보고서 정보
주관연구기관 |
서울대학교 Seoul National University |
연구책임자 |
차석원
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-10 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201700014984 |
과제고유번호 |
1345239812 |
사업명 |
이공학개인기초연구지원 |
DB 구축일자 |
2017-11-25
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키워드 |
단실형고체산화물연료전지.박막 고체산화물연료전지.고전압.나노 박막 계면.탄화수소.Single chamber SOFC.Thin film SOFC.high voltage.Nano-thin flim interface.Hydrocarbon.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700014984 |
초록
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연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 550℃의 중온 영역에서 작동하는 박막 단실형 고체산화물 연료전지를 개발하는 것이다. 단실형 고체산화물 연료전지는 연료/공기가 분리되어 있는 일반적인 고체산화물연료전지에 비해 스택 구성이 간단하다. 기존의 단실형 고체산화물 연료전지는 800℃ 이상의 고온에서 작동하지만 이러한 높은 작동 온도는 열 응력, 열화 연상, 기계적·재료적 문제 등을 야기한다. 전해질을 박막으로 구현하여 이온 전도 저항을 줄임으로서 작동온도를 낮추더라도 높은 성능을 발휘할 수 있다. 또한 연료/공기가 혼합되어 있는
연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 550℃의 중온 영역에서 작동하는 박막 단실형 고체산화물 연료전지를 개발하는 것이다. 단실형 고체산화물 연료전지는 연료/공기가 분리되어 있는 일반적인 고체산화물연료전지에 비해 스택 구성이 간단하다. 기존의 단실형 고체산화물 연료전지는 800℃ 이상의 고온에서 작동하지만 이러한 높은 작동 온도는 열 응력, 열화 연상, 기계적·재료적 문제 등을 야기한다. 전해질을 박막으로 구현하여 이온 전도 저항을 줄임으로서 작동온도를 낮추더라도 높은 성능을 발휘할 수 있다. 또한 연료/공기가 혼합되어 있는 환경에서는 산화극/환원극이 각각 연료/산소에만 반응해야 하므로 선택적 반응을 하는 촉매에 대해 조사하고 최적의 공정을 찾아내고 셀을 제작하여 전기화학적/구조 분석을 하였다. 더불어 박막 단실형 고체산화물 연료전지는 박막 공정만을 통해 별도의 조립과정 없이 스택 구현이 가능한데 이를 제작하고 실현 가능성을 검토한다.
연구결과
먼저 반응성 스퍼터링을 이용하여 YSZ 전해질 증착공정을 개발하였다. Y/Zr 합금 타겟을 Ar/O2 환경에서 스퍼터링하면 이트륨 및 지르코늄 입자가 산소와 반응하여 YSZ 박막이 형성된다. 단실형 고체산화물 연료전지에서는 전해질이 전자전도막음 역할만 수행하면 되므로(기체 밀봉 역할은 필요 없음), 전해질을 350nm 수준으로 더 얇게 증착할 수 있다.
또한 다공성 스택 구조를 위해 다공성 YSZ 전해질 증착 공정을 개발하였다.
코스퍼터링을 이용하여 다공성 Ru-GDC 산화극을 제작하였다(DC: Ru, RF:GDC). 본 산화극은 탄화수소 환경에서 카본 피독에 대한 내성을 가지며, 550℃에서도 전극 구조가 무너지지 않는다. 또한 연료에 대해 선택적 촉매 성능을 가지고 있으며, 탄화수소를 사용하더라도 수소를 연료로 사용했을때와 비슷한 성능을 가지므로, 단실형 고체산화물 연료전지에 최적화된 산화극이라고 할 수 있다.
PLD를 이용한 다공성 LSCF 환원극 공정도 개발했다. PLD를 통한 다공성 LSCF의 경우 전자전도도가 낮고 기둥형 구조이기 때문에 집전 저항이 매우 높다. 하지만 LSCF 환원극위에 금 집전층을 스퍼터링을 통해 증착하여 이러한 집전 저항 문제를 해결할 수 있었다.
최종 성능은 550℃에서 750mW/㎠이다.
추가적으로, 다공성 지지체인 AAO 위에 다공성 산화극/전해질/환원극을 반복적으로 증착하여 박막 단실형 고체산화물 연료전지 스택을 구현할 수 있었다.
연구결과의 활용계획
단실형 박막 고체산화물 연료전지의 경우 스택구성이 매우 간단하고 소형으로 제작할 수 있으며, 연료로 사용되는 탄화수소의 높은 에너지밀도 덕분에 휴대용 기기의 전원 공급장치로 활용하는데 매우 큰 장점을 가진다. 본 연구 개발을 통한 단실형 박막 고체산화물 연료전지의 연구 및 개발 결과는 휴대폰, 태블릿, 노트북 등 휴대용 기기의 고용량 전원장치로 활용가능하며, 기존의 반도체 공정 기술을 이용한 양산화가 용이하기 때문에 기존 1, 2차 전지의 대체재로서의 가치가 높다.
또한 본 연구의 공정 기술을 일반 박막 고체산화물 연료전지에도 적용가능하기 때문에, 그 범용성이 넓다고 할 수 있다.
(출처 : 한글요약문 5p)
Abstract
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Purpose&contents
The purpose of this research is to invent thin film-single chamber-SOFCs (TF-SC-SOFC) operated in intermediate temperature such as 550℃. SC-SOFCs have more simple stack structure than general SOFCs where fuel and air are separated. Conventional SC-SOFCs are operated over 800℃, bu
Purpose&contents
The purpose of this research is to invent thin film-single chamber-SOFCs (TF-SC-SOFC) operated in intermediate temperature such as 550℃. SC-SOFCs have more simple stack structure than general SOFCs where fuel and air are separated. Conventional SC-SOFCs are operated over 800℃, but high operating temperature causes thermal stress, degradation, mechanical·material problems. Thin film electrolyte has low ionic resistance, so TF-SOFC has reasonable performance in intermediate temperature. In addition, anode and cathode have selective catalytic activity to react with fuel and oxygen respectively, so material research and manufacturing research was conducted with electrochemical and structural analysis.
Furthermore, TF-SC-SOFC stack can be fabricated to all-porous structure by only deposition process without any assembling.
Result
YSZ electrolyte is fabricated by reactive sputtering with Y/Zr alloy target in Ar/O2 atmosphere because Y/Zr reacts with oxygen during sputtering process. In SC-SOFC, electrolyte conduct only blocking electronic conduct(sealing is unnecessary), so electrolyte can be more thin. The electrolyte thickness is reduced to 350nm. Also, porous electrolyte manufacturing is developed for all-porous stack structure.
Porous Ru-GDC anode is fabricated via co-sputtering(DC: Ru, RF: GDC) process.
The anode has resistance to cabon cocking and degradation. Also, it has selective catalytic activity to fuel, and performance with hydrocarbon is comparable to performance in hydrogen. Therefore, the anode is optimized to SC-SOFC.
Porous LSCF cathode is fabricated with PLD. The LSCF cathode has low electronic conductivity and pillar shape, so current collecting resistance is even higher than metal electrode. To lower current collecting resistance, Au layer is deposited on the LSCF cathode via sputtering. The final performance was 750mW/㎠ at 550℃ with methane/air mixed gas.
Additionally, TF-SC-SOFC stack is fabricated with repetitive deposition of porous anode/electrolyte/cathode on AAO.
Expected Contribution
TF-SC-SOFC has simple stack structure and can be manufactured to small size.
Also, its fuel, hydrocarbon, has high energy density. Therefore, the TF-SC-SOFC is suitable for power supplier for mobile device. This research on TF-SC-SOFC can be utilized in high energy density-power supplier for mobile device such as mobile phone, tablet, laptop, and etc. In addition, this technology utilizes existing semiconductor manufacturing equipment, so it is easy to mass-produce the TF-SC-SOFC.
Manufacturing process in this research is applicable to general TF-SOFC, so the manufacturing process has generality.
(출처 : SUMMARY 6p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 3
- 연구 계획 요약문 ... 4
- 연구 결과 요약문 ... 5
- 한글요약문 ... 5
- SUMMARY ... 6
- 연구내용 및 결과 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12
- 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 27
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 30
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 30
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구 실적 ... 31
- 8. 참고 문헌 ... 32
- 9. 연구 성과 ... 36
- 10. 기타사항 ... 37
- 별첨1. 대 표 연 구 성 과 ... 38
- 끝페이지 ... 38
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