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저온 고체산화물연료전지용 초박막 전해질의 원자증착 공정 시 플라즈마 인가에 의한 제작비용 절감
지상훈(S. H. Ji),김원재(W. J. Kim),한상종(S. J. Han),장향연(H. Y. Chang),박나리(N. R. Park),차석원(S. W. Cha) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
연료전지는 화학에너지를 별도의 기계적 에너지 손실 없이 바로 전기로 변환할 수 있는 작동 특성 상 기존의 에너지 변환 장치와 비교하여 높은 효율을 제공하는 특징을 가진다. 특히, 세라믹연료전지(세라믹을 전해질 소재로 사용)는 고온 작동을 통해 전력과 열을 모두 고효율로 생산할 수 있기 작동 특성상 연료전지 형태 중 최근 가장 각광을 받고 있다. 그럼에도 불구하고 이러한 세라믹연료전지의 일반적인 작동온도는 섭씨 800℃ 이상으로 매우 높기 때문에 활용 가능한 소재의 폭이 매우 좁고 열관리 등으로 인한 시스템 운전의 복잡성으로 설비비용 고가인 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서는 세라믹 연료전지의 작동온도를 낮추는 것이 필수적이며 전해질로 이용되는 세라믹의 두께를 줄이는 것이 효과적인 방안으로 고려되고 있다. 원자층 증착법은 얇은 두께에서도 체적밀도가 높은 막을 형성하는 박막 제작기법으로 최근 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 저온형 고체산화물 연료전지용 이트리아안정화지르코니아 초박막 전해질의 제작에 있어서 플라즈마 인가의 비용 절감측면 효과를 정량적으로 평가하였다. 소비전력 및 전구체/가스 사용량과 관련된 운영비용과 플라즈마 생성기 설치와 관련된 설비투자비용의 차이를 비교하였다. 플라즈마 원자층증착 공정은 플라즈마 인가단계가 없는 기존 원자층증착 공정에 비하여 낮은 소비전력과낮은 전구체/가스 사용량을 보임에 따라 약 47% 작은 것으로 평가되었다. 2.6 kW급 연료전지 시스템의 100 기/년 생산시 5 년 동안 약 8 억원의 누적 비용절감 효과가 산출되었다.
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