고체산화물연료전지 음극 지지체 즉 연료극 지지체와 음극기능층은 전기전도도가 높고, 전기화학 반응이 일어나는 충분한 삼상계면(Ni-YSZ-기공)을 가져야 하며, 열팽창계수의 적합성, 고온에서의 구조적 그리고 미세구조적 안정성, 연료가스와 ...
고체산화물연료전지 음극 지지체 즉 연료극 지지체와 음극기능층은 전기전도도가 높고, 전기화학 반응이 일어나는 충분한 삼상계면(Ni-YSZ-기공)을 가져야 하며, 열팽창계수의 적합성, 고온에서의 구조적 그리고 미세구조적 안정성, 연료가스와 반응물질의 높은 기체투과율 등의 특성들이 요구된다.
다공성 Ni-YSZ 복합체가 현재로서는 가장 많이 사용되는 음극재료이며 또한 지지체 재료로써 제조 시 가스의 통로 역할을 할 충분한 기공의 형성을 위해 별도로 첨가하는 기공형성제의 크기와 형상에 따라 음극지지체의 기공의 평균 크기, 분포 형태에 영향을 미치며 이는 전기적, 기계적 특성에 직결된다.
본 연구에서는 연료전지 음극지지체에 다양한 기공형성제와 제조방법을 적용하여 Ni과, YSZ 각 상의 연결도를 증가시키고 미세구조를 균일화하여 기존의 방법에 비해 특성을 증진시키는 데에 목적을 두고 환원 후 최종 기공도 40%와 소결 시 수축률 22%를 목표로 하여 각 공정에서의 복합분말의 혼합비, 기공형성제의 첨가량, 그리고 가소결 온도 및 시간을 조절하면서 공정에 따른 최적의 조성과 가소결 조건을 결정하였다. 기계적 합금 분말과 습식 밀링 분말의 복합분말로 제조한 시편, Ni hydroxide 또는 carbonate/hydroxide의 분해로 별도의 기공형성제 없이 제조한 시편, 그리고 Graphite와 PMMA를 기공형성제로 적용하여 제조한 시편 모두 40% 내외의 기공도와 22%의 소결 수축률을 달성 할 수 있었다. 가소결 단계에서 표면에 크랙을 형성하며 40 MPa 내외의 낮은 굽힘 강도를 나타낸 Ni hydroxide를 첨가한 조성의 시편을 제외하고 대체적으로 100 MPa 이상의 굽힘 강도와 1000 S/cm이상의 작동온도 대역에서의 전기전도도를 나타내어 충분히 연료전지 음극지지체로 적용 가능한 특성을 보였다. 기계적 합금 분말과 습식 밀링 분말의 복합분말로 제조한 시편이 1266 S/cm(at 750℃), 4293 S/cm(at R.T.), 그리고 0.143 cm2/cmH2O·min로 40% 내외의 기공률과 22%내외의 수축률을 만족하는 여러 가지 방법으로 제조한 음극지지체 중 가장 높은 전기전도도와 가스 투과도를 나타냈다.
고체산화물연료전지 음극 지지체 즉 연료극 지지체와 음극기능층은 전기전도도가 높고, 전기화학 반응이 일어나는 충분한 삼상계면(Ni-YSZ-기공)을 가져야 하며, 열팽창계수의 적합성, 고온에서의 구조적 그리고 미세구조적 안정성, 연료가스와 반응물질의 높은 기체투과율 등의 특성들이 요구된다.
다공성 Ni-YSZ 복합체가 현재로서는 가장 많이 사용되는 음극재료이며 또한 지지체 재료로써 제조 시 가스의 통로 역할을 할 충분한 기공의 형성을 위해 별도로 첨가하는 기공형성제의 크기와 형상에 따라 음극지지체의 기공의 평균 크기, 분포 형태에 영향을 미치며 이는 전기적, 기계적 특성에 직결된다.
본 연구에서는 연료전지 음극지지체에 다양한 기공형성제와 제조방법을 적용하여 Ni과, YSZ 각 상의 연결도를 증가시키고 미세구조를 균일화하여 기존의 방법에 비해 특성을 증진시키는 데에 목적을 두고 환원 후 최종 기공도 40%와 소결 시 수축률 22%를 목표로 하여 각 공정에서의 복합분말의 혼합비, 기공형성제의 첨가량, 그리고 가소결 온도 및 시간을 조절하면서 공정에 따른 최적의 조성과 가소결 조건을 결정하였다. 기계적 합금 분말과 습식 밀링 분말의 복합분말로 제조한 시편, Ni hydroxide 또는 carbonate/hydroxide의 분해로 별도의 기공형성제 없이 제조한 시편, 그리고 Graphite와 PMMA를 기공형성제로 적용하여 제조한 시편 모두 40% 내외의 기공도와 22%의 소결 수축률을 달성 할 수 있었다. 가소결 단계에서 표면에 크랙을 형성하며 40 MPa 내외의 낮은 굽힘 강도를 나타낸 Ni hydroxide를 첨가한 조성의 시편을 제외하고 대체적으로 100 MPa 이상의 굽힘 강도와 1000 S/cm이상의 작동온도 대역에서의 전기전도도를 나타내어 충분히 연료전지 음극지지체로 적용 가능한 특성을 보였다. 기계적 합금 분말과 습식 밀링 분말의 복합분말로 제조한 시편이 1266 S/cm(at 750℃), 4293 S/cm(at R.T.), 그리고 0.143 cm2/cmH2O·min로 40% 내외의 기공률과 22%내외의 수축률을 만족하는 여러 가지 방법으로 제조한 음극지지체 중 가장 높은 전기전도도와 가스 투과도를 나타냈다.
SOFC anode support should satisfy the following characteristic requirements; high electric conductivity, enough three-phase boundaries for electrochemical reactions, fitness of thermal expansion coefficient, structural stability at high temperature, and high gas permeability of fuel gas ...
SOFC anode support should satisfy the following characteristic requirements; high electric conductivity, enough three-phase boundaries for electrochemical reactions, fitness of thermal expansion coefficient, structural stability at high temperature, and high gas permeability of fuel gas and reactants. Today porous Ni-YSZ composites are most used as anode material. The mean pore size, and distribution, and form of anode support depend on the size and shape of a pore former, which is added to create a pore that is big enough to serve as the gas channel as a support material, having direct connections with electric and mechanical characteristics. The purpose of this study was to enhance the characteristics of Ni and YSZ by increasing each of their connectivity and homogenize their microstructures based on the application of various pore formers and fabricating methods to the anode supports of fuel cells. Under the goals of 40% of final porosity after reduction and 22% of sintering shrinkage, the investigator regulated the mixture ratio of composite powder, amount of pore formers to be added, and pre-sintering temperature and time in each process to determine the optimal composition and pre-sintering condition for each process. As a result, the specimen of composite powder between mechanical alloyed powder and wet milling powder, the specimen made with no pore former based on the decomposition of Ni hydroxide or carbonate/hydroxide, and the sample made with such pore formers as graphite and PMMA all achieved porosity of around 40% and sintering shrinkage of 22%. All the specimens showed flexural strength of 100 MPa or higher and electric conductivity in the range of 1000 S/cm operational temperature and thus demonstrated enough applicability as the anode supports of fuel cells except for the specimen to which Ni hydroxide was added because it had cracks on its surface in the pre-sintering step and recorded low flexural strength of around 40 MPa. The sample made with composite powder between mechanical alloyed powder and wet milling powder recorded the highest electric conductivity and gas permeability of 1266 S/cm, 4293 S/cm and 0.143 cm2/cmH2O·min, respectively, of the anode supports made in various methods that satisfied the requirements of about 40% porosity and 22% shrinkage.
SOFC anode support should satisfy the following characteristic requirements; high electric conductivity, enough three-phase boundaries for electrochemical reactions, fitness of thermal expansion coefficient, structural stability at high temperature, and high gas permeability of fuel gas and reactants. Today porous Ni-YSZ composites are most used as anode material. The mean pore size, and distribution, and form of anode support depend on the size and shape of a pore former, which is added to create a pore that is big enough to serve as the gas channel as a support material, having direct connections with electric and mechanical characteristics. The purpose of this study was to enhance the characteristics of Ni and YSZ by increasing each of their connectivity and homogenize their microstructures based on the application of various pore formers and fabricating methods to the anode supports of fuel cells. Under the goals of 40% of final porosity after reduction and 22% of sintering shrinkage, the investigator regulated the mixture ratio of composite powder, amount of pore formers to be added, and pre-sintering temperature and time in each process to determine the optimal composition and pre-sintering condition for each process. As a result, the specimen of composite powder between mechanical alloyed powder and wet milling powder, the specimen made with no pore former based on the decomposition of Ni hydroxide or carbonate/hydroxide, and the sample made with such pore formers as graphite and PMMA all achieved porosity of around 40% and sintering shrinkage of 22%. All the specimens showed flexural strength of 100 MPa or higher and electric conductivity in the range of 1000 S/cm operational temperature and thus demonstrated enough applicability as the anode supports of fuel cells except for the specimen to which Ni hydroxide was added because it had cracks on its surface in the pre-sintering step and recorded low flexural strength of around 40 MPa. The sample made with composite powder between mechanical alloyed powder and wet milling powder recorded the highest electric conductivity and gas permeability of 1266 S/cm, 4293 S/cm and 0.143 cm2/cmH2O·min, respectively, of the anode supports made in various methods that satisfied the requirements of about 40% porosity and 22% shrinkage.
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