초록 ▼

◎ 연구의 목적 및 내용
⦁ 고체산화물 연료전지는 높은 작동온도로 인한 재료 선택의 제약, 시스템의 열화현상 문제 등으로 상용화에 큰 어려움을 겪고 있음.
⦁ 작동온도를 저온으로 낮추기 위한 연구의 일환으로 전해질의 저항손실을 줄이기 위해 두께를 줄여 박막으로 제작하는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 기존에 주로 전해질 물질로 사용되는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 낮은 이온전도도로 인해 성능 개선에 한계를 보이고 있음.
⦁ 이에 대한 대안으로 기존의 이트리아 안정화 지르코니아와 같은 지르코니아 계열이면서 이

◎ 연구의 목적 및 내용
⦁ 고체산화물 연료전지는 높은 작동온도로 인한 재료 선택의 제약, 시스템의 열화현상 문제 등으로 상용화에 큰 어려움을 겪고 있음.
⦁ 작동온도를 저온으로 낮추기 위한 연구의 일환으로 전해질의 저항손실을 줄이기 위해 두께를 줄여 박막으로 제작하는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 기존에 주로 전해질 물질로 사용되는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 낮은 이온전도도로 인해 성능 개선에 한계를 보이고 있음.
⦁ 이에 대한 대안으로 기존의 이트리아 안정화 지르코니아와 같은 지르코니아 계열이면서 이온전도도가 더 높다고 알려진 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ) 물질이 존재하지만, 이를 박막공정을 이용한 연료전지에 적용하기 위한 연구는 거의 전무한 실정임.
⦁ 이에 본 연구팀은 원자막 증착법(Atomic Layer Deposition)을 이용한 나노스케일 초박막 ScSZ전해질 제작연구를 통한 원천기술 확보 및 저온형 고체산화물 연료전지의 성능 향상에 궁극적인 목표가 있음.

◎ 연구결과
⦁ 진공 증착 방법을 이용한 스칸디아 안정화 지르코니아 박막의 제작 공정을 수립하였으며, 제작된 ScSZ 박막의 화학적 조성, 결정성, 미세구조 등을 분석하였음.
⦁ 수립된 ScSZ박막 제작공정을 기반으로 6mol%~11mol% ScSZ 박막을 제작, 이온전도도를 비교한 결과 9.5mol%의 스칸디아 도핑 비율을 가지는 ScSZ박막의 이온전도도가 550℃ 기준 1.93 ×10^-3S/cm로 가장 우수하였으며, 이는 YSZ의 이온전도도인 1×10^-3S/cm에 비해 약 2배 가량 높은 성능을 보이는 것을 확인하였음.
⦁ 개발된 ScSZ 박막 전해질은 학계 최초로 양극 산화 알루미늄 지지체 기반 박막 고체산화물 연료전지에 적용 되였으며, 550℃기준 약 334 mWcm²의 우수한 성능을 발현하였음.
⦁ ScSZ 전해질을 이용한 박막형 연료전지의 추가적인 성능 향상을 위해 YSZ전해질을 이용하여 결정립계조절이 저온형 고체산화물 연료전지의 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있음을 검증하였음. 이는 향후 ScSZ전해질 기반 박막 연료전지에 적용하여 제작 및 성능을 평가할 예정.
⦁ 진공 증착 방법에 의해 제작된 나노 결정립계(Nanocrystalline)를 가지는 박막 전해질의 이온전도 메커니즘을 규명하기 위해 결정립계 크기 및 어닐링(Annealing) 효과의 이온전도도에의 영향을 분석하였음.
⦁ 이를 통해 고온 어닐링시 도펀트(Dopant) 물질의 결정립계에의 밀집현상에 의한 박막의 이온전도도 저하 영향을 규명하였음.
⦁ 저온형 고체 산화물 연료전지의 Pt 촉매 전극의 열적 내구성 향상을 위해 Pt/Ceramic 복합구조 전극을 개발하였음. 개발된 전극은 기존 43%/hour의 성능 감소를 보이는 Pt 촉매 전극에 비해 상당 부분 개선된(7~16%/h) 열적 안정성 및 내구성을 보유하였음.
⦁ 본 연구 내용을 바탕으로 해외 SCI 저널에 총 11건의 논문을 발표한 바 있으며, 스칸디아 안정화 지르코니아 전해질 개발에 대한 내용으로 1건의 특허를 출원하였음.

◎ 연구결과의 활용 계획
⦁ 본 연구 결과를 통한 저온형 연료전지의 성능 향상 및 전극 내구성 향상은 기존 고온 작동의 열화 문제에 기인한 고체산화물 연료전지 단가문제에 직접적인 해결책이 될 수 있을 것으로 보이며. 기존에 높은 작동온도로 인한 대형 발전용 시스템으로 국한되던 고체산화물 연료전지의 적용분야를 휴대용 시스템 및 차량용 연료전지와 같은 발전 가능성이 큰 다양한 분야에의 확장을 가능하게 할 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 12