청정에너지의 중요성이 부각됨에 따라 수소연료를 활용한 고효율, 무공해 전력 공급원인 연료전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 연료전지는 전기화학 반응에 의한 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치로 자동차, 우주항공, 산업 및 가정용 발전 등에 적용할 수 있는 잠재력이 있다. 최근 재료 및 에너지 변환공정 차원에서 바람직한 $200{\sim}500^{\circ}C$의 온도범위에서 작동하는 중온형 연료전지에 대한 새로운 인식과 이 온도범위에서 사용 가능한 수소이온 전도성 물질의 개발 필요성이 요구되고 있다. 본 논문은 고체 수소이온 전도체의 특성과 기술 현황을 소개하고, perovskite형 고체 무기 산화물을 이용한 중온형 연료전지 응용에 관한 연구에 대하여 고찰하였다.
청정에너지의 중요성이 부각됨에 따라 수소연료를 활용한 고효율, 무공해 전력 공급원인 연료전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 연료전지는 전기화학 반응에 의한 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치로 자동차, 우주항공, 산업 및 가정용 발전 등에 적용할 수 있는 잠재력이 있다. 최근 재료 및 에너지 변환공정 차원에서 바람직한 $200{\sim}500^{\circ}C$의 온도범위에서 작동하는 중온형 연료전지에 대한 새로운 인식과 이 온도범위에서 사용 가능한 수소이온 전도성 물질의 개발 필요성이 요구되고 있다. 본 논문은 고체 수소이온 전도체의 특성과 기술 현황을 소개하고, perovskite형 고체 무기 산화물을 이용한 중온형 연료전지 응용에 관한 연구에 대하여 고찰하였다.
Because of an emerging importance of clean energy, fuel cells are attract more attention due to their ability to produce high efficient power without any harmful emission. Fuel cells are energy conversion device with directly convert chemical energy into electrical energy by the chemical reactions, ...
Because of an emerging importance of clean energy, fuel cells are attract more attention due to their ability to produce high efficient power without any harmful emission. Fuel cells are energy conversion device with directly convert chemical energy into electrical energy by the chemical reactions, which have potential applications in automobile, spacecraft, stationary, industrial and home appliances. Recently there are gaining demand to develop an intermediate temperature fuel cell and available proton conductors at $200{\sim}500^{\circ}C$, which promising operating temperatures range for both material science and energy conversion processes. In this paper, we have reviewed electrochemical properties and current technology of solid state proton conductors. In addition, development of intermediate temperature fuel cell using the perovskite-type solid protonic conductor is also discussed.
Because of an emerging importance of clean energy, fuel cells are attract more attention due to their ability to produce high efficient power without any harmful emission. Fuel cells are energy conversion device with directly convert chemical energy into electrical energy by the chemical reactions, which have potential applications in automobile, spacecraft, stationary, industrial and home appliances. Recently there are gaining demand to develop an intermediate temperature fuel cell and available proton conductors at $200{\sim}500^{\circ}C$, which promising operating temperatures range for both material science and energy conversion processes. In this paper, we have reviewed electrochemical properties and current technology of solid state proton conductors. In addition, development of intermediate temperature fuel cell using the perovskite-type solid protonic conductor is also discussed.
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문제 정의
그러나 아직 연구되지 않은 물질계가 많이 존재하고 수소이온 전도에 관한 기본 메커니즘이 해가 미비하여 수소이온 전도체로서 전해질 개발과 함께 이론에 대한 제반 연구도 함께 수행되어야 한다.25-3。)본 논문은 고체 수소이온 전도체를 유기 및 무기물 중심으로 구분하여 개발 현황과 전기화학적 특성을 설명하고, BaZr(Y)O3 박막을 이용한 중온형 연료전지 개발 가능성에 대해 고찰 하고자 한다.
불소수지계 고분자 막에 무기물을 첨가하여 유무기 복합막을 만들거나 열적 안정성이 우수한 탄화수소계 고분자를 활용하여 연료전지의 작동온도를 높이는 기술이 보고되고 있다. 본 논문에서는 치밀한 박막을 쉽게 제조할 수 있는 화학적 침전법을 사용하여 다공성 니켈 지지체 위에 BaZr(Y)O3 막을 제조하여 수소이온 전도도와 단위 전지 성능을 측정하였다. BaZr(Y)O3은 수소이온 전도성 무기 산화물 중 이온 전도도가 높고 화학적 안정성이 우수하다.
끌 것으로 생각된다. 본 실험은 중온형 연료전지 개발을 위해 다공성 금속 위에 BaZr(Y)C)3 perovskite 수소이온 전도체를 박막화하는 연구를 하였다.
가설 설정
수소이온 전도도가 나타난다.22)Perovskite 산화물내 수소이온 전도에는 2가지 메커니즘이 존재한다. 하나는 Grotthus- mechanism이라 부르는 것으두- 수소이온이 인접 산소 이온으로 옮겨감으로 전달되는 것이고, 다른 하나는 vehicle-mechanism0] 라 하여 수산화 이온이 움직이는 방법이다.
17. SEM images of a) cross-section and b) surface of perovskite thin film on Ni substrate.
제안 방법
2 mm) 위에 뿌린 후 &TC로 24시간 건조하여 막 양쪽에 위치시켜 막/전극(MEA) 구성도이다. 구성한 MEA를 티타늄으로 가공한 셀에 장착한 후 기체간 직접 반응을 방지하기 위해 고온형 sealant를 사용하여 밀봉하였다. 가습시킨 수소와 산소를 50 cc/min으로 anode와 cathode에 공급하였고 실온에서부터 280。0까지 다양한 온도에서 성능을 측정하였다.
가습시킨 수소와 산소를 50 cc/min으로 anode와 cathode에 공급하였고 실온에서부터 280。0까지 다양한 온도에서 성능을 측정하였다. 측정장비는 전원공급장치 (Agilent 6060B)와 멀티미터 (keithley 2000)를 연결하여 단위전지에서 발생하는 전류를 측정하였다. Fig.
대상 데이터
9%, Aldrich) 시약을 각각 2- methoxyethanol, acetic acid, 2-methoxyethanol 용매로 녹인 후 혼합하여 만들었다. 이 용액을 화학적 침전법으로 다공성 니켈 지지체 위에 코팅 후 열처리(650。(2/2血) 과정을 반복하여일정 두께의 perovskite 박막을 제조하였다 제조한 BaZr(Y)O3 용액은 6개월 이상 침전현상 없이 투명하고 안정한 용액 상태를 유지하였다. Fig.
x)perovskite 박막을 다공성 니켈 지지체 위에 만드는 순서를 도시하였다. BaZr(Y)O3 용액은 zirconium propoxide (70% in propanol, Fluka), barium acetate (99%, Junsei), yttrium nitrate (99.9%, Aldrich) 시약을 각각 2- methoxyethanol, acetic acid, 2-methoxyethanol 용매로 녹인 후 혼합하여 만들었다. 이 용액을 화학적 침전법으로 다공성 니켈 지지체 위에 코팅 후 열처리(650。(2/2血) 과정을 반복하여일정 두께의 perovskite 박막을 제조하였다 제조한 BaZr(Y)O3 용액은 6개월 이상 침전현상 없이 투명하고 안정한 용액 상태를 유지하였다.
데이터처리
제조한 perovskite 전해질 막의 수소이온 전도 특성을 평가하기 위해 Gamry사 EIS300 전기화학분석 장치를 사용하여 임피던스 분석을 하였다. Fig.
성능/효과
Bemay와 그 동료들은 PEMFC와 SOFC가 충분한 출력밀도를 가지고 있어 연료전지 자동차에 적용될 수 있다고 추천했다.2)PEMFC는 수소저장기를 탑재할 경우 우수한 연료전지이나 개질기와 함께 쓰기에는 적합하지 않다. PEMFC와 개질기가 서로 다른 운전 온도를 가지고 있기 때문이다.
높은 대칭성과 큰 격자 상수는 수소이온 결함 생성에 유리하며 우수한 bulk 전도도를 나타내고, 전도에 대한 활성화에너지를 낮추는 효과를 동시에 나타낼 수 있을 것으로 예상된다.2分 더욱이 Y3+doped BaZrO3 구조 산화물은 Cesuim계 산화물(BaCeQ, SrCeCh)과 달리 높은 전도도 함께 이산화탄소에 대한 화학적 안정성이 뛰어나 300℃ 이상의 온도에서도 공기 중에 포함된 CO2에 의해 분해되지 않고 안정하게 존재할 수 있다. 그러나 이들 화합물 입자간 높은 경계 저항에 의한 반발성 때문에 치밀한 전해질 막을 만드는 것은 쉽지 않다「)
17은 막의 단면과 표면을 SEM으로 관찰한 것이다. 매우 치밀한 구조의 박막 (두께: 20|im)이 지지체 위에 미세균열이나 핀홀 현상 없이 형성되었음을 확인할 수 있었다. Fig.
Dow Chemcial 사와 Asahi Chemical 사는 Naf血!므扌게 비해 짧은 측쇄와 술폰화도를 높인 막을 제조하여 막의 전도도를 개선하였고, 결과적으로 Fig. 4에서 보듯이 연료전지 성능을 상당 부분 향상시킬 수 있었다.»
14는 BaCe(Y)O3 perovskite 구조 산화물을 사용하여 400℃, 600。(3에서 연료전지 성능을 측정한 그래프이다. 이 그래프에서 볼 수 있듯이 무기산화물 수소이온 전도체 연료전지의 성능이 일반적인 PEMFC 성능 보다 높고, SOFC와 견줄만한 결과를 얻을 수 있음을 볼 수 있다.
후속연구
개발 가능성이 매우 크다. 그러나 아직 연구되지 않은 물질계가 많이 존재하고 수소이온 전도에 관한 기본 메커니즘이 해가 미비하여 수소이온 전도체로서 전해질 개발과 함께 이론에 대한 제반 연구도 함께 수행되어야 한다.25-3。)본 논문은 고체 수소이온 전도체를 유기 및 무기물 중심으로 구분하여 개발 현황과 전기화학적 특성을 설명하고, BaZr(Y)O3 박막을 이용한 중온형 연료전지 개발 가능성에 대해 고찰 하고자 한다.
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