초음파분무 열분해법을 이용한 SOFC용 GDC 복합체 전해질의 제조 및 특성

Abstract

연료전지는 차세대 고효율, 청정 에너지원으로 주목 받고 있는 발전방식이다. 특히 다양한 종류의 연료전지 중 고체산화물 연료전지(SOFC)는 에너지 효울이 높고 모듈화가 용이하며 다양한 연료를 정제 없이 사용할 수 있다는 장점으로 인하여 상용화 가능성이 가장 높기 때문에 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 고체산화물 연료전지는 지르코니아 전해질을 이용한 고온형(800oC～1000oC)이 주를 이루고 있으나, 고온의 작동온도로 인하여 전지 구성의 재료선택 폭이 좁아지고 제작비용이 증가하기 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서 현재 고체산화물 연료전지에 관련된 연구는 주로 저온작동(500oC～800oC)을 위한 전극의 박막화와 낮은 온도에서 높은 이온전도도를 갖는 대체전해질 개발연구가 주를 이루고 있다. 현재 구조적 특성에 따른 높은 이온전도성으로 인해 여러 희토류 물질을 첨가한 세리아계 전해질을 이용한 중저온형 고체산화물 연료전지의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이온전도도가 높고 안정성이 좋은 Ce0.8Gd0.2O1.9(GDC20)가 각광을 받고 있다. 하지만 상대적으로 좋지 않은 기계적 특성과 낮은 산소분압에서의 환원반응으로 인한 전자결함 유발이라는 문제점을 갖고 있어 이를 해결하는 것이 절실히 필요한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 GDC20에 Al2O3와 Mn를 첨가한 나노복합분말을 제조하였다. 나노복합분말은 초음파분무 열분해장치를 이용하여 제조하였다. 초음파분무 열분해장치는 크게 3부분으로 나눌 수 있다. 전구체를 분무시키는 분무영역과 챔버안에서 열처리하는 열분해 영역, 마지막으로 제조된 분말을 포집하는 포집 영역으로 나눌 수 있다. 제조할 분말의 원료를 혼합한 전구체를 초음파 진동자로 분무시키고, 열분해 영역에서 수분과 NOX 기체를 고온에서 증기화하여 제거시킨다. 이와 같은 메커니즘으로 나노복합분말을 제조할 수 있었다. 실험 결과 제조된 나노복합분말은 1차 입자의 크기가 약 10 nm로 매우 작았으며, XRD와 mapping을 통해 상형성을 확인할 수 있었다. 제조된 분말은 급속소결이 가능한 SPS를 통해 소결하였다. 소결체의 경도를 측정한 결과 GDC 소결체의 경우 1.78 GPa에서 2 vol.% Al2O3/GDC 소결체일 때 8.31 GPa로 기계적 특성이 크게 증가함을 확인하였다. 또한 전도도 측정 시 환원분위기에서 전자전도도를 유발하는 GDC전해질과는 달리 Mn를 첨가한 GDC전해질에서 전자전도도가 억제됨을 보였다. 이는 Mn의 전자 갇힘 현상(electron-trapping)을 통해 전자전도도가 억제되었기 때문이다. 이처럼 Al2O3와 Mn을 첨가한 GDC 복합체 전해질을 제조함으로써 낮은 산소 분압 내에서 전자전도도 유발과 좋지 않은 기계적 특성을 가지고 있던 GDC전해질의 단점을 극복하였으며, 앞으로 고체산화물 연료전지의 대체전해질로써 많은 가능성을 보여주고 있다.