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연구의 목적 및 내용
고체산화물 연료전지(SOFC)가 중온에서 만족할 만한 성능을 보이기 위해서는 새로운 고성능 공기극이 필요하다. 기존에 사용하던 screen printing 기법은 물론 최근에 보고되고 있는 infiltrat...

연구의 목적 및 내용
고체산화물 연료전지(SOFC)가 중온에서 만족할 만한 성능을 보이기 위해서는 새로운 고성능 공기극이 필요하다. 기존에 사용하던 screen printing 기법은 물론 최근에 보고되고 있는 infiltration과 electrodepostion 기법을 검토하여 공기극 제작방법의 타당성을 검토하고, 최적의 방법을 제시한다.
열역학적/전기적물성치를 측정하여 공기극 작동 조건에서 새로 선정한 재료가 안정적이며 고성능 공기극 재료로 적합한지 예비 평가한다. 동일한 재료에 대해 주어진 조건에서의 재료의 열역학적 상태를 추정할 수 있는 결함 분석(defect analysis)을 수행한다.
결정된 최적의 제작 방법으로 공기극을 제작하고 새로운 재료에 대한 기초 실험 및 연료전지의 성능실험을 수행하여 검증한다. 마지막으로 구성 물질 및 공기극 구조와 열역학적 물성치, 전기전도도의 상관관계를 분석함으로써 공기극 개발의 방향을 제시한다.
연구결과
기존의 SOFC는 고온에서 작동하는 특성 때문에 고온에서 작동 시 성능이 저하되는 문제점과 전극을 제작하는 방법에 있어 한계가 존재함. 따라서, SOFC의 작동온도가 600~800℃로 낮아지고 있는 추세이며, 중온의 범위에서 우수한 성능을 발휘할 수 있는 전극 소재와 제작기술을 개발하는 것이 시급함.
▶ 현재 사용 중인 공기극 소재의 한계
● 750 ℃ 이하의 온도에서 큰 분극저항을 나타냄
● 열팽창계수가 높고 연료전지의 전극을 제작하기 위한 소결온도 범위 내에서 고체 전해질과 고체상 반응이 일어나는 문제점이 보고되고 있음
▶ 이를 보완하기 위한 신조성 형태의 결정구조를 가진 대체 물질을 이용한 전극 개발
● 고전도성 및 oxygen kinetics가 빠른 Layered perovskite, Ruddlesden-Popper Series 계열의 신조성 세라믹 재료의 개발
▶ 전극의 미세구조 제어방법에 대한 연구
● 전기화학반응이 일어나는 반응 사이트인 삼상계면(TPB)을 증가시키는 연구
● 나노입자의 전극 제조를 통해 고성능/고신뢰 공기극 개발 실현
▶ 공기극 작동 조건에서의 화학적 적합성과 최적화를 위한 열역학적, 전기적 특성 분석
● 열역학적 물성치를 통한 재료의 안정성 평가
● 결함 분석(defect analysis)으로 주어진 조건에서의 재료의 결함특성 파악
● 전기전도도의 분석을 통해 재료의 적합성 검토
연구결과의 활용계획
- 연료전지 공기극으로 부적합한 재료를 제외 할 수 있는 방법의 개발
- 공기극 재료의 열역학적 성질 및 전기전도도, 구조와 연료전지 성능의 상관관계 정립
- 소재제작공정의 재검토 및 최적화를 통한 독자기술 확보와 새로운 나노기반 소재 개발.
- 일반 세라믹 분야와 달리 SOFC용 소재 및 단전지 소재 분야는 부가가치가 상대적으로 높고 신기술 개발의 여지가 많기 때문에 원천기술개발을 통해 소재 기업에 기술 이전

Abstract
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Purpose&contents
Improved cathodes are required for intermediate-temperature operation of solid-oxide fuel cells (SOFCs). The a...

Purpose&contents
Improved cathodes are required for intermediate-temperature operation of solid-oxide fuel cells (SOFCs). The aim of this study is first to determine the optimum cathode fabrication method among screen-printing, infiltration and/or electrodepostion for the IT SOFCs.
Secondly, new materials are evaluated by the measurements of the fundamental characteristics and cell performance. The methodology for the development of the high-performance cathode for IT-SOFCs will be suggested finally.
Result
High temperature operating for conventional SOFC causes the limitation of choices of materials and cell degradation
▶ therefore, high operating temperature becomes intermediate temperature such as, 600~800 oC
▶ The development of new materials enabling to show high cell performance at the intermediate temperature operating condition
▶ The limitation of conventional cathode materials
● Problem: High polarization resistance lower than 750 oC
● Thermal expansion is too high and solid state reaction between solid electrolyte occurs at normal sintering temperature
▶ The developments of new structured cathode material
● New cathode materials such as, Layered perovskite, Ruddlesden-Popper Series with high oxgyen kinetics and high conductivity
▶ The analysis of electrical characteristics and thermodynamics of cathode
● The evaluation of stability and defect analysis via thermodynamics
▶ Engineering the microstructure of electrode
● The enlargement of TPB site
● Application infiltration methode to fabricate nano electrode
● The achievement of high performance/stability from nano scale electrode
Expected Contribution
- Screening technology to exclude improper cathode material.
- Theoretical background on the relationship between the thermodynamic property, electrical conductivity, micro-structure and cell performance.
- Development of the high performance cathode material based on optimum fabrication method.
- Technology transfer for the SOFC ceramic cathode developed by the new material and optimum fabrication method.

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참고문헌

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