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문제 정의
- 본 연구에서는 혼합전도성 공기극의 두께를 달리한 음극지지형 연료전지를 제작하여 공기극의 두께가 연료전지의 전기화학적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다.
제안 방법
- 9%) 와 합성 공기(산소 21%, 질소 79%)를 각각 100mL/min의 유량으로 공급하였다. Galvanostat(Solartron 1287A, UK)을 사용하여 전류-전압 특성을 측정하였으며, Impedance/Gain-Phase Analyzer(Solartron 1260A, UK)를 사용하여 교류 임피던스를 측정하였다. A.
- 97%, High Purity Chemicals, Japan), Y-안정화 ZrO2(TZ8YS, Tosoh, Japan) 및 carbon black 상용 분말을 습식볼밀에 의해 혼합하였다. 건조된 혼합분말을 디스크 형태로 일축 가압성형한 후, 1150℃에서 가소결 하여 지지체를 제조하였다. Sc-안정화 ZrO2(10mol% Sc2O3-1mol% CeO2-ZrO2, DKKK, Japan) 전해질을 dip-coating법으로 증착시켰다.
- 8O3-δ, Kceracell, Korea)를 혼합하여 사용하였다. 공기극 역시 dipcoating법을 사용하였으며, 공기극 두께의 조절을 위하여 dip-coating용 slurry에 첨가되는 바인더(Polyvinyl butyral, ACROS, BEL)를 분말 질량 대비 8%와 20%로 각각 다르게 하였다. 공기극은 4회에 걸쳐 상온에서 코팅 및 건조를 반복한 후 950℃에서 3시간 동안 열처리 하였다.
- 공기극의 두께가 작동온도 감소에 따른 전기적인 성능에 어떻게 영향을 주는지 알아보기 위하여 두께가 다른 두 단전지의 교류 임피던스를 셀 전위 0.7V 조건에서 측정하였다. Fig.
- 공기극의 두께와 작동온도에 따른 단전지의 출력 특성을 비교하기 위하여 800℃-650℃의 온도 범위에서 50℃ 간격으로 전류-전압 곡선을 측정하였다 (Fig. 2). 공기극의 두께가 32.
- 제조된 단전지의 출력 성능은 800℃- 650℃ 온도 범위에서 50℃ 간격으로 측정하였다. 연료극과 공기 극에 수소가스와(99.9%) 와 합성 공기(산소 21%, 질소 79%)를 각각 100mL/min의 유량으로 공급하였다. Galvanostat(Solartron 1287A, UK)을 사용하여 전류-전압 특성을 측정하였으며, Impedance/Gain-Phase Analyzer(Solartron 1260A, UK)를 사용하여 교류 임피던스를 측정하였다.
- 음극 지지체에 코팅 된 ScSZ 전해질은 1000℃에서 열처리 후 공기극과 전해질의 반응을 차단하기 위해 Gd-첨가 CeO2(Gd0.1CeO2-δ, Anan Kasei, Japan)를 중간층으로 dip-coating법으로 증착시킨 후 1350℃에서 공소결 하였다.
- 제조된 단전지의 출력 성능은 800℃- 650℃ 온도 범위에서 50℃ 간격으로 측정하였다. 연료극과 공기 극에 수소가스와(99.
대상 데이터
- 공기극은 전자 전도성과 이온 전도성을 모두 가지고 있는 혼합전도성(Mixed Ionic Electronic Conducting Ceramic) 페롭스카이트(Perovskite) 산화물 중 고상반응법으로 합성한 BSCFZn(Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.1Zn0.1 O3-δ)과 상용 LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ, Kceracell, Korea)를 혼합하여 사용하였다.
- 음극지지형 단전지를 제조하기 위하여 NiO(99.97%, High Purity Chemicals, Japan), Y-안정화 ZrO2(TZ8YS, Tosoh, Japan) 및 carbon black 상용 분말을 습식볼밀에 의해 혼합하였다. 건조된 혼합분말을 디스크 형태로 일축 가압성형한 후, 1150℃에서 가소결 하여 지지체를 제조하였다.
이론/모형
- 건조된 혼합분말을 디스크 형태로 일축 가압성형한 후, 1150℃에서 가소결 하여 지지체를 제조하였다. Sc-안정화 ZrO2(10mol% Sc2O3-1mol% CeO2-ZrO2, DKKK, Japan) 전해질을 dip-coating법으로 증착시켰다. 음극 지지체에 코팅 된 ScSZ 전해질은 1000℃에서 열처리 후 공기극과 전해질의 반응을 차단하기 위해 Gd-첨가 CeO2(Gd0.
성능/효과
- (b) 그래프를 비교해보면 공기극의 두께가 3.2μm인 단전지의 전체 저항이 두께가 32.5μm인 단전지에 비해 매우 높게 측정 된 것을 확인 할 수 있다.
- Fig. 1(a)와 (b)의 미세구조를 비교해보면 공기극과 전해질의 반응을 차단하기 위한 GDC 중간층 및 ScSZ 전해질의 두께가 거의 같다는 것을 확인하였다. 공기극은 바인더의 첨가량만 다르고 동일한 조건으로 코팅 하였는데, 바인더가 분말 질량 대비 8%첨가된 slurry로 코팅 된 공기극은 두께가 약 3.
- Fig. 3에서 보는 바와 같이, 공기극의 두께가 32.5μm인 단전지는 온도가 감소하여도 고주파영역의 반원과 저주파영역의 반원 크기 비율이 비교적 일정한데 비해, 공기극의 두께가 3.2μm인 단전지는 낮은 주파수 영역(3Hz) 의 저항이 온도가 감소할수록 저온에서 급격하게 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
- 공기극 두께가 32.5μm인 단전지는 800℃에서 650℃로 측정 온도가 낮아질 때 최고 출력이 1.15W/cm2에서 0.20W/cm2으로 약 72% 감소한 반면, 공기극 두께가 3.2μm인 단전지는 0.56W/cm2에서0.04W/cm2로 93% 가량 감소하였다.
- 공기극 두께가 32.5μm인 단전지는 약 24시간이 경과한 후 1.15W/cm2에서 1.13W/cm2으로 성능이 거의 일정하게 유지 되었지만 공기극 두께가 3.2μm인 단전지는 대략 4시간 동안 성능이 증가한 이후 20시간 동안 0.57W/cm2에서 0.43W/cm2으로 약 25% 감소하였다.
- 공기극은 바인더의 첨가량만 다르고 동일한 조건으로 코팅 하였는데, 바인더가 분말 질량 대비 8%첨가된 slurry로 코팅 된 공기극은 두께가 약 3.2μm로 매우 얇게 코팅되었지만 20%가 첨가된 slurry로 코팅 된 공기극의 두께는 32.5μm로 10배 정도 두껍게 코팅 된 것을 확인 할 수 있었다.
- 3의 교류 임피던스 그래프의 저항을 정리하였다. 두 단전지의 저항성분을 분석해보면, 각 온도별로 저항의 차이를 비교했을 때 분극저항(RP)에서 차이가 가장 크게 나타난 것을 확인 할 수 있다. 공기극 두께가 다른 두 단전지의 ohmic 저항값(Rohm) 차이는 측정온도에 관계없이 약 0.
- 혼합전도성 산화물을 공기극으로 사용했을 경우, 공기극의 두께가 충분하지 못하면 작동온도가 낮아짐에 따라 출력이 크게 감소했다. 두께가 작은 단전지로부터 교류 임피던스를 측정하여 분석한 결과, 온도가 낮아질수록 낮은 주파수의 분극 저항이 급격히 증가하였다. 또한, 단전지의 내구성 테스트 결과는 얇은 두께의 공기극의 경우 시간이 갈수록 ohmic 저항과 분극저항이 동시에 증가하는 것을 나타내었다.
- 두께가 작은 단전지로부터 교류 임피던스를 측정하여 분석한 결과, 온도가 낮아질수록 낮은 주파수의 분극 저항이 급격히 증가하였다. 또한, 단전지의 내구성 테스트 결과는 얇은 두께의 공기극의 경우 시간이 갈수록 ohmic 저항과 분극저항이 동시에 증가하는 것을 나타내었다. 두께가 얇은 공기극에서 일어난 저항증가는 공기극의 높은 열팽창율에 의해 전해질/공기극 계면에서 일어난 delamination에 의한 것으로 생각된다.
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