초록 ▼

1) 당초계획
기존 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 높은 작동온도에 의해 발생하는 소재의 열화 및 높은 유지비용의 문제를 해결하기 위해 낮은 작동온도를 갖는 고체연료전지의 개발이 필요하였고, 그 해결 방법으로 저온에서 작동하는 수소이온 세라믹 연료전지(Proton Ceramic Fuel Cell, PCFC)에 대한 연구를 진행하였다. 훨씬 가볍고 빠른 이동속도를 지닌 수소이온이 이동하는 전해질을 사용하는 PCFC는 낮은 온도에서도 높은 출력밀도를 나타낼 수 있는 장점을 통해 미래 친환경

1) 당초계획
기존 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 높은 작동온도에 의해 발생하는 소재의 열화 및 높은 유지비용의 문제를 해결하기 위해 낮은 작동온도를 갖는 고체연료전지의 개발이 필요하였고, 그 해결 방법으로 저온에서 작동하는 수소이온 세라믹 연료전지(Proton Ceramic Fuel Cell, PCFC)에 대한 연구를 진행하였다. 훨씬 가볍고 빠른 이동속도를 지닌 수소이온이 이동하는 전해질을 사용하는 PCFC는 낮은 온도에서도 높은 출력밀도를 나타낼 수 있는 장점을 통해 미래 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 그러나 최근 많은 연구자들에 의해 수소이온 전도성 전해질 결정내부에서 수소이온(H⁺)과 억셉터 이온(A^-)간의 강한 정전기적 인력이 수소이온 전도를 방해하는 주요 원인으로 거론되어 왔다. 양의 유효전하를 띠는 수소이온은 음의 전하를 띠는 억셉터 이온에 정전기적으로 강하게 묶여져 있어 이동이 크게 저하되는 현상을 보이게 되는데, 본 연구에선 이와 같은 정전기적 인력에 기이한 고착(electrostatic trapping) 현상을 이해하고 극복할 수 있는 원자수준 제어방법을 제시하여 본 문제를 해결하고자 하였다. 본 과제에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 다양한 억셉터 종류를 선별하고(Simulation), 열역학적 조건이 정밀히 제어된 이온전도도의 정확한 측정(Measurements / Modeling) 및 원자레벨 이미지 기법을 이용한 원자단위 분석(Atomic-scale Analysis)을 진행하여 고출력 에너지 변환을 위한 이온전도 극대화 기술을 개발하고자 목표를 선정하였다.

2) 주요성과
수소이온 전도를 방해하는 요인으로 거론되어 왔던 수소이온(H⁺)과 억셉터 이온(A^-)간의 강한 정전기적 인력이 산소빈자리(V_o") 를 통해 효과적으로 제거할 수 있음을 증명하였다.
또한 이러한 지식을 통해 정전기적 인력에 기인한 고착 현상을 극복할 수 있는 원자수준 제어 방법을 제안하였다. 본 방법은 산소빈자리(V_o") 결함을 이용하여 억셉터 이온을 강하게 고착시키고, 수소이온(H⁺)의 이동을 원활하게 하여 수소이온 전도를 향상시키는 방법이다. 다음 방법을 실험적으로 증명하기 위해 투과 전자 현미경 방법을 이용하여 실제 산소빈자리와 억셉터가 강하게 고착되는지 확인하였다. 수소이온 전도도 측정 실험을 통해 정전기적 인력 조절 효과에 따른 수소이온 전도도 향상 효과를 검증할 수 있었다. 이러한 원자단위 조절을 통한 수소이온 전도도 향상 효과는 그 독창성과 중요성을 인정받아 Angewandth Chemie Interational Edition 논문에 게재되었고, Inside back cover로 선정되었다. 또한 본 연구에서 개발한 원자단위 조절법의 기술 보호 및 향후 기술이전 및 사업화를 위한 특허를 출원하였다. 현재 시제품 제작 및 테스트를 진행중이며, 향후 파일롯 단계 시작품 제작을 위한 신뢰성 평가를 지속적으로 진행할 예정이다.

(출처 : 요약)

목차 Contents

• 표지 ... 1성과보고서 ... 2요약 ... 3목차 ... 41. 주요 추진계획 대비 수행성과 ... 5 1) 과제개발 달성도 ... 52. 과제수행 성과 ... 6 1) 정성적 성과내용 ... 6 가) 배경 기술 분야 ... 6 나) 본 과제의 기존 목표 ... 9 다) 단기간 성능 극대화를 위한 체계적 접근법 ... 10 라) 주요 과제 추진 내용 ... 11 마) 과제 추진 성과 ... 22 2) 정량적 성과 ... 28끝페이지 ... 29