[논문]SOFC용 전극 제작 조건에 따른 전극 성능 및 구조 분석

나세윤; 지영석; 이윤호; 조구영; 차석원

SOFC용 전극 제작 조건에 따른 전극 성능 및 구조 분석
Effect of fabrication conditions on microstructure and performance of electrodes for SOFCs 원문보기

나세윤 (서울대학교 기계항공공학부) , 지영석 (서울대학교 기계항공공학부) , 이윤호 (서울대학교 기계항공공학부) , 조구영 (서울대학교 기계항공공학부) , 차석원 (서울대학교 기계항공공학부)

In order to develop SOFC cell performance, many kind of things were investigated. Electrode microstructure is the one of them therefore we focus on electrodes fabrication easily and efficiently. We can fabricate electrodes easily with Pt using DC magnetron sputtering and sintering. However sputtering is difficult to handle and to grow porous electrodes what we require. On the other hand sintering is much easier than sputtering to make porous and adhesive electrodes. So in this paper we deal with sintering and optimize to deposit electrodes conditions by analyzing electrode microstructure with sacnning electron microscopy(SEM) micrograph. Also, we compare electrochemical performance of cells fabricated by sputtering and sintering.

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문제 정의

따라서 sputtering 보다는 sintering을 통해 전극을 생성시키는 것이 용이하고 효율적이다. sintering에 의한 pt전극 생성에 영향을 끼치는 요소로 온도, 시간뿐만 아니라 pt paste의 종류 및 양이 있는데⁴⁾ 본 연구에서는 전극으로서 가장 이상적인 온도에 따른 sintering의 생성 조건을 찾는 것이 목적이다.
본 연구에서는 SOFC의 전극으로서 pt를 이용해 생성 조건에 따라 전극으로서 유효함을 확인했다. 전해질로는 중저온 영역에서 높은 이온 전도도를 가지는 GDC(Ce0.

제안 방법

비록 다른 전극에 비해 가격이 비싼 문제점이 있지만 재활용이 가능하고 셀의 성능을 측정하는 기준전극 및 상대전극으로 널리 사용되어 활용도가 높다.³⁾ ⁴⁾본 연구에서는 중저온에서도 높은 이온 전도도를 가지는 GDC위에 제작이 용이한 sputtering과 sintering을 통해 pt전극을 생성시켰다. 이것을 주사 전자 현미경(이하 SEM)을 통해 전극 구조를 비교 분석했으며 실제로 sputtering과 sintering으로 생성한 pt전극이 전극으로서 유효한지 확인하기 위해 셀 성능을 측정했다.
본 연구에서는 중저온용 SOFC의 전극으로 pt 를 온도조건을 변화시켜 전극으로서 유효함을 확인했다. sputtering에 비해 sintering에 의한 pt 전극이 충분한 다공성을 가지면서 전해질과의 결합력이 좋은 것을 확인했다.
앞선 실험과 같은 조건하에서 중저온에서 두께가 200㎛인 GDC(Ce0.9Gd0.1O1.95) 전해질 위에 3mTorr, 200W로 5분간 sputtering한 pt전극을 생성시켜 셀 성능을 분석했다. 온도에 따른 성능 곡선과 임피던스는 다음과 같다.
³⁾ ⁴⁾본 연구에서는 중저온에서도 높은 이온 전도도를 가지는 GDC위에 제작이 용이한 sputtering과 sintering을 통해 pt전극을 생성시켰다. 이것을 주사 전자 현미경(이하 SEM)을 통해 전극 구조를 비교 분석했으며 실제로 sputtering과 sintering으로 생성한 pt전극이 전극으로서 유효한지 확인하기 위해 셀 성능을 측정했다. 일반적으로 sputtering은 sintering에 비해 다공성인 전극을 생성시키는 조건을 잡기가 어렵다.
sintering의 경우 직경이 26mm, 500㎛의 두께를 가지는 GDC에 직경이 15mm가 되도록 pt paste를 바르고 온도를 600℃부터 1000℃까지 100℃씩 변화를 주면서 각각 1시간씩 sintering 했으며 sputtering의 경우 3mTorr, 200W로 5분간 sputtering했다. 제작된 시편을 가지고 윗면과 단면의 SEM사진을 찍어 전극 구조를 비교 분석했으며 실제로 1000℃에서 sintering으로 제작된 버튼셀과 sputtering으로 제작된 버튼셀을 Solartron 1260과 1287로 성능을 측정했다.
중저온에서 높은 이온 전도도를 가지는 두께가 500㎛인 GDC(Ce0.9Gd0.1O1.95) 전해질 위에 1000℃에서 sintering으로 pt전극을 생성시켜 셀 성능을 분석했다. 온도에 따른 성능 곡선과 임피던스는 다음과 같다.

대상 데이터

본 연구에서는 SOFC의 전극으로서 pt를 이용해 생성 조건에 따라 전극으로서 유효함을 확인했다. 전해질로는 중저온 영역에서 높은 이온 전도도를 가지는 GDC(Ce0.9Gd0.1O1.95)를 이용했다. sintering의 경우 직경이 26mm, 500㎛의 두께를 가지는 GDC에 직경이 15mm가 되도록 pt paste를 바르고 온도를 600℃부터 1000℃까지 100℃씩 변화를 주면서 각각 1시간씩 sintering 했으며 sputtering의 경우 3mTorr, 200W로 5분간 sputtering했다.

성능/효과

본 연구에서는 중저온용 SOFC의 전극으로 pt 를 온도조건을 변화시켜 전극으로서 유효함을 확인했다. sputtering에 비해 sintering에 의한 pt 전극이 충분한 다공성을 가지면서 전해질과의 결합력이 좋은 것을 확인했다. 또한 셀 제작이 용이하고 셀의 성능 또한 좋게 나오는 것을 확인했다.
sputtering에 비해 sintering에 의한 pt 전극이 충분한 다공성을 가지면서 전해질과의 결합력이 좋은 것을 확인했다. 또한 셀 제작이 용이하고 셀의 성능 또한 좋게 나오는 것을 확인했다. 그러나 온도가 높아지면서 다공성도는 증가하지만 화학반응이 일어나는데 중요한 삼상계면이 감소하는 한계점을 보였다.
셀 성능 측정을 통해 알 수 있듯이 sputtering으로 생성한 pt전극보다 sintering으로 생성한 pt전극이 더 유효함을 알 수 있다.

후속연구

그러나 온도가 높아지면서 다공성도는 증가하지만 화학반응이 일어나는데 중요한 삼상계면이 감소하는 한계점을 보였다. 앞으로 pt전극 생성에 영향을 끼치는 요소인 sintering시간의 변화뿐만 아니라 pt paste의 종류 및 양을 변화시키는 연구가 필요하다.

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