고체산화물연료전지(SOFC)는 청정에너지기술로써 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환한다. SOFC는 열병합발전과 결합하여 80%이상의 효율을 올릴 수 있으며 천연가스와 바이오가스 등 연료에 대한 융통성이 폴리머전해질막연료전지(PEMFC)보다 높다. YSZ전해질과 함께 SOFC에 주로 채용되는 공기극 재료는 아직까지 Sr이 첨가된 $LaMnO_3$(LSM)이다. LSM 이외에, 혼합전도성을 가지는 페로브스카이트로서 Sr첨가 $LaCoO_3$(LSCo), $LaFeO_3$(LSF), $LaFe_{0.8}Co_{0.2}O_3$(LSCF)는 공기극 임피던스가 LSM에 비해 현저히 낮아 연구가 증가하고 있다. 그러나 SOFC전극의 소결온도에서 YSZ과 고체반응을 일으키는 문제점과 열팽창 계수가 YSZ와 격차가 크게 나는 문제점 때문에 전극 제조가 복잡하다. 따라서 전해질과의 화학적 안정성 및 유사한 열팽창계수(TEC)를 가지면서 우수한 전기화학활성을 제공하는 것이 해결해야할 중요한 문제로 남는다.
고체산화물연료전지(SOFC)는 청정에너지기술로써 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환한다. SOFC는 열병합발전과 결합하여 80%이상의 효율을 올릴 수 있으며 천연가스와 바이오가스 등 연료에 대한 융통성이 폴리머전해질막연료전지(PEMFC)보다 높다. YSZ전해질과 함께 SOFC에 주로 채용되는 공기극 재료는 아직까지 Sr이 첨가된 $LaMnO_3$(LSM)이다. LSM 이외에, 혼합전도성을 가지는 페로브스카이트로서 Sr첨가 $LaCoO_3$(LSCo), $LaFeO_3$(LSF), $LaFe_{0.8}Co_{0.2}O_3$(LSCF)는 공기극 임피던스가 LSM에 비해 현저히 낮아 연구가 증가하고 있다. 그러나 SOFC전극의 소결온도에서 YSZ과 고체반응을 일으키는 문제점과 열팽창 계수가 YSZ와 격차가 크게 나는 문제점 때문에 전극 제조가 복잡하다. 따라서 전해질과의 화학적 안정성 및 유사한 열팽창계수(TEC)를 가지면서 우수한 전기화학활성을 제공하는 것이 해결해야할 중요한 문제로 남는다.
A solid oxide fuel cells(SOFC) is a clean energy technology which directly converts chemical energy to electric energy. When the SOFC is used in cogeneration then the efficiency can reach higher than 80%. Also, it has flexibility in using various fuels like natural gases and bio gases, so it has an ...
A solid oxide fuel cells(SOFC) is a clean energy technology which directly converts chemical energy to electric energy. When the SOFC is used in cogeneration then the efficiency can reach higher than 80%. Also, it has flexibility in using various fuels like natural gases and bio gases, so it has an advantage over polymer electrolyte membrane fuel cells in terms of fuel selection. A typical cathode material of the SOFC in conjunction with yttria stabilized zirconia(YSZ) electrolyte is still Sr-doped $LaMnO_3$(LSM). Recently, application of mixed electronic and ionic conducting perovskites such as Sr-doped $LaCoO_3$(LSCo), $LaFeO_3$(LSF), and $LaFe_{0.8}Co_{0.2}O_3$(LSCF) has drawn much attention because these materials exhibit lower electrode impedance than LSM. However, chemical reaction occurs at the manufacturing temperature of the cathode when these materials directly contact with YSZ. In addition, thermal expansion coefficient(TEC) mismatch with YSZ is also a significant issue. It is important, therefore, to develop cathode materials with good chemical stability and matched TEC with the SOFC electrolyte, as well as with high electrochemical activity.
A solid oxide fuel cells(SOFC) is a clean energy technology which directly converts chemical energy to electric energy. When the SOFC is used in cogeneration then the efficiency can reach higher than 80%. Also, it has flexibility in using various fuels like natural gases and bio gases, so it has an advantage over polymer electrolyte membrane fuel cells in terms of fuel selection. A typical cathode material of the SOFC in conjunction with yttria stabilized zirconia(YSZ) electrolyte is still Sr-doped $LaMnO_3$(LSM). Recently, application of mixed electronic and ionic conducting perovskites such as Sr-doped $LaCoO_3$(LSCo), $LaFeO_3$(LSF), and $LaFe_{0.8}Co_{0.2}O_3$(LSCF) has drawn much attention because these materials exhibit lower electrode impedance than LSM. However, chemical reaction occurs at the manufacturing temperature of the cathode when these materials directly contact with YSZ. In addition, thermal expansion coefficient(TEC) mismatch with YSZ is also a significant issue. It is important, therefore, to develop cathode materials with good chemical stability and matched TEC with the SOFC electrolyte, as well as with high electrochemical activity.
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문제 정의
이 논문은 SOFC 전극 재료의 전기화학 성질과 열 기계적 성질, 산소이온과 전자 이동 성질 및 재료과학 인자들 사이의 상호작용들을 분석한다. 셀 조성의 표면 변화 및 전극과 고체 전해질 사이의 열화 현상에 대해서도 검토한다. 이 글에서 참고한 문헌은 상이한 전극 재료 사이의 차이점을 부각하기 위하여 지난 10년부터 발표된 논문을 주로 분석하면서 최근의 연구동향을 위주로 선정하였다.
이 논문은 SOFC 전극 재료의 전기화학 성질과 열 기계적 성질, 산소이온과 전자 이동 성질 및 재료과학 인자들 사이의 상호작용들을 분석한다. 셀 조성의 표면 변화 및 전극과 고체 전해질 사이의 열화 현상에 대해서도 검토한다.
SOFC 양극재료는 가장 선호하는 재료를 분류하여 LSM, 페라이트, 코발타이트 및 LSCF을 집중 분석한다. 전극의 제조방법은 전극의 성능에 결정적 영향을 미치는 점을 고려하여 전극 제조방법 중에서 대표적인 것을 또한 발췌하여 기술한다.
제안 방법
다른 전해질은 SOFC의 운전 조건에 적용하기는 불안정성과 불충분한 이온 전도 때문에 아직 의심스러운 점이 있다. SOFC 양극재료는 가장 선호하는 재료를 분류하여 LSM, 페라이트, 코발타이트 및 LSCF을 집중 분석한다. 전극의 제조방법은 전극의 성능에 결정적 영향을 미치는 점을 고려하여 전극 제조방법 중에서 대표적인 것을 또한 발췌하여 기술한다.
비활성화의 원인을 SEM으로 조사하였는데, Fig. 4에 보인바와 같이 LSF 결정체에 의미 있는 소결체가나타났다. Fig.
전극 거동에 대한 데이터는 SOFC에 실제 적용되는 ZrO2-,W CeO2-, LaGaO3-와 La10Si6O27-기반 전해질의 전기화학 셀의 거동을 주로 분석한다. 다른 전해질은 SOFC의 운전 조건에 적용하기는 불안정성과 불충분한 이온 전도 때문에 아직 의심스러운 점이 있다.
대상 데이터
셀 조성의 표면 변화 및 전극과 고체 전해질 사이의 열화 현상에 대해서도 검토한다. 이 글에서 참고한 문헌은 상이한 전극 재료 사이의 차이점을 부각하기 위하여 지난 10년부터 발표된 논문을 주로 분석하면서 최근의 연구동향을 위주로 선정하였다. SOFC의 음극재료에 관한 분석논문은 필자의 “고체산화물연료전지 애노드의 재료개발 동향”(에너지공학, 제19권 2호, 2010)을 참조 바란다
성능/효과
XRD, SEM 및 BET 표면적 측정으로 확인한 것은 YSZ 얼개에 코팅된 LSM은 소결온도를 850℃에서 1,050℃로 올릴 때 극적인 변화를 보여주었다. 850℃에서의 소결은 LSM-YSZ 복합재료의 표면적이 YSZ 얼개보다 수배 더 높으면서 많은 다공성을 보여주었다. 1,050℃ 이상에서의 소결은 LSM이 YSZ 얼개에 치밀하게 코팅되었으며 YSZ 얼개의 표면적보다 더 낮았다.
50에서 관찰되었다 [32]. Ln사이트에 빈자리를 도입하면 Ln/A비, 온도, 산소압에 따르는 양이온 결함의 효과가 있으나 이온과 전자 이동은 자주 감소하는 경향을 보였다. 더구나 상응하는 전기/구조적 데이터는 합성조건, 이전경로, 미세구조에 의해 영향을 받을 수도 있는데, 이것은 망가나이트와 페라이트에 견주어, 코발타이트 페로브스카이트가 낮은 열역학 안정성과 양이온 비화학양론에 대하여 융통성이 덜하기 때문이다 [33].
1O3에 대하여 다공성 YSZ에 침윤법으로 공기극 재료를 도입하여 높은 전도도 등의 좋은 성능을 제공한다고 보고하였다 [13]. 이러한 결과들은 LSF-YSZ 복합재료가 우수한 SOFC 공기극이 될 수 있다는 것을 시사한다.
후속연구
침윤 LSM 나노입자에 대한 Sholklapper 등의 연구는 650℃에서 500시간 안정하였다 [14]. 그러나 앞으로 LSM-YSZ 복합재료가 650℃보다 높은 온도와 장시간의 운전에서의 안전여부는 더 많은 시험이 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고체산화물연료전지란?
고체산화물연료전지(SOFC)는 청정에너지기술로써 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환한다. SOFC는 전기효율이 45-50%에 이르는데 고온으로 운전되기 때문에 열병합발전과 결합하여 80%이상의 효율을 올릴 수 있다 [1].
SOFC를 상업화하는 것에 필요한 것은?
따라서 현재의 화석연료 인프라와 미래의 수소인프라에서도 사용할 수 있다 [3]. 그러나 SOFC를 상업화하는 데는 장기 안정성과 비용을 저감하는 노력이 여전히 필요하다.
SOFC는 다양한 연료를 사용하는데, 어떤 물질들을 포함하는가?
SOFC는 다양한 연료를 사용한다. 이것은 천연가스, 바이오가스, 메탄올 등을 포함한다. CO를 함유하는 수소리치 가스는 정제과정이 생략된다.
참고문헌 (49)
S.C. Singhal, Solid Oxide Fuel Cells VI, PV 99-19, The Electrochemical Society, Inc., Pennington, NJ, USA, 1999, 39-51.
Harumi Yokokawa, Hengyong Tu, Boris Iwanschitz, Andreas Maic, Journal of Power Sources 2008, 182, 400-412.
E. V. Tsipis, M. V. Patrakeev, V. V. Kharton, A. A. Yaremchenko, G. C. Mather, A. L. Shaula, I. A. Leonidov, V. L. Kozhevnikov, J. R. Frade, Solid State Sci. 2005, 7, 355.
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