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KR102233833B1 - 지르코니아 전해질 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지용 단전지 - Google Patents

지르코니아 전해질 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지용 단전지 Download PDF

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KR102233833B1
KR102233833B1 KR1020190047455A KR20190047455A KR102233833B1 KR 102233833 B1 KR102233833 B1 KR 102233833B1 KR 1020190047455 A KR1020190047455 A KR 1020190047455A KR 20190047455 A KR20190047455 A KR 20190047455A KR 102233833 B1 KR102233833 B1 KR 102233833B1
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zirconia
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ion conductivity
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Abstract

본 발명에 의한 지르코니아 전해질은 이트륨 산화물(Y2O3) 및 이터비움 산화물(Yb2O3)이 동시에 안정화제로 고용하여 높은 산소 이온 전도도를 갖는 특징이 있다.

Description

지르코니아 전해질 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지용 단전지{Zirconia electrolyte and unit cell for solid oxide fuel cell containing it}
본 발명은 높은 산소 이온 전도도를 갖는 지르코니아 고체 전해질에 관한 것이다.
고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)용 고체 전해질은 대부분 산소 이온 전도성 세라믹 소재를 적용하고 있으며 현재 가장 널리 사용되고 있는 SOFC용 전해질은 지르코니아(ZrO2)계 전해질이다.
지르코니아(ZrO2)계 전해질은 안정화제의 종류 및 안정화제의 고용량에 따라 산소 이온 전도도가 결정된다. 순수한 지르코니아에 안정화제의 고용량을 증가시킬수록 산소 이온 공공이 증가하고 결정구조 또한 전해질로서 적합한 입방정(Cubic) 구조로 상전이가 이루어진다. 그러나 안정화제의 고용량이 일정 함량 이상으로 증가하면 산소 공공은 클러스터(Cluster)를 형성하여 오히려 산소 이온 전도도를 하락시키는 문제가 발생할 수 있다.
이에 따라 통상적으로 가장 많이 이용되는 지르코니아 전해질은 8YSZ(8mol% Y2O3 stabilized ZrO2)이다. 그러나 8YSZ의 산소 이온 전도도는 800℃에서 약 0.03~0.04S/cm 정도로서 높은 수준이 아니며 따라서 주로 전해질을 박막화하여 전해질 저항을 최소화하는 연료극 지지체형 단전지(ASC : Anode Supported Cell)에 적용된다. 최근에는 ASC의 작동온도를 낮추어 스택(Stack)의 내구성을 높이려는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 그러나 작동온도를 낮추게 되면 단전지의 출력밀도(W/cm2)가 낮아지는 단점이 발생한다. 이러한 이유로 SOFC 상용화 기술을 주도하고 있는 선진국들에서는 중,저온 구동의 온도에서도 높은 산소 이온 전도성을 갖는 새로운 전해질 소재 개발이 중요한 연구 분야로 부각되고 있으나 새로운 대체 전해질로 개발된 새로운 소재들도 각 물질들마다 고유의 단점들이 부각되고 있어 끊임없는 소재 개선이 필요한 실정이다.
한편, 지르코니아계 전해질은 안정화제의 종류와 함량 그리고 안정화제의 이온 반경에 따라 이온 전도성이 달라진다. 특히, 주 격자 물질인 지르코늄의 이온(Zr4 +) 반경과 안정화제로 도입되는 희토류(Rare Earth, 이하 Re) 산화물의 양이온 반경의 크기 차이가 작아질수록 전해질의 산소 이온 전도성이 높아진다. 이러한 이유로 스칸디아(Sc2O3) 안정화 지르코니아가 가장 높은 이온 전도성을 나타내며 특히, 11mol% scandia stabilized zirconia(이하 11ScSZ로 약함)는 장시간 사용에도 이온전도도의 하락이 없어 가장 이상적인 전해질 조성 물질로 인정받았지만 스칸디움의 높은 가격으로 생산단가가 높아지는 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허공보 제10-1748989호
본 발명의 목적은 높은 산소 이온 전도도를 갖는 지르코니아 전해질을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 낮은 온도에서도 양호한 산소 이온 전도도를 갖는 지르코니아 전해질을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 지르코니아 전해질은 이트륨 산화물(Y2O3) 및 이터비움 산화물(Yb2O3)이 동시에 안정화제로 치환 고용된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질은 상기 지르코니아 전해질은 하기 화학식 1의 조성을 만족할 수 있다.
[화학식 1]
(Y2O3)x(Yb2O3)y(ZrO2)1-x-y
x=0.04~0.09
y=0.015~0.03
본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질에서 상기 화학식 1에서 x+y는 0.07 내지 0.1일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질은 상기 Y2O3 및 Yb2O3 함량의 합이 동일한 범위에서, 양이온 반경이 좁을수록 높은 산소 이온 전도도를 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질에서 상기 화학식 2의 x+y값이 0.07 내지 0.08인 경우 y값은 0.015 내지 0.03일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질에서 상기 화학식 2의 x+y값이 0.08 초과 0.085 이하인 경우 y값은 0.02 내지 0.03일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질에서 상기 화학식 2의 x+y값이 0.085초과 0.09 이하인 경우 y값은 0.03 내지 0.04일 수 있다.
본 발명은 또한 고체산화물 연료전지용 단전지를 제공하며, 본 발명에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질; 및 상기 지르코니아 전해질의 양면에 형성된 공기극(양극)과 연료극(음극)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 평판형(planer-type), 원통형(tubular-type) 또는 평관형(flat-tube type) 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고체산화물 연료전지용 단전지는 전해질 지지체형 단전지(ESC : Electrolyte supported Cell), 연료극 지지체형 단전지(ASC : Anode supported Cell), 공기극 지지체형 단전지(CSC : Cathode supported Cell) 또는 다전지식 단전지(Segment-type)일 수 있다.
본 발명에 의한 지르코니아 고체 전해질은 이트륨 산화물(Y2O3) 및 이터비움 산화물(Yb2O3)이 동시에 안정화제로 고용됨으로써, 지르코니아 전해질이 높은 산소 이온 전도도를 갖는 장점이 있다. 구체적으로, 본 발명에 의한 지르코니아 고체 전해질은 750℃의 작동온도에서 0.03S/cm 이상의 산소 이온 전도도를 갖는 장점이 있다. 나아가 이러한 장점에 의해 종래 지르코니아만을 고체 전해질로 이용한 경우 발생하는 온도 상승에 따른 산소 이온 전도도 저하 문제의 보완이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의해 제조된 전해질 시편들의 결정구조를 X선 회절 분석기를 통해 관찰한 것을 도시한 것이다.
도 2 내지 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 지르코니아 전해질의 온도에 따른 산소 이온 전도도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 안정화제의 함량에 따른 양이온 반경의 변화를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 지르코니아 전해질의 750 ℃ 기준 산소 이온 전도도를 도시한 것이다.
도 7 내지 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 지르코니아 전해질의 750 ℃ 기준 산소이온 전도도 및 양이온 반경을 도시한 것이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 의한 지르코니아 전해질은 이트륨 산화물(Y2O3) 및 이터비움 산화물(Yb2O3)이 동시에 안정화제로 치환 고용된 것을 특징으로 한다.
기존에 사용되던 이트륨 산화물이 안정화제로 치환 고용된 전해질 소재(8YSZ)는 작동온도를 낮추게 되면 단전지의 출력밀도가 현저히 낮아지는 문제점이 발생한다. 이러한 출력밀도 저하는 지르코니아 전해질의 산소 이온 전도도 저하로 발생하는 문제일 수 있으며, 기존 전해질 보다 높은 이온 전도도를 갖는 전해질 소재를 이용함으로써 상술한 문제의 극복이 가능하다.
이에 본 출원인은 이러한 문제점을 극복하기 위하여 연구를 수행하였으며, 그 결과 이트륨산화물의 일부를 이터비움 산화물로 치환하여, 지르코니아 전해질에 이트륨 산화물 및 이터비움 산화물이 동시에 안정화제로 치환된 경우에 이트륨 산화물 만을 안정화제로 고용한 경우 대비 높은 산소 이온 전도도를 갖는 것을 확인하였다.
즉, 본 발명에 의한 지르코니아 전해질은 이트륨 산화물 및 이터비움 산화물이 동시에 안정화제로 치환 고용됨으로써, 종래 이트륨 산화물이 치환 고용된 지르코니아 전해질 대비 높은 산소 전도도를 가지며, 이에 따라 작동온도를 낮추어 발생하는 출력밀도 저하를 보온할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질은 하기 화학식 1의 조성을 만족할 수 있다.
[화학식 1]
(Y2O3)x(Yb2O3)y(ZrO2)1-x-y
- x=0.04~0.09
- y=0.015~0.03
더욱 좋게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질은 상기 화학식 1을 만족하는 동시에, x+y가 0.07 내지 0.1, 바람직하게는 0.08 내지 0.09, 더욱 바람직하게는 0.08 내지 0.085일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질이 하기 화학식 1의 범위를 만족하는 경우, 낮은 작동온도에 따른 산소 이온 전도도 저감을 방지하고, 지나치게 많은 안정화제 함량에 의하여 산소 공공 클러스터가 형성되어 오히려 산소 이온 전도도를 하락시키는 문제를 예방할 수 있다. 나아가, 상술한 범위에서 안정화제의 과량 첨가에 의한 생산단가 상승을 방지할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질은 상기 화학식 1을 만족하며, x+y가 0.07 내지 0.1인 범위를 만족하는 경우, 지르코니아 전해질의 양이온 반경이 0.94578Å 이하, 구체적으로는 0.9347Å 내지 0.94578Å일 수 있으며, 이 범위에서 지르코니아 전해질이 750 ℃를 기준으로 0.03 S/cm 이상의 산소 이온 전도도를 확보할 수 있는 장점이 있다. y값이 0.015 이하인 경우, 이터비움 산화물 첨가에 의한 효과 도모가 어려우며, y값이 0.03을 초과하는 경우, 이터비움 산화물 첨가에 의한 산소 이온 전도도의 상승폭이 미미한 한계가 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질은 x+y값이 0.07 내지 0.08인 경우 y값은 0.015 내지 0.03일 수 있다. 이러한 범위에서 지르코니아 전해질의 양이온 반경이 0.9347 Å 이하일 수 있으며, 양이온 반경이 작아짐에 따라 산소 이온 전도도 향상 효과를 도모할 수 있다. 구체적으로, 상술한 x+y값 및 y값 범위를 만족하는 경우 900 ℃를 기준으로 기존 8YSZ(8mol% Y2O3 stabilized ZrO2 0.08283 S/cm @900℃) 전해질 대비 최대 0.02 S/cm 이상 높은 산소 이온 전도도를 나타내는 장점이 있으며, 나아가 600 내지 900 ℃의 온도 범위 전체에서 8YSZ 전해질 대비 높은 이온 전도도를 나타내는 장점이 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질은 x+y값이 0.08 내지 0.085인 경우 y값은 0.02 내지 0.03일 수 있다. 이러한 범위에서 지르코니아 전해질의 양이온 반경이 0.94047 Å 이하일 수 있으며, 이 범위에서 양이온 반경이 작아짐에 따라 산소 이온 전도도 향상 효과를 도모할 수 있다. 구체적으로, 상술한 x+y값 및 y값 범위를 만족하는 경우 900 ℃를 기준으로 8YSZ 전해질 대비 최대 0.02 S/cm이상 높은 산소 이온 전도도를 나타내는 장점이 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의한 지르코니아 전해질은 x+y값이 0.085 내지 0.09인 경우 y값은 0.03 내지 0.04일 수 있다. 이러한 범위에서 지르코니아 전해질의 양이온 반경이 0.94578 Å 이하일 수 있으며, 양이온 반경이 작아짐에 따라 산소 이온 전도도 향상 효과를 도모할 수 있다. 구체적으로, 상술한 x+y값 및 y값 범위를 만족하는 경우 900 ℃를 기준으로 8YSZ 전해질 대비 0.01 S/cm 이상 높은 산소 이온 전도도를 나타내는 장점이 있다.
구체적인 일예로 750 ℃를 기준으로 상기 x+y 값이 0.08인 경우, 평균 양이온 반경이 0.9338Å(E4) 내지 0.93448Å(E3)인 범위, x+y값이 0.085인 경우 양이온 반경이 0.93979Å(E7) 내지 0.94047Å(E6)인 범위, x+y값이 0.09인 경우 양이온 반경이 0.94578Å(E10) 이하인 범위에서 0.03 S/cm 이상의 산소 이온 전도도를 확보할 수 있으며, 이는 8YSZ 전해질에서 750 ℃를 기준으로 한 산소 이온 전도도가 약 0.02467 S/cm인 점을 고려하면 750 ℃에서 0.005~0.01 S/cm 이상의 이온 전도도 향상을 보이는 것을 의미한다.
본 발명은 또한 이트륨 산화물과 이터비움 산화물이 동시에 안정화제로 치환 고용된 지르코니아 전해질을 제조하는 지르코니아 전해질 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의한 지르코니아 전해질 제조방법은, 상술한 화학식 1의 조성을 만족하는 이트륨 산화물, 이터비움 산화물 및 지르코니아 산화물 분말을 준비하는 제 1단계;
상기 제 1단계의 이트륨 산화물, 이터비움 산화물 및 지르코니아 산화물 분말을 에탄올 환경에서 고상 볼밀을 통해 슬러리를 제조하는 제 2단계; 및
상기 슬러리를 성형하고, 소결하는 제 3단계를 포함한다.
본 발명에 의한 지르코니아 전해질 제조방법은, 상술한 단계를 포함함으로써, 95% 이상의 높은 소결밀도를 확보하고, 높은 기계적 강도를 확보하면서도, 우수한 산소 이온 전도도를 갖는 지르코니아 전해질의 제조가 가능한 장점이 있다.
구체적으로, 상기 제 3단계의 소결온도는 1100 내지 1600 ℃일 수 있으며, 좋게는 1100 내지 1300 ℃의 범위에서 1차 소결을 수행하고, 이후 1400 내지 1550 ℃의 온도 범위에서 2차 소결을 수행하는 방법으로 진행될 수 있으며, 이러한 두 번의 소결을 통해 더욱 견고한 지르코니아 전해질의 제조가 가능한 장점이 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4]
하기 표 1의 조성을 만족하며, 각각 99.9% 이상의 순도를 갖는 Y2O3, Yb2O3, ZrO2분말을 각각 준비하고, 하기 표 1의 조성을 만족하도록 Y2O3, Yb2O3, ZrO2를 각각 혼합한다. 각 혼합물을 지르코니아 볼과 에탄올 용매를 이용하여 고상 볼밀 공정을 통해 혼합 슬러리를 제조하였다. 혼합된 전해질 슬러리는 건조 후 4㎝×4㎝ 크기의 프레스 금형을 이용하여 일축가압프레스 성형을 통해 성형체로 제조하였다. 전해질 성형체들은 대기 중에서 소결되었으며, 각각 분당 5℃의 승온속도로 1200 ℃에서 2시간, 그리고 1500 ℃에서 5시간 동안 소결하였다.
시편종류 시편의 표시 조성
E1
비교예 1		 8YSZ (Y2O3)0.08(ZrO2)0.92
E2
비교예 2		 7Y1YbSZ (Y2O3)0.07(Yb2O3)0.01(ZrO2)0.92
E3
실시예 1		 6Y2YbSZ (Y2O3)0.06(Yb2O3)0.02(ZrO2)0.92
E4
실시예 2		 5Y3YbSZ (Y2O3)0.05(Yb2O3)0.03(ZrO2)0.92
E5
비교예 3		 7.5Y1YbSZ (Y2O3)0.075(Yb2O3)0.01(ZrO2)0.915
E6
실시예 3		 6.5Y2YbSZ (Y2O3)0.065(Yb2O3)0.02(ZrO2)0.915
E7
실시예 4		 5.5Y3YbSZ (Y2O3)0.055(Yb2O3)0.03(ZrO2)0.915
E8
비교예 4		 8Y1YbSZ (Y2O3)0.08(Yb2O3)0.01(ZrO2)0.91
E9
실시예 5		 7Y2YbSZ (Y2O3)0.07(Yb2O3)0.02(ZrO2)0.91
E10
실시예 6		 6Y3YbSZ (Y2O3)0.06(Yb2O3)0.03(ZrO2)0.91
입방정 구조 생성 확인
실시예 및 비교예에 의해 제조된 시편들의 결정 구조를 분석하기 위하여 X-선 회절 분석기를 이용하여 결정구조를 확인하고 그 결과를 도 1로 나타내었다.
도 1을 참고하면, 모든 조성의 시편들이 산소 이온 전도체로 유리한 면심 입방정 구조로 형성되었음을 확인할 수 있다.
산소이온 전도도 측정
실시예 및 비교예의 시편들의 산소 이온 전도도를 평가하기 위하여 전해질 시편들을 가로 2 ㎜, 세로 2 ㎜, 길이 20 ㎜의 바 형태로 가공한 후, 직류 4단자법을 이용하여 작동온도에 따른 이온전도도를 측정하였다.
1. 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2의 온도 상승에 따른 산소 이온 전도도를 도 2로 도시하였으며, 비교예 3, 실시예 3, 4의 온도 상승에 따른 산소 이온 전도도를 도 3으로 도시하였고, 비교예 4, 실시예 5, 6의 온도 상승에 따른 산소 이온 전도도를 도 4로 나타내었다.
도 2 내지 4를 참고하면, 900 ℃를 기준으로 실시예 1 내지 6 모두 이터비움을 첨가하지 않은 비교예 1 대비 0.01 S/cm이상, 좋게는 0.02 S/cm이상 높은 산소 이온 전도도를 나타냄을 확인할 수 있다.
2. 실시예 및 비교예에 의한 지르코니아 전해질의 평균 양이온 반경을 도 5로 나타내었다.
도 5를 참고하면, 전체 이트륨 산화물+이터비움 산화물의 고용량이 동일한 경우, 이터비움 산화물의 고용량이 증가할수록 양이온 반경이 작아짐을 확인할 수 있으며, 반면 이트륨 산화물+이터비움 산화물의 고용량이 증가하면 이온 반경이 가장 작은 지르코니아의 함량이 감소하면서 양이온 반경이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
3 실시예 및 비교예에 의한 지르코니아 전해질의 산소 이온 전도도를 750 ℃를 기준으로 측정하여 그 결과를 도 6 및 표 2로 나타내었다.
시편종류 조성 산소 이온 전도도(S/cm)
E1
비교예 1		 (Y2O3)0.08(ZrO2)0.92 0.02467
E2
비교예 2		 (Y2O3)0.07(Yb2O3)0.01(ZrO2)0.92 0.02586
E3
실시예 1		 (Y2O3)0.06(Yb2O3)0.02(ZrO2)0.92 0.03344
E4
실시예 2		 (Y2O3)0.05(Yb2O3)0.03(ZrO2)0.92 0.03484
E5
비교예 3		 (Y2O3)0.075(Yb2O3)0.01(ZrO2)0.915 0.02713
E6
실시예 3		 (Y2O3)0.065(Yb2O3)0.02(ZrO2)0.915 0.03063
E7
실시예 4		 (Y2O3)0.055(Yb2O3)0.03(ZrO2)0.915 0.03338
E8
비교예 4		 (Y2O3)0.08(Yb2O3)0.01(ZrO2)0.91 0.02827
E9
실시예 5		 (Y2O3)0.07(Yb2O3)0.02(ZrO2)0.91 0.02886
E10
실시예 6		 (Y2O3)0.06(Yb2O3)0.03(ZrO2)0.91 0.03017
도 6 및 표 2를 참고하면, 750 ℃를 기준으로 이터비움 산화물이 첨가된 경우, 이터비움 산화물이 첨가되지 않은 비교예 1 대비 높은 산소 이온 전도도를 나타냄을 확인할 수 있다. 구체적으로 살펴보면, 750 ℃를 기준으로 x+y값이 0.07 내지 0.08인 경우 y값은 0.015 내지 0.03, x+y값이 0.08 내지 0.085인 경우 y값은 0.02 내지 0.03, x+y값이 0.085 내지 0.09인 경우 y값은 0.03 내지 0.04인 범위에서 0.03 S/cm 이상의 산소 이온 전도도를 확보할 수 있다. 또한, 도면 6을 참고하면 x+y가 0.085를 초과하는 경우에는 이터비움 산화물 함량이 같더라도, 산소 이온 전도도가 감소하는 경향을 보임을 확인할 수 있으며, x+y값이 0.09인 비교예 4, 실시예 5 및 실시예 6의 경우, 이터비움 산화물의 함량 증가에 따른 전도도의 상승폭이 미미한 것을 확인할 수 있다.
4. 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2의 지르코니아 전해질에 대한 750 ℃의 산소이온 전도도와 양이온 반경의 관계를 확인하고, 도 7 및 표 3으로 나타내었다.
시편종류 조성 산소 이온 전도도(S/cm) 양이온반경(Å)
E1
비교예 1		 (Y2O3)0.08(ZrO2)0.92 0.02467 0.93584
E2
비교예 2		 (Y2O3)0.07(Yb2O3)0.01(ZrO2)0.92 0.02586 0.93516
E3
실시예 1		 (Y2O3)0.06(Yb2O3)0.02(ZrO2)0.92 0.03344 0.93448
E4
실시예 2		 (Y2O3)0.05(Yb2O3)0.03(ZrO2)0.92 0.03484 0.9338
E5
비교예 3		 (Y2O3)0.075(Yb2O3)0.01(ZrO2)0.915 0.02713 0.94115
E6
실시예 3		 (Y2O3)0.065(Yb2O3)0.02(ZrO2)0.915 0.03063 0.94047
E7
실시예 4		 (Y2O3)0.055(Yb2O3)0.03(ZrO2)0.915 0.03338 0.93979
E8
비교예 4		 (Y2O3)0.08(Yb2O3)0.01(ZrO2)0.91 0.02827 0.94714
E9
실시예 5		 (Y2O3)0.07(Yb2O3)0.02(ZrO2)0.91 0.02886 0.94646
E10
실시예 6		 (Y2O3)0.06(Yb2O3)0.03(ZrO2)0.91 0.03017 0.94578
표 3 및 도 7 내지 9를 참고하면, 이트륨 산화물 + 이터비움 산화물의 함량이 같은 범위에서 양이온 반경이 작아질수록 높은 산소 이온 전도도를 나타냄을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (10)

  1. 이트륨 산화물(Y2O3) 및 이터비움 산화물(Yb2O3)이 동시에 안정화제로 치환 고용되며, 하기 화학식 1의 조성을 만족하며,
    x+y값이 0.85초과 0.09이하이며, 양이온반경이 0.94578Å이하인 범위에서 750 ℃ 기준 산소이온 전도도가 0.03 S/cm 이상인 것을 특징으로 하는 지르코니아 전해질.
    [화학식 1]
    (Y2O3)x(Yb2O3)y(ZrO2)1-x-y
    x=0.04~0.09
    y=0.03~0.04
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 Y2O3 및 Yb2O3 함량의 합이 동일한 범위에서, 양이온 반경이 작을수록 높은 산소 이온 전도도를 나타내는 것을 특징으로 하는 지르코니아 전해질.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항 및 제 4항에서 선택되는 어느 한 항의 지르코니아 전해질; 및
    상기 지르코니아 전해질의 양면에 형성된 공기극(양극)과 연료극(음극)을 포함하는 고체산화물 연료전지용 단전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 단전지는 평판형(planer-type), 원통형(tubular-type) 또는 평관형(flat-tube type) 구조인 고체산화물 연료전지용 단전지.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 단전지는 전해질 지지체형 단전지(ESC : Electrolyte supported Cell), 연료극 지지체형 단전지(ASC : Anode supported Cell), 공기극 지지체형 단전지(CSC : Cathode supported Cell) 또는 다전지식 단전지(Segment-type)인 고체산화물 연료전지용 단전지.
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