[논문]로드 조건에 따른 고체산화물 연료전지 전극 활성화 분석연구

안권성; 최훈; 차석원

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.1.083

문제 정의

또한 전극 구조가 어떻게 변화 되는지를 통해 구조변화가 전지의 손실 영역별로 어떤 영향을 끼치는지도 알아본다. 더 나아가 환원과정이 전극 구조에 미치는 영향과 장시간의 로드 조건이 전극의 구조변화에 어떤 영향을 미치는지도 알아본다. 이러한 전지 성능변화의 특성을 실제 전지 운전 성능 향상에 적용 시키는지 또한
본 연구에서는 로드 조건에 따른 활성화 손실의 감소 경향을 알아본다. 또한 전극 구조가 어떻게 변화 되는지를 통해 구조변화가 전지의 손실 영역별로 어떤 영향을 끼치는지도 알아본다. 더 나아가 환원과정이 전극 구조에 미치는 영향과 장시간의 로드 조건이 전극의 구조변화에 어떤 영향을 미치는지도 알아본다.
본 연구는 현대중공업 과제인 고체산화물 연료전지의 장기운전시 성능저하 특성연구를 진행하면서 얻은 경험을 바탕으로 실시하였다.
본 연구에서는 로드 조건에 따른 활성화 손실의 감소 경향을 알아본다. 또한 전극 구조가 어떻게 변화 되는지를 통해 구조변화가 전지의 손실 영역별로 어떤 영향을 끼치는지도 알아본다.
이 논문에서도 전극물질로 사용된 Ni-YSZ, LSM에 대한 특성을 분석하고자 하였다. 전극의 환원 환경에 따른 연료 극의 성능 변화와 초기 로드 조건에 따른 공기 극의 성능 변화를 전류-전압 성능 곡선과 임피던스, 개회로 전압을 통해 알아보았다.
지금까지 각각의 로드 조건에 따른 셀 성능에 관한 결과를 알아보았다. 이 결과를 통해 알 수 있는 것은 셀에 로드가 가해지면서 활성화 손실이 감소하여 전체적인 성능은 향상 됨을 알 수 있었다.

제안 방법

비율은 2 ㎛로 확대 촬영을 했다. 각 영역별 중간 부분을 측정하였다.
각각의 실험 전과 후로 성능분석을 실시한다. 성능 분석 장비로는 솔라트론 장비를 사용한다.
로드의 영향에 따른 셀의 전극 구조 변화에 대한 특성을 관찰하기 위해 로드 조건을 각각 달리하여 성능을 분석하고 대조 군으로 셀 제작 후에 환원 과정을 거치지 않는 셀과 환원 과정만 거치도록 설정한다.
성능 분석 장비로는 솔라트론 장비를 사용한다. 성능 분석은 i-V 성능곡선, 임피던스, 개회로 전압(5 분) 측정을 통해서 실시한다. 작동온도까지 분당 1 도의 비율로 온도를 상승 시킨다.
지금까지 전극 활성화에 의한 셀 성능향상을 분석했다. 셀 성능 및 구조 분석을 통하여 로드 조건에 의한 셀 성능향상의 특성을 분석하였다. 로드가 강해질수록 셀의 성능향상 정도가 커졌다.
전해질로 사용된 8% YSZ도 ESL 社 제품을 사용하였다. 실크 스크린 판을 제작하여 스크린 프린팅을 해서 전극을 제작하였다(Fig. 2).
이 논문에서도 전극물질로 사용된 Ni-YSZ, LSM에 대한 특성을 분석하고자 하였다. 전극의 환원 환경에 따른 연료 극의 성능 변화와 초기 로드 조건에 따른 공기 극의 성능 변화를 전류-전압 성능 곡선과 임피던스, 개회로 전압을 통해 알아보았다. 또한 전극활성화 메커니즘 규명을 위해 물질구조 분석의 방법인 SEM(Scanning Electron Microscope, 주사 전자 현미경) 사진을 통해서 알아보았다.
전해질 지지체형 셀로 연료 극은 Ni-YSZ, 전해질은 8% YSZ, 공기 극는 LSM을 적층하여 제작하였다. 제작방법은 스크린 프린팅 기법을 적용하여 실시하였다(Fig.
제작된 셀과 실험 후의 셀 구조를 SEM 사진을 통해서 셀의 구조를 분석하였다. 비율은 2 ㎛로 확대 촬영을 했다.
추가적으로 이러한 각 영역별 셀 성능 향상에 대한 구조적 변화를 정확하게 알아보기 위해 로드조건별 SEM을 통한 전지의 구조를 분석해 보았다.
최적의 값을 얻기 위해서는 많은 노력과 시간을 투자하여 여러번의 실험을 거쳐서 거기에서 나온 결과를 통한 접근이 요구된다. 하지만 본 연구에서는 제작된 전지의 최대 전류밀도를 기준으로 크게 세 부분(0.1, 0.2, 0.3 A/cm²)으로 나눠 로드를 정하였다.

대상 데이터

집전체로 ELCOAT 社의 은 페이스트와 니라코 社의 은 선을 사용하여 제작하였다. 밀봉재는 ESL 社의 유리 밀봉재를 사용하였다. 셀 지그로는 한 진석영 社의 석영관을 사용하였다.
밀봉재는 ESL 社의 유리 밀봉재를 사용하였다. 셀 지그로는 한 진석영 社의 석영관을 사용하였다. A 관은 내경 2㎝, 외경 2.
셀은 총 6 개를 제작한다. 첫 번째 셀은 바로 SEM 시편을 제작하고 두 번째 셀은 환원과정만 거치고 시편을 제작한다.
실험을 위한 지그는 석영관 세 개(A, B, C)를 이용하여 설치하였다. 아랫 쪽은 연료 극이고 윗 쪽이 공기 극이다.
전극 두께는 대략 30 ㎛ 이며, 전해질의 두께는 대략 250 ㎛이다. 전극물질로 사용된 Ni-YSZ 페이스트 와 LSM 페이스트는 ESL 社 제품을 사용하였다. 전해질로 사용된 8% YSZ도 ESL 社 제품을 사용하였다.
전극물질로 사용된 Ni-YSZ 페이스트 와 LSM 페이스트는 ESL 社 제품을 사용하였다. 전해질로 사용된 8% YSZ도 ESL 社 제품을 사용하였다. 실크 스크린 판을 제작하여 스크린 프린팅을 해서 전극을 제작하였다(Fig.
집전체로 ELCOAT 社의 은 페이스트와 니라코 社의 은 선을 사용하여 제작하였다. 밀봉재는 ESL 社의 유리 밀봉재를 사용하였다.

이론/모형

전극의 환원 환경에 따른 연료 극의 성능 변화와 초기 로드 조건에 따른 공기 극의 성능 변화를 전류-전압 성능 곡선과 임피던스, 개회로 전압을 통해 알아보았다. 또한 전극활성화 메커니즘 규명을 위해 물질구조 분석의 방법인 SEM(Scanning Electron Microscope, 주사 전자 현미경) 사진을 통해서 알아보았다.⁽¹⁾
각각의 실험 전과 후로 성능분석을 실시한다. 성능 분석 장비로는 솔라트론 장비를 사용한다. 성능 분석은 i-V 성능곡선, 임피던스, 개회로 전압(5 분) 측정을 통해서 실시한다.
전해질 지지체형 셀로 연료 극은 Ni-YSZ, 전해질은 8% YSZ, 공기 극는 LSM을 적층하여 제작하였다. 제작방법은 스크린 프린팅 기법을 적용하여 실시하였다(Fig. 2). 소결은 각각 1350 도에서 2 시간, 1150 도에서 2 시간 동안 실시하였다.

성능/효과

향상되는 정도 역시 셀 마다 실제 성능에 따라 다르다. 또한 실험 후 향상되는 정도를 비교했을 때 초기 로드 조건을 크게 했을 때가 작게 했을 때 보다 크다는 것을 알 수 있다. 이러한 경향성을 실제 셀 운전에 어떻게 하면 효과적으로 적용할 수 있을지는 조금 더 연구가 필요할 것으로 보인다.
또한 로드가 강해질수록 활성화 손실 감소 폭 또한 점점 커진다. 비록 농도 손실 부분에 대한 정확한 측정은 어려웠지만 활성화 손실의 감소는 눈에 띌 정도로 그 경향성이 뚜렷해짐을 확인할 수 있었다. 반면에 전체적인 개회로 전압은 약간 상승하였지만 그 크기는 매우 작았다.
지금까지 각각의 로드 조건에 따른 셀 성능에 관한 결과를 알아보았다. 이 결과를 통해 알 수 있는 것은 셀에 로드가 가해지면서 활성화 손실이 감소하여 전체적인 성능은 향상 됨을 알 수 있었다.
전극 자체의 구조 변화를 통해 저항손실은 감소되지 않으나 구조 변화로 인한 계면 저항 감소로 저항손실의 변화도 일어나고 반면에 구조변화로 인한 전극표면의 활성면적의 증가로 인해 전지의 활성화 손실이 감소되는 경향을 확인 할 수 있었다. 결국 활성화 손실의 감소로 셀 성능이 향상 되는 것을 알 수 있었다.
활성화 손실의 크기를 나타내는 Ⅱ 영역에서는 반원의 크기의 감소 폭이 상당히 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 전극이 활성화 되면서 물질의 전기화학반응이 활발하게 일어나게 되고 결과적으로 활성화 손실이 크게 줄어들었다는 것을 보여주고 있다.^(4,5) 하지만 농도 손실에 의한 저항 값은 앞의 실험과 동일하게 응답신호의 큰 오차 값으로 인해 첨부하지 않았다.
하지만 확실한 것은 로드 조건의 영향에 의해 실험 전 보다 실험 후의 셀 성능이 전체적으로 향상되었다. 특히 활성화 손실 영역이 감소하여 전체적인 셀의 성능이 향상 되었음을 알 수 있다.
저항 손실을 나타내는 Ⅲ은 기울기가 실험 전 보다 실험 후가 더 감소하였기 때문에 농도 손실은 감소하였다고 유추 할 수 있지만 이 경향은 위의 두 부분의 저항 값이 종합된 결과이므로 확단 할 수는 없다. 하지만 확실한 것은 로드조건의 영향으로 실험 전 보다 실험 후의 셀 성능이 전체적으로 향상되었고 특히 활성화 손실 부분이 감소하였기 때문에 전체적인 셀의 성능이 향상 되었음을 알 수 있다.

후속연구

그래서 이러한 현상에 대해 체계적이고 실용적인 접근을 통해서 각각의 조건을 조절해서 최적의 값을 얻고 실제 전지에 적용한다면 전지의 성능을 향상시키는데 도움이 될 것이다. 최적의 값을 얻기 위해서는 많은 노력과 시간을 투자하여 여러번의 실험을 거쳐서 거기에서 나온 결과를 통한 접근이 요구된다.
그러나 로드 조건 별 활성화 손실의 감소 경향을 확실하게 확인할 수 있었기 때문에 본 실험결과는 유용하고 이후 이와 관련된 실험 및 논문 작성에 참고자료로 쓰일 수 있을 것이다.
지금까지의 연구 결과는 전극 활성화에 관하여 아직 미미한 수준이다. 그러므로 기회가 된다면 차후 셀 성분 분석까지 추가하여 전극활성화에 대한 구체적인 메커니즘을 규명하고 싶다. 또한 셀의 안정성을 보장 받을 수 있는 셀의 최적 로드 조건을 찾아 실제 상용될 셀에 적용하여 더 안정적이고 완벽한 연료전지를 제작하고 싶다.
그러므로 기회가 된다면 차후 셀 성분 분석까지 추가하여 전극활성화에 대한 구체적인 메커니즘을 규명하고 싶다. 또한 셀의 안정성을 보장 받을 수 있는 셀의 최적 로드 조건을 찾아 실제 상용될 셀에 적용하여 더 안정적이고 완벽한 연료전지를 제작하고 싶다.
이러한 전극 활성화에 대한 연구는 지금까지 가장 많이 이용되고 있는 전극 물질들에 대한 이해를 증가 시키는데 의의가 있다. 또한 이러한 전극 활성화에 대한 메커니즘을 규명하고 전지 제작 및 셀 운전에 이를 적용하여 지금보다 더 개선된 셀을 제작할 것으로 판단된다. 충분한 환원조건을 찾고 셀 운전시 최적의 로드조건을 찾아 그것을 셀에 적용한다며 장기 성능 저하에 대한 개선점을 제공해 줄 수 있을 것으로 판단된다.
하지만 위 실험들은 이러한 현상에 대한 구체적인 메커니즘 규명에 대한 분석까지는 미치지 못했다. 또한 환원 과정이 양 전극 구조에 영향을 미치는 것은 본 실험을 통해서 확인하였지만 여기서 적용한 환원 과정이 충분한 것 인지도 아직 연구가 필요한 부분이다.
또한 실험 후 향상되는 정도를 비교했을 때 초기 로드 조건을 크게 했을 때가 작게 했을 때 보다 크다는 것을 알 수 있다. 이러한 경향성을 실제 셀 운전에 어떻게 하면 효과적으로 적용할 수 있을지는 조금 더 연구가 필요할 것으로 보인다.
이것은 동일한 재료, 동일한 과정을 거쳤지만 셀 제작 과정에서 생기는 여러 오차들, 실험 과정에 생기는 오차들로 인해서 셀마다 각각 다른 값이 나왔던 것으로 예상된다. 차후 오차를 줄이기 위한 방법을 보완하여 보다 정밀한 셀 제작이 필요하다.
또한 이러한 전극 활성화에 대한 메커니즘을 규명하고 전지 제작 및 셀 운전에 이를 적용하여 지금보다 더 개선된 셀을 제작할 것으로 판단된다. 충분한 환원조건을 찾고 셀 운전시 최적의 로드조건을 찾아 그것을 셀에 적용한다며 장기 성능 저하에 대한 개선점을 제공해 줄 수 있을 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화석연료를 대체할 수 있는 연료로 무엇이 각광 받고 있는가?	고유가 시대에 맞춰 날로 고립되고 자원이 무기화되는 요즘 새로운 경쟁시대를 맞이하여 각국에서 불고 있는 신 재생에너지에 대한 연구와 개발에 대한 기술 수요를 어떻게 공급해 줄 것인가는 국가 과제가 되고 있다. 화석연료를 대체할 수 있는 연료로 수소가 각광받고 있으며 이산화탄소 발생이 거의 없어 지구온난화 문제 등 환경문제에 대해 유연하게 대응 가능하다. 또한 G20 회의 등 국제회의에서 구체화되고 구속력이 강화 될 것으로 예상된다.
	수소의 연료전지 종류로는 어떤 것들이 있는가?	1). 종류로 PEMFC (고분자 전해질 연료전지), SOFC (고체 산화물 연료전지), PAFC (인산형 연료전지) 등이 있다. 연료전지의 구분은 주로 전해질을 어떤 물질로 사용하는 것에 따라 분류된다.
	대체에너지로 사용될 수소의 장점은?	고유가 시대에 맞춰 날로 고립되고 자원이 무기화되는 요즘 새로운 경쟁시대를 맞이하여 각국에서 불고 있는 신 재생에너지에 대한 연구와 개발에 대한 기술 수요를 어떻게 공급해 줄 것인가는 국가 과제가 되고 있다. 화석연료를 대체할 수 있는 연료로 수소가 각광받고 있으며 이산화탄소 발생이 거의 없어 지구온난화 문제 등 환경문제에 대해 유연하게 대응 가능하다. 또한 G20 회의 등 국제회의에서 구체화되고 구속력이 강화 될 것으로 예상된다.

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