The properties of manufactured SOFC unit cell using decalcomania method were investigated. The decalcomania method that used in ceramics, dish, vessel and etc. was the very simple process. The SOFC unit cell manufacturer using decalcomania method is very simple process. Especially, the decalcomania ...
The properties of manufactured SOFC unit cell using decalcomania method were investigated. The decalcomania method that used in ceramics, dish, vessel and etc. was the very simple process. The SOFC unit cell manufacturer using decalcomania method is very simple process. Especially, the decalcomania method was the most suitable manufacturing method for the segmented type SOFC. The cathode, prevent diffusion layer (PDL), anode functional layer (AFL) and electrolyte were manufactured using decalcomania method on porous anode support. The sintered electrolyte at 1450$^{\circ}C$ for 2 h using decalcomania method was very dense, and the thickness was about 10 ${\mu}m$. The cathode, the PDL and the AFL were manufactured using decalcomania method and was sintered at 1250$^{\circ}C$ for 2 h, and the sintered electrodes were the porous. As a result, with humidified hydrogen used as fuel, the cell with an 15 ${\mu}m$-thick AFL exhibited maximum power densities of 0.246, 0.364, 0.504W/$cm^2$ at 700, 750, 800$^{\circ}C$, respectively.
The properties of manufactured SOFC unit cell using decalcomania method were investigated. The decalcomania method that used in ceramics, dish, vessel and etc. was the very simple process. The SOFC unit cell manufacturer using decalcomania method is very simple process. Especially, the decalcomania method was the most suitable manufacturing method for the segmented type SOFC. The cathode, prevent diffusion layer (PDL), anode functional layer (AFL) and electrolyte were manufactured using decalcomania method on porous anode support. The sintered electrolyte at 1450$^{\circ}C$ for 2 h using decalcomania method was very dense, and the thickness was about 10 ${\mu}m$. The cathode, the PDL and the AFL were manufactured using decalcomania method and was sintered at 1250$^{\circ}C$ for 2 h, and the sintered electrodes were the porous. As a result, with humidified hydrogen used as fuel, the cell with an 15 ${\mu}m$-thick AFL exhibited maximum power densities of 0.246, 0.364, 0.504W/$cm^2$ at 700, 750, 800$^{\circ}C$, respectively.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 연료극 지지체를 제외한 공기극, 확산방지층, 연료극 기능층을 전사법으로 제조하여 연료극지지체 위에 적용한 SOFC 단전지를 제조하고, 연료극 기능층에 따른 전해질의 미세구조 특성을 평가하였다. 또한 최적의 조건에서 제조한 단전지의 계면 및 단면의 미세 구조를 분석하고, 공기극의 분극특성 및 출력을 측정하였다.
제안 방법
Fig. 5에 다공성인 연료극 지지체 표면 위에 치밀한 전해질을 형성하기 위해 연료극 기능층을 전사지를 이용하여 0회부터 3회까지 처리하였을 때 전해질 표면의 미세구조를 나타내었다. 연료극 기능층 처리 횟수를 증가시킴에 따라 점차 치밀한 전해질 층을 형성할 수 있었는데, 0회와 1회 처리한 경우 연료극 지지체의 기공으로 인해 전해질의 표면에 크랙 또는 기공이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
전해질의 경우 코팅된 연료극 기능층 위에 전해질 전사지를 2회 코팅한 뒤 600℃에서 2시간동안 burn out하여 1450℃에서 4시간동안 소결하였는데, 이때 dense한 전해질 층을 얻기 위해 100℃/h로 천천히 냉각하였다. 공기극과 전해질 층 사이에는 확산방지층으로써 GDC를 사용하였으며 GDC는 1회 코팅하고 LSCF를 2회 코팅하여 600℃에서 2시간동안 burn out한 뒤 1250℃에서 4시간동안 소결하여 완성된 cell을 얻었다. 기공율의 경우 전사지 제조와 동일한 혼합 조성으로 시편을 제조한 후 단전지 제조와 같은 조건에서 열처리 하여, 수은압입법을 이용한 Porosimeter (Micromerics사, Autopore IV)를 이용하여 측정하였다.
기공율의 경우 전사지 제조와 동일한 혼합 조성으로 시편을 제조한 후 단전지 제조와 같은 조건에서 열처리 하여, 수은압입법을 이용한 Porosimeter (Micromerics사, Autopore IV)를 이용하여 측정하였다. 교류 임피던스의 경우 전사지로 제조한 각 전극을 YSZ 전해질 지지체 위에 형성하여, 800℃에서 Frequency Response Analyzer (Solatron, SI1260)와 Potentiostat/Galvanostat (Solatron, SI1287)을 사용하여 측정하였다. 측정 시 주파수 범위는 0.
이때 H2 gas의 유량은 200 ml/min으로 하였으며 각각 800℃에서 2시간동안 환원 시킨 뒤 800, 750, 700℃로 온도를 내리면서 측정하였다. 또한 전사지를 이용하여 제조한 단전지는 700, 750, 800℃에서출력을 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 연료극 지지체를 제외한 공기극, 확산방지층, 연료극 기능층을 전사법으로 제조하여 연료극지지체 위에 적용한 SOFC 단전지를 제조하고, 연료극 기능층에 따른 전해질의 미세구조 특성을 평가하였다. 또한 최적의 조건에서 제조한 단전지의 계면 및 단면의 미세 구조를 분석하고, 공기극의 분극특성 및 출력을 측정하였다.
1 Hz~100 kHz이고 amplitude는 10 mV였다. 이때 H2 gas의 유량은 200 ml/min으로 하였으며 각각 800℃에서 2시간동안 환원 시킨 뒤 800, 750, 700℃로 온도를 내리면서 측정하였다. 또한 전사지를 이용하여 제조한 단전지는 700, 750, 800℃에서출력을 측정하였다.
6-8) 하지만 screen printing과 같은 방법으로는 지지체 위에 여러 개의 전지를 형성할 때에 굴곡이 있는 지지체의 모서리는 전지를 형성할 수 없기 때문에 추가로 밀봉을 해야 한다는 단점이 있다. 이러한 밀봉의 어려움을 해결하면서 지지체의 굴곡이 있는 모서리에도 전지를 형성함으로써 반응 면적을 극대화하기 위해 전사지를 이용하여 전극을 제조하는 방법을 사용하였다. 전사지법이란 Fig.
전사법을 이용하여 제조한 단전지의 특성 분석 연구에서 복잡한 형상에 적용이 가능한 방법인 전사법을 이용하여 단전지를 제조하였다. 제조한 단전지는 전해질 층의 경우 연료극 기능층을 전사지로 2회 처리하여 치밀한 미세조직을 형성하였으며, 공기극, 확산방지층 및 연료극 기능층을 전사지로 제조하여 다공층을 형성할 수 있었다. 또한 전사법으로 제조한 연료극 지지체 단전지는 약 0.
대상 데이터
연료극 지지체는 NiO : TZ8Y의 비율을 60 : 40으로 하고 기공형성제로 활성탄을 15 wt% 첨가하여 ball mill을 이용하여 24시간 동안 혼합 한 뒤 80℃에서 24시간동안 건조한 분말을 직경 30 mm, 두께 3.5 mm의 pellet으로 성형하였다. 성형한 연료극 지지체는 600℃에서 2시간동안 burn out한 뒤 1250℃에서 4시간동안 가소결하였다.
전해질의 경우 Tosho 분말을 사용하였고, 또한 전해질과 공기극의 반응에 의해 생성되는 2차상을 막기 위해 입자크기 0.3 µm의 GDC를 확산방지층으로 사용하였으며 공기극은 입자크기 0.3 µm의 LSCF를 사용하였다.
3(b)에 나타내었다. 제조한 unit cell에서 연료극 지지체의 직경은 20 mm, 두께는 2.5 mm였으며 PDL과 공기극의 경우 직경 15 mm로 반응면적은 176.6 mm2를 가졌다.
이론/모형
공기극과 전해질 층 사이에는 확산방지층으로써 GDC를 사용하였으며 GDC는 1회 코팅하고 LSCF를 2회 코팅하여 600℃에서 2시간동안 burn out한 뒤 1250℃에서 4시간동안 소결하여 완성된 cell을 얻었다. 기공율의 경우 전사지 제조와 동일한 혼합 조성으로 시편을 제조한 후 단전지 제조와 같은 조건에서 열처리 하여, 수은압입법을 이용한 Porosimeter (Micromerics사, Autopore IV)를 이용하여 측정하였다. 교류 임피던스의 경우 전사지로 제조한 각 전극을 YSZ 전해질 지지체 위에 형성하여, 800℃에서 Frequency Response Analyzer (Solatron, SI1260)와 Potentiostat/Galvanostat (Solatron, SI1287)을 사용하여 측정하였다.
전사법을 이용하여 제조한 단전지의 특성 분석 연구에서 복잡한 형상에 적용이 가능한 방법인 전사법을 이용하여 단전지를 제조하였다. 제조한 단전지는 전해질 층의 경우 연료극 기능층을 전사지로 2회 처리하여 치밀한 미세조직을 형성하였으며, 공기극, 확산방지층 및 연료극 기능층을 전사지로 제조하여 다공층을 형성할 수 있었다.
성능/효과
6에서 살펴보면, 연료극 지지체, 연료극 기능층, 공기극 및 확산방지층 모두 다공성 구조를 나타내고 있으며, 전해질의 경우는 치밀한 조직을 나타내고 있었다. 각 구성요소의 기공율을 측정한 결과 연료극 지지체의 경우 약 32%, 연료극 기능층의 경우는 약 28%, 확산방지층은 약 23%, 공기극은 39%의 기공을 가지고 있었으며, 전해질의 경우는 0.8% 정도를 나타내었다.
그림의 TG를 살펴보면, 약 400℃에서 전사 oil의 질량이 모두 감소하는 것을 확인할 수 있는데 이는 400℃에서 전사 oil이 모두 burn out 된다는 것을 알 수 있다. 또한 DSC 그래프에서 흡열 피크가 나타나고 543.2℃에서 모든 반응이 끝나는 것으로 보아 전사 oil에 함유되어 있는 유기용매 및 바인더가 약 550℃에서 열에 의해 모두 burn out 된다는 것을 알 수 있었다.
일반적으로 SOFC 단전지의 경우 cole-cole plot에서 좌측 반원의 좌측 실수부 시작점을 단전지 스택의 IR (ohmic) 저항으로, 여기에 좌측 반원의 끝지점 혹은 우측 반원의 시작 지점을 IR 저항과 분극 (polarization) 저항의 합에 의한 저항으로, 우측 반원의 끝 지점을 IR 저항, 분극저항, 물질 전달(mass transfer) 저항의 합에 의한 저항으로 분해하여 분석한다고 보고되어 있다. 본 실험에서 측정한 결과를 살펴보면 먼저 IR 저항에 있어서 약 0.1Ω이며, 분극저항을 나타내는 우측 반원의 경우 약 0.06 Ω 정도를 나타내고 있어 전체 저항의 합은 약 0.16Ω을 나타내었다. 일반적으로 공기극의 산화환원 반응기구를 두 단계 반응으로 나누어 생각해 볼 수 있는데, 산소이온의 확산반응과 산소이온의 표면확산이다.
5에 다공성인 연료극 지지체 표면 위에 치밀한 전해질을 형성하기 위해 연료극 기능층을 전사지를 이용하여 0회부터 3회까지 처리하였을 때 전해질 표면의 미세구조를 나타내었다. 연료극 기능층 처리 횟수를 증가시킴에 따라 점차 치밀한 전해질 층을 형성할 수 있었는데, 0회와 1회 처리한 경우 연료극 지지체의 기공으로 인해 전해질의 표면에 크랙 또는 기공이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해 연료극 기능층을 2회 처리한 경우와 3회 처리한 경우 치밀한 전해질 층을 형성하였는데, 3회 형성한 경우는 도리어 두꺼운 연료극 기능층으로 인해 전해질 표면이 고르지 않게 형성되는 경향을 나타내었다.
치밀한 전해질 층 위에는 약 15 µm 내외의 공기극과 확산방지층이 형성되어 단전지를 형성하고 있는 것을 볼 수 있었다.
후속연구
408 W/cm2의 출력을 나타내었다. 따라서, 전사지를 이용한 단전지 제조에 있어 비교적 기공의 양이 많은 전극을 형성하여 활성점인 삼상계면의 양이 많아지면 전극의 분극저항이 감소하여 좀 더 양호한 특성을 갖는 전지를 제조할 수 있을 것으로 생각되어 진다.
408 W/cm2을 나타내었다. 이러한 결과를 통해 복잡한 형상의 스택, 특히 segmented type SOFC에 전사법을 적용하여 스택을 제조할 수 있을 것으로 예상되어 진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
segmented type SOFC란?
이러한 문제점들을 해결하기 위해서 cell의 구조를 변화하여 반응 면적의 극대화를 통해 stack의 크기를 줄이거나, 새로운 물질을 개발·적용하여 높은 효율을 가지는 SOFC의 개발이 활발히 진행 중이다.1-5) 이러한 연구 중 segmented type SOFC는 하나의 지지체에 여러 개의 전지를 형성하는 방법으로, 이런 구조를 형성하게 될 경우 단전지 사이의 거리가 짧아 compact한 구조를 가질 뿐만 아니라 전극과 IC에서 발생하는 ohmic loss를 최소화하며 단위 부피당 전력 효율이 높고, 기계적 강도가 우수하고 밀봉이 간단하고 열응력 내구성이 높다는 장점을 가지고 있다.6-8) 하지만 screen printing과 같은 방법으로는 지지체 위에 여러 개의 전지를 형성할 때에 굴곡이 있는 지지체의 모서리는 전지를 형성할 수 없기 때문에 추가로 밀봉을 해야 한다는 단점이 있다.
고체산화물 연료전지의 단점은?
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)는 전지의 모든 부분이 산화물로 이루어져 있어 내구성과 효율이 높을 뿐만 아니라 고가의 촉매를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다. 하지만 연료전지의 특성상 출발물질의 가격이 비쌀 뿐만 아니라 세라믹으로 이루어져 있어 형태 및 크기에 많은 제한이 따르고, 복잡한 형상을 구현하기가 어렵다는 단점이 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 cell의 구조를 변화하여 반응 면적의 극대화를 통해 stack의 크기를 줄이거나, 새로운 물질을 개발·적용하여 높은 효율을 가지는 SOFC의 개발이 활발히 진행 중이다.
고체산화물 연료전지의 장점은?
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)는 전지의 모든 부분이 산화물로 이루어져 있어 내구성과 효율이 높을 뿐만 아니라 고가의 촉매를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다. 하지만 연료전지의 특성상 출발물질의 가격이 비쌀 뿐만 아니라 세라믹으로 이루어져 있어 형태 및 크기에 많은 제한이 따르고, 복잡한 형상을 구현하기가 어렵다는 단점이 있다.
참고문헌 (12)
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