내황특성을 가진 고체산화물 연료전지용 La-doped SrTiO3 연료극의 성능 향상에 관한 연구

Abstract

고체산화물 연료전지는 연료의 화학 에너지로부터 전기 에너지를 생성할 수 있는 에너지 변환 장치이다. 고체산화물 연료전지의 특징 중 하나는 높은 온도에서 작동한다는 점이다 (일반적으로 600-1000℃). 이로 인하여 고체산화물 연료전지의 연료극에서는 내부 개질이 가능하여 천연 가스, 바이오 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있다. 현재 가장 널리 쓰이고 있는 고체산화물 연료전지 연료극 소재는 Ni-YSZ cermet이다. 이러한 고체산화물 연료전지 연료극의 큰 문제 중 하나는 연료극의 황 피독 현상이다. 황화수소와 같은 황 화합물이 포함된 연료를 사용하면 Ni-YSZ cermet 연료극은 황 피독 현상에 의해 성능이 저하된다. 황 피독 문제를 해결하기 위하여 전도성을 갖는 산화물 촉매가 대안이 될 수 있다. La-doped SrTiO3 (LST)는 좋은 내황 특성을 가지고 있고, 산화물 촉매 중에서 상대적으로 높은 전기 전도도를 가지고 있다. 그러나 LST는 Ni-YSZ에 비하여 전기전도도가 낮고 전기화학적 성능이 나쁘다는 단점이 있다. 본 연구에서는, LST의 전도도와 전기화학적 성능을 높이기 위하여 LST의 B-사이트에 망간을 치환하였다. La0.4Sr0.6Ti1-xMnxO3-δ (x=0.2, 0.4, 0.6, 0.8) 파우더는 glycine nitrate process를 이용하여 합성하였다. LSTM의 전기화학적 성능과 내황 특성은 electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 측정을 통하여 평가하였다. 또한 계면 화학과 소재의 화학적 상태를 분석하기 위하여 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)와 X-ray diffraction (XRD)를 이용하였다. 이에 더하여, 연료극의 전기화학적 성능을 증가시키기 위하여 연료극을 스캐폴드 구조로 제작하였다. 스캐폴드 구조는 전극을 지지하는 다공성 구조로서 반응물을 전극 전체에 원활히 전달할 수 있다는 장점이 있다. 스캐폴드 구조체에 LSTM 촉매를 함침하여 전극 내 삼상계면을 증가시켜 연료극의 성능을 증가시켰다.