[논문]저온형 SOFC용 GDC 전해질 두께에 따른 Open Circuit Voltage 향상

고현준; 이종진; 현상훈

doi:10.4191/kcers.2010.47.2.195

저온형 SOFC용 GDC 전해질 두께에 따른 Open Circuit Voltage 향상
Improvement of Open Circuit Voltage (OCV) depending on Thickness of GDC Electrolyte of LT-SOFCs 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.47 no.2 = no.327, 2010년, pp.195 - 198

고현준 (연세대학교 신소재공학과) , 이종진 (연세대학교 신소재공학과) , 현상훈 (연세대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

It has been considered to apply GDC ($Gd_{0.1}Ce_{0.9}O_{1-X}$) for low-temperature SOFC electrolytes because it has higher ionic conductivity than YSZ at low temperature. However, open circuit voltage with using GDC ($Gd_{0.1}Ce_{0.9}O_{1-X}$) electrolyte in SOFCs, becomes lower than using YSZ (8 mol% Yttria stabilized Zirconia) electrolyte because GDC has electronic conductivity. In this work, the effect of changing GDC electrolyte thickness on the open circuit voltage has been investigated. Ni-GDC anode-supported unit cells were fabricated as follows. Mixed NiO-GDC powders were pressed and pre-sintered at $1200^{\circ}C$. And then, GDC electrolyte material was dip-coated on the anode and sintered at $1400^{\circ}C$. Finally the LSCF-GDC cathode material was screen-printed on the electrolyte and sintered at $1000^{\circ}C$. Electrolyte thickness was controlled by the number of dip-coating times. Open circuit voltage was measured depending on electrolyte thickness at $650^{\circ}C$ and found that the thicker GDC electrolyte was, the better OCV was.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

로 환원되면서 전자전도가 일어나 전해질을 통해 전자가 crossover 되어 궁극적으로 Open Circuit Voltage (OCV)에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 GDC 전해질의 두께를 제어함으로써 OCV에 미치는 영향을 최소화하기 위해 실험을 진행 하였다.⁴⁾

제안 방법

1과 같은 단전지 성능 평가장치를 사용하였다.⁵⁾ 연료극의 반응기체로는 수소를 50 cc/min 흘려주었고 공기극의 반응기체로는 공기를 300 cc/min 흘려주어 650℃에서 OCV, 성능 및 저항 변화를 분석하였다.
NiO-GDC 연료극을 GDC 전해질 슬러리에 침지-인상법을 이용하여 코팅한 후, 1400℃에서 소결하여 NiO-GDC 연료극 지지형 전해질 막을 제작하였다. GDC 전해질의 두께를 조절하기 위하여 코팅하는 횟수를 제어함으로써 GDC 전해질의 두께를 조절하였다. 제작된 NiO-GDC 연료극 지지형 GDC 전해질 상에 LSCF-GDC 양극 물질을 스크린 프린팅하여 1000℃에서 소결하여 연료극 지지형 단전지를 제작하였다.
다양한 분산제를 이용하여 슬러리의 분산성을 테스트 한 후, 최적의 안정성을 갖는 분산제를 선택하여 GDC 전해질 슬러리를 제조하였고, 조성은 Table 1에 표기한 바와 같다. NiO-GDC 연료극을 GDC 전해질 슬러리에 침지-인상법을 이용하여 코팅한 후, 1400℃에서 소결하여 NiO-GDC 연료극 지지형 전해질 막을 제작하였다. GDC 전해질의 두께를 조절하기 위하여 코팅하는 횟수를 제어함으로써 GDC 전해질의 두께를 조절하였다.
이 연구에서는 GDC 전해질을 침지-인상법을 이용하여 연료극 표면에 코팅하는 코팅 방법을 이용하였다. 다양한 분산제를 이용하여 슬러리의 분산성을 테스트 한 후, 최적의 안정성을 갖는 분산제를 선택하여 GDC 전해질 슬러리를 제조하였고, 조성은 Table 1에 표기한 바와 같다. NiO-GDC 연료극을 GDC 전해질 슬러리에 침지-인상법을 이용하여 코팅한 후, 1400℃에서 소결하여 NiO-GDC 연료극 지지형 전해질 막을 제작하였다.
연료극의 충분한 기공을 확보하기 위하여 기공형성제인 Carbon black을 총 분말의 10 wt%를 첨가하였으며 NiO, GDC 분말과 같이 Ethanol에 혼합한 후 24시간 동안 충분히 밀링하였다. 밀링한 슬러리를 건조시킨 후, 100 MPa의 압력으로 일축가압 성형하여 제작한 성형체를 1200℃에서 가소결하여 NiO-GDC 연료극을 제작하였다.
Baker) 상용분말과 상용 GDC (Rhodia) 분말을 사용하여 Ni과 GDC의 비율이 40:60 vol%가 되도록 제조하였다. 연료극의 충분한 기공을 확보하기 위하여 기공형성제인 Carbon black을 총 분말의 10 wt%를 첨가하였으며 NiO, GDC 분말과 같이 Ethanol에 혼합한 후 24시간 동안 충분히 밀링하였다. 밀링한 슬러리를 건조시킨 후, 100 MPa의 압력으로 일축가압 성형하여 제작한 성형체를 1200℃에서 가소결하여 NiO-GDC 연료극을 제작하였다.
GDC 전해질의 두께를 조절하기 위하여 코팅하는 횟수를 제어함으로써 GDC 전해질의 두께를 조절하였다. 제작된 NiO-GDC 연료극 지지형 GDC 전해질 상에 LSCF-GDC 양극 물질을 스크린 프린팅하여 1000℃에서 소결하여 연료극 지지형 단전지를 제작하였다.

대상 데이터

NiO-GDC 연료극지지체는 NiO (J. T. Baker) 상용분말과 상용 GDC (Rhodia) 분말을 사용하여 Ni과 GDC의 비율이 40:60 vol%가 되도록 제조하였다. 연료극의 충분한 기공을 확보하기 위하여 기공형성제인 Carbon black을 총 분말의 10 wt%를 첨가하였으며 NiO, GDC 분말과 같이 Ethanol에 혼합한 후 24시간 동안 충분히 밀링하였다.
본 연구에서 제조한 NiO-GDC 연료극 지지형 단전지의 OCV와 성능을 분석하기 위하여 Fig. 1과 같은 단전지 성능 평가장치를 사용하였다.⁵⁾ 연료극의 반응기체로는 수소를 50 cc/min 흘려주었고 공기극의 반응기체로는 공기를 300 cc/min 흘려주어 650℃에서 OCV, 성능 및 저항 변화를 분석하였다.

이론/모형

이 연구에서는 GDC 전해질을 침지-인상법을 이용하여 연료극 표면에 코팅하는 코팅 방법을 이용하였다. 다양한 분산제를 이용하여 슬러리의 분산성을 테스트 한 후, 최적의 안정성을 갖는 분산제를 선택하여 GDC 전해질 슬러리를 제조하였고, 조성은 Table 1에 표기한 바와 같다.

성능/효과

1) NiO-GDC 연료극에 침지-인상법을 이용하여 GDC 전해질 막을 코팅한 결과, 1400℃에서 치밀하고 결점이 없는 전해질을 얻을 수 있었고, 코팅 횟수를 제어함으로써 GDC 전해질의 두께를 효과적으로 조절할 수 있었다.
2) 전해질의 두께가 29 µm일 경우 0.825 V의 OCV를 얻을 수 있었으며, 이는 이론 OCV에 비해 차이가 나지만 sealing 문제를 해결하면 더 높은 OCV를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
3) 전해질의 두께를 30 µm 이하로 제작할 경우, 두께에 의해 증가하는 ohmic loss 저항을 최소화시켜 0.4 Ω·cm2이하로 유지시킬 수 있는 반면에, 두께가 400 µm일 경우에는 1.05 Ω·cm2로 매우 높은 전해질 저항을 보였다.
4) GDC 전해질의 두께가 증가할수록 단위전지의 OCV는 향상되는 것을 확인하였고, 이는 GDC의 전자전도도가 전해질의 두께에 의해 제어될 수 있음을 알 수 있었다.
650℃에서 GDC 전해질 두께에 따른 단위전지의 OCV, 성능 및 저항 변화를 분석한 결과, 전해질의 두께가 두꺼워질수록 OCV 및 전해질 저항이 향상되는 것을 알 수있었다(Tables 2~3. Fig. 4). 전해질 두께가 10, 16, 29 µm일 경우에는 저항이 0.
)(L)는 연료극과 공기극의 산소 분압을 뜻하고, F와 R은 각각 패러데이 상수와 기체상수를 의미한다. 650℃에서 GDC의 이온 전도도와 전자 전도도가 각각 0.0501 S/cm, 0.00475 S/cm인 것을 이용하고 공기극의 산소 분압을 0.21 atm으로 고정시켜 연료 극의 산소 분압만을 변화(10^-20~10^-40 atm)시켜가며 OCV 변화를 계산한 결과, 650도에서 0.9 V 정도의 OCV를 얻을 수 있음을 알 수 있었다^6-9). 하지만 실제 측정된 OCV 는 0.
또한 ohmic loss가 단위 전지의 성능에 미치는 영향을 측정한 결과, 전해질 두께가 29 µm, 400 µm일 때 각각 0.41 W/cm2, 0.12 W/cm2의 성능을 얻을수 있었다(Fig. 5).
침지-인상법으로 코팅한 GDC 전해질을 1400℃에서 열처리하여 소결 상태를 SEM을 이용하여 분석해 본 결과 치밀한 전해질막이 형성된 것을 확인할 수 있었고(Fig. 2), 침지-인상법에 의한 코팅 횟수가 늘어날수록 GDC 전해질의 두께가 증가하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 3).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	YSZ를 전해질로 사용하는 SOFC 발전방식의 분위기는?	1-3) 연료전지 발전방식 가운데 고체 산화형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)가 차세대 발전방식으로 주목 받고 있다. 현재 YSZ (Yttria Stabilized Zirconia)를 전해질로 사용하는 SOFC의 발전방식은 발전 효율을 높이기 위하여 고온 (900o C)에서작동되고 있다. 하지만 SOFC를 고온에서 작동시킴으로 인하여 생기는 불안정한 장기 안정성, 계면 확산 그리고 열적 불균형을 이루는 단점을 지니고 있다.
	연료전지가 환경친화적인 재료로 관심을 받는 이유는?	연료전지는 기존의 발전방식에 비해 발전 효율이 높고 CO2, NOx 등을 거의 배출하지 않아서 환경친화적인 재료로 많은 관심을 받고 있다. 따라서 기존의 화력발전을 대체하거나 도심의 대형 건물 등 에너지 소비가 높은 시설물의 대단위 발전이나 자동차 등의 교통수단의 동력원으로 쓰기 위한 중소형 시스템의 미래형 전원으로 선진국에서 많은 연구 개발이 진행되고 있다.
	고체 산화형 연료전지를 고온에서 작동시킬 때 발생하는 문제는?	현재 YSZ (Yttria Stabilized Zirconia)를 전해질로 사용하는 SOFC의 발전방식은 발전 효율을 높이기 위하여 고온 (900o C)에서작동되고 있다. 하지만 SOFC를 고온에서 작동시킴으로 인하여 생기는 불안정한 장기 안정성, 계면 확산 그리고 열적 불균형을 이루는 단점을 지니고 있다. 이러한 문제점들을 해결하고 SOFC 발전 시스템을 실용화 규모로 개발하기 위해서는 저온 (650°C)에서 작동 가능한 SOFC 개발이 필요하다.

참고문헌 (9)

N.Q. Minh and T. Takahashi, “Science and Technology of Ceramic Fuel Cell,” pp 147-149, Elsevier Science B. V., Amsterdam, 1994
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B.C.H. Steele, “Appraisal of $Ce_{1-y}Gd_yO_{2-y/2}$ Electrolyte for IT-SOFC Operation at $500^{\circ}C$ ,” Solid State Ionics, 129 95-110 (2000).

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H. C. Park and Anil V. Virkar, “Bimetallic (Ni-Fe) Anodesupported Solid Oxide Fuel Cells with Gadolinia-doped Ceria Electrolyte,” J. Power Sources, 186 133-37 (2009).

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S.-D. Kim, H. Moon, S.-H. Hyun, J.h. Moon, J.S. Kim, and H.-W. Lee, “Performance and Durability of Ni-coated YSZ anodes for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells,” Solid State Ionics, 177 931-38 (2006).

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J. H. Joo and G. M. Choi, “Open-circuit Voltage of cEriabased Thin Film SOFC Supported on Nano-porous Aluminia,” Solid State Ionics, 178 1602-07 (2007).

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X. Zhang, M. Robertson, C. Deces-Petit, W. Qu, O. Kesler, R. Maric, and D. Ghosh, “Internal Shorting and Fuel Loss of a Low Temperature Solid Oxide Fuel Cell with SDC Electrolyte,” J. Power Sources, 164 668-77 (2007).

상세보기
B. C. H. Steele and A. Heinzel, “Materials for Fuel-cell Technologies,” Nature, 414 345-52 (2001).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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