구속소결거동 제어를 통한 고체산화물연료전지용

Abstract

현재 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cells; SOFCs)의 상용화에 있어서 가장 큰 걸림돌은 고온 내구성의 부족이며, 성능 저하 및 셀 파괴를 초래하는 다양한 열화 현상 가운데 yttria stabilized zirconia(YSZ) 전해질과 cobalt를 함유한 혼합전도성 양극 간의 화학 반응이 매우 중요한 문제점으로 인식되고 있다. 이러한 화학반응을 억제하기 위하여 일반적으로 세리아 계열의 반응 방지막이 전해질과 양극 사이에 삽입된다. 전해질과 양극의 상호 작용을 효과적으로 억제하기 위해서는 치밀한 반응방지막이 필요하지만 세리아 계열 소재의 난소결성 및 구속소결로 인한 공정상의 어려움 때문에 실제 셀 제조 공정에 있어서는 막의 치밀화에 한계가 존재한다. 고가의 진공증착 기술 등을 셀 제조에 적용하는 것은 대면적화 및 양산 측면에서 적합하지 않기 때문에 분말 공정을 기반으로 치밀한 반응방지막을 제조할 수 있는 기술이 SOFC의 상용화를 위하여 반드시 요구된다. 본 연구에서는 분말 공정을 기반으로 구속소결을 통하여 치밀질 반응방지막을 제조할 수 있는 이중층 기술을 개발하였다. 구속 소결시 단일층으로는 계면 결합력의 확보와 막의 치밀화를 동시에 이루는 것이 매우 어렵기 때문에 상/하부층이 독립적인 역할을 수행하는 이중층 구조를 도입하였다. 즉, 상부층에는 소결조제를 주입하여 소결 구동력을 높였고 하부층에는 나노분말과 조대분말을 혼합하여 소결거동을 제어함과 동시에 계면결합력을 향상시켰다. Particle Dispersed - Glycine Nitrate Process (PD-GNP) 기술로 각각의 역할에 최적화된 고기능성 분말을 합성하였고 다양한 구속 소결 공정 변수를 제어함으로써 성공적으로 치밀한 반응방지막을 제조하였다. 이중층 반응방지막을 대면적 셀에 적용하여 실질적인 제품 적용 가능성을 보였으며 반응방지막의 치밀화가 장기 성능 안정성 및 열순환 내구성의 향상에 크게 기여하는 것을 확인하였다. 많은 SOFC 제조 업체들이 반응방지막으로 인한 심각한 문제를 겪고 있는 현실을 고려할 때 치밀질 반응방지막 제조 기술은 SOFC 상용화에 있어서 큰 역할을 담당할 수 있을 것이다. 또한 본 연구를 통하여 개발된 고기능성 분말 합성 기술 및 구속소결 거동 제어 기술 등은 다양한 세라믹 제품 개발에 널리 활용될 수 있을 것으로 예상된다.