초록 ▼

본 연구에서는 슬러리 내 입자크기가 $5{\sim}30\;nm$를 가지는 8YSZ 중합 졸 제조 기술을 개발하고 이를 이용한 박막 전해질 제조 공정 개발과 소결온도 저감 기술을 개발하였다. 또한 나노 전해질/전극(공기극) 복합전극을 GNP법을 이용하여 공합성하여 제조하는 기술을 개발하였다. 본 연구를 통해 얻어진 연구결과들을 요약하면 금속 무기 화합물인 질산염으로 8YSZ 중합졸을 합성하였으며, XRF 분석 결과 표준시료 대비 $99.2{\pm}1%$의 성분 및 함량이 일치하는 안정한 8YSZ

본 연구에서는 슬러리 내 입자크기가 $5{\sim}30\;nm$를 가지는 8YSZ 중합 졸 제조 기술을 개발하고 이를 이용한 박막 전해질 제조 공정 개발과 소결온도 저감 기술을 개발하였다. 또한 나노 전해질/전극(공기극) 복합전극을 GNP법을 이용하여 공합성하여 제조하는 기술을 개발하였다. 본 연구를 통해 얻어진 연구결과들을 요약하면 금속 무기 화합물인 질산염으로 8YSZ 중합졸을 합성하였으며, XRF 분석 결과 표준시료 대비 $99.2{\pm}1%$의 성분 및 함량이 일치하는 안정한 8YSZ가 합성되었다. SEM 분석결과 입자크기는 $5{\sim}30\;nm$를 가졌다. 졸 공정으로 코팅된 단면을 확인한 결과 $1{\mu}m$ 이하의 졸 코팅층이 관찰됐다. 이와 같이 제조된 전해질막의 소결온도에 따른 가스 투과도를 측정한 결과 $1200^{\circ}C$ 이상에서 소결된 졸 코팅막이 2.9 기압 차에서 가스누출이 발생하지 않았다. 또한 소결된 전해질의 $800^{\circ}C$에서 전기면저항은 0.0653 ${\Omega}/cm^2$을 나타내었다. 졸 공정에 의해 제조된 연료극 지지체식 원통형 단전지는 $700{\sim}800^{\circ}C$에서 성능특성을 조사하였으며, $800^{\circ}C$에서 개회로 전압은 1.05 V 였고, 0.6 V, 1007 $mA/cm^2$, 최대 전력밀도 672 $mW/cm^2$의 성능을 나타내었다. 나노 복합전극개발에 있어서 Pechini법과 GNP 법을 이용하여 LSM, LSCF를 각각 합성하였다. SEM과 XRD분석 결과 GNP법으로 합성하였을 때가 단일상을 갖는 perovskite구조가 형성되었음을 관찰할 수 있으며 결정상의 정도와 입자의 크기가 나노 크기를 가짐을 알 수 있었다. GNP법을 이용하여 나노 전해질 복합전극을 공합성한 결과 얻어진 LSM과 YSZ입자의 크기는 $10{\sim}50\;nm$ 이었다. LSM, YSZ를 독립적으로 합성한 경우에 비해 더 작은 입자를 합성할 수 있었으며, 이렇게 제조된 나노 전해질 복합전극의 임피던스를 측정한 결과 기존의 볼밀 혼합전극에 비해 분극저항이 크게 감소하였으며, 활성화에너지도 낮은 값을 나타내었다. 이러한 임피던스 거동을 해석한 결과 나노 복합전극의 전기화학적 특성 향상은 charge-transfer반응이 일어나는 three phase boundary(TPB)의 확장에 기인하는 것으로 분석된다. 또한 나노 전해질 복합전극으로 구성된 연료극지지체 단전지를 성능 평가한 결과 기존의 혼합전극에 비해 전지 성능이 크게 증가하였으며, 이것은 임피던스 결과와 일치하였다.

Abstract ▼

1. 1st year(2003)
$\circ$ Development of fabrication process for high performance ceramic electrolyte layer
- Development of fundamental technology for unit cell construction using nano-electrolyte
- Development of fundamental technology for nano-solid electrolyte using wet-proce

1. 1st year(2003)
$\circ$ Development of fabrication process for high performance ceramic electrolyte layer
- Development of fundamental technology for unit cell construction using nano-electrolyte
- Development of fundamental technology for nano-solid electrolyte using wet-process
- Development of fabrication process for nano-slurry
$\circ$ Fabrication and characterization of solid electrolyte using nano-particles
- Development of fabrication process for nano-solid electrolyte with high ionic conductivity
- Development of new electrolyte materials having low polarization resistance and high chemical stability
2. 2nd year(2004)
$\circ$ Development of fabrication process for high performance ceramic electrolyte layer
(specific area resistance : below $0.7{\Omega}cm^2$, particle size within slurry: below 50 nm, sintering temperature: below $1,300^{\circ}C$)
- Development of enhancement technology for electric conductivity of solid electrolyte
- Development of reducing sintering temperature: control of microstructure and composition
- Development of coating technology for nano-electrolyte and thin film with high ionic conductivity
$\circ$ Characterization of ceramic electroltye layer using nano-powder
- Research on control of sintering temperature
- Research on electrolyte composition
- Elucidation of transport mechanism of ion within nano-electrolyte
3. 3rd year(2005)
$\circ$ Development of fabrication process for high performance ceramic electrolye, and application to unit fuel cell
(specific area resistance : below $0.5{\Omega}cm^2$, sintering temperature: below $1,200^{\circ}C$, cell performance: $1,000mW/cm^2$)
- Development of SOFC system using nano-electrolyte layer having power density of $1000mW/cm^2$
- Development of enhancing technology for ionic conductivity of nano-electrolyte
- Development of commercialization technology for electroltye materials used at nano-SOFC
$\circ$ Development of enhancement and stabilization technology for nano-electrode and electrolyte
- Development of enhancing technology for nano-electrode(composite of electrolyte and catalyst) and nano-electrolye
- Development of fabrication of electrolyte layer and stabiliztion of SOFC cell

목차 Contents

• 제 1 장 서론...32
• 제 1 절 연구개발의 목적 및 필요성...32
• 제 2 절 연구 내용 및 범위...34
• 제 2 장 고체산화물 연료전지 및 박막 전해질의 이론적 배경...36
• 제 1 절 고체산화물 연료전지의 원리 및 특성...36
• 1. 작동원리...36
• 2. 성능 및 특징...40
• 제 2 절 연료전지용 세라믹 전해질...44
• 1. 세라믹 전해질 요구조건...44
• 2. 전해질 재료...45
• 가. 지르코니아계 전해질...45
• 나. 세리아계 전해질...49
• 다. 비스무스계 전해질...56
• 제 3 절 세라믹 전해질 박막 제조...60
• 1. 세라믹 전해질 박막 특성...60
• 2. 졸-겔을 이용한 세라믹 제조...64
• 3. 졸-겔을 이용한 습식 dip 코팅법...68
• 제 4 절 연료전지용 공기극 재료...71
• 1. 공기극의 요구조건...71
• 2. 공기극 재료...72
• 가. 단일물질...72
• 나. 혼합전도체...77
• 다. 복합체...78
• 제 3 장 고체산화물 연료전지의 나노 전해질 제조 기술 개발...86
• 제 1 절 세라믹 전해질 졸 제조...86
• 1. 입자 졸 제조...86
• 가. 금속유기화합물을 이용한 안정화 지르코니아 졸 제조...86
• 나. 합성된 YSZ 입자 졸 분석...87
• 다. 무기금속화합물을 이용한 안정한 지르코니아 졸 제조...94
• 2. 중합 졸 제조...94
• 가. 금속무기화합물을 이용한 안정화 지르코니아 졸 제조...94
• 나. 합성된 YSZ 중합 졸 분석...95
• 제 2 절 졸 공정에 의한 세라믹 전해질 박막제조...101
• 1. 연료극 지지체 제조...101
• 2. 졸 코팅을 위한 슬러리 전해질 코팅...105
• 3. 세라믹 전해질 막 제조에 미치는 졸 특성의 영향...107
• 가. 농도의 효과...107
• 나. 겔 안정화제의 효과...109
• 다. 계면활성제 첨가에 대한 전해질 표면에 미치는 효과...112
• 4. 세라믹 전해질 막 제조에 미치는 코팅 공정 변수의 영향...115
• 가. 딥핑 속도의 효과...115
• 나. 코팅 횟수의 효과...120
• 다. 열처리의 효과...125
• 1) 열처리 온도의 효과...128
• 2) 코팅 공정 횟수의 효과...131
• 라. 소결온도의 효과...133
• 제 4 장 나노 전해질/전극(공기극) 복합 전극 제조 기술 개발...138
• 제 1 절 나노입자를 가지는 분말의 합성법...138
• 1. Glycine Nitrate Process를 이용한 분말의 합성...138
• 가. 착물형성 반응...138
• 나. 발화반응...141
• 2. Pechini 법을 이용한 분말의 합성...144
• 가. 킬레이트 시약의 선택과 착물형성...146
• 나. Pechini 법의 한계...147
• 다. Pechini 법을 이용한 산화물의 합성...148
• 제 2 절 나노 전극(공기극) 분말의 제조 및 합성법에 따른 특성...150
• 1. LSM 분말의 제조 및 특성...150
• 가. Pechini 법을 이용한 제조...150
• 나. Glycine Nitrate Process을 이용한 제조...150
• 다. 합성법에 따른 분말의 특성...151
• 2. LSCF 분말의 제조 및 특성...162
• 가. Pechini 법을 이용한 제조...162
• 나. Glycine Nitrate Process을 이용한 제조...162
• 다. 합성법에 따른 분말의 특성...162
• 3. LSM/YSZ compsite 분말의 제조 및 특성...171
• 가. Glycine Nitrate Process을 이용한 제조...171
• 나. 분말의 특성...174
• 제 5 장 세라믹 연료전지의 특성 평가...195
• 제 1 절 졸 공정을 적용한 세라믹 연료전지의 특성평가...195
• 1. 단전지의 제조...195
• 2. 전해질 및 전지 성능 평가...204
• 가. 전기면저항(Areal Specific Resistance)...204
• 나. 성능측정...207
• 제 2 절 나노 전해짙/공기극 복합전극을 갖는 세라믹 연료 전지의 특성 평가...211
• 1. 단전지의 제조 및 코인셀 성능 평가...211
• 2. 전지 성능 특성...214
• 제 6 장 결론...216
• 제 7 장 연구개발목표 달성도 및 대외 기여도...219
• 제 8 장 연구개발 결과의 활용 계획...221
• 참고문헌...222