금속지지체형 고체산화물 연료전지의 연료극 오믹 저항에 대한 연구

Abstract

고체산화물 연료전지는 이산화탄소 배출 저감에 큰 관심이 쏠리고 있는 요즘 주목받고 있는 에너지원이다. 고체산화물 연료전지는 고온에서 작동하여 효율이 높고, 연료 유연성을 가지고 있으며 값비싼 촉매를 사용할 필요가 없다는 장점을 가지고 있다. 반면에, 세라믹 소재로 이루어져 열적 물리적 충격에 약하다는 한계로 인해 주로 정치형의 발전시설로 사용되고 있는 현실이다. 학계에서는 이러한 고체산화물 연료전지의 한계를 보완하여 휴대용 발전에 이용하려는 노력들이 있었는데 이렇게 개발된 것이 금속지지체형 고체산화물 연료전지이다. 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 지지체를 기존 세라믹 소재에서 금속으로 바꾸어 물리적 열적 충격에 강건해졌다는 특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 KAIST에서 선행 연구로 개발된 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 성능 개선을 위한 기초 연구로서 연료극의 오믹 저항을 분석하고자 하였다. 금속지지체의 오믹 저항을 무시한다면 KAIST의 금속지지체형 고체산화물 연료전지는 3 개의 층으로 이루어졌는데 Crofer 22 APU 라는 소재로 되어있는 금속지지체의 표면에 형성되는 Crofer 산화막과, $La_{0.2}Sr_{0.8}TiO_2$ $(LST) - Gd_{0.1}Ce_{0.9}O_{1.95}$ (GDC) 합성물로 이루어진 산화방지막, 연료극 기능층이다. 일반적으로 각 층의 오믹 저항을 분리 해내기 위해서는 각각의 파우더 형태의 물질에 압력을 가하여 굳힌 시편을 소결하여 오믹 저항을 측정하지만 기 개발된 공정은 공정상의 특징 때문에 이 방법을 사용할 수 없다. 따라서 KAIST의 금속지지체형 고체산화물 연료전지에 맞는 오믹 저항 분석 방법이 필요하였고 본 연구에서는 동일한 지지체 위에 동일 코팅 물질을 서로 다른 두께로 코팅한 셀을 제작하여 그 오믹저항을 측정하였다. 이 방법으로 코팅된 물질의 두께와 오믹저항의 선형 관계를 이용하여 코팅 물질만의 오믹저항을 분리해 낼 수 있으며 더 나아가서는 계면 저항까지 측정할 수 있을 것으로 기대하였다. 이를 위해 먼저 Crofer 산화막에 대한 기초 연구를 수행하여 Crofer 산화막의 두께가 산화방지막 코팅 두께나 소결 시간과 상관없음을 확인하였다. 그리고 금속지지체에 산화방지막을 서로 다른 두께로 코팅한 셀의 오믹 저항을 측정하여 산화방지막과 Crofer 산화막의 오믹 저항을 분리할 수 있었다. 산화방지막은 $800^\circ C$, $750^\circ C$, $700^\circ C$, $650^\circ C$ 에서 각각 0.0777 S/cm, 0.0556 S/cm, 0.0349 S/cm, 0.0184 S/cm 의 전기전도도를 가졌다. 또한 Crofer 산화막은 약 0.03 ~ 0.05 $\Omega \cdot cm^2$ 의 오믹 저항을 가졌다.