be confirmed by calculating that the larger the ion radius of the Bi than that of Sm and Ce, the higher the substitution solubility, the larger the total cation radius. When the content of Bi, that is, X is 0.02 or more, the total cation radius increases to 0.99 (Å) or more.
즉, 기존의 SDC 전해질의 저온 소결 특성 확보를 위해서 Bi를 추가로 치환 고용할 경우에는 전체 양이온 반경의 크기가 증가하는 효과가 있으며 이러한 양이온 반경의 증가는 산소 이온의 확산 이동을 위한 경로(산소 공공)를 좁혀 결국 원활한 산소 이온의 전도를 방해하는 단점으로 작용할 수 있다.In order to secure the low-temperature sintering property of the existing SDC electrolyte, the effect of increasing the total radius of the cation in the case of additionally substituting Bi is effective. ) To narrow the conduction of oxygen ions.
반대로 Yb가 추가 치환 고용된 SDC 전해질 (Sm2-xYbxCe0.8O1.9)에 대한 양이온 반경의 변화는 도 3의 결과와 같으며 Sm의 일부를 상대적으로 이온 반경이 작은 Yb로 치환하고 그 치환 고용량이 증가할수록 전체 양이온 반경이 작아지는 것을 계산을 통해 확인할 수 있다.Conversely, the change in the cation radius with respect to the SDC electrolyte (Sm 2 -x Yb x Ce 0.8 O 1.9 ) in which Yb is additionally substituted and solved is the same as that in FIG. 3, and a part of Sm is replaced with Yb having a relatively small ionic radius, The calculation shows that the total cation radius decreases with increasing substitutional solubility.
따라서 본 발명에서는 Sm보다 상대적으로 이온 반경이 큰 Bi의 치환 고용에 따른 전체 양이온 반경의 증가를 억제하기 위해서 Sm보다 이온 반경이 작은 Yb를 동시에 치환 고용할 수 있다.Therefore, in the present invention, Yb having an ionic radius smaller than that of Sm can be substituted at the same time in order to suppress the increase of the total cation radius due to substitution employment of Bi having a relatively larger ionic radius than Sm.
상기 사마리움(Sm), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온 반경의 크기가 0.98-0.99Å일 수 있다.The total cation radius of the ceria (CeO 2 ) electrolyte in which samarium (Sm), erbium (Yb) and bismuth (Bi) are simultaneously solubilized can be 0.98-0.99 Å.
본 발명에 따른 저온 소결용 세리아 전해질을 이용한 고체산화물연료전지는 연료극, 지르코니아 전해질, 세리아 반응 방지막 및 공기극을 포함한다.The solid oxide fuel cell using the ceria electrolyte for low temperature sintering according to the present invention includes a fuel electrode, a zirconia electrolyte, a ceria reaction prevention film, and an air electrode.
상기 연료극은 30 내지 50wt%의 형석형 구조의 지르코니아계 전해질 및 50 내지 70wt%의 NiO로 이루어질 수 있다.The fuel electrode may be composed of 30 to 50 wt% of a zirconia-based electrolyte having a fluorite structure and 50 to 70 wt% of NiO.
상기 지르코니아 전해질은 상기 연료극과 동시에 소결하여 형성될 수 있으며, 형석형 구조의 지르코니아계 전해질로서, 하기 화학식 2의 조성을 가질 수 있다.The zirconia electrolyte may be formed by sintering simultaneously with the fuel electrode. The zirconia electrolyte may have a composition of the following formula (2).
[화학식 2](2)
(Re2O3)x(ZrO2)1-x (Re 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x
- Re = Y, Sc, Yb, Ce, Gd, Sm 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.04≤X≤0.11- Re = at least one element selected from Y, Sc, Yb, Ce, Gd and Sm, 0.04? X?
상기 세리아 반응 방지막은 상기 지르코니아 전해질 표면에 상기 저온 소결용 세리아 전해질을 코팅한 후 1100℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 열처리하여 형성될 수 있다.The ceria reaction prevention film may be formed by coating the surface of the zirconia electrolyte with the ceria electrolyte for low-temperature sintering and then heat-treating the ceria electrolyte at a temperature ranging from 1100 ° C to 1200 ° C.
상기 공기극은 상기 세리아 반응 방지막 표면에 코팅 및 열처리하여 제조할 수 있으며, 전자 및 산소 이온 전도성을 동시에 갖는 페롭스카이트(ABO3)계 결정구조의 혼합전도체로서, 하기 화학식 3의 조성을 가질 수 있다.The air electrode may be prepared by coating and heat-treating the surface of the ceria reaction prevention film. The cathode may be a mixed conductor of a perovskite (ABO 3 ) crystal structure having both electron and oxygen ion conductivity.
[화학식 3](3)
ABO3 ABO 3
- A = La, Sm, Pr, Ba, Sr, Ca 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- At least one element selected from among La, Sm, Pr, Ba, Sr and Ca
- B = Fe, Co, Ni, Cu 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- B = at least one element selected from Fe, Co, Ni and Cu
- A 및 B의 함량비는 0.95≤A/B≤1- the content ratio of A and B is 0.95? A / B? 1
또한, 상기 공기극은 전자 및 산소 이온 전도성을 동시에 갖는 이중층 페롭스카이트(ABC2O5+δ)계 결정구조의 혼합전도체로서, 하기 화학식 4의 조성을 가질 수 있다.Also, the cathode is a mixed conductor having a double layer perovskite (ABC 2 O 5 + δ ) crystal structure having both electrons and oxygen ion conductivity, and may have a composition represented by the following formula (4).
[화학식 4][Chemical Formula 4]
ABC2O5+δ ABC 2 O 5 + 隆
- A = La, Sm, Nd, Pr 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- one or more elements selected from A = La, Sm, Nd and Pr
- B = Ba, Sr, Ca 중에서 선택되는 하나 이상의 원소- B = at least one element selected from Ba, Sr and Ca
- C = Co, Fe, Ni, Cu, Mn 중에서 선택되는 하나 이상의 원소
- δ는 산소과잉분 또는 산소부족분을 나타낸다.- at least one element selected from C = Co, Fe, Ni, Cu, Mn
- δ represents oxygen excess or oxygen deficiency.
더불어 상기 공기극은 50 내지 70wt%의 이중층 페롭스카이트(ABC2O5+δ)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.In addition, the air electrode is composed of a mixed conductor of 50 to 70 wt% of a double layered perovskite (ABC 2 O 5 + δ ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria- Lt; / RTI >
[화학식 1][Chemical Formula 1]
SmxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ Sm x Yb y Bi z Ce 1-xyz O 2 -?
- 0.1≤X≤0.17, 0.005≤Y≤0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.11≤X+Y+Z≤0.27, δ=(X+Y+Z)/2- 0.17? 0.005? Y? 0.05, 0.005? Z? 0.05, 0.11? X + Y + Z? 0.27,? = (X + Y + Z) / 2
이와 같이, 고체산화물연료전지의 공기극에 포함되는 세리아계 전해질이 반응 방지막에 사용되는 세리아계 전해질과 같은 조성이 사용되는 경우, 열처리 공정에 시간을 단축하고 낮은 온도에서도 치밀한 미세구조 확보할 수 있어 단위전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, when the ceria electrolyte contained in the air electrode of the solid oxide fuel cell is used in the same composition as the ceria electrolyte used in the reaction prevention film, the time for the heat treatment process can be shortened and the fine structure can be secured even at a low temperature. There is an advantage that the output characteristic of the battery can be improved.
또한 상기 공기극은 50 내지 70wt%의 이중층 페롭스카이트(ABC2O5+δ)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 5의 조성을 가질 수 있다.The air electrode is composed of 50 to 70 wt% of a mixed conductor having a double layer perovskite (ABC 2 O 5 + δ ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria electrolyte has a composition represented by the following formula Lt; / RTI >
[화학식 5][Chemical Formula 5]
RexCe1-xO2-δ Re x Ce 1-x O 2-隆
- Re = Gd, Sm, Y, Nd, Pr 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.05≤X≤0.2, δ= X/2- Re = at least one element selected from Gd, Sm, Y, Nd and Pr, 0.05? X? 0.2,? = X / 2
상기 고체산화물연료전지는 연료극 지지체형 단위전지(ASC : anode supported cell), 전해질 지지체형 단위전지(ESC : electrolyte supported cell), 또는 금속 지지체형 단위전지(MSC : metal supported cell) 구조일 수 있으며, 상기 단위전지는 평판형(planer-type), 원통형(tubular-type) 또는 평관형(flat-tube type) 형태일 수 있다.The solid oxide fuel cell may be an anode supported cell (ASC), an electrolyte supported cell (ESC), or a metal supported cell (MSC) structure, The unit cell may be in the form of a planer-type, a tubular-type, or a flat-tube type.
원통형 단전지는 가스 실링이 용이하고 구조 자체의 기계적 특성이 우수하여 수십 kW ~ 수백 kW 급의 대형 스택을 제작할 수 있지만 단위 부피당 출력밀도가 낮다는 단점이 있다. 평판형 단전지는 단위 부피당 출력밀도가 높지만 스택 실링이나 각 구성요소들 간의 상호 반응성이 높고 셀의 기계적 안정성이 낮다는 단점이 있다. 이 형태는 고출력 밀도를 요구하는 1kW급 이하의 가정용 및 10kW급 이상의 건물용, 수송용을 위한 수 kW 급의 보조전원(APU) 등에 유리하다. 원통형 단전지는 연료극 지지체형과 공기극 지지체형으로 적용되며, 평판형은 연료극 지지체형, 전해질 지지체형과 금속 지지체형 등으로 제작할 수 있다. 평관형 단전지는 연료극 지지체형을 기반으로 현재 가정용 또는 다전지식 형태로 발전용으로 적용되고 있다.Cylindrical unit cells are easy to gas-seal and have excellent mechanical characteristics of the structure itself, so large stacks of several tens kW to several hundred kW class can be manufactured, but the output density per unit volume is low. The flat plate type cell has a high output density per unit volume but has a disadvantage in that it has high stack sealability and mutual reactivity between the components and low mechanical stability of the cell. This type is advantageous for households with a power density of less than 1 kW, buildings with a capacity of 10 kW or higher, and APUs with several kW for transportation. The cylindrical unit cell is applied to the fuel electrode support body and the air electrode support body, and the plate body can be manufactured by the anode support body, the electrolyte support body and the metal support body. The flat tubular unit cell is based on the anode support type and is currently being applied to the domestic or multi-cell type of power generation.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명 과정의 세부 사항을 설명하고자 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, details of the present invention will be described with reference to examples and experimental examples.
1. Bi 치환 고용 효과 확인1. Confirmation of Bi substitution employment effect
1-1. 조성 설계1-1. Composition design
Bi의 치환 고용 효과를 검증하기 위해서 다음 표 1과 같은 순수한 SDC 전해질(SmxCe1-xO2-x/2, X=0.1, 0.2) 및 Sm 및 Bi가 동시에 치환 고용된 전해질(Sm0.1BixCe0.9-xO1.95-x/2, X=0.025, 0.05, 0.075, 0.1, 이하 SBC)의 화학식을 갖는 조성을 설계하였다.(Sm x Ce 1-x O 2-x / 2 , X = 0.1, 0.2) as shown in the following Table 1 and an electrolyte (Sm 0.1 designed Bi x Ce 0.9-x O 1.95 -x / 2, X = 0.025, 0.05, the composition having the formula of 0.075, 0.1, or less SBC).
1-2. 전해질 시편 제조1-2. Electrolyte Specimen Manufacturing
상기 표 1 조성의 전해질을 고상반응법으로 합성하기 위해서 Sm2O3, Bi2O3 및 CeO2를 원료로 사용하였고 조성에 맞도록 칭량 후 에탄올을 용매로 그리고 5mm 직경의 지르코니아 볼을 밀링 메디아로 사용하여 습식 볼밀 혼합을 하였다.Sm 2 O 3 , Bi 2 O 3, and CeO 2 were used as raw materials for the synthesis of the electrolyte of Table 1 by the solid-phase reaction method. After weighing according to the composition, ethanol was used as a solvent and zirconia balls having a diameter of 5 mm were milled And the wet ball mill was mixed.
습식 혼합된 전해질 슬러리들은 건조 후 일축가압성형법으로 평판형 및 원판형의 압분체로 성형하였다.The wet mixed electrolyte slurries were dried and uniaxially compacted into flat and disk-shaped green compacts.
- 평판형 성형체 크기 : 가로 40mm, 세로 40mm, 두께 4mm- Flat-plate shaped body Size: 40mm width, 40mm length, 4mm thickness
- 원판형 성형체 크기 : 직경 27mm, 두께 3mm- Disc-shaped molded body Size: Diameter 27mm, Thickness 3mm
성형된 전해질 시편들은 1100~1400℃에서 5시간 동안 대기 중에서 소결하였다.The formed electrolyte specimens were sintered in air at 1100 ~ 1400 ℃ for 5 hours.
1-3. 소결체 수축율, 기공률 및 소결밀도 확인1-3. Confirmation of sintering shrinkage, porosity and sintering density
도 4는 상기 표 1 조성의 고상합성법으로 합성한 분말을 이용하여 1100℃, 1200℃, 1300℃ 및 1400℃에서 5시간 동안 소결한 SDC(SmxCe1-xO2-x/2, X=0.1, X=2) 전해질, SDC-19(X=0.1), SDC-28(X=0.2) 전해질과 Sm 및 Bi가 동시에 치환 고용된 전해질(SBC : Sm0.1BixCe0.9-xO1.95-x/2, X=0.025, 0.05, 0.075, 0.1)의 소결밀도를 비교하여 도시한 결과이다. Figure 4 is Table 1, using a powder synthesized by the solid phase synthesis of the
도 4의 결과를 통해서 목표로 하는 저온 소결온도인 1100℃ 및 1200℃에서 소결할 경우에는 Bi의 함량이 증가할수록 소결밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며 1300℃의 고온 소결온도에서는 Bi가 과량(X=0.075, 0.1)으로 적용될 경우에는 1200℃ 대비 소결밀도가 낮아지거나 효과가 더 이상 없는 것을 확인할 수 있다. The results of FIG. 4 indicate that when the target sintering temperature is 1100 ° C. and 1200 ° C., the sintering density increases as the Bi content increases. At a high temperature sintering temperature of 1300 ° C., = 0.075, 0.1), it can be confirmed that the sintered density is lowered or the effect is no more than 1200 ° C.
도 5는 도 4의 결과에 해당하는 1200℃ 및 1300℃에서 소결한 전해질 시편들을 다음과 같은 수식에 의해서 계산한 수축율에 대한 결과이다.FIG. 5 is a graph showing shrinkage ratios of electrolyte specimens sintered at 1200.degree. C. and 1300.degree. C., which correspond to the results of FIG. 4, calculated by the following equation.
도 5의 결과를 통해서 1200℃에서 소결한 전해질 시편들은 Bi의 함량이 증가할수록 수축율이 증가하고 있으며 이러한 전해질의 부피 감소가 전해질의 소결밀도의 증가 원인임을 확인할 수 있다. 반면에 1300℃에서 소결한 전해질 시편들은 Bi의 함량이 증가하면서 수축율이 증가하다가 X=0.05 및 0.075 조성에서 최고 수축율을 보여준 후 Bi의 함량이 더욱 증가함에 따라 반대로 수축율이 낮아지는 결과를 보여준다. 즉, 이러한 수축율의 증가는 과소결에 기인한 부피 팽창이며 이러한 부피 팽창으로 인하여 도 4에서 보여지는 소결밀도의 감소가 발생하는 것으로 판단할 수 있다. The results of Fig. 5 show that the sintered electrolyte specimens sintered at 1200 ℃ show an increase in shrinkage as the Bi content increases, and that the decrease in the volume of the electrolyte is responsible for the increase in sintered density of the electrolyte. On the other hand, the electrolyte specimens sintered at 1300 ℃ showed the increase of the shrinkage ratio with the increase of Bi content, and the maximum shrinkage ratio at the composition of X = 0.05 and 0.075, respectively. That is, the increase in the shrinkage ratio is a volume expansion due to over-molding, and it can be judged that the sintering density shown in FIG. 4 is reduced due to the volume expansion.
따라서 Bi의 치환 고용 효과는 SDC 전해질의 저온 소결에 큰 기여를 하지만 과량으로 적용할 경우에는 반대의 효과가 나타남을 확인할 수 있고 구체적으로는 5mol%(X=0.05)를 넘지 않는 것이 바람직하다고 할 수 있다.Therefore, the substitution effect of Bi contributes to the low-temperature sintering of the SDC electrolyte. However, it can be confirmed that the effect of substitution is excessive when applied in an excess amount. Specifically, it is preferable that the substitution effect does not exceed 5 mol% (X = 0.05) have.
2. Bi 및 Yb 동시 치환 고용 효과 확인2. Simultaneous substitution of Bi and Yb
2-1. 세리아 전해질 조성 설계2-1. Design of ceria electrolyte composition
먼저 일반 SDC 전해질 및 Bi 및 Yb가 동시에 치환 고용된 전해질(이하 SYBC)에 대한 Bi 치환 고용 효과를 확인하기 위해서 다음 표 2와 같은 화학식을 갖는 조성을 설계하였다.First, in order to confirm the effect of substitution with Bi for general electrolyte SDC and the electrolyte (hereinafter, referred to as SYBC) in which Bi and Yb were simultaneously substituted and solubilized, a composition having the following chemical formula was designed.
2-2. 전해질 시편 제조2-2. Electrolyte Specimen Manufacturing
상기 표 2 조성의 SDC 및 SYBC는 금속 질산염 원료를 사용하여 순수한 물에 조성비에 맞도록 녹인 후 다시 구연산(citric acid)을 용해한 혼합 수용액으로 제조하였으며 혼합 수용액을 250℃에서 교반 및 가열하여 농축액으로 제조하였다.The SDC and SYBC of Table 2 were prepared by dissolving the metal nitrate raw material in pure water to the composition ratio and then dissolving the citric acid again. The mixed aqueous solution was stirred and heated at 250 ° C. to prepare a concentrate Respectively.
농축액은 500℃에서 연소시켰으며 연소된 SDC 및 SYBC 분말은 습식 볼밀 공정을 거쳐 분쇄 및 분산 처리하였으며 건조 후 최종 1000℃에서 열처리 후 다시 습식 볼밀 공정을 통해 분쇄하였다.The concentrate was burned at 500 ℃. The burned SDC and SYBC powders were pulverized and dispersed through a wet ball mill process. After drying, they were heat treated at 1000 ℃ and then pulverized by a wet ball mill process.
최종 합성된 SDC 및 SYBC 분말들을 이용하여 일축 가압성형 공정을 통해 평판형 및 원판형의 압분체로 성형하였다.The final synthesized SDC and SYBC powders were molded into flat and disk-shaped green compacts through uniaxial pressing.
- 평판형 성형체 크기 : 가로 40mm, 세로 40mm, 두께 4mm- Flat-plate shaped body Size: 40mm width, 40mm length, 4mm thickness
- 원판형 성형체 크기 : 직경 27mm, 두께 3mm- Disc-shaped molded body Size: Diameter 27mm, Thickness 3mm
성형된 전해질 시편들은 1100~1400℃에서 3시간 동안 대기 중에서 소결하였다.The formed electrolyte specimens were sintered in the air at 1100 ~ 1400 ℃ for 3 hours.
2-3. 소결체 수축율, 기공률 및 소결밀도 확인2-3. Confirmation of sintering shrinkage, porosity and sintering density
도 6은 구연산법으로 제조하고 1100℃~1400℃에서 3시간 동안 대기 중에서 소결한 SDC 및 SYBC 소결체들의 수축율을 평가한 결과이다.6 shows the results of evaluating the shrinkage ratio of SDC and SYBC sintered bodies produced by the citric acid method and sintered in the air at 1100 ° C to 1400 ° C for 3 hours.
수축율 평가를 통해 SDC 전해질은 소결온도가 증가함에 따라 점차 수축율 기울기가 완만하게 감소하는 정형적인 세라믹 소결 거동을 나타낸 반면에 SYBC 전해질은 이미 1200℃의 소결온도에서 최대 수축율을 나타내고 있으며 1300℃ 이상에서는 과소결로 인한 수축율의 감소가 나타나고 있다.As a result of the shrinkage evaluation, the SDC electrolyte exhibited a typical ceramic sintering behavior in which the slope of the shrinkage gradually decreased with increasing sintering temperature, whereas the SYBC electrolyte showed the maximum shrinkage at the sintering temperature of 1200 ° C. And a decrease in shrinkage due to condensation.
도 7과 도 8은 구연산법으로 제조하고 1100℃~1400℃에서 3시간 동안 대기 중에서 소결한 SDC 및 SYBC 소결체들의 기공율 및 소결밀도를 아르키메데스 비중법을 이용하여 평가한 결과이다.7 and 8 are results of evaluating the porosity and sintering density of SDC and SYBC sintered bodies produced by the citric acid method and sintered in air at 1100 ° C to 1400 ° C for 3 hours using the Archimedes gravity method.
기공율의 평가에서는 SDC 전해질은 1100℃~1300℃ 구간에서 소결의 치밀화에 따른 급격한 기공율 감소가 나타나고 1300℃~1400℃의 고온 영역에서는 낮은 기공율 감소가 나타나고 있으며 SYBC 전해질은 1100℃~1200℃의 저온 소결 구간에서 소결의 치밀화에 따른 급격한 기공율 감소가 나타나고 1200℃~1300℃의 중온 소결 구간에서는 낮은 기공율 감소가 나타나며 1300℃~1400℃의 고온 영역에서는 과소결로 인한 기공율의 증가가 확인되었다. 특히, 더욱 바람직하게 SYBC 전해질은 1200℃에서 3시간 동안 소결한 샘플에서 10% 이하의 기공율을 가져 목표로 하는 저온 소결 특성을 충분히 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.In the evaluation of the porosity, the SDC electrolyte showed a sharp decrease in porosity due to sintering densification in the range of 1100 ° C to 1300 ° C and a low porosity decrease in the high temperature range of 1300 ° C to 1400 ° C. The SYBC electrolyte was sintered at a low temperature of 1100 ° C to 1200 ° C The sintering densities of the sintered ceramics decreased rapidly due to the sintering densification and the low porosity decreased at the mid - temperature sintering temperature of 1200 ℃ ~ 1300 ℃ and the porosity increased due to the under - sintering at the high temperature range of 1300 ℃ ~ 1400 ℃. In particular, it is more preferable that the SYBC electrolyte has a porosity of 10% or less in the sample sintered at 1200 ° C for 3 hours, and it can be confirmed that the target low-temperature sintering property can be sufficiently secured.
SDC 및 SYBC의 소결밀도는 수축율 거동과 비슷한 결과를 보이고 기공율과는 반대의 거동을 나타내고 있으며 결과적으로 1200℃에서 소결한 SYBC 전해질과 1400℃에서 소결한 SDC 전해질의 소결밀도가 동등한 수준에 있어 SYBC의 저온 소결 특성이 월등히 높은 결과를 나타내었다.The sintered density of SDC and SYBC showed similar results to the shrinkage behavior and showed the opposite behavior to porosity. As a result, the sintered density of SYBC electrolyte sintered at 1200 ° C and sintered at 1400 ° C was equivalent to that of SYBC The sintering characteristics at low temperature were remarkably high.
2-4. 소결체 미세구조 확인2-4. Confirmation of microstructure of sintered body
도 9는 1100℃ 및 1300℃에서 소결한 SDC 및 SYBC 소결체를 주사전자현미경을 이용하여 분석한 미세구조 사진이며, 1100℃에서 소결한 SDC는 아직 치밀화 거동이 발생하지 않은 반면에 동일한 온도에서 소결한 SYBC 전해질은 이미 상당한 치밀화가 이루어진 것을 확인할 수 있다. 1300℃에서 소결한 SDC는 치밀화와 결정립 성장이 진행 중이며 대부분의 결정립의 크기는 0.5um 이하로 미세한 반면에 동일한 온도에서 소결한 SYBC 전해질은 결정립 성장이 이미 충분히 진행되어 1um 정도의 조대한 결정립을 나타내었다.FIG. 9 is a microstructure photograph of a sintered compact of SDC and SYBC sintered at 1100 ° C and 1300 ° C using a scanning electron microscope. The SDC sintered at 1100 ° C showed sintering at the same temperature It can be seen that the SYBC electrolyte has already undergone significant densification. In SDC sintered at 1300 ℃, densification and crystal grain growth are progressing, and most of the grain size is fine to less than 0.5um. On the other hand, the SYBC electrolyte sintered at the same temperature has already undergone sufficient grain growth, .
도 10은 본 발명의 실시 예에서 일반 SDC 전해질과 SYBC 전해질을 동일한 방법으로 성형 후 1100℃에서 소결하고 X-선 회절 분석을 통해 결정구조를 비교하여 나타낸 그래프이다. 1100℃에서 소결한 SDC 및 SYBC 소결체에 대한 결정구조를 분석하였으며, 도 10과 같이 두 전해질 모두 어떠한 불순물 상 또는 이차상의 존재 없이 형석형 결정구조를 잘 나타내었으나 치밀화가 진행 중인 SYBC의 결정성이 상대적으로 높은 것을 확인하였다.10 is a graph showing the crystal structure of a general SDC electrolyte and a SYBC electrolyte formed by the same method, sintering at 1100 ° C and X-ray diffraction analysis, in an embodiment of the present invention. The crystal structure of sintered SDC and SYBC sintered at 1100 ° C was analyzed. As shown in Fig. 10, both of the electrolytes showed a fluorite crystal structure without any impurity phase or secondary phase, but the crystallinity of SYBC under densification was relatively high Respectively.
2-5. 이온 전도도 확인2-5. Ion conductivity checking
구연산법으로 제조하고 각 온도구간에서 소결된 SDC 및 SYBC 전해질들의 이온 전도도를 평가하기 위해서 평판형 전해질 시편들을 가로 2mm, 세로 2mm 및 길이 20mm 크기의 바(bar) 형태로 가공한 후 직류 4단자법을 이용하여 온도에 따른 이온 전도도의 변화를 비교 분석하였다.In order to evaluate ionic conductivity of sintered SDC and SYBC electrolytes at each temperature range, flat plate type electrolytic specimens were processed into bars of 2 mm in length, 2 mm in length and 20 mm in length, The change of ionic conductivity according to temperature was compared and analyzed.
형석형 구조를 갖는 세리아계 및 지르코니아계 전해질들의 이온 전도도는 일반적으로 산소 공공의 농도가 높을수록, 소결 밀도가 높을수록 그리고 산소 공공 형성을 위해 치환 고용된 양이온의 이온 반경이 주격자의 이온(Ce4+ 또는 Zr4+) 반경과 유사할수록 증가하는 것으로 알려져 있다.The ionic conductivity of the cerium and zirconium type electrolytes having a fluorite structure is generally such that the higher the concentration of oxygen vacancies, the higher the sintered density, and the ionic radius of the cation exchanged for oxygen vacancy formation, Or Zr4 +) radii.
도 11은 본 발명의 실시 예를 통해 1100℃~1400℃에서 소결한 일반 SDC 전해질을 직류 4단자법을 이용하여 작동 온도별 이온 전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다. 이는 SDC 전해질의 이온 전도도는 소결밀도와 직접적인 관련성을 보여주고 있으며 즉, 소결온도가 증가함에 따른 소결밀도의 증가율과 이온 전도도의 증가율은 거의 동일한 경향을 나타내고 있다.FIG. 11 is a graph showing ion conductivity of a general SDC electrolyte sintered at 1100 ° C. to 1400 ° C. according to an embodiment of the present invention by comparing the ionic conductivities of the SDC electrolytes at different operating temperatures using a DC four-terminal method. This indicates that the ionic conductivity of the SDC electrolyte is directly related to the sintering density. That is, the increase rate of the sintering density and the increase rate of the ionic conductivity with the sintering temperature increase are almost the same.
도 12는 본 발명의 실시 예를 통해 1100℃~1400℃에서 소결한 SYBC 전해질을 직류 4단자법을 이용하여 작동 온도별 이온 전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다. SYBC 전해질의 경우에는 저온 소결 특성으로 인하여 1100℃에서 소결된 전해질을 제외한 모든 전해질이 동등한 이온 전도도를 나타내어 결과적으로 저온 소결 조건에서도 이미 고온 소결된 SDC와 동등한 이온 전도도를 나타내고 있다.FIG. 12 is a graph showing ion conductivity of SYBC electrolytes sintered at 1100 ° C. to 1400 ° C. according to an embodiment of the present invention by comparing their ionic conductivities at operating temperatures using a DC four-terminal method. In the case of the SYBC electrolyte, all electrolytes except the sintered electrolyte at 1100 ° C exhibit equivalent ion conductivity due to the low-temperature sintering property. As a result, the ionic conductivity is equivalent to that of SDC already sintered at a low temperature.
도 13은 본 발명의 실시 예를 통해 1100℃~1400℃에서 소결한 SDC 및 SYBC 전해질의 이온 전도도를 750℃에서 측정하여 비교한 그래프이며, 도 6의 수축율 비교 결과와 동일한 양상을 나타낸다. 도 13에 보는 바와 같이, 본 발명의 SYBC 전해질은 1100℃에서 소결하면 750℃에서 0.02S/cm 이상의 이온 전도도를 가지며, 1200℃에서 소결하면 750℃에서 0.045S/cm 이상의 이온 전도도를 가지는 것을 알 수 있다.FIG. 13 is a graph comparing ionic conductivities of SDC and SYBC electrolytes sintered at 1100 ° C. to 1400 ° C. at 750 ° C. according to an embodiment of the present invention, and shows the same result as the shrinkage ratio comparison result of FIG. 6. As shown in FIG. 13, the SYBC electrolyte of the present invention has an ionic conductivity of at least 0.02 S / cm at 750 ° C when sintered at 1100 ° C and has an ionic conductivity of at least 0.045 S / cm at 750 ° C when sintered at 1200 ° C. .
도 14는 본 발명의 실시 예를 통해 저온 소결 구간인 1100℃ 및 1200℃에서 소결한 SDC 및 SYBC 전해질의 이온 전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다. 저온 소결 특성으로 인하여 SYBC의 이온 전도도가 상대적으로 월등히 높으며 따라서 저온 소결을 통한 반응 방지막으로서 활용이 가능하다.FIG. 14 is a graph comparing the ionic conductivities of SDC and SYBC electrolytes sintered at 1100 ° C. and 1200 ° C., which are low temperature sintering sections, according to an embodiment of the present invention. Due to the low temperature sintering property, the ionic conductivity of SYBC is relatively high, and thus it can be utilized as an anti-reaction film through low temperature sintering.
결론적으로 SDC 및 SYBC의 산소 공공(O2-δ, δ=0.1)은 동일하므로 저온 소결을 통한 SYBC의 높은 이온 전도도는 Bi 및 Yb의 치환 및 고용에 따른 결과로 판단할 수 있으며, 도 6에 도시한 수축율 비교 결과와 동일한 양상을 나타낸다.As a result, since the oxygen vacancies (O 2 -δ, δ = 0.1) of SDC and SYBC are the same, the high ionic conductivity of SYBC through low temperature sintering can be judged as a result of substitution and employment of Bi and Yb, And shows the same pattern as the shrinkage ratio comparison result shown in the figure.
특히, 도 14와 같이 저온 소결 구간인 1100℃ 및 1200℃에서 소결한 SYBC 전해질은 실제로 SOFC 구동온도로서 가장 널리 적용되는 750℃에서 0.02S/cm 이상의 이온 전도도를 가져 목표로 하는 저온 소결 특성을 충분히 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.In particular, as shown in FIG. 14, the SYBC electrolyte sintered at 1100 deg. C and 1200 deg. C, which is a low temperature sintering section, has ionic conductivity of at least 0.02 S / cm at 750 deg. C, which is the most widely used SOFC driving temperature. Can be secured.
2-6. 단위전지 제작2-6. Unit cell production
본 실시예에서는 SYBC 전해질 소재를 단위전지의 반응 방지막으로 도입한 단위전지의 출력 특성을 분석한 실시예를 나타내었다.In this embodiment, an output characteristic of a unit cell in which a SYBC electrolyte material is introduced as a reaction prevention film of a unit cell is analyzed.
단전지의 제작은 전해질 지지체 일축가압성형 → 전해질 지지체 소결(1450℃, 5시간) → 연료극 코팅 및 열처리(1300℃, 3시간) → 반응 방지막 SYBC 코팅 및 열처리(1200℃, 3시간) → LSCF 공기극 코팅 및 열처리(1050℃, 3시간)단계 순서로 제작된다. The electrolyte layer is formed by uniaxial pressing → electrolyte support sintering (1450 ℃ for 5 hours) → anode coating and heat treatment (1300 ℃ for 3 hours) → reaction coating SYBC coating and heat treatment (1200 ℃ for 3 hours) → LSCF cathode Coating and heat treatment (1050 占 폚, 3 hours).
전해질 지지체 성형 : 10Sc1CeSZ(10mol% Sc2O3 & 1mol% CeO2 stabilized ZrO2) 전해질 분말을 직경 27mm 금형을 이용하여 일축가압성형한다.Electrolytic support molding: 10Sc1CeSZ (10 mol% Sc 2 O 3 & 1 mol% CeO 2 stabilized ZrO 2 ) The electrolyte powder is uniaxially pressed using a 27 mm diameter mold.
전해질 지지체 소결 : 일축가압성형된 27mm 원판형 전해질 성형체를 1450℃, 5시간 동안 대기 중에서 소결하고 기계적 가공을 통해 직경 20mm, 두께 300um의 전해질 지지체로 제작한다. Electrolytic Support Sintering: Uniaxially pressed 27 mm disk-shaped electrolytic shaped body is sintered at 1450 ℃ for 5 hours in the atmosphere and mechanically processed to make an electrolyte support with a diameter of 20mm and a thickness of 300um.
연료극 코팅 및 열처리 : 비표면적(BET)이 8~10m2/g으로 제어된 복합체 분말 (NiO : 10Sc1CeSZ = 58 : 42 wt%)을 페이스트(paste)로 제조하고 스크린 프린팅 공정을 통해 직경 8mm의 연료극을 코팅 후 1300℃, 3시간 동안 대기 중에서 열처리한다.Anode coating and heat treatment: A composite powder (NiO: 10Sc1CeSZ = 58: 42 wt%) having a controlled specific surface area (BET) of 8-10 m 2 / g was prepared as a paste and screen- Is coated and then heat-treated at 1300 ° C for 3 hours in the air.
SYBC 반응 방지막 코팅 및 열처리 : SYBC 전해질 분말을 페이스트로 제조 후 스크린 프린팅 공정을 통해 직경 8mm의 SYBC를 코팅 후 1200℃, 3시간 동안 대기 중에서 열처리한다. SYBC reaction prevention film coating and heat treatment: SYBC electrolyte powder is made into a paste, then SYBC of 8 mm in diameter is coated through a screen printing process, followed by heat treatment at 1200 ° C. for 3 hours in the air.
공기극 코팅 및 열처리 : 비표면적(BET)이 8~10m2/g으로 제어된 미세한 복합체 분말 (LSCF : SYBC = 60 : 40 wt%)과 비표면적(BET)이 4~6m2/g으로 제어된 조대한 LSCF 분말을 각각 페이스트(paste)로 제조하고 연속 스크린 프린팅 공정을 통해 직경 8mm의 CFL(cathode functional layer) 및 CCC(cathode current collector) 공기극을 코팅 후 1050℃, 3시간 동안 대기 중에서 열처리한다.Air electrode coating and heat treatment: A fine composite powder (LSCF: SYBC = 60: 40 wt%) with a controlled specific surface area (BET) of 8 to 10 m 2 / g and a controlled specific surface area (BET) of 4 to 6 m 2 / g Coarse LSCF powders were each prepared as a paste, and a CFF (cathode functional layer) and a cathode current collector (CCC) cathode having a diameter of 8 mm were coated through a continuous screen printing process and then heat-treated at 1050 ° C. for 3 hours in the air.
비교 평가용으로 SYBC 반응 방지막이 형성되지 않고 LSM 공기극(CFL = LSM(60) : 10Sc1CeSZ(40), CCC=LSM)을 적용한 단전지도 동시에 동일한 방법으로 제작한다. The SYBC anti-reaction film is not formed for comparative evaluation, and the LSM air electrode (CFL = LSM (60): 10Sc1CeSZ (40), CCC = LSM) is applied.
2-7. 단위전지 출력특성 확인2-7. Confirmation of unit cell output characteristics
도 15는 본 발명의 실시 예에서 LSM 공기극을 적용한 ESC와 LSCF 공기극과 반응 방지막으로 SYBC 전해질을 적용한 ESC에 대한 미세구조를 비교하여 도시한 사진이다. 제작된 두 종의 단전지 모두 전해질의 두께가 동일한 300um로 적용된 것을 확인할 수 있다.FIG. 15 is a photograph showing a comparison of the microstructures of ESC applied with LSM air electrode and ESC applied with SYBC electrolyte as LSCF air electrode and reaction preventive membrane in the embodiment of the present invention. It can be seen that both of the prepared single cells were applied with the same electrolyte thickness of 300 μm.
도 16은 본 발명의 실시 예에서 LSM 공기극을 적용한 ESC를 750℃, 800℃ 및 850℃에서 구동하여 출력밀도를 평가한 그래프이고, 도 17은 본 발명의 실시 예에서 LSCF 공기극과 반응 방지막으로 SYBC 전해질을 적용한 ESC를 750℃, 800℃ 및 850℃에서 구동하여 출력밀도를 평가한 그래프이다.FIG. 16 is a graph showing output densities obtained by driving ESC at 750 ° C., 800 ° C., and 850 ° C. using an LSM air electrode in an embodiment of the present invention. FIG. The ESC with the electrolyte was operated at 750 ° C, 800 ° C and 850 ° C to evaluate the power density.
LSM 공기극 기반의 단전지의 경우에는 최대 출력밀도는 850℃에서 약 1.6A/cm2의 전류밀도 조건에서 0.65W/cm2, 그리고 0.7V의 정격 전압 조건에서는 약 0.55W/cm2의 출력밀도를 나타낸다.For LSM cathode-based single cells, the maximum power density was 0.65 W / cm 2 at a current density of about 1.6 A / cm 2 at 850 ° C, and about 0.55 W / cm 2 at a rated voltage of 0.7 V .
반면 LSCF 공기극 및 SYBC 반응 방지막이 구성된 단전지의 경우에는 850℃에서 최대 출력밀도는 약 1.8A/cm2의 전류밀도 조건에서 0.95W/cm2, 그리고 0.7V의 정격 전압 조건에서는 약 0.85W/cm2의 출력밀도를 보여주어 최대 출력밀도를 비교할 경우에는 약 45% 정도로 매우 높은 출력 증가를 나타낸다.LSCF air electrodes, while the unit cells and the case of SYBC film is composed of the reaction, the maximum power density is the rated voltage conditions of about 1.8A / cm 2 current density 0.95W / cm 2, and at 0.7V at 850 ℃ about 0.85W / cm < 2 & gt ;, which is about 45% when comparing the maximum power density.
본 발명은 고출력 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC라고 한다)를 위한 구성 요소 중 혼합전도성 공기극과 지르코니아계 전해질의 계면 반응 방지를 위한 세리아계 반응 방지막용 세리아계 전해질에 관한 것으로, 기존의 세리아계 반응 방지막 소재인 Sm doped CeO2 (SDC) 소재보다 낮은 온도에서 소결이 가능하고 전체 양이온 반경을 조절하여 기존 SDC 전해질 소재와 동등한 이온 전도성을 확보한 세리아계 전해질 조성을 제공한다.The present invention relates to a ceria-based electrolyte for a ceria-based reaction preventive membrane for preventing interfacial reaction between a mixed conducting cathode and a zirconia-based electrolyte among components for a high-power solid oxide fuel cell (SOFC) Sintered at a lower temperature than that of the Sm-doped CeO 2 (SDC) material, which is a ceria-based reaction preventive material, and provides a ceria-based electrolyte composition ensuring ion conductivity equal to that of a conventional SDC electrolyte material by controlling the total cation radius.
본 발명에 따른 세리아 전해질의 특징은 Sm와 아울러 Bi와 Yb를 동시에 치환 고용하여 Bi의 도입에 따른 저온 소결 특성을 확보하고 Yb의 도입에 의해 산소 이온 전도성 확보를 위한 전체 양이온 반경을 제어한다.The ceria electrolyte according to the present invention is characterized in that Bi and Yb are simultaneously substituted with Sm to ensure low-temperature sintering characteristics upon introduction of Bi and control the total cation radius for ensuring oxygen ion conductivity by introduction of Yb.
고온 소결에 따른 지르코니아계 전해질과 세리아계 전해질의 확산 고용을 방지하고, 저온 소결을 통해서 안정적으로 반응 방지막으로 구성할 수 있으며, 새로운 세리아계 반응 방지막의 도입을 통해 850℃의 작동온도와 0.7V의 정격 전압의 조건에서 0.85W/cm2의 높은 출력밀도를 갖는 고체산화물연료전지를 제조할 수 있다.It is possible to prevent diffusion and employment of zirconia-based electrolyte and ceria-based electrolyte due to high-temperature sintering, and to stably form an anti-reaction film through low-temperature sintering. Through the introduction of a new ceria- A solid oxide fuel cell having a high output density of 0.85 W / cm < 2 > under the condition of a rated voltage can be manufactured.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. And will be apparent to those skilled in the art.
Claims (11)
상기 사마리움(Sm), 이터비윰(Yb) 및 비쓰무스(Bi)가 동시에 치환 고용된 세리아(CeO2) 전해질의 전체 양이온 반경의 크기가 0.98-0.99Å이고,
상기 세리아 전해질(CeO2)은, 1100℃ 내지 1200℃에서 소결하여 제조되고,
1150℃에서 소결하면 95% 이상의 소결밀도를 가지며,
1100℃에서 소결하면 750℃에서 0.02S/cm 이상의 이온 전도도를 가지며,
1200℃에서 소결하면 750℃에서 0.045S/cm 이상의 이온 전도도를 가지는 세리아 전해질
[화학식 1]
SmxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ
- 0.1≤X≤0.17, 0.005≤Y≤0.05, 0.02≤Z≤0.05, 0.11≤X+Y+Z≤0.27, δ=(X+Y+Z)/2
A ceria (CeO 2 ) electrolyte in which samarium (Sm), erbium (Yb) and bismuth (Bi) are simultaneously substituted and solubilized,
The total cation radius of the ceria (CeO 2 ) electrolyte in which samarium (Sm), erbium (Yb) and bismuth (Bi) are solubilized at the same time is 0.98-0.99 Å,
The ceria electrolyte (CeO 2 ) is produced by sintering at 1100 ° C to 1200 ° C,
When sintered at 1150 ° C, it has a sintered density of 95% or more,
When sintered at 1100 ° C, it has an ionic conductivity of at least 0.02 S / cm at 750 ° C,
When sintered at 1200 ° C, a ceria electrolyte having ionic conductivity of at least 0.045 S / cm at 750 ° C
[Chemical Formula 1]
Sm x Yb y Bi z Ce 1-xyz O 2 -?
Y = 0.05, 0.02? Z? 0.05, 0.11? X + Y + Z? 0.27,? = (X + Y + Z) / 2
상기 연료극과 동시에 소결하여 형성하는 지르코니아 전해질;
상기 지르코니아 전해질 표면에 제1항의 세리아 전해질을 코팅한 후 1100℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 열처리하여 형성된 세리아 반응 방지막; 및
상기 세리아 반응 방지막 표면에 코팅 및 열처리하여 제조한 공기극을 포함하는 고체산화물연료전지
Fuel electrode;
A zirconia electrolyte formed by sintering simultaneously with the anode;
A ceria reaction prevention film formed by coating the ceria electrolyte of claim 1 on the surface of the zirconia electrolyte and then heat-treating the ceria electrolyte at a temperature ranging from 1100 ° C to 1200 ° C; And
A solid oxide fuel cell including an air electrode prepared by coating and heat-treating the surface of the ceria-
상기 지르코니아 전해질은 형석형 구조의 지르코니아계 전해질로서, 하기 화학식 2의 조성을 가지는 고체산화물연료전지
[화학식 2]
(Re2O3)x(ZrO2)1-x
- Re = Y, Sc, Yb, Ce, Gd, Sm 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.04≤X≤0.11
The method of claim 3,
Wherein the zirconia electrolyte is a zirconia-based electrolyte having a fluorite structure, the solid oxide fuel cell having a composition represented by the following formula (2)
(2)
(Re 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x
- Re = at least one element selected from Y, Sc, Yb, Ce, Gd and Sm, 0.04? X?
상기 공기극은 전자 및 산소 이온 전도성을 동시에 갖는 페롭스카이트(ABO3)계 결정구조의 혼합전도체로서, 하기 화학식 3의 조성을 가지는 고체산화물연료전지
[화학식 3]
ABO3
- A = La, Sm, Pr, Ba, Sr, Ca 중에서 선택되는 하나 이상의 원소
- B = Fe, Co, Ni, Cu 중에서 선택되는 하나 이상의 원소
- A 및 B의 함량비는 0.95≤A/B≤1
The method of claim 3,
The air electrode is a mixed conductor of a perovskite (ABO 3 ) crystal structure having both electron and oxygen ion conductivity, and is a solid oxide fuel cell having a composition represented by the following formula
(3)
ABO 3
- At least one element selected from among La, Sm, Pr, Ba, Sr and Ca
- B = at least one element selected from Fe, Co, Ni and Cu
- the content ratio of A and B is 0.95? A / B? 1
상기 공기극은 50 내지 70wt%의 페롭스카이트(ABO3)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 1의 조성을 가지는 고체산화물연료전지
[화학식 1]
SmxYbyBizCe1-x-y-zO2-δ
- 0.1≤X≤0.17, 0.005≤Y≤0.05, 0.005≤Z≤0.05, 0.11≤X+Y+Z≤0.27, δ=(X+Y+Z)/2
The method of claim 3,
Wherein the cathode comprises a mixture conductor of 50 to 70 wt% of a perovskite (ABO 3 ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria electrolyte is a solid oxide fuel cell
[Chemical Formula 1]
Sm x Yb y Bi z Ce 1-xyz O 2 -?
- 0.17? 0.005? Y? 0.05, 0.005? Z? 0.05, 0.11? X + Y + Z? 0.27,? = (X + Y + Z) / 2
상기 공기극은 50 내지 70wt%의 페롭스카이트(ABO3)계 결정구조의 혼합전도체 및 30 내지 50wt%의 세리아계 전해질로 이루어지되, 상기 세리아계 전해질은 하기 화학식 5의 조성을 가지는 고체산화물연료전지
[화학식 5]
RexCe1-xO2-δ
- Re = Gd, Sm, Y, Nd, Pr 중에서 선택되는 하나 이상의 원소, 0.05≤X≤0.2, δ= X/2
The method of claim 3,
Wherein the cathode comprises a mixture conductor of 50 to 70 wt% of a perovskite (ABO 3 ) crystal structure and 30 to 50 wt% of a ceria electrolyte, wherein the ceria electrolyte comprises a solid oxide fuel cell
[Chemical Formula 5]
Re x Ce 1-x O 2-隆
- Re = at least one element selected from Gd, Sm, Y, Nd and Pr, 0.05? X? 0.2,? = X / 2
상기 연료극은 30 내지 50wt%의 형석형 구조의 지르코니아계 전해질 및 50 내지 70wt%의 NiO로 이루어지는 고체산화물연료전지
The method of claim 3,
Wherein the fuel electrode comprises a solid oxide fuel cell comprising a zirconia-based electrolyte having a fluorite structure of 30 to 50 wt% and NiO of 50 to 70 wt%
상기 고체산화물연료전지는 연료극 지지체형 단위전지(ASC : anode supported cell), 전해질 지지체형 단위전지(ESC : electrolyte supported cell), 또는 금속 지지체형 단위전지(MSC : metal supported cell) 구조인 고체산화물연료전지
The method of claim 3,
The solid oxide fuel cell includes an anode supported cell (ASC), an electrolyte supported cell (ESC), or a solid oxide fuel (MSC) structure having a metal supported cell (MSC) battery
상기 단위전지는 평판형(planer-type), 원통형(tubular-type) 또는 평관형(flat-tube type) 형태인 고체산화물연료전지
11. The method of claim 10,
The unit cell may be a solid oxide fuel cell, such as a planer-type, a tubular-type, or a flat-tube type,
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