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중저온형 고체산화물 연료전지의 성능향상을 위한 이온전도체 연구 원문보기
Study of ion conductor to improve the performance of intermediate temperature solid oxide fuel cells

  • 저자

    백승석

  • 학위수여기관

    세종대학교 일반대학원

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    나노신소재공학과 고체산화물연료전지(solid oxide fuel cells)

  • 지도교수

    박준영

  • 발행년도

    2014

  • 총페이지

    120

  • 키워드

    중? 저온형 고체산화물연료전지 산소이온 전해질 프로톤전도전해질 음극지지체형 단위전지 Tape casting;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T13541165&outLink=K  

  • 초록

    연료전지에는 작동온도와 전해질의 전하 운반체에 따라 그 종류가 다양하다. 그 중에서도 고온에서 산소이온의 높은 이온전도 특성의 전해질을 사용하는 세라믹 기반의 연료전지를 고체산화물연료전지 (Solid oxide fuel cell, SOFC) 라고 한다. 고온 영역에서 높은 출력밀도로 인한 고용량의 발전용이 가능하고, 수 만 시간 이상의 긴 수명시간 특성이 SOFC의 최대 이점 이다. 하지만, 현재 SOFC는 800℃ 이상의 높은 작동온도로 인한 구성 부품의 낮은 내구성과 높은 제조비용 때문에 상업화에 많은 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 중저온영역에서 높은 이온전도 특성을 보이는 전해질 연구와 고출력 SOFC 단위전지의 제조공정을 확립하기 위한 연구를 진행 하였다. 특히 중저온형 고체산화물 연료전지의 전해질로 주목되는 세리아 물질의 전기전도성을 향상시키기 위한 연구를 진행 하였다. 세리아에 3가 희토류 금속을 치환하면 산소 공공의 농도가 증가해 산소이온 전도가 증가하게 되는데, 선행연구 결과에서 우수한 전기전도성을 나타낸 20 mol% neodymium doped ceria (NDC)를 용액연소법을 이용하여 합성한 전해질을 선택하였다. 하지만 NDC전해질은 고온 환원 분위기에서 세리아가 환원되 전자 전도성이 증가하게 되는데 이는 전해질 내부의 leakage current가 발생하는 치명적 단점이 된다. 따라서 NDC의 작동온도를 감소하여 세리아의 환원을 억제하여야 한다. 즉, 저온에서 높은 이온 전도도를 갖기 위해서는 NDC의 입계 전도도를 향상시켜야 한다. 이를 위하여 erbia-stabilized bismuth oxide (ESB)를 입계에 편석 시키고자 하였다. ESB는 온도변화에 따라 구조가 변하여 전기전도도가 감소하는 단점이 bismuth oxide에 erbia를 첨가해 상안정성을 확보한 물질이다. 하지만, ESB는 낮은 산소분압에서 상안정성이 매우 취약하며 SOFC 작동분위기에서 단독으로 전해질로 사용하기에는 무리가 있다. 이와 같은 NDC와 ESB의 상호 보완적 작용을통해 향상된 전해질을 설계하고자 소량의 ESB를 NDC의 입계에 편석시켜 혼합전도체의 입계전도도를 높이고 ESB의 상안정성을 확보하고자 하였다. 또한 낮은 활성화에너지를 가지며 차세대 고체산화물연료전지로 주목 받는 프로톤전도성연료전지 (Protonic ceramic fuel cell, PCFC)의 전해질 연구를 통해 슈퍼 프로톤 전도체 연구를 진행 하고자 하였다. Yttrium-doped barium zirconate (BZY)는 화학적 안정성이 매우 우수하지만, 입계 저항이 높고 소결조건이 매우 높은 치명적 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하고자 수소투과성이 높은 palladium oxide (PdO)를 치환하여 입계영역의 프로톤 전도도를 향상시키고자 하였다. 위와 같이 입계영역의 전기적, 물리적 특성은 impedance, SEM, TEM 등 다양한 분석 방법을 통하여 분석 하였다. 향상된 전해질의 전기전도도는 SOFC의 단위전지로 구성하여 중저온영역에서의 성능향상을 실험적으로 증명하였다. Anode-supported SOFC 단위전지는 tape -casting 공정을 바탕으로 최적화되었으며 전해질과 양극은 slurry coating 및 screen printing 법을 각각 적용하여 통하여 박막의 형태로 증착 하였고, 성능 측정과 더불어 전기적/물리적 특성평가를 실행하였다.


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