[논문]마이크로 원통형 SOFC 특성평가: 집전방식에 따른 단위전지의 전기화학적 특성

김환; 이종원; 이승복; 임탁형; 박석주; 송락현; 신동열

doi:10.7316/khnes.2012.23.1.043

마이크로 원통형 SOFC 특성평가: 집전방식에 따른 단위전지의 전기화학적 특성
Evaluation of Micro-Tubular SOFC: Cell Performance with respect to Current Collecting Method 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.1, 2012년, pp.43 - 48

김환 (한국에너지기술연구원 수소연료전지연구단) , 이종원 (한국에너지기술연구원 수소연료전지연구단) , 이승복 (한국에너지기술연구원 수소연료전지연구단) , 임탁형 (한국에너지기술연구원 수소연료전지연구단) , 박석주 (한국에너지기술연구원 수소연료전지연구단) , 송락현 (한국에너지기술연구원 수소연료전지연구단) , 신동열 (한국에너지기술연구원 수소연료전지연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the characterization of micro-tubular SOFCs using three different anode current collecting methods of inlet current collection (IC), both current collection (BC) and total current collection (TC). The maximum power densities of SOFCs at $750^{\circ}C$ using IC, BC and TC were 56 mW/$cm^2$ (0.43 V, 0.13 A/$cm^2$), 236 mW/$cm^2$ (0.43 V, 0.55 A/$cm^2$) and 261 mW/$cm^2$ (0.43 V, 0.61 A/$cm^2$) respectively. It was confirmed by impedance spectroscopy that both the polarization resistance and the ohmic resistance were dramatically increased at SOFC with IC.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 집전방식이 마이크로 SOFC 성능에 미치는 영향을 평가, 분석하였다. 이를 위해 연료 유입부분 외부 전류 집전(inlet current collection: IC), 연료 유입･배출부분 외부 전류 집전(both current collection: BC), 전체 내부 전류 집전(total current collection: TC) 3가지의 집전 방식으로 단위전지를 제작하였고, 마이크로 원통형 SOFC의 성능 및 전기화학적 임피던스 측정을 통해 비교 분석하였다¹⁰⁾.

제안 방법

IC와 BC의 집전방법으로는 Ag-Glass 복합페이스트와 Ag 페이스트를 브러쉬 코팅법을 이용하여 코팅한 후 700℃에서 열처리하여 접속자(interconnects)층을 형성하였다. 집전방식에 따른 마이크로 원통형 SOFC를 Fig.
마이크로 원통형 SOFC의 지지체의 특성 평가를 위해 미세구조를 관찰하기 위해 소결체를 대상으로 전자주사현미경(scannig electron microscope : SEM) 을 이용해 관찰하였고, 마이크로 원통형 SOFC의 단위전지 성능 특성 측정을 위해 전기 로에 단위전지를 설치하고 1.67℃/min 속도로 승온 시킨 후 성능평가를 수행하였다. 이때 연료로는 3%로 가습된 수소와 산화제로는 공기를 주입하였고, DC 전자 부하기 (DP-500, Daegil Electrics, Korea)를 이용하여 단위전지에 흐르는 전자부하를 변화시키면서 전류-전압 특성을 측정하였다.
본 연구에서는 마이크로 원통형 SOFC의 연료극 집전 방식 즉, 유입부분 외부 전류 집전(inlet current collectionr: IC), 유입･배출부분 외부 전류 집전(both current collection: BC), 전체 내부 전류 집전(total current collection: TC) 3가지의 집전 방식으로 3.77 cm²의 단위전지를 제작하였고, 단위전지 성능을 측정하였다. 그 결과 TC와 BC는 IC에 비해 약 5배정도 높은 출력밀도를 보였다.
접속자 연결재는 전기전도성을 가지는 Ag와 유리를 혼합하여 Ag-Glass 복합페이스트를 제작하였다. 연료극 집전에서의 TC의 집전방법으로는 Ni 펠트(felt) 와 Ni 선(wire)을 점용접(spot welding)을 하고 Ni 페이스트를 브러쉬를 사용하여 Ni 펠트- Ni 선 접합체에 바른 후 내부 집전체로 사용하였다.
67℃/min 속도로 승온 시킨 후 성능평가를 수행하였다. 이때 연료로는 3%로 가습된 수소와 산화제로는 공기를 주입하였고, DC 전자 부하기 (DP-500, Daegil Electrics, Korea)를 이용하여 단위전지에 흐르는 전자부하를 변화시키면서 전류-전압 특성을 측정하였다. 또한, 전기화학적 분석을 위하여 교류 임피던스 분석기(1260 Analyzer, Solatron, USA) 의 교류 3단자 법을 이용하여 주파수의 변화에 따라 측정된 임피던스 값의 변화를 실수와 허수축 상에 나타내는 Nyquist 플롯을 이용하여 나타내었다.
이는 단위전지의 길이 방향으로 저항이 증가되어 성능이 급격히 감소하는 현상을 보였다⁹⁾ . 이를 규명하기 위해 전기화학적 임피던스 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 집전방식이 마이크로 SOFC 성능에 미치는 영향을 평가, 분석하였다. 이를 위해 연료 유입부분 외부 전류 집전(inlet current collection: IC), 연료 유입･배출부분 외부 전류 집전(both current collection: BC), 전체 내부 전류 집전(total current collection: TC) 3가지의 집전 방식으로 단위전지를 제작하였고, 마이크로 원통형 SOFC의 성능 및 전기화학적 임피던스 측정을 통해 비교 분석하였다¹⁰⁾.
이를 열판에 건조 후 100µm의 체에 체질을 하였다. 체질된 혼합분발을 압출성형을 위해 증류수와 유기바인더, 가소제, 윤활제를 첨가하여 혼련을 통하여 압출용 페이스트를 제조하였다. 혼련된 페이스트를 압출 성형법으로 성형체를 제조하였다.
체질된 혼합분발을 압출성형을 위해 증류수와 유기바인더, 가소제, 윤활제를 첨가하여 혼련을 통하여 압출용 페이스트를 제조하였다. 혼련된 페이스트를 압출 성형법으로 성형체를 제조하였다. 압출된 원통형 성형체는 표면에 손상을 주지 않기 위하여 70rpm의 속도로 rolling 건조하였다.

대상 데이터

ohmic 저항은 주로 전해질 저항(ioinc conductance), 셀 길이방향의 저항(electronic conductance) 및 도선저항에 의해 결정된다. 본 연구에서는 동일 두께 및 소재의 전해질을 사용하였으며, 도선 또한 동일하게 사용하였기 때문에 ohmic 저항의 차이는 셀 길이방향의 저항성분의 차이 때문에 기인한 것으로 판단할 수 있다.
접속자 연결재는 전기전도성을 가지는 Ag와 유리를 혼합하여 Ag-Glass 복합페이스트를 제작하였다. 연료극 집전에서의 TC의 집전방법으로는 Ni 펠트(felt) 와 Ni 선(wire)을 점용접(spot welding)을 하고 Ni 페이스트를 브러쉬를 사용하여 Ni 펠트- Ni 선 접합체에 바른 후 내부 집전체로 사용하였다.

이론/모형

이때 연료로는 3%로 가습된 수소와 산화제로는 공기를 주입하였고, DC 전자 부하기 (DP-500, Daegil Electrics, Korea)를 이용하여 단위전지에 흐르는 전자부하를 변화시키면서 전류-전압 특성을 측정하였다. 또한, 전기화학적 분석을 위하여 교류 임피던스 분석기(1260 Analyzer, Solatron, USA) 의 교류 3단자 법을 이용하여 주파수의 변화에 따라 측정된 임피던스 값의 변화를 실수와 허수축 상에 나타내는 Nyquist 플롯을 이용하여 나타내었다.

성능/효과

Fig. 5에서 보이는 것과 같이 BC, TC의 경우에 비해 IC 전류집전의 경우 ohmic 저항 성분이 크게 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 IC 집전의 경우 셀 길이방향의 저항성분이 크게 증가함을 의미한다.
77 cm²의 단위전지를 제작하였고, 단위전지 성능을 측정하였다. 그 결과 TC와 BC는 IC에 비해 약 5배정도 높은 출력밀도를 보였다. 이는 임피던스 분석법을 통하여 얻어진 3가지의 집전방식의 단위전지의 ohmic 저항과 분극저항 값이 IC의 경우 가장 크게 나타나는 현상으로 설명하였다.
또한, BC와 TC에서 분극저항의 크기를 의미하는 임피던스 곡선들의 크기가 비슷하게 나타났다. 반면, IC에서 임피던스 곡선의 크기는 크게 증가하였다.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용하여 600℃∼1000℃의 고온에서 운전함으로써 값비싼 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 반응을 가속화시킬 수 있으며, 연료극 측에서의 내부 개질 반응이 가능하여 개질기를 간략화 할 수 있을 뿐만 아니라, 수소 이외에 천연가스 및 석탄가스 등의 다양한 연료를 사용할 수 있다. 또한, 온도 상승에 따라 이론 효율(등온 변화로 화학에너지에서 전기에너지로 변환할 수 있는 최대값)은 감소하지만, 반면에 온도 상승에 따라 전기 저항, 전극반응 저항(electrode polarization resistance)은 작아지므로, 온도 상승에 따른 이론 효율의 감소를 보충할 수 있다. 따라서 다른 저온형 연료전지에 비해 높은 효율을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고체산화물 연료전지는 어떻게 구분되는가?	고체산화물 연료전지는 그 형태에 따라 크게 원통형(tubular type) SOFC와 평판형(planar type) SOFC 로 구분되며, 각각 형태에 따른 장단점 특성을 갖게 된다. 그중 원통형 SOFC의 구조는 기체 밀봉이 최소화되고, 내구성이 우수한 SOFC 구조로 평가받고 있다1-4).
	원통형 SOFC 구조의 장점은 무엇인가?	고체산화물 연료전지는 그 형태에 따라 크게 원통형(tubular type) SOFC와 평판형(planar type) SOFC 로 구분되며, 각각 형태에 따른 장단점 특성을 갖게 된다. 그중 원통형 SOFC의 구조는 기체 밀봉이 최소화되고, 내구성이 우수한 SOFC 구조로 평가받고 있다1-4). 또한, 최근 활발히 연구되어지는 마이크로 원통형 SOFC는 직경이 감소함에 따라 단위부피당 전력밀도가 높으며, 열응력에 대한 저항성이 매우 우수 하다5) .
	마이크로 SOFC의 집전 방식을 개선하는 연구가 활발히 진행되는 이유는 무엇인가?	휴대성의 장점을 가지고 있는 마이크로 SOFC는 직경이 6mm이하로 제작 된다. 하지만 6mm이하의 직경을 가지는 마이크로 SOFC는 기존 연료극 내부 집전이 용이 하지 않으며, 길이방향으로 저항이 높아져 단위면적당 출력밀도는 저하되기 때문에 집전 특성을 고려하여 최적화하는 것이 필요하다. 이에 집전 방식을 개선하는 연구가 활발히 진행되고 있다6-9).

참고문헌 (10)

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S. H. Pi, S. B. Lee, R. H. Song, J. W. Lee, T. H. Lim, S. J. Park, D. R. Shin, and C. O. Park, "Effect of glass contents on the electrical and sintering property of $La_{0.8}Ca_{0.2}CrO_3/glass$ composite interconnects for solid oxide fuel cells", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 36, 2011, p. 3735.
D. Cui, L. Liu, Y. Dong, and M. Cheng, "Comparison of different current collecting modes of anode supported micro-tubular SOFC through mathematical modeling", J. Power Sources, Vol. 174, 2007, p. 246.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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