정전 슬러리 분무법을 이용한 기공성 음극기판상의 박막 YSZ 전해질 제조

Abstract

국 문 요 약

정전 슬러리 분무법을 이용한 기공성 음극 기판상의 박막 YSZ 전해질 제조

현재 우리가 사용하고 있는 화석연료는 그 사용량의 한계가 있으며 산업의 발전에 따라 세계에너지 수요는 점점 증가하는 추세이다. 또한 화석연료를 사용할 때 발생하는 NOx, SOx, COx 가스들은 점점 더 빠르게 지구의 대기를 오염시키고 있다. 따라서 대기오염을 막고 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지의 개발이 시급한 실정이다. 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 70%이상의 고효율을 내며 수소가스 연료와 대기 중 산소의 반응에 의한 화학에너지로 전기에너지를 생산하는 에너지 변환 장치이다. 고체산화물연료전지는 수소와 산소의 반응으로 에너지를 얻어 발전 시에 생성되는 오염물질이 없다. 때문에 신재생에너지 분야에서 고효율 친환경 에너지로 고체산화물연료전지가 각광받고 있다. 이러한 고체산화물연료전지의 효율을 높이는 방법은 여러 가지가 있다. 새로운 전극 재료의 개발, 연료전지의 미세구조를 개선하여 전극, 전해질, 반응기체가 만나는 삼상계면(Triple Phase Boundary, TPB)을 증가시키는 방법 그리고 전지의 각 부분의 저항을 낮추는 방법 등이 활발히 연구되고 있다. 이 연구에서 사용한 새로운 증착 방법인 ESSD(Electrostatic Slurry Spray Deposition)법은 전기수력학적 미립화 기법을 통해 생성된 미세한 액적들을 상온의 기판에 증착하여 박막을 제조하는 기술이다. 이 기술은 간단한 장치를 이용하며 빠른 증착 속도를 가지고 있다. 또한 변수의 조절로 증착하는 박막의 미세구조를 쉽게 변화시킬 수 있다. 본 연구는 ESSD법의 증착 변수에 따른 전해질의 증착 양상에 대하여 분석하고 보다 양질의 전해질 증착변수를 찾아냄으로써 현재의 5~10㎛보다 얇고 조밀한 전해질을 증착하여 작동 활성도를 높이고 연료전지 성능에 큰 영향을 미치는 ohmic 저항을 낮추어 결과적으로 고체산화물연료전지의 전체적 성능을 향상시키는 연구를 진행하였다. 더불어 효과적인 증착을 위하여 음극지지체에 사용되는 기공형성제의 종류에 따른 미세구조를 파악하였고 전열처리 온도와 음극지지체의 표면이 전해질 증착에 미치는 영향 또한 분석하였다. 각 변수에 따른 미세구조의 관찰 및 평가는 주로 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하였고, 적합한 변수의 조합으로 전해질을 증착한 결과 약 2㎛ 이하의 전해질이 휘어짐 현상 없이 증착되었다. LSM(Lanthanum Strontium Manganite)양극물질도 마찬가지로 ESSD방법으로 준비된 반전지의 박막전해질 위에 다공성으로 증착하였다. 이와 같이 완성된 NiO-YSZ/YSZ/LSM 단전지는 작동온도 800℃에서 OCV(Open Circuit Voltage)가 약 1.07V였으며 출력은 기존의 동일 구성의 단전지보다 높은 약 488mW·cm-2이 측정되었다. 이 연구에서 ESSD증착방법으로 성공적인 조밀한 박막 전해질을 증착할 수 있었으며, 또한 다공성의 양극물질도 증착할 수 있었다. 이를 통하여 ESSD법은 SOFC에서 전해질과 전극 물질의 증착에 효과적이며 특히 5㎛이하의 두께의 박막전해질 증착에 신뢰도가 높은 증착방법이라는 결론을 얻을 수 있었다.