정전분무 슬러리 증착법을 이용한 고체산화물 연료전지용 YSZ 전해질 제조 및 특성 분석

Abstract

현재 주요 에너지원인 화석연료의 고갈과 함께 환경오염에 따른 지구 온난화의 문제는 인류가 풀어야 할 커다란 과제 중 하나이다. 더욱이 세계 에너지 수요가 산업의 발전과 인구증가에 따라 계속 증가하는 추세에 있다. 따라서 친환경적이면서 효율이 높은 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)의 중요성이 강조되고 있다. 연료전지는 연료로 사용되는 수소와 산소가 가지는 고유의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 또한 한번 쓰고 버리는 1차 전지와 충전해서 다시 쓰는 2차 전지와 다르게 연료로 사용되는 수소와 산소를 공급하면 계속적으로 전기를 발생시킬 수 있는 발전의 개념을 가지고 있는 차세대 전지이다. 본 연구에서 사용한 새로운 증착방법인 ESSD(Electrostatic Slurry Spray Deposition)법은 전기수력학적 미립화 기법을 이용하여 미세한 액적들을 생성시킨 후, 생성된 액적들을 고온의 기판에 증착하여 박막을 제조하는 방법이다. 또한 ESSD법은 다른 박막 제조 기술보다 간단한 장치, 빠른 증착 속도, 박막의 형상 및 조성을 조절하는 데 있어서의 용이함 등의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 결합제(PVA, PVB)종류에 따른 Precursor Solution을 Slurry 형태로 만들어 ESSD법을 이용하여 음극 지지형 고체산화물 연료전지용 YSZ 전해질을 제작하였다. 증착 시간, 노즐-기판 거리에 따른 미세구조를 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용해 관찰한 결과 증착 시간이 길수록, 노즐-기판 거리가 가까울수록 치밀한 전해질이 증착되었다. 또한 가장 치밀하게 증착된 전해질을 XRD(X-Ray Diffractometer)를 이용하여 상분석 및 결정성을 평가하였다. Impedance analyser(Solatron SI-1260)를 이용하여 700~850 ℃ 범위에서 50 ℃ 간격으로 측정하여 온도에 따른 전기 전도도의 변화를 알아보았다. 온도가 올라가면서 전도도가 증가하고 있는 것을 관찰할 수 있었다.