경사구조의 기공도 구배를 갖는 음극기능층을 통한 고체산화물연료전지의 성능 향상

Abstract

본 연구에서는 연속적인 기공도 구배를 갖는 음극기능층 (Anode Functional Layer, AFL)을 형성하여 고체산화물연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 성능을 향상시켰다. 음극기능층은 음극과 전해질 사이에 존재하는 층이며, 그 주된 역할은 음극 (Anode)과 전해질(Electrolyte)의 열팽창계수 (Thermal Expansion Coefficient, TEC) 차이를 줄이고 전해질과의 접촉면적을 늘려 삼상계면 (Triple Phase Boundary, TPB)을 증가시키는 역할을 할 뿐만 아니라 전해질의 기계적강도도 증가시키는 역할을 한다. 하지만 porous한 음극층에 비해 음극기능층은 조밀한 구조를 지니고 있기 때문에 전기화학 반응 활성 점까지 연료의 공급과 생성물인 물의 배출이 원활하지 않다는 단점을 지니고 있다. 본 연구에서는 이러한 음극기능층의 단점을 보완하여 연속적인 기공도 구배를 갖는 음극기능층을 고안하였다. 연속적인 기공도 구배를 갖는 음극기능층은 음극 부근에 높은 기공률을 형성하고 전해질 쪽으로 갈수록 점차 기공률을 적게 형성하는 구조이다. 이를 통해 TEC 차이를 줄이고 전해질 계면에서의 접촉면적을 늘리는 등 기존 음극기능층의 장점은 그대로 유지하면서, 연료인 수소 가스의 diffusion과 반응물인 물의 배출을 원활하게 하며 단점을 보완할 수 있다. 본 연구에서는 single cell 제작 시 모든 증착과정을 정전슬러리분무증착법 (Electrostatic Slurry Spray Deposition, ESSD)을 이용하였다. AFL 증착 시에 ESSD rotation system을 이용하여 연속적인 기공도 구배를 갖는 음극기능층을 형성하여 single cell을 제작하였으며, 기존의 AFL이 증착된 single cell과 함께 제작하여 비교 분석하였다. 이 때 두 single cell은 음극기능층을 제외한 다른 모든 부분 (anode substrate, electrolyte, buffer layer, cathode)은 같은 조성, 조건, 두께로 증착하였다. SEM (Scanning Electron microscope) 측정을 통해 연속적인 기공도 구배를 갖는 음극기능층의 미세구조를 확인하였으며, Image Analyzer를 이용하여 기공률을 수치화 하였다. 성능평가는 650, 700, 750, 800℃에서 각각 이루어 졌으며, 연속적인 기공도 구배를 갖는 음극기능층의 성능향상을 확인하였다. 음극기능층의 영향을 세부적으로 분석하기 위하여 수소 분압 테스트를 진행하여 비교분석하였다.