화학보조 전기화학 증착공정기반 고체산화물연료전지/수전해전지용 나노구조 공기극 최적화 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 중저온 작동 조건(500–700 ℃)에서 공기극(Cathode)의 성능과 안정성을 향상시키기 위한 새로운 전극 소재 및 제조 공정을 진행하였다. 기존에 사용되어온 대표적 공기극 소재인 LSM(La0.8Sr0.2MnO3), LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3), BSCF(Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3) 및 RP(Ruddlesden–Popper structure) 구조 전극은 낮은 산소 이온 전도도, 전해질과의 계면 반응 및 구조적 불안정성 등의 문제로 인해 성능 저하 문제가 대두되었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 SmCoO3 (Samarium Cobaltite)를 기반으로 한 공기극 나노 구조 전극을 연구 대상으로 설정하였다.
SmCoO3는 높은 전자 전도도와 산소 공공 형성 능력을 가지고 있다. 이는 열팽창 계수와 계면 안정성을 개선할 수 있을 것으로 예상된다. 최근 보고에 따르면 SSC–GDC(Sm0.5Sr0.5CoO3–Gd0.1Ce0.9O2) 전극은 600 ℃에서 낮은 저항과 높은 전력밀도를 나타내고, 이를 통하여 SmCoO3이 중저온 SOFC 공기극의 차세대 후보로서의 잠재력을 입증한다고 생각한다.
이 실험에서는 Nickel Oxide – Yttria-Stabilized Zirconia Composite (NiO–YSZ) 혼합체를 이용하여 연료극 지지형 셀(Anode-supported cell)을 제작하였다. ScCeSZ(Scandia–Ceria Stabilized Zirconia)를 전해질에 딥 코팅(deep coating) 후 소결하여 전해질층을 제작하였다. 연구하고자 하는 공기극 부분에 기공형성제(Polymethyl Methacrylate, PMMA)를 스크린 프린팅(screen printing) 하여 다공성 지지체를 형성하고, Cobalt 수용액을 침투시킨 후 촉매 화학 기상 증착(Catalytic Chemical Vapor Deposition, CCVD) 공정을 통해 탄소 나노 튜브(Carbon Nanotube, CNT)섬유를 성장시켰다. 이후 화학보조 전기화학 증착(Chemically Assisted Electrochemical Deposition, CAED) 공정을 적용하여 Sm–Co 전구체(Samarium–Cobalt precursor)를 전기 증착 한 후, 900 ℃에서 열처리하여 SmCoO3 나노 섬유 전극을 제조하였다. 열처리 과정에서 CNT는 제거되고, 균일한 SmCoO3 나노 섬유가 지지체 표면에 형성되었다.
이와 같은 방법으로 제조된 SmCoO3 기반 나노 구조 공기극은 높은 비표면적과 연속적인 전자/이온 전도 경로를 제공하여 산소 환원 반응 활성화에 기여하였다. 본 연구 결과는 SmCoO3 전극이 기존 재료의 공기극 한계를 극복하고, 중저온 SOFC의 성능 및 내구성 향상에 중요한 역할을 할 수 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 i
• 그 림 목 차 ⅱ
• 기 초 및 약 어 설 명 ⅲ
• 국 문 요 약 v
• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 연구목적 1
• 1.2 연구 필요성과 목표 2
• 2. 이론적 배경 5
• 2.1 연료전지의 기본 원리 5
• 2.2 SOFC 기술 개요 7
• 2.2.1 공기극 연구 동향 11
• 2.2.2 표면개질 연구 동향 15
• 2.2.3 SmCoO3 기반 전극의 장점 17
• 2.2.4 나노구조화 및 공정기술 18
• 3. 실 험 19
• 3.1 실험방법 19
• 3.1.1 셀 제조 19
• 3.1.2 Co(NO3)2 침투 19
• 3.1.3 CNT템플릿 형성 19
• 3.1.4 SmCoO3 전기증착 및 형성 20
• 4. 결과 및 고찰 28
• 4.1 분석 28
• 4.1.1 SEM 분석 28
• 4.1.2 EDS 분석 29
• 4.1.3 XRD 분석 29
• 4.1.4 I-V임피던스 분석 30
• 5. 결 론 41
• 참 고 문 헌 44
• ABSTACT 49