초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구는 작동 가능 온도 400°C 이하, 최대 출력 범위 500mW~1W/cm2, 그리고 전극에 의한 전압 및 에너지 손실 50%이상 절감 가능한 고효율 저온 고체 산화물 연료 전지 개발을 최종 목표로 한다. 이를 위해 고체 산화물 연료 전지의 저온 구동에서 대부분의 에너지 손실을 차지하는 전해질 표면 촉매 음극층을 개선하기 위한 연구를 수행하고자 한다. 이 과정에서 달성하고자 하는 세부 목표 사항으로 기본 고체 산화물 구조 플랫폼 개발, 새로운 박막 표면 음극층 적층 공정 개발 및 제조, 고체 산화물

연구의 목적 및 내용
본 연구는 작동 가능 온도 400°C 이하, 최대 출력 범위 500mW~1W/cm2, 그리고 전극에 의한 전압 및 에너지 손실 50%이상 절감 가능한 고효율 저온 고체 산화물 연료 전지 개발을 최종 목표로 한다. 이를 위해 고체 산화물 연료 전지의 저온 구동에서 대부분의 에너지 손실을 차지하는 전해질 표면 촉매 음극층을 개선하기 위한 연구를 수행하고자 한다. 이 과정에서 달성하고자 하는 세부 목표 사항으로 기본 고체 산화물 구조 플랫폼 개발, 새로운 박막 표면 음극층 적층 공정 개발 및 제조, 고체 산화물 전지 성능 평가 및 발전 시스템 구축이 있다. 열거된 세부 목표들을 달성함으로써 본 연구에서 추구하는 고효율 저온 고체 산화물 연료 전지 발전 시스템 개발이외에 전반적인 박막관련 에너지 시스템 개발에 기여할 것으로 예상된다.

연구결과
고체 산화물 연료 전지는 고효율, 화학적 내구성, 낮은 생산 비용, 가습 및 제습 장치의 불필요 등의 장점들로 최근 차세대 발전 시스템으로 각광을 받고 있다. 그러나 기존 고체산화물 전지 시스템은 다음과 같은 기술적인 문제점들을 안고 있다. 우선 현재 생산되는 고체 산화물 연료 전지는 높은 작동 온도 때문에 상용화 분야가 한정되어 있다. 그리고 구동 온도를 강하하는 경우 상대적으로 표면 촉매 반응 속도가 낮아 이로 인한 에너지 손실이 너무 크다. 또한 저온 구동시 탄화 연료의 표면 반응의 속도가 너무 느리고 따라서 시스템의 정상적인 작동이 불가능하다. 이에 따라 본 연구는 다음에 열거된 세부 사항들을 수행하여 궁극적으로 400°C 이하, 최대 출력 범위 500mW~1W/cm2, 그리고 전극에 의한 전압 및 에너지 손실 50%이상 절감 가능한 고효율 저온 고체 산화물 연료 전지 개발하였다.
● 기본 고체 산화물 구조 플랫폼 및 새로운 표면 음극층 개발·적층: 1) 고체 산화물 전해질 (YSZ, GDC) 및 다공질 금속(Ni, Pt, Pd, Ag) 양극층 제조, 2) PVD와 ALD를 이용한 박막 표면 음극층(GDC, Ni, Pt, Ag) 제조, 3) 박막 구조 및 성분 분석 (SEM, TEM, AFM, XRD, XPS, EDS)
● 고체 산화물 전지 성능 평가: 1) EIS 기법을 이용한 전해질 전도도 및 표면 저항 측정, 2) I-V, 정압 전류/정전류 전압 측정을 통한 연료 전지 구동 성능 측정
● 고효율 발전 시스템 구축：1) 측정 데이터 분석 및 표면 음극층 구조 최적 설계 및 제작, 2) 수소, 메탄, 부탄, 프로판, 메탄올, 에탄올에 대한 표면 저항, 전류-전압 측정, 3) 기체 색층 분석법을 이용한 배기 가스 분석

연구결과의 활용계획
● 고체 산화물 연료 전지 구동 온도가 낮아지면서 전원으로 이용하는 제품들을 경량화 가능, 사용 제품의 구동 효율 향상 가능, 고분자막 연료 전지나 고화염 연료 전지를 효과적으로 대체 가능, 산화물 및 금속 박막 생산을 위한 원천 기술 확보
● 저온 고효율 고체 산화물 연료 전지 활용 방안으로 전기 차량용 발전 시스템으로 활용, 고효율 분산 발전기로서의 활용, 친환경 발전기로서의 활용 등이 있음
● 박막 증착 기술 활용 방안으로 ALD, PVD를 주요 기술로 하는 반도체 공정으로서의 활용, 타 에너지 시스템에서 박막 전해질 및 전극 개발 공정으로서의 활용 등이 있음
● 표면 촉매 개발 기술 활용 방안으로 저비용 고효율의 연료 생산 공정으로의 활용, 중온 전기 화학 제품울 위한 표면 촉매로서의 활용 등이 있음

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
We propose to develop highly efficient low tempreature solid oxide fuel cells (SOFCs) operable under 400°C with maxmium power densities of 500-1W/cm2 by reducing over 50% of energy loss from cathodic polarization. For this, it is essential to develop high performance cathodes wit

Purpose&contents
We propose to develop highly efficient low tempreature solid oxide fuel cells (SOFCs) operable under 400°C with maxmium power densities of 500-1W/cm2 by reducing over 50% of energy loss from cathodic polarization. For this, it is essential to develop high performance cathodes with improved catalytic activities, which account for majority of overpotential at low temperature operation. This proposal includes the following sub-tasks: development of a SOFC anode-supported electrolyte assembly, process development for production of novel catalytic cathodes, and performance evaluation followed by system optimization.

Result
SOFCs have attracted attentions as a future energy conversion system because of their high efficiency, chemical stability, low production costs, no need for water or liquid management. However, the following problems have limited wide used of SOFCs in practice. One of those problems is high temperature operation around 800°C. It is due to sluggish gas-ion exchange reactions on surafce of oxides at low temperatures, and use of hydrocarbon fuels is not possible because of the slow surface reaction. In this work, we propose to perform the following tasks to accomplish operation of SOFCs nder 400°C with maxmium power densities of 500-1000mW/cm2 by reducing over 50% of energy loss from cathodic polarization.
● Development of a SOFC anode-supported electrolyte assembly and novel catalytic cathode-electrolyte assemblies: 1) candidate materials for ion conducting oxide electrolytes and catalytic porous metals include YSZ, GDC and Ni, Pt, Pd, Ag respectively 2) fabrication of thin film cathodes using PVD and ALD 3) film characterization using SEM, TEM, AFM, XRD, XPS and EDS.

● SOFC performance evaluation 1) surface impedance and ion conductivity measurements using the EIS method, 2) fuel cell evalution by I-V measurements, potentiostatic current measurements, and galvanostatic measurements.

● System optimization and development：1) data analysis and optimized design of catalytic cathodes 2) evaluation of SOFC performance on hydorge and hydrocarbon fuels 3) analysis of reaction products by gas chromatography

Expected Contribution
● Size reduction of systems equipped with SOFCs operable at low temperatures, improvement of operation efficiency on products, substitution of PEMFCs and PAFCs and elimination of problems from low temperature operation of PEMFCs and PAFCs, process development of novel thin film fabrication techniques

● Low temperature SOFCs as powertrains for vehicles, highly efficient mobile and environment-friendly electricity generators

● ALD and PVD processes for fabrication of semi-conductor devices and other energy applications based on thin films

● Surface catalysts for highly efficient and economical fuel reforming, and for various electrochemical applications operating at intermediate temperatures

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 5연구내용 및 결과 ... 6 1. 연구개발과제의 개요 ... 6 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 13 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 34 5. 연구결과의 활용계획 ... 35 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 37 7. 참고문헌 ... 40 8. 연구성과 ... 41 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 41끝페이지 ... 42