BaCe0.9Y0.1O3-d/BaCe0.55Zr0.35Y0.1O3-d 이중층을 이용한 프로톤전도성 연료전지의 전기화학적 특성 향상

Abstract

최근 환경과 에너지 문제가 대두됨에 따라 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지에 대한 논의와 관심이 커지고 있다. 연료전지 중 산화물 이온전도체를 이용하는 고체전해질 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 고온에서 작동시킬 수 있어 변환효율이 높고, 액체 전해질을 사용하였을 때 생기는 전해질의 보충이나, 부식에 대한 문제가 없어 차세대의 연료전지로 기대되고 있다. SOFC의 한 종류인 프로톤전도성 연료전지(Proton Conducting Fuel Cell, PCFC) 역시도 프로톤 전도에 의한 낮은 활성화 에너지와 중저온 온도(400 - 650 oC)에서의 높은 효율 때문에 주목 받고 있다. 또한 프로톤 전도 산화물에서는 주 매개체가 프로톤(H+)이기 때문에 SOFC의 음극 측면에서 생기는 fuel dilution을 피할 수 있고, 양극 면에서 수증기가 발생하기 때문에 SOFC와는 다르다고 볼 수 있다. 1980년대에 Iwahara에 의해 높은 프로톤 전도도를 갖는 BaCeO3-d와 BaZrO3-d의 perovskite 타입의 산화물 연구가 보고되었다. BaCeO3-d는 매우 높은 프로톤 전도도를 가지고 있지만 CO2와 H2O 분위기에서는 반응성이 심한 화학적 불안정성을 가지고 있다. 이와는 반대로 BaZrO3-d는 큰 grain boundary 저항 때문에 전체 프로톤 전도도는 낮지만 화학적으로는 매우 안정한 물질로 보고되고 있다. 그러므로, 이러한 두 가지 물질의 장, 단점을 복합시킨 BaCexZr1-xO3-d와같은물질이 많이 연구되고 있다. 이 외에도 Pr, La과 같은 물질을 doping하는 방법도 많이 연구되고 있다. 본 연구에서는 정전슬러리분무증착법(ESSD, Electrostatic Slurry Spray Deposition) 방법을 이용하여 전해질과 양극 층을 형성하여 Single Cell을 만들어 전기화학적 성능을 향상시키기 위한 연구를 진행하였다. Single Cell의 구조는 음극-전해질-양극 구조로 이루어져 있으며 전해질의 전도도와 화학적 안정성을 향상을 위해 BCY 전해질 층 위에 BCZY buffer layer를 증착하는 bi-layer 구조를 적용하였다. 그 결과 1st cycle이 진행된 후, bi-layer를 적용시킨 cell은 적용시키지 않은 cell보다 성능감소율이 굉장히 작았으며 CO2 및 H2O 분위기에서도 더 안정하다는 결과를 확인하였다. 이는 BaCeO3 와 같은 전해질의 안정성을 향상시키고, BaZrO3 계의 전체 전도도를 향상시키는 복합적인 효과로 전기화학적 성능향상에 효과적으로 작용하였다.