초록 ▼

□ 연구개요
• 고체산화물 수전해전지(SOEC)에서의 가장 치명적인 열화현상은 공기극 박리 및 crack 성장, 즉 전기화학적인 작동에 의한 기계적 파괴 현상이라 할 수 있음. SOEC 전해질 내부에서 산소분압이 어떤 임계값을 넘는 경우에 이와 같은 mechanical failure가 일어날 수 있으므로, electrolysis 작동과 산소분압 상승 간의 상관관계를 이해하는 것이 중요함. 이러한 electro-chemo-mechanics 현상은 리튬이온전지에서 는 리튬 수지상 성장과 관련이 있기 때문에 최근 매우 중요한 주제로

□ 연구개요
• 고체산화물 수전해전지(SOEC)에서의 가장 치명적인 열화현상은 공기극 박리 및 crack 성장, 즉 전기화학적인 작동에 의한 기계적 파괴 현상이라 할 수 있음. SOEC 전해질 내부에서 산소분압이 어떤 임계값을 넘는 경우에 이와 같은 mechanical failure가 일어날 수 있으므로, electrolysis 작동과 산소분압 상승 간의 상관관계를 이해하는 것이 중요함. 이러한 electro-chemo-mechanics 현상은 리튬이온전지에서 는 리튬 수지상 성장과 관련이 있기 때문에 최근 매우 중요한 주제로 다뤄지고 있으나 SOEC 에서는 관련 연구가 부족한 실정임. 전기화학적으로 유도된 SOEC 파괴 현상에 대한 근본적인 이해를 바탕으로 열화 억제 연구가 필요함.

□ 연구 목표대비 연구결과
1) SOEC 작동조건에 따른 YSZ 전해질 내부 산소분압 측정
• 전류밀도(과전압)에 따른 전해질 내부 산소분압 증대 및 공기극 박리 가능성을 실험적으로 검증 완료
2) SOEC 작동 조건에 따른 crack 사이즈 및 성장 속도 측정
• 과전압과 crack 성장 속도와의 상관관계를 도출하였으며 수전해 전류밀도 증대에 따라 crack 사이즈 성장 확인
3) 공기극/전해질 파괴가 일어나는 임계 전압 (Ecr) 및 압력 (pcr)을 예측하여 위험 영역 선별
• 파괴가 일어나는 임계 산소분압, p_cr및 Nernst equation 을 이용하여 공기극/전해질 계면에서 박리가 일어나는데 필요한 임계 전압(E_cr) 관계식 도출
• 4 전극 시스템을 이용하여 고 전류밀도에서 산소분압의 임계 압력(27500 atm) 초과 현상을 확인
4) 산소분압을 pcr 미만으로 제어하는데 필요한 전자(홀)농도 계산 및 도펀트 물질 선정
• 산화분위기에서의 PCO 의 p-type 전도성을 실험적으로 확인
• PCO의 ionic conductivity 와 hole conductivity의 합으로 이루어진 전기전도도 식을 도출
5) 산소분압 증대 및 crack 성장 속도 위험 영역을 선택적으로 보호할 수 있는 도펀트 농도 분포 최적화
• 계면 박리 억제를 위해 요구되는 수소 분위기에서의 10-5 ~ 10-4 S/cm, 공기 분위기에서 10-3 S/cm 수준의 전자(홀) 전도도 수치를 도출
6) ‘regional electron-conduction’ 전해질 적용 SOEC 셀 기술 개발
• ScCeSZ 전해질 물질을 공기극에 적용함으로써 공기극/전해질 계면 저항 감소
• 고전류 밀도 조건에서 48.93 atm 수준의 낮은 산소분압 유지
7) 가혹 운전조건에서 mechanical fracture 방지 효과 검증
• 기존 전극 대비 셀 열화율, 0.7 mV/h 수준의 안정적 작동 검증
• 테스트 후 미세구조 분석 결과 기존 셀과 달리 박리 현상은 관찰되지 않았음

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
• 본 과제의 목표는 SOEC의 electro-chemo-mechanical failure 현상에 대한 정확한 이해와 이를 기반으로 한 신개념 ‘regional electron-conduction electrolyte’ 전해질 개발이라 할 수 있음. 선택적으로 산소분압을 억제할 수 있기 때문에 기본 성능과 내구성을 모두 갖춘 SOEC 소재 기술을 확립할 수 있을 것으로 기대됨. 또한 기존에 개발된 SOFC/SOEC　소재에서 크게 벗어나지 않은 상용화 수준의 보편적인 소재 (YSZ 전해질, LSM/LSCF 공기극, Ni+YSZ 연료극)를 활용하였다는 장점이 있음.
• 새로운 소재 개발에 의한 단기 성능 향상보다는 일반적인 소재를 개선함으로써 SOEC 스택에 직접 적용할 수 있는 실용적인 기술을 개발하였음. 본 연구과제에서 수행한 electro-chemo-mechanics, non-equilibrium thermodynamics, ion/electron transport 기반의 연구과정은 향후 실용적/학술적 파급효과를 기대할 수 있음.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 1) SOEC 작동조건에 따른 전해질 (YSZ, yttria stabilized zirconia) 내부 산소분압 측정 ... 6
• 2) SOEC 작동 조건에 따른 crack 사이즈 및 성장 속도 측정 ... 7
• 3) 산소분압 증대 및 crack 성장 속도가 빠른 위험 영역을 선택적으로 보호할 수 있는 도펀트 농도 분포 최적화 ... 7
• 4) ‘regional electron conduction’ 전해질 적용 SOEC 셀 기술 개발 ... 8
• 5) 가혹 운전조건에서 mechanical fracture 방지 효과 검증 ... 8
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 9
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 9
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• 3) 목표 달성 수준 ... 16
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 17
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 18
• 7. 참고문헌 ... 18
• 끝페이지 ... 36