NiO 전구체 조합이 고체산화물 연료전지의 Ni/YSZ음극특성에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

고체 산화물 연료전지(SOFC)의 음극물질로 쓰이고 있는 Ni/YSZ 복합체는 현재 많은 연구가 이루어졌으나 제조방법이 어렵고 polymer나 carbon과 같은 기공 첨가제를 사용해야 하는 단점이 있다. 본 연구에서는 기공 첨가제 없이 간단한 제조방법으로 균일한 Ni/YSZ 복합체를 만드는 방법에 관해 조사하였다. YSZ 분말의 표면 개질을 위해 NiO 전구체인 nickel nitrate와 nickel carbonate의 몰 비를 1:9, 4:6, 10:0, 0:10의 4가지 조성으로 해서 NiO/YSZ분말을 제조하였다. 산성인 nickel nitrate와 염기성인 nickel carbonate의 acid-base 반응으로 인해서 하소 후 NiO/YSZ 분말이 core-shell 형태로 균일하게 되어있음을 확인하였고, 이를 사용하여 만든 Ni/YSZ 복합체의 미세구조 또한 균일하였다. 특히 4N6C의 복합체는 미세구조가 가장 균일하였고, 30%이상의 높은 기공율을 갖는 것을 확인하였다. 각 시편들은 1000℃ 까지 온도를 올려주며 전도도 측정을 하였다. 1N9C와 4N6C의 복합체의 경우 1000℃ 에서 1000 S/cm 이상의 높은 전도도 값을 나타내었다. MgO sol의 첨가로 기공율은 더 커지고 더 균일한 미세구조를 나타냈지만 전도도 값이 약간 떨어지는 것을 확인하였다. 이는 MgO sol이 Ni을 감싸고 있기 때문이며 이로 인해 실제 운전시 Ni의 성장을 억제할 것이라 예상한다.; NiO/YSZ anode material with 70 wt% of NiO for SOFC was synthesized by surface-modification of YSZ powder with mixed NiO precursors. YSZ was treated with acidic nickel nitrate and then followed by basic nickel carbonate. Such prepared NiO/YSZ precursor showed average particle size of ~60 nm upon calcination at 800℃, recalcination at 1200℃ provided core-shell type NiO/YSZ composite powders of ~0.4 ~ 1.0 um. Combinational effects of NiO precursors were studied in the aspects of microstructure, electrical conductivity, thermal expansion, and porosity. Surface-modification of the composite powder with a MgO sol improved microstructure as well as electrical conductivity and the proper amount seemed to be 0.3 wt%. Even though the composition of NiO were all the same as 70 wt% for 4 different combinational NiO precursors, the electrical conductivities were varied from 680 to 2600 S/cm and there was big difference in microstructure. The best anode material seemed to be 4N6C(4 moles of nickel nitrate and 6 moles of nickel carbonate). It showed homogeneous microstructure with YSZ skeleton of ~1 um thickness and electrical conductivity of 2600 S/cm at 1000℃. The composite powder treated with 0.3 wt% of the MgO sol almost no effect on electrical conductivity with improved microstructure, but is expected to suppress coarsening of Ni during operation.