[논문]금속지지체식 SOFC 제작 및 평가

최진혁; 이태희; 최미화; 유영성

doi:10.7316/khnes.2011.22.1.077

금속지지체식 SOFC 제작 및 평가
Fabrication and Evaluation of Metal-Supported SOFC 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.1, 2011년, pp.77 - 82

최진혁 (한국전력공사 전력연구원 녹색성장연구소) , 이태희 (한국전력공사 전력연구원 녹색성장연구소) , 최미화 (한국전력공사 전력연구원 녹색성장연구소) , 유영성 (한국전력공사 전력연구원 녹색성장연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a metal-supported SOFC was fabricated using a relatively cheap and simple process. The adhesion process between ceramic cell and metal support was performed in high temperature over $1400^{\circ}C$ and the deformation of large metal-supported cell happened in this process. Using bi-layered metal support fabricated by diffusion bonding, the deformation of the metal-supported cell can be minimized and the sealing efficiency of anode and cathode was improved. The flatness of the cell was improved by over 20% and the maximum power density of over 0.5 $Wcm^{-2}$ was obtained at the operation condition of $800^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 상대적으로 경제적이고 단순한 세라믹/금속 접합 공정을 이용하여 금속지지체식 SOFC 단전지를 제작하였다. 기존에 사용한 serpentine 형상의 유로가 가공된 페라이트계 스테인레스 스틸재질의 금속지지체 2장을 유로 방향에 따라 90°로 엇갈리게 확산 접합하여 금속지지체로 사용함으로써 고온 열처리 시 가공된 유로 방향으로의 변형에 따른 낮은 밀봉효율 및 집전 성능 저하로 인한 단전지 성능 감소의 문제점을 해결할 수 있었다.
본 연구에서는 세라믹 단전지와 유로가 가공된 금속지지체를 접합하여 금속지지체식 단전지를 제작⁸⁾하고, 그 전기적 성능을 측정하였다. 고온의 접합 공정과 운전과정에서 미세구조를 분석하였으며, 접합 공정 및 금속지지체 유로 설계 최적화를 통해 신뢰성이 확보된 대면적 금속지지체식 SOFC 단전지를 제작하였다.

제안 방법

8mm였다. YSZ를 연료극 위에 슬러리 코팅법으로 코팅한 후 1550℃에서 2시간동안 소결하여 20mm 두께의 치밀한 전해질 막을 얻었다. 최종적으로 소결된 전해질 막이 코팅된 연료극지지체의 두께는 약 1.
하고, 그 전기적 성능을 측정하였다. 고온의 접합 공정과 운전과정에서 미세구조를 분석하였으며, 접합 공정 및 금속지지체 유로 설계 최적화를 통해 신뢰성이 확보된 대면적 금속지지체식 SOFC 단전지를 제작하였다.
세 분말을 동일한 무게비로 정량한 후 유기 바인더와 에탄올을 이용하여 슬러리를 제조하여 금속지지체 위에 코팅하였다. 그리고 전해질 막이 코팅된 연료극의 연료극 쪽을 지지체 위에 올린 후 4% 수소와 96% 아르곤 및 1400℃ 온도 조건에서 2시간 동안 접합을 수행하였다. 단전지의 편평도를 수치화하여 bi-layer 금속지지체를 사용하였을 경우의 개선 정도를 파악하기 위해 Fig.
내부 기공을 확보하기위해 평균 입자크기 44μm의 graphite를 부피비 24% 첨가하였다.
단전지 변형을 최소화하기 위해 Fig. 1과 같은 금속지지체 두께를 절반으로 줄이고 두 장의 금속지지체(bi-layer)를 유로 가공 방향에 따라 90° 엇갈리게 확산용접을 수행하여 고온 열처리 접합 과정에서의 변형 응력을 상쇄하고자 하였다.
단전지 성능 평가를 위해 전류-전압 시험을 이용하였다. 800℃ 운전 조건에서, 10X10cm² 셀의 경우, 3% 가습된 수소 1000ccmin.
연료극과 금속지지체 사이의 접합층의 미세구조는 전자주사현미경(scanning electron microscope, SEM, Hitachi S-4300)을 이용하여 분석하였다. 연료극, 접합층 그리고 금속지지체 사이의 금속이온의확산 거동은 energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX, Horiba EX-350)를 이용하여 분석하였다.
연료극과 금속지지체 사이의 접합층의 미세구조는 전자주사현미경(scanning electron microscope, SEM, Hitachi S-4300)을 이용하여 분석하였다. 연료극, 접합층 그리고 금속지지체 사이의 금속이온의확산 거동은 energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX, Horiba EX-350)를 이용하여 분석하였다.
In-situ 공기극은 공기극으로 사용하는 슬러리를 열처리 없이 순차적으로 코팅을 수행한 후 운전온도에서 동시에 열처리를 수행하는 방법이다. 우선 samaria-doped ceria(SDC)를 스크린프린팅한 후 건조하였다. 그 위에 SDC와 La_0.
금속지지체로는 페라이트계 스테인레스 스틸인 STS 430(stainless steel 430)을 사용하였다. 유로는 Fig. 1에 제시한 바와 같이 serpentine 형상으로 가공하였고 채널 폭은 0.5mm 및 1.0mm 두 종류로 제작하였으며, 금속지지체 두께는 2.0mm로 제작하였다. 단전지 면적이 늘어남에 따라 지지체 변형이 발생하여 두께가 1.
^-1의 공기를 공기극에 공급하였다. 전류-전압 시험은 전자부하(KIKUSUI PLZ-4W)를 이용하여 일정한 전류를 인가하는 동시에 디지털 멀티미터(KEITHLEY 2400)를 이용하여 전지 전압을 측정하는 방법으로서 인가하는 전류를 단계별로 증가시키면서 전압을 측정하여 출력을 계산하였다.

대상 데이터

금속지지체로는 페라이트계 스테인레스 스틸인 STS 430(stainless steel 430)을 사용하였다. 유로는 Fig.
0mm인 금속지지체 두 장을 유로 방향에 따라 90° 엇갈리게 확산접합하여 제작한 시편도 사용하였다. 금속지지체와 연료극-전해질 소결체의 접합을 위해 NiO, YSZ 그리고 AISI 410 분말로 구성된 접합층을 사용했다. 세 분말을 동일한 무게비로 정량한 후 유기 바인더와 에탄올을 이용하여 슬러리를 제조하여 금속지지체 위에 코팅하였다.
단전지 면적이 늘어남에 따라 지지체 변형이 발생하여 두께가 1.0mm인 금속지지체 두 장을 유로 방향에 따라 90° 엇갈리게 확산접합하여 제작한 시편도 사용하였다.
), 페로브스카이트 구조의 금속 산화물 등을 고체전해질로 사용한다. 연료극으로는 세라믹/금속 혼합물 그리고 공기극으로는 페로브스카이트 구조의 금속산화물을 사용한다. SOFC는 공해물질의 배출이 적고, 높은 발전효율을 기대할 수 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있다^1,2).
연료극은 NiO(Alfa, 99.9%)와 YSZ(8mol.% Y₂O₃-stabilized ZrO₂, Tosoh TZ-8Y)를 1:1의 무게비로 혼합하여 사용하였다. 내부 기공을 확보하기위해 평균 입자크기 44μm의 graphite를 부피비 24% 첨가하였다.

성능/효과

2A/cm² 이상의 전류가 인가되지 않는 이유는 단전지 변형에 의한 밀봉해제로 인해 연료 및 공기의 공급이 원활하지 않고 그에 따른 농도분극(concentration polarization) 저항이 크고, 또한 불충분한 집전으로 인한 전하전달분극(charge transfer polarization) 저항이 크기 때문이다. Bi-layer 금속지지체를 이용하여 제작된 단전지의 전류-전압 시험 결과를 보면, 앞서 설명한 바와 같이 a/b값이 20%이상 향상되어 높은 편평도를 확보함으로써 밀봉도가 개선되어 1.08V의 상대적으로 높은 개회로전압을 나타낸다. 따라서 연료극과 공기극 사이의 충분한 산소분압차이가 유지됨을 알 수 있으며, 집전성능 또한 개선되어 1.
Mono-layer 금속지지체를 사용한 경우 단전지 변형으로 인해 30%이하의 낮은 밀봉도를 보였으며, bi-layer 금속지지체를 사용한 경우, 공기극 81%, 연료극 68%의 밀봉도를 나타내었다. Fig. 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, mono-layer 금속지지체를 이용하여 제작된 금속지지체식 단전지는 낮은 밀봉도로 인해 개회로 전압이 이론값인 1.229V보다 매우 낮은 0.97V를 나타내었으며, 전류인가에 따른 전압강하도 매우 큼을 알 수 있다. 이러한 과도한 전압강하 현상과 0.
이를 양방향으로 분산하기위해 두 층의 금속지지체를 이용할 경우 열처리 시 발생하는 응력을 상쇄하는 것으로 보인다. 금속지지체 한층(mono-layer)을 사용한 경우에는 a/b=1.37이었으며, 두층(bi-layer)을 사용한 경우에는 a/b=1.09로 20% 이상 편평도가 개선됨을 확인하였다.
기존에 사용한 serpentine 형상의 유로가 가공된 페라이트계 스테인레스 스틸재질의 금속지지체 2장을 유로 방향에 따라 90°로 엇갈리게 확산 접합하여 금속지지체로 사용함으로써 고온 열처리 시 가공된 유로 방향으로의 변형에 따른 낮은 밀봉효율 및 집전 성능 저하로 인한 단전지 성능 감소의 문제점을 해결할 수 있었다.
08V의 상대적으로 높은 개회로전압을 나타낸다. 따라서 연료극과 공기극 사이의 충분한 산소분압차이가 유지됨을 알 수 있으며, 집전성능 또한 개선되어 1.0A/cm² 이상의 높은 전류밀도 인가가 가능하였고 0.5W/cm² 이상의 높은 최대출력밀도를 얻을 수 있었다.
기존에 사용한 serpentine 형상의 유로가 가공된 페라이트계 스테인레스 스틸재질의 금속지지체 2장을 유로 방향에 따라 90°로 엇갈리게 확산 접합하여 금속지지체로 사용함으로써 고온 열처리 시 가공된 유로 방향으로의 변형에 따른 낮은 밀봉효율 및 집전 성능 저하로 인한 단전지 성능 감소의 문제점을 해결할 수 있었다. 또한 접합층 미세구조를 분석하여 가스 공급을 위한 충분한 기공도가 확보됨을 확인하였으며, 전기적 성능평가를 통해 bi-layer 금속지지체 사용 시 우려되는 금속지지체를 통한 연료가스 공급 문제가 발생하지 않고 밀봉도가 개선됨에 따라 높은 출력밀도를 나타냄을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고체산화물 연료전지는 고체전해질로 무엇을 사용하는가?	SOFC는 도핑된 지르코니아(ZrO2), 세리아(CeO2), 페로브스카이트 구조의 금속 산화물 등을 고체전해질로 사용한다. 연료극으로는 세라믹/금속 혼합물 그리고 공기극으로는 페로브스카이트 구조의 금속산화물을 사용한다.
	고온형 연료전지의 장점은?	연료전지는 운전 온도에 따라 비교적 저온에서 작동되는 저온형 연료전지와 500℃ 이상의 고온에서 작동되는 고온형 연료전지로 분류된다. 고온형 연료전지는 높은 효율을 기대할 수 있다는 점과 귀금속 촉매를 전극으로 사용하지 않는다는 점, 그리고 높은 온도의 폐열을 이용할 수 있다는 장점으로 다양한 분야에서 각광 받고 있다. 또한 규모면에서 분산형 발전 시스템으로의 개발에 용이하다는 장점을 갖는다. 고온형 연료전지는 대표적으로 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell, MCFC)와 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)가 있다.
	연료전지는 무엇으로 분류되는가?	연료전지는 운전 온도에 따라 비교적 저온에서 작동되는 저온형 연료전지와 500℃ 이상의 고온에서 작동되는 고온형 연료전지로 분류된다. 고온형 연료전지는 높은 효율을 기대할 수 있다는 점과 귀금속 촉매를 전극으로 사용하지 않는다는 점, 그리고 높은 온도의 폐열을 이용할 수 있다는 장점으로 다양한 분야에서 각광 받고 있다.

참고문헌 (11)

N. Q. Minh, T. Takahashi, "Science and technology of ceramic fuel cells", Elsevier, Netherlands, 1995, p. 2.
이태희, "2 모듈 스택을 이용한 SOFC 시스템 운전결과", 한국수소 및 신에너지학회 논문집, Vol. 21, No. 5, p. 405.

원문보기 상세보기
H. Q. An, O. B. Jorg, Y. Dongfang, Y. Sing, W. Zhenwei, W. Bingwen, "Polarization analysis for metal-supported SOFCs from different fabrication processes", J. Power Sources, Vol. 177, 2008, p. 339.

상세보기
M. Sebastian, K. Bpgislaw, G. Maria, J. Piotr, "Evaluation of porous 430L stainless steel for SOFC operation at intermediate temperature", J. Power Sources, Vol. 181, p. 31.

상세보기
B. Marco, B. Martin, F. Jan, H. P Buchkremer, D. Stover, "Electrically conductive diffusion barrier layers for metal-supported SOFC", Solid State Ionics, Vol. 179, p. 1501.

상세보기
Bae J. M., Lee C. B., Korea Patent 0889266.
Liu Y., Chen D. Y., "Protective coatings for $Cr_2O_3$ -forming interconnects of solid oxide fuel cells", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 34, p. 9220.

상세보기
J. H. Choi, T. Lee, M. Choi, Y. S. Yoo, S. W. Baek, J. M. Bae, "Long-term performance of anode-supported SOFC integrated with metal interconnect by joining process", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 35, p. 4285.

상세보기
Choi G. M., Cho H. J., Korea Patent 0953102.
오승모, "전기화학", 자유아카데미, 대한민국, 2010, pp. 37.
V. A. C. Haanappel, M. J. Smith, "A review of standardising SOFC measurement and quality assurance at FZJ", J. Power Sources, Vol. 171, p. 169.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

금속지지체식 SOFC 제작 및 평가
Fabrication and Evaluation of Metal-Supported SOFC 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

금속지지체식 SOFC 제작 및 평가 Fabrication and Evaluation of Metal-Supported SOFC 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

최진혁 (7) 이태희 (9) 최미화 (5) 유영성 (17)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

금속지지체식 SOFC 제작 및 평가
Fabrication and Evaluation of Metal-Supported SOFC 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper