고체산화물 연료전지용 8YSZ-Bi2O3 전해질 제조 및 특성

Abstract

에너지 환경 문제가 국제적 화두로 대두되면서 효율이 높고 친환경적인 연료전지 기술이 더욱 더 중요시 되고 있는 바, 이 중 고체 산화물 연료 전지 (solid oxide fuel cell, SOFC)는 높은 에너지 변환 효율과 낮은 환경오염으로 미래의 에너지 동력 시스템에 유망한 재료가 되고 있다. 특히, 8 mol% Y2O3를 첨가하여 안정화를 이룬 지르코니아 (8 mol% yttria-stabilized zirconia, 8YSZ)는 이온전도도와 강도는 비교적 낮으나, 제조 비용이 적고 화학적 안정성이 뛰어나 고체 산화물 연료 전지의 전해질로써 관심이 고조되고 있다. 본 연구에서는 8YSZ의 기계적/전기적 물성을 동시에 향상시키기 위하여 순수한 8YSZ 분말에 첨가제로 Bi2O3를 첨가한 뒤, spark plasma sintering (SPS) 공정을 적용하여 비교적 낮은 소결 온도에서 고밀도화하고 Bi2O3 첨가에 따른 이온전도도의 향상을 꾀하였다. 1100 oC 이상의 온도에서 제조한 8YSZ-Bi2O3 electrolyte는 98%이상의 이론밀도에 가까운 치밀화를 보였고, 특히 2 mol%의 Bi2O3를 첨가하였을 때 가장 높은 강도와 이온 전도도를 보였는데, 기존의 상압 소결법이나 hot-press법보다 약 300 oC이상 낮은 온도에서 짧은 시간 동안 높은 고밀도의 소결체를 얻을 수 있었고, 이온전도도 및 기계적/전기적 특성이 동시에 향상됨을 확인하였다. 이러한 특성의 향상은 향후 연료전지 작동온도를 낮추는데 매우 유효하리라 사료 된다.|Fuel cells are becoming important as a future energy due to high energy conversion efficiencies and low environmental pollution attributes. Especially yttria stabilized zirconia (YSZ) has been widely used as an electrolytes of SOFC because of their excellent chemical stability and low manufacturing costs. In this study, 8YSZ was fabricated with the addition of Bi2O3 for the improvement of ionic conductivity and mechanical property. Spark plasma sintering method was adopted to reduce the sintering temperature. The results demonstrated that a small amount of Bi2O3 addition was effective in reducing the sintering temperature of YSZ compared with other singering methods and promoting the densification and increasing the ionic conductivity. Improvement of these characteristics will be effective in lowering the operating temperature of SOFC in the future.; Fuel cells are becoming important as a future energy due to high energy conversion efficiencies and low environmental pollution attributes. Especially yttria stabilized zirconia (YSZ) has been widely used as an electrolytes of SOFC because of their excellent chemical stability and low manufacturing costs. In this study, 8YSZ was fabricated with the addition of Bi2O3 for the improvement of ionic conductivity and mechanical property. Spark plasma sintering method was adopted to reduce the sintering temperature. The results demonstrated that a small amount of Bi2O3 addition was effective in reducing the sintering temperature of YSZ compared with other singering methods and promoting the densification and increasing the ionic conductivity. Improvement of these characteristics will be effective in lowering the operating temperature of SOFC in the future.