고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)는 높은 효율과 다양한 환경적 이점을 가지고 있는 에너지 변환 장치이다. 전통적인 SOFC는 YSZ(yttria-stabilized zirconia)를 전해질로 사용하여 950~1000℃에서 작동하는데, 이는 950℃ 이하의 온도에서는 전해질인 YSZ의 이온 전도도가 낮기 때문이다. 그러나 이러한 높은 동작온도는 SOFC 구성요소 사이에 화학반응과 열팽창의 차이 등의 문제를 야기시킨다. 그래서 최근에는 600~800℃ 또는 그 이하의 온도에서 사용할 수 있는 SOFC의 필요성이 대두되고 있다. 낮은 온도에서의 SOFC 작동은 전해질에서의 ohmic ...
고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)는 높은 효율과 다양한 환경적 이점을 가지고 있는 에너지 변환 장치이다. 전통적인 SOFC는 YSZ(yttria-stabilized zirconia)를 전해질로 사용하여 950~1000℃에서 작동하는데, 이는 950℃ 이하의 온도에서는 전해질인 YSZ의 이온 전도도가 낮기 때문이다. 그러나 이러한 높은 동작온도는 SOFC 구성요소 사이에 화학반응과 열팽창의 차이 등의 문제를 야기시킨다. 그래서 최근에는 600~800℃ 또는 그 이하의 온도에서 사용할 수 있는 SOFC의 필요성이 대두되고 있다. 낮은 온도에서의 SOFC 작동은 전해질에서의 ohmic loss 와 전극에서의 분극 손실을 크게 한다. 그러므로 SOFC를 중간 온도 영역에서 응용하기 위해서는 전해질 막의 제작기술과 함께 고성능의 전극개발이 요구된다.
본 연구에서는 urea-combustion 방법을 이용하여 제조한 fluorite cubic 상의 Ce0.8Sm0.2O1.9(SCD) 분말을 합성하고 이들의 소결성과 소결체의 미세구조를 조사하였다. 1350℃이상에서 소성한 소결체는 상당한 결정립 성장과 함께 약 98.5%의 상대 밀도를 나타내었으며, 공기 중의 800℃에서 측정시 0.082S‧㎝-1의 이온 전도도를 나타내었다. 그러나 550℃ 이상의 N2+33.3%H2의 분위기에서는 공기 중과 달리 SDC 임피던스에 뚜렷한 Warburg 특성과 함께 전체 전도도가 증가하였는데, 그것은 환원 분위기에서 생성한 혼합된 Ce4+/Ce3+에 의한 전자 전도의 영향 때문이다.
Urea-combustion 방법을 이용하여 NiO-SDC (Samaria-doped ceria) 복합분말을 합성하였으며, Ni-SDC 서멧의 구조, 전기 전도도, 열팽창 및 기계적 특성을 Ni의 부피 함량에 따라 조사하였다. NiO-SDC 분말을 1200~1300℃의 공기 중에서 4 시간 소성하고, 60%N2 + 40%H2 분위기의 800℃에서 2시간 환원하여 제조한 시편의 두 성분 사이에 화학반응은 일어나지 않았으며, SDC와 Ni가 균질하게 분포하고 잘 연결된 다공성 미세구조를 보여 주었다. Ni-SDC 서멧의 개기공율, 전기 전도도, 열팽창 특성 및 굽힘 강도는 Ni의 함량에 매우 민감하였다. 50~60 vol% 의 Ni가 포함된 Ni-SDC 서멧이 최적의 조성임을 확인하였다. 이 조성들은 30% 이상의 기공율과 중간 온도 영역인 600~800℃에서 1000S/ ㎝ 이상의 높은 전기 전도도, 100℃~ 800℃에서 12.6~13.5Ⅹ10-6의 적절한 열팽창율, 그리고 약 100MPa 의 굽힘 강도를 나타내었다.
Slurryspin coating법을 이용하여 YSZ 소결체 기판 위에 IT-SOFC 용 음극인 Ni-SDC 박막을 제조하였다. NiO-SDC powder의 하소 온도가 Ni-SDC 음극의 미세구조와 전기 화학적 특성에 크게 영향을 미쳤다. 1000℃에서 하소한 powder를 이용하여 10㎛의 50 vol% Ni-SDC 박막을 YSZ 기판 위에 coating하여 삼극 반쪽전지를 제작하여 전기 화학적 특성을 조사하였다. Ni-SDC 음극은 800℃의 60%N2+40%H2 분위기에서 0.11Ω‧㎠의 분극 저항, 33.1 mV의 overpotential 및 200 mA‧㎝-2의 전류 밀도를 보였다. Ni vol%에 따라 현저하게 영향을 받는 Ni-Ni, SDC-SDC, Ni-SDC 사이의 연결성은 Ni 입자의 표면에서의 수소의 흡착/확산 과정과 SDC 전해질을 통한 전하의 이동을 포함하여 Ni-SDC음극의 전기화학적 특성을 지배하게 된다.
Ni-SDC 음극 위에 slurry spin coating 법을 이용하여 SDC 전해질 막과 LSCF양극을 coating 하였다. 음극의 기공율을 조정하기 위하여 corn starch를 pore former로 사용하였다. Corn starch 함량이 cell의 Rp를 감소시키고 Rohm을 증가시키는 등의 cell 성능에 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 시편의 최대 전력밀도는 corn starch 함량이 증가함에 증가하였다. 그러나 cell 성능과 기계적 강도로부터 얻은 최적의 조성은 corn starch가 15 wt%인 Ni-SDC 음극으로 측정 온도 500, 550, 600℃에서 각각 221, 408, 606mW‧㎝-2의 전력밀도 값을 얻었다.
이전에 발표되었던 논문들에 비하여, 본 연구에서 상대적으로 높은 15-Ni-SDC cell의 Rohm의 값은 corn starch 첨가로 인한 Ni-SDC와 SDC 사이의 계면 접촉 저항에 의한 것으로 확인되었다. 그러나 Ni-SDC의 뛰어난 Rp는 적절한 기공율과 균질한 미세구조에 의해 비록 Rohm 값이 높더라도 우수한 cell 성능을 보인 것으로 생각된다.
고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)는 높은 효율과 다양한 환경적 이점을 가지고 있는 에너지 변환 장치이다. 전통적인 SOFC는 YSZ(yttria-stabilized zirconia)를 전해질로 사용하여 950~1000℃에서 작동하는데, 이는 950℃ 이하의 온도에서는 전해질인 YSZ의 이온 전도도가 낮기 때문이다. 그러나 이러한 높은 동작온도는 SOFC 구성요소 사이에 화학반응과 열팽창의 차이 등의 문제를 야기시킨다. 그래서 최근에는 600~800℃ 또는 그 이하의 온도에서 사용할 수 있는 SOFC의 필요성이 대두되고 있다. 낮은 온도에서의 SOFC 작동은 전해질에서의 ohmic loss 와 전극에서의 분극 손실을 크게 한다. 그러므로 SOFC를 중간 온도 영역에서 응용하기 위해서는 전해질 막의 제작기술과 함께 고성능의 전극개발이 요구된다.
본 연구에서는 urea-combustion 방법을 이용하여 제조한 fluorite cubic 상의 Ce0.8Sm0.2O1.9(SCD) 분말을 합성하고 이들의 소결성과 소결체의 미세구조를 조사하였다. 1350℃이상에서 소성한 소결체는 상당한 결정립 성장과 함께 약 98.5%의 상대 밀도를 나타내었으며, 공기 중의 800℃에서 측정시 0.082S‧㎝-1의 이온 전도도를 나타내었다. 그러나 550℃ 이상의 N2+33.3%H2의 분위기에서는 공기 중과 달리 SDC 임피던스에 뚜렷한 Warburg 특성과 함께 전체 전도도가 증가하였는데, 그것은 환원 분위기에서 생성한 혼합된 Ce4+/Ce3+에 의한 전자 전도의 영향 때문이다.
Urea-combustion 방법을 이용하여 NiO-SDC (Samaria-doped ceria) 복합분말을 합성하였으며, Ni-SDC 서멧의 구조, 전기 전도도, 열팽창 및 기계적 특성을 Ni의 부피 함량에 따라 조사하였다. NiO-SDC 분말을 1200~1300℃의 공기 중에서 4 시간 소성하고, 60%N2 + 40%H2 분위기의 800℃에서 2시간 환원하여 제조한 시편의 두 성분 사이에 화학반응은 일어나지 않았으며, SDC와 Ni가 균질하게 분포하고 잘 연결된 다공성 미세구조를 보여 주었다. Ni-SDC 서멧의 개기공율, 전기 전도도, 열팽창 특성 및 굽힘 강도는 Ni의 함량에 매우 민감하였다. 50~60 vol% 의 Ni가 포함된 Ni-SDC 서멧이 최적의 조성임을 확인하였다. 이 조성들은 30% 이상의 기공율과 중간 온도 영역인 600~800℃에서 1000S/ ㎝ 이상의 높은 전기 전도도, 100℃~ 800℃에서 12.6~13.5Ⅹ10-6의 적절한 열팽창율, 그리고 약 100MPa 의 굽힘 강도를 나타내었다.
Slurry spin coating법을 이용하여 YSZ 소결체 기판 위에 IT-SOFC 용 음극인 Ni-SDC 박막을 제조하였다. NiO-SDC powder의 하소 온도가 Ni-SDC 음극의 미세구조와 전기 화학적 특성에 크게 영향을 미쳤다. 1000℃에서 하소한 powder를 이용하여 10㎛의 50 vol% Ni-SDC 박막을 YSZ 기판 위에 coating하여 삼극 반쪽전지를 제작하여 전기 화학적 특성을 조사하였다. Ni-SDC 음극은 800℃의 60%N2+40%H2 분위기에서 0.11Ω‧㎠의 분극 저항, 33.1 mV의 overpotential 및 200 mA‧㎝-2의 전류 밀도를 보였다. Ni vol%에 따라 현저하게 영향을 받는 Ni-Ni, SDC-SDC, Ni-SDC 사이의 연결성은 Ni 입자의 표면에서의 수소의 흡착/확산 과정과 SDC 전해질을 통한 전하의 이동을 포함하여 Ni-SDC음극의 전기화학적 특성을 지배하게 된다.
Ni-SDC 음극 위에 slurry spin coating 법을 이용하여 SDC 전해질 막과 LSCF양극을 coating 하였다. 음극의 기공율을 조정하기 위하여 corn starch를 pore former로 사용하였다. Corn starch 함량이 cell의 Rp를 감소시키고 Rohm을 증가시키는 등의 cell 성능에 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 시편의 최대 전력밀도는 corn starch 함량이 증가함에 증가하였다. 그러나 cell 성능과 기계적 강도로부터 얻은 최적의 조성은 corn starch가 15 wt%인 Ni-SDC 음극으로 측정 온도 500, 550, 600℃에서 각각 221, 408, 606mW‧㎝-2의 전력밀도 값을 얻었다.
이전에 발표되었던 논문들에 비하여, 본 연구에서 상대적으로 높은 15-Ni-SDC cell의 Rohm의 값은 corn starch 첨가로 인한 Ni-SDC와 SDC 사이의 계면 접촉 저항에 의한 것으로 확인되었다. 그러나 Ni-SDC의 뛰어난 Rp는 적절한 기공율과 균질한 미세구조에 의해 비록 Rohm 값이 높더라도 우수한 cell 성능을 보인 것으로 생각된다.
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