스퍼터 공정을 이용한 프라세오디뮴 산화물 박막 제작과 저온 고체산화물 연료전지의 전극 특성 평가

국문 초록 (Abstract)

체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 세라믹 전극 또는 전 해질을 기반으로 하며 다른 연료전지보다 뛰어난 전력밀도를 보이는 장점을 가지고 있다. 그러나, 800 ℃ 이상 작동해야하는 작동 환경으로 인해, 열적 안정성 문제와 온도를 낮추면 전기화학적 성능이 크게 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 SOFC의 상용화를 위해 작동 온도를 낮추고 전기화학적 성능을 개선한 저온 고체산화물 연료전지(Low-Temperature Solid Oxide Fuel Cell, LT-SOFC)의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 전자와 이온이 모두 전달이 가능하며, 촉매 활성이 높은 프 라세오디뮴 산화물(Praseodymium Oxide, PrOx)을 박막 공정 기술 중 하나인 스퍼터 공정으로 제작하고, 이를 SOFC에 활용하여 전기화학적 특성을 분석 하였다. Pt 공기극 기반의 LT-SOFC에 PrOx를 공기극 중간층으로 적용했을 경우, 500 ℃에서 최대 전력 밀도가 103 %가 개선되었으며, 공기극 캡핑층으 로 적용했을 경우, 같은 온도에서 최대 56.3 % 성능 향상이 이루어졌다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.1.1 저온 고체산화물 연료전지 1
• 1.1.2 프라세오디뮴 산화물 7
• 1.1.3 스퍼터 공정 9
• 1.2 선행 연구 11
• 1.2.1 프라세오디뮴 산화물을 적용한 고체산화물 연료전지 연구 11
• 1.2.3 공기극 중간층 적용을 통한 고체산화물 연료전지 연구 14
• 1.2.3 공기극 캡핑층 적용을 통한 고체산화물 연료전지 연구 17
• 1.3 연구 목적 및 내용 20
• Ⅱ. 실험 방법 22
• 2.1 PrOx 박막 증착 공정 개발 22
• 2.1.1 RF 반응성 스퍼터링 22
• 2.1.2 PrOx 박막 제작 23
• 2.2 LT-SOFCs 제작 26
• 2.2.1 전극 제작 26
• 2.2.2 공기극 중간층 제작 29
• 2.2.3 공기극 캡핑층 제작 30
• 2.3 PrOx 박막 특성과 LT-SOFCs의 전기화학적 성능 평가 31
• 2.3.1 표면 및 물성 분석 31
• 2.3.2 고체 산화물 연료전지의 전기화학적 특성 분석 32
• Ⅲ. 결과 및 고찰 34
• 3.1 PrOx 공기극 중간층 적용에 따른 LT-SOFCs의 특성 34
• 3.1.1 PrOx 표면 및 단면 분석 34
• 3.1.2 PrOx 결정성 및 화학적 조성 분석 39
• 3.1.3 PrOx 공기극 중간층 적용에 따른 성능 비교 43
• 3.1.4 공기극 중간층 적용에 따른 저항 요소 분석 47
• 3.2 PrOx 공기극 캡핑층 적용을 통한 LT-SOFCs의 특성 55
• 3.2.1 PrOx 공기극 캡핑층 적용에 따른 전극의 표면 분석 55
• 3.2.2 PrOx 공기극 캡핑층 적용에 따른 성능 비교 61
• 3.2.3 공기극 캡핑층 의한 저항 분석 (EIS, DRT) 65
• 3.2.4 PrOx 공기극 캡핑층 두께에 따른 열적 안정성 비교 74
• Ⅳ. 결론 79
• 참고문헌 81
• Abstract 92