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박막공정의 융합화를 통한 초소형 고체산화물 연료전지의 제작: I. Spray Pyrolysis법으로 증착된 Ni 기반 음극과 스퍼터링으로 증착된 YSZ 전해질의 다층구조
Fabrication of Micro Solid Oxide Fuel Cell by Thin Film Processing Hybridization: I. Multilayer Structure of Sputtered YSZ Thin Film Electrolyte and Ni-Based Anodes deposited by Spray Pyrolysis 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.44 no.10 = no.305, 2007년, pp.589 - 595  

Son, Ji-Won (Center for Energy Materials Research, Korea Institute of Science and Technology) ,  Kim, Hyoung-Chul (Center for Energy Materials Research, Korea Institute of Science and Technology) ,  Kim, Hae-Ryoung (Center for Energy Materials Research, Korea Institute of Science and Technology) ,  Lee, Jong-Ho (Center for Energy Materials Research, Korea Institute of Science and Technology) ,  Lee, Hae-Weon (Center for Energy Materials Research, Korea Institute of Science and Technology) ,  Bieberle-Hutter, A. (Department of Materials Nonmetallic Inorganic Materials, ETH Honggerberg) ,  Rupp, J.L.M. (Department of Materials Nonmetallic Inorganic Materials, ETH Honggerberg) ,  Muecke, U.P. (Department of Materials Nonmetallic Inorganic Materials, ETH Honggerberg) ,  Beckel, D. (Department of Materials Nonmetallic Inorganic Materials, ETH Honggerberg) ,  Gauckler, L.J. (Department of Materials Nonmetallic Inorganic Materials, ETH Honggerberg)

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Physical properties of sputtered YSZ thin film electrolytes on anode thin film by spray pyrolisis has been investigated to realize the porous electrode and dense electrolyte multilayer structure for micro solid oxide fuel cells. It is shown that for better crystallinity and density, YSZ need to be d...

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문제 정의

  • 3.1 절에서 본 바와 같이 NiO/YSZ 구조는 증착조건의 최적화를 통한 구조 신뢰성을 얻어내기 힘들 것으로 판단되어 음극층에 NiO가 아닌 NiO-전해질 복합체를 적용하여 다층구조를 구현하고자 하였다. 실제로 본 실험에 쓰인 다층구조의 구성요소들인 유리기판, Pt 집전체, NiO, YSZ의 열팽창계수는 상온 ~800℃ 구간에서 각각 ~9, ~9, 14, 그리고 10.
  • 고온 증착공정 중 나타나는 이같은 다층구조 박막의 구조적 취약성을 피하기 위해 이번에는 후열처리를 고려한상온 증착공정으로 시편을 제작하고 그 미세구조를 관찰하였다. 상온에서 증착한 시편은 고온에서 증착한 시편과달리 육안으로 관찰되는 큰 결함은 발견되지 않았다.
  • 다공성 전극과 치밀한 전해질 막으로 구성된 다층복합체를 다양한 미세공정기법들의 융합화를 통해 구현하고자 하였다. 이를 위해 spray pyrolysis를 사용하여 다공성 음극을 형성하고 그 위에 진공증착방법인 sputtering을 이용하여 치밀한 YSZ 전해질을 입히는 실험이 수행되었다.
  • 또한 YSZ의 결정화와 NiO의 환원, 그리고 실제로 단전지의 구동 중 주어지는 열싸이클 등 전해질막에 주어지는 응력발생의 요인들을 고려하면 증착조건의 변화를 통해 asdeposited 막의 결함방생을 억제하는 것만으로는 궁극적인 대안이 될 수 없을 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 증착공정의 최적화를 추구하기보다 벌크 SOFC와 같이 YSZ에 주어지는 응력을 완화시키기 위해 음극부분을 NiO 단일상이 아닌 복합체를 사용함으로써 YSZ와의 정합성을 높여 공정 및 운전 중의 결함발생을 줄이기 위한 시도를 하였다.
  • 8妇0「6 jL 로써 NiO의 열팽창계수가 다른구성요소들과 매우 큰 차이를 보인다. 따라서 음극층을 NiO 대신 NiO-CGO20 (60:40)로 사용함으로써 열팽창계수 차이에 의한 응력발생을 최소화하고자 하였다. 본 연구에서 사용한 CGO20의 열팽창계수는 12.
  • 본 연구에서는 이러한 초소형 SOFC를 구성하기 위한 다공성 전극과 치밀성 전해질을 다양한 micro-fabrication 기법들간의 공정융합화를 통해 구현하고 그 가능성을 탐색하였다. 본 연구에서는 상대적으로 단순한 조성이면서 치밀한 구조가 요구되는 YSZ 전해질막은 진공박막증착방법인 RF sputtering으로, Ni 기반의 다공성 전극구조는 용액을 이용한 spray pyrolysis 법을 이용하여 구현하였다.
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참고문헌 (10)

  1. J. L. Hertz and H. L. Tuller, 'Electrochemical Characterization of Thin Films for a Micro-Solid Oxide Fuel Cell,' J. Electroceramics, 13 [1-3] 663-68 (2004) 

  2. J. Fleig, H. L. Tuller, and J. Maier, 'Electrodes and Electrolytes in Micro-SOFCs: a Discussion of Geometrical Constraints,' Solid State Ionics, 174 261-70 (2004) 

  3. R. O'Hayre, 'Micro Scale Electrochemistry: Application to Fuel Cells,' Ph. D. Thesis, Stanford University, Stanford, CA, 2004 

  4. A. Bieberle-Hutter, D. Beckel, U. P. Muecke, J. L. M. Rupp, A. Infortuna, and L. J. Gauckler, 'Micro-Solid Oxide Fuel Cells as Battery Replacement,' mst news, 4 [5] 12-5 (2005) 

  5. Z. Shao, S. M. Haile, J. Ahn, P. D. Ronney, Z. Zhan, and S. A. Barnett, 'A Thermally Self-Sustained Micro Solid-Oxide Fuel-Cell Stack with High Power Density,' Nature, 435 [9] 795-98 (2005) 

  6. L. R. Pederson, P. Singh, and X.-D. Zhou, 'Application of Vacuum Deposition Methods to Solid Oxide Fuel Cells,' Vacuum, 80 1066-83 (2006) 

  7. L. C. De Jonghe, C. P. Jacobson, and S. J. Visco, 'Supported Electrolyte Thin Film Synthesis of Solid Oxide Fuel Cells,' Annu. Rev. Mater. Res. 33 169-82 (2003) 

  8. J. Will, A. Mitterdorfer, C. Kleinlogel, D. Perednis, and L. J. Gauckler, 'Fabrication of Thin Electrolytes for Second- Generation Solid Oxide Fuel Cells,' Solid State Ionics, 131 79-96 (2000) 

  9. D. Beckel, U. P. Muecke, T. Gyger, G. Florey, A. Infortuna, and L. J. Gauckker, 'Electrochemical Performance of LSCF based Thin Film Cathodes Prepared by Spray Pyrolysis,' Solid State Ionics, 178 407-15 (2007) 

  10. U. P. Muecke, K. Akiba, T. Salkus, N. Stus, and L. J. Gauckler, 'Electrochemical Performance of Ni-CGO Nano- Grained Thin Film Anodes for Micro SOFCs,' ECS Transactions, 7 [1] 1617-21 (2007) 

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