$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

K2NiF4 type 층상 페롭스카이트 구조 La(Ca)2Ni(Cu)O4-δ의 SOFC 양극 특성 및 결정구조 평가
Structural and electrochemical characterization of K2NiF4 type layered perovskite as cathode for SOFCs 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.25 no.3, 2015년, pp.116 - 120  

명재하 (연세대학교, 신소재공학과) ,  홍연우 (한국세라믹기술원, 전자소재융합본부) ,  이미재 (한국세라믹기술원, 전자소재융합본부) ,  전대우 (한국세라믹기술원, 전자소재융합본부) ,  이영진 (한국세라믹기술원, 전자소재융합본부) ,  황종희 (한국세라믹기술원, 전자소재융합본부) ,  신태호 (한국세라믹기술원, 전자소재융합본부) ,  백종후 (한국세라믹기술원, 전자소재융합본부)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

혼합이온 전도체인 $K_2NiF_4$-type 산화물인 $La(Ca)_2Ni(Cu)O_{4+{\delta}}$ 분말을 합성하여 결정구조 분석과 분말의 나노구조화에 따른 고체산화물 연료전지의 양극 성능을 비교 평가하였다. 이온 반경이 큰 Cu가 Ni 자리에 치환되어 Ni-O 팔면체 구조에서 c 축 방향으로 결정구조가 팽창하였으며, Ni-Cu의 Jahn-Teller 뒤틀림으로 산소이온 산화 환원 반응과 이온 전도도 특성에 영향을 주었다. 특히 나노구조의 $La(Ca)_2Ni(Cu)O_{4+{\delta}}$ 분말의 경우 표면 촉매성능이 향상되어 단위 전지 성능 향상 결과를 얻을 수 있었다. Ni-YSZ 음극 지지체에 8YSZ 전해질을 dip-coating한 후 $La(Ca)_2Ni(Cu)O_{4+{\delta}}$ 분말을 양극으로 도포하여 얻은 SOFC 단위성능 측정 결과 $800^{\circ}C$에서 $1w/cm^2$의 최대 출력 값을 얻을 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

$La_2NiO_{4+{\delta}}$ based oxides, a mixed electronic-ionic conductors (MIECs) with $K_2NiF_4$ type structure, have been considerably investigated in recent decades as electrode materials for advanced solid oxide fuel cells (SOFCs) due to their high electrical conductivity, a...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

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

제안 방법

  • (a)는 합성한 La1.7Ca0.3Ni0.75Cu0.25O4 + δ 분말의 XRD 패턴을 나타낸 것이며 XRD 패턴을 Rietveld refinement로 결정구조 분석하였다.
  • 25O4 + δ cathode 버튼 셀의 700, 750, 800, 850oC에서의 전류-전압 출력(I-V) 곡선을 나타내었으며, Fig. 3(b)는 버튼 셀의 온도 별 임피던스을 측정하여 주파수 영역 대에 따라 저항성분을 분별하여 ASR(area specific resistance)로 표기하여 전체 셀의 분극저항 성분을 Arrhenius 곡선을 통해 분석하였다. 버튼 셀의 전해질과 양극의 두께는 미세구조 분석을 통해 약 25 μm와 10 μm임을 확인하였으며 1200oC 이상의 양극 소결에서는 입자의 조대화로 공기극의 미세구조가 micro화 되었으나 버튼 셀의 성능은 800oC와 850oC의 고온 작동에서 각각 1.
  • Fig. 1(b)에서 보는 바와 같이 입방정계의 I4/mmm 공간군을 확인하였으며 Fig. 2에서 결정구조를 도식화한 것 같이 [ABO3][AO][ABO3], 페롭스카이트와 rock-salt의 교차 층상구조인 Ruddlesden-Popper의 결정구조를 XRD 분석으로 확인하였다. Cu가 팔면체 Ni 자리에 치환되어 c축으로 증가하였으며 a, b축의 Ni(Cu)-O1의 결합 간격이 줄어든 것을 확인 할 수 있었다.
  • Cu가 도핑된 La1.7Ca0.3Ni0.75Cu0.25O4 + δ 분말의 SOFC 공기극 특성을 평가하기 위하여 YSZ 전해질 버튼 셀을 테스트하였다.
  • 단위 셀은 소결된 전해질 지지체 버튼 셀에 La1.7Ca0.3Ni(Cu)O4 + δ 분말을 페이스트화하여 스크린 프린팅법을 이용하여 균일하게 도포한 후 1000oC에서 2시간 열처리하여 최종 평가용 SOFC 단위전지를 얻었다.
  • 5 cm2이 되도록 하였다. 단위 전지의 전기화학적 성능평가는 임피던스 측정장비를 이용하여 실시하였다. 제조한 버튼 셀을 측정장비에 장착한 뒤 유리 밀봉재를 이용하여 850oC에서 밀봉 후 연료극에 수소 가스를 주입하여 NiO를 1시간 환원시킨 뒤, 공기극에 100 ml/min 산소가스를 공급하여 연료전지 출력특성과 임피던스 분석을 실시하였다.
  • 본 연구에서는 K2NiF4-type 산화물인 층상구조의 La1.7Ca0.3Ni0.75Cu0.25O4 + δ을 습식 화학법으로 합성한 뒤 결정구조 분석과 SOFC 공기극 성능을 평가하였다.
  • 본 연구에서는 Ni 자리에 Cu를 25 mol% 도핑 한 La1.7Ca0.3Ni(Cu)O4 + δ 분말을 습식 화학법으로 합성하여 결정구조를 분석하고 SOFC의 양극으로 적용하여 전기 화학적 성능을 평가하였다.
  • 제조한 버튼 셀을 측정장비에 장착한 뒤 유리 밀봉재를 이용하여 850oC에서 밀봉 후 연료극에 수소 가스를 주입하여 NiO를 1시간 환원시킨 뒤, 공기극에 100 ml/min 산소가스를 공급하여 연료전지 출력특성과 임피던스 분석을 실시하였다. 전지 성능 평가 후 버튼 셀의 파단면을 주사전자현미경(filed emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 이용하여 미세구조 관찰하였다.
  • 3Ni(Cu)O4 + δ 분말의 SOFC 공기극 성능평가를 위해서 전해질 지지형 단위셀을 제조하였다. 전해질 지지체는 상용의 NiO 분말과 YSZ(yttrium stabilized zirconia, Tosho 8YSZ, Japan) 분말을 이용하여 52 wt% NiO, 33 vol% YSZ, 15 wt% 카본블랙의 혼합분말을 일축가업성형으로 지지체를 성형하여 1100oC에서 가소결 한 후 YSZ slurry에 dip-coating 방법으로 전해질을 도포하고 1400oC에서 5시간 소결하여 전해질 지지체을 제조하였다. 단위 셀은 소결된 전해질 지지체 버튼 셀에 La1.
  • 단위 전지의 전기화학적 성능평가는 임피던스 측정장비를 이용하여 실시하였다. 제조한 버튼 셀을 측정장비에 장착한 뒤 유리 밀봉재를 이용하여 850oC에서 밀봉 후 연료극에 수소 가스를 주입하여 NiO를 1시간 환원시킨 뒤, 공기극에 100 ml/min 산소가스를 공급하여 연료전지 출력특성과 임피던스 분석을 실시하였다. 전지 성능 평가 후 버튼 셀의 파단면을 주사전자현미경(filed emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 이용하여 미세구조 관찰하였다.

대상 데이터

  • La1.7Ca0.3Ni(Cu)O4 + δ 분말의 SOFC 공기극 성능평가를 위해서 전해질 지지형 단위셀을 제조하였다.

데이터처리

  • LLC, UK) 등의 금속 질화염을 적량하여 증류수에 녹인 후 건조하고 950oC와 1200oC에서 각각 3시간 하소하여 결정화하였다. 제조된 분말의 상분석은 X-선 회절기(X-ray diffractometer)를 이용하여 분석하고 GSAS 프로그램을 이용하여 Rietveld 결정분석 하였다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고체산화물연료전지가 분산발전 또는 대규모 집중 발전용 에너지 변환 장치로 주목받고 있는 이유는? 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs)는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 내부 직접 개질로 다양한 연료를 이용할 수 있기 때문에 분산발전 또는 대규모 집중발전용 에너지 변환 장치로 주목 받고 있다[1-4]. 하지만, SOFC를 이용하여 높은 전류밀도를 얻기 위해서는 고온 작동(800~1000oC)이 요구되며 이러한 고온에서의 장시간 운전은 단위전지, 스택 구성 요소 간 반응과 성능 감소의 주요 원인이 되기 때문에 재료의 고온 내구성이나 작동온도를 중 저온으로 낮추기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
단위전지, 스택 구성 요소 간 반응과 성능 감소의 주요 원인은 무엇인가? 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs)는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 내부 직접 개질로 다양한 연료를 이용할 수 있기 때문에 분산발전 또는 대규모 집중발전용 에너지 변환 장치로 주목 받고 있다[1-4]. 하지만, SOFC를 이용하여 높은 전류밀도를 얻기 위해서는 고온 작동(800~1000oC)이 요구되며 이러한 고온에서의 장시간 운전은 단위전지, 스택 구성 요소 간 반응과 성능 감소의 주요 원인이 되기 때문에 재료의 고온 내구성이나 작동온도를 중 저온으로 낮추기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 작동온도를 800oC 이하를 낮추기 위해서는 전해질의 박막화를 통한 전해질 내부 저항 감소나 Gd doped Ceria(GDC), La(Sr)Ga(Mg)O3 이온전도도가 빠른 새로운 전해질을 이용한 SOFC의 구성이 요구되며 또한 공기극 표면에서의 전기화학반응속도가 빠른 새로운 SOFC 양극 소재에 대한 연구가 필요하다.
고체산화물연료전지의 작동온도 감소를 위해 필요한 것은? 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs)는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 내부 직접 개질로 다양한 연료를 이용할 수 있기 때문에 분산발전 또는 대규모 집중발전용 에너지 변환 장치로 주목 받고 있다[1-4]. 하지만, SOFC를 이용하여 높은 전류밀도를 얻기 위해서는 고온 작동(800~1000oC)이 요구되며 이러한 고온에서의 장시간 운전은 단위전지, 스택 구성 요소 간 반응과 성능 감소의 주요 원인이 되기 때문에 재료의 고온 내구성이나 작동온도를 중 저온으로 낮추기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 작동온도를 800oC 이하를 낮추기 위해서는 전해질의 박막화를 통한 전해질 내부 저항 감소나 Gd doped Ceria(GDC), La(Sr)Ga(Mg)O3 이온전도도가 빠른 새로운 전해질을 이용한 SOFC의 구성이 요구되며 또한 공기극 표면에서의 전기화학반응속도가 빠른 새로운 SOFC 양극 소재에 대한 연구가 필요하다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (17)

  1. T. Ishihara, "Perovskite oxide for solid oxide fuel cells", 1st ed., N. P. Bansal, Ed. (Springer, New York, 2009) p. 50. 

  2. N.Q. Minh, "Solid oxide fuel cell technology - Features and applications", Solid State Ionics 174 (2004) 271. 

  3. S.C. Singhal, "Solid oxide fuel cells for stationary, mobile, and military applications", Solid State Ionics 152-153 (2002) 405. 

  4. B.C.H. Steele and A. Heinzel, "Materials for fuel-cell technologies", Nature 414 (2001) 345. 

  5. F. Dong, D. Chen, Y. Chen, Q. Zhao and Z. Shao, "Ladoped BaFeO3-[small delta] perovskite as a cobalt-free oxygen reduction electrode for solid oxide fuel cells with oxygen-ion conducting electrolyte", J. Mater. Chem. 22 (2012) 15071. 

  6. T. Horita, K. Yamaji, N. Sakai, H. Yokokawa, A. Weber and E. Ivers-Tiffee, "Electrode reaction of $La_{1-x}Sr_xCoO_3-d$ cathodes on $La_{0.8}Sr_{0.2}Ga_{0.8}Mg_{0.2}O_{3-y}$ electrolyte in solid oxide fuel cells", J. Electrochem. Soc. 148 (2001) A456. 

  7. J.H. Kim, M. Cassidy, J.T.S. Irvine and J. Bae, "Electrochemical investigation of composite cathodes with $SmBa_{0.5}Sr_{0.5}Co_2O_{5+{\delta}}$ cathodes for intermediate temperature-operating solid oxide fuel cell", Chem. Mat. 22 (2010) 883. 

  8. M. Shah and S.A. Barnett, "Solid oxide fuel cell cathodes by infiltration of $La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_{3-{\delta}}$ into Gddoped ceria", Solid State Ionics 179 (2008) 2059. 

  9. Z. Shao and S.M. Haile, "A high-performance cathode for the next generation of solid-oxide fuel cells", Nature 431 (2004) 170. 

  10. C. Xia, W. Rauch, F. Chen and M. Liu, " $Sm_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3$ cathodes for low-temperature SOFCs", Solid State Ionics 149 (2002) 11. 

  11. H. Zhao, Q. Li and L. Sun, " $Ln_2MO_4$ cathode materials for solid oxide fuel cells", Sci. China Chem. 54 (2011) 898. 

  12. E. Boehm, J.M. Bassat, M.C. Steil, P. Dordor, F. Mauvy and J.C. Grenier, "Oxygen transport properties of $La_2Ni_{1-x}Cu_xO_{4+{\delta}}$ mixed conducting oxides", Solid State Sciences 5 (2003) 973. 

  13. G. Yang, C. Su, R. Ran, M.O. Tade and Z. Shao, "Advanced symmetric solid oxide fuel cell with an infiltrated K $2NiF_4$ -Type $La_2NiO_4$ electrode", Energy and Fuels 28 (2014) 356. 

  14. K. Zheng, A. Gorzkowska-Sobas and K. Swierczek, "Evaluation of $Ln_2CuO_4$ (Ln: La, Pr, Nd) oxides as cathode materials for IT-SOFCs", Materials Research Bulletin 47 (2012) 4089. 

  15. Y. Shen, H. Zhao, J. Xu, X. Zhang, K. Zheng and K. Swierczek, "Effect of ionic size of dopants on the lattice structure, electrical and electrochemical properties of $La_{2-x}M_xNiO_{4+{\delta}}$ (M Ba, Sr) cathode materials", Int. J. Hydrogen Energy 39 (2014) 1023. 

  16. T.M. Noh, J.S. Ryu, J.S. Kim, C.W. Jeong and H.S. Lee, "Structural analysis and thermal expansion property of Cu doped LSM for SOFCs", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 21 (2011) 175. 

  17. I.Y. Park, J.M. Im, Y.G. Jung and D.W. Shin, "Fabrication of $Sm_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3$ cathode films for intermediate temperature SOFCs by electrostatic spray deposition", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 20 (2010) 69. 

저자의 다른 논문 :

LOADING...

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

BRONZE

출판사/학술단체 등이 한시적으로 특별한 프로모션 또는 일정기간 경과 후 접근을 허용하여, 출판사/학술단체 등의 사이트에서 이용 가능한 논문

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로