| 초록 |
산소와 연료의 혼합기체를 동시에 두 전극에 공급하여 작동하는 단실형 고체산화물 연료전지의 전극 형상에 따른 성능 변화를 고찰하였다. 단실형 고체산화물 연료전지는 연료극과 공기극이 각각 연료와 산소에 대해 선택적인 촉매 활성을 나타내어 이에 따른 국부적인 산소 분압 차이에 의해 작동한다. 동일한 기체 환경 하에 있지만, 공기극 / 연료극의 촉매능 선택도 차이로 인해 국부적인 산소 분압 구배가 나타나게 되고 이에 따라 평형 전압이 형성된다. 하지만, 이러한 평형은 기체의 유동 및 전극 형상에 따라 미세하게 바뀔 수 있고, 따라서 최적 평형 전압 및 성능을 위한 전극 디자인에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 동심원형 구조를 갖는 전지와 일반적인 선형 구조를 갖는 전지를 제작하고 평가하여 전극 형상 및 기체 유동에 따른 단실형 고체산화물 연료전지의 성능을 평가하였다. 일축 가압 성형으로 제작한 YSZ(8 mol% Y2O3, ZrO2, Tosoh) pellet을 1,500℃에서 10시간 소결하여 얻은 전해질 기판에 마이크로 수준의 미세 전극을 형성하기 위해 세라믹 MEMS 기술인 미소유체리소그라피법으로 전극을 제조하였다. 우선, 실리콘 웨이퍼 위에 SU-8 감광제를 사용하여 미세 전극 패턴을 형성하고, 이 위에 액상의 polydimethylsiloxane(PDMS, Sylgard 184, Dow Corning)을 도포하고 80℃에서 1시간 경화시켜 PDMS 몰드를 제조하였다. 이 PDMS 몰드를 YSZ pellet에 부착하고 전극 슬러리를 주입한 뒤 진공 펌프로 기압차를 주어 슬러리가 미세 유로에 침투되도록 하였다. NiO-YSZ 전극 슬러리는 에탄올에 NiO(Sumitomo), YSZ 상용 분말과 pore former인 poly (methyl methacrylate) (PMMA, MX-150, Soken), 분산제를 넣고 24h 볼 밀링하여 제조하였다. 침투된NiO-YSZ 전극은 18시간 상온에서 건조 후, PDMS 몰드를 제거하고 1,400℃에서 1시간 소결하였다. 유사한 방법으로 LSM-YSZ 전극도 슬러리 공정을 통해 1,100℃에서 1시간 소결하여 제작하였다. 완성된 단전지는 Au paste 및 wire를 사용하여 집전체를 형성한 뒤, Potentiostat (Solartron 1287A)을 사용하여 전극 형상에 따른 개방회로전압 및 IV를 측정하고 비교하였다. |
