2단계 수열합성법을 이용한 고체산화물 연료전지 음극기능층용 NiO-YSZ powder의 합성 및 특성분석

Abstract

오늘날 세계는 많은 환경문제들로 인해 친환경 미래 에너지 개발에 대한 관심이 그 어느 때보다 높은 상태이다. 다양한 미래 에너지 중에서 수소와 산소의 화학반응을 이용해 전기에너지를 생산하는 연료전지는 다른 미래 에너지 기술과는 차별화된 장점을 갖고 있어 연구가 활발히 진행 중에 있다. 다양한 연료전지 중에서도 세라믹을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지는 높은 에너지 효율성과 빠른 전기화학 반응 속도로 인해 차세대 전지로 큰 관심을 받고 있다. 하지만 높은 작동온도가 상용화에 큰 문제로 작용하여 현재 많은 연구들이 작동온도를 낮추는데 초점이 맞춰져 있다. 현재 고체산화물 연료전지의 작동온도를 낮추기 위해 크게 2가지 방향으로 연구가 진행 중에 있다. 첫 번째는 세라믹 전해질의 두께를 최대한 얇게 만들어 이온의 이동경로를 짧게 하는 것이다. 이를 통해 낮은 이온전도도를 갖는 세라믹 전해질로부터 기인하는 저항 값을 크게 줄일 수 있다. 두 번째 방법은 전극의 미세구조를 최적화 시키는 방법이다. 전극의 전기화학반응이 일어나는 반응 영역을 넓히기 위해 전자전도체와 이온전도체가 고르게 섞인 파우더를 만들거나 또는 기존의 음극보다 더 작은 입자크기를 갖는 기능층을 삽입하는 방법들이 있다. 이러한 미세구조를 구현하기 위해서는 초기 파우더의 준비과정과 연료전지의 제작공정이 중요한 역할을 한다. 따라서 이러한 미세구조를 제작하기 위해 다양한 파우더 합성방법과 공정 실험 등이 시도 되고 있다. 본 연구에서는 전자전도체와 이온전도체가 고르게 섞인 복합체 파우더를 제조하기 위해 2단계 수열합성법을 이용하였다. 이 방법을 통해서 음극에서 대표적으로 사용되는 NiO와 YSZ 파우더가 고르게 섞인 복합체 파우더 제조를 시도하였고 또한 이 파우더들을 음극기능층에 적용해 Single cell을 제작한 후 고온과 중온영역에서 성능평가까지 실시하였다. Single cell 제작에는 정전슬러리분무증착법을 이용하였으며 이 공정을 통해 적합한 음극기능층 제작을 시도하였다. 실험 결과로부터 2단계 수열합성법을 이용해 합성한 복합체 파우더가 처음 예상한 것과 비슷한 결과를 보여 주었다. 우선 XRD 분석결과로부터 NiO와 YSZ가 잘 형성된 것을 확인하였고 전자현미경 분석으로부터 각 입자들의 크기와 외형 그리고 두 상이 고르게 섞여 있는 것을 확인할 수 있었다. 전기적 특성을 평가하기 위해 실시한 4-probe DC 결과로부터 측정 온도 영역에서 3700~4500 S/cm의 높은 전기전도도 값을 갖는 것을 확인하였고 이를 통해 Ni입자가 YSZ 내 고르게 분산 되었다는 것을 확인할 수 있었다. Single cell의 특성평가 역시 우수한 성능을 나타내었다. 먼저 전자현미경 사진을 통해 Single cell 각각의 층들이 원하는 특성에 맞게 잘 제작된 것을 확인할 수 있었다. Single cell은 800, 750, 700℃에서 각각 1.70, 1.34, 0.85 W/cm2의 높은 전력밀도 값을 보였는데 이러한 고성능은 본 실험에서 의도한 음극 미세구조 개선에 기인한 것으로 판단됐다. 또한 AC임피던스법을 이용한 저항 측정을 통해 전체 전극 저항 중 음극이 차지하는 비중이 적다는 것을 확인할 수 있었다.