$PrBaMn_2O_{5+δ}$ 의 함침을 이용한 가역 고체산화물 연료전지 연료극 설계에 대한 연구

Abstract

에너지를 공급하기 제한되는 마을이나 군사기지 혹은 기업의 건물 단위에 신재생 에너지와 연계하여 전력을 공급하는 방식인 마이크로그리드 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 에너지저장시스템(Energy storage system)은 마이크로그리드 시스템에서 생산된 에너지를 저장하고 필요시 공급하는 체계이다. 이때 사용하는 에너지 저장 매체로서 수소에너지는 에너지 밀도가 높고, 청정에너지원이고, 수송 및 저장이 간편하다는 장점이 있다. 그래서 신재생 에너지와 연계하여 수소를 생산하고 필요시 이를 사용할 수 있는 전력으로 바꿔줄 수 있는 기기가 필요하다. 수요를 이용한 발전 및 수소 생산 기기 중 높은 온도에서 작동하기 때문에 전극의 활성화 에너지가 높고, 전해질의 저항이 낮아 전반적으로 효율이 높은 기기는 가역 고체산화물연료전지(Reversible Solid Oxide Fuel Cells)이다. 가역 고체산화물 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적인 반응을 이용하여 전력을 생산하는 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cells) 모드와 물을 전기 분해하여 수소를 생산해 내는 고체산화물 전기분해조(Solid Oxide Electrolysis Cells) 모드가 모두 운전가능한 기기이다. 가역 고체산화물 연료전지의 경우 일반적으로 연료극 NiO-YSZ / 전해질 YSZ / 공기극 $La_{1-x}Sr_xMnO_3-YSZ$ 으로 이루어진다. Ni-YSZ는 높은 촉매활성도와 전기전도도 그리고 값싼 가격으로 인하여 고체산화물 연료전지에서 가장 많이 사용하는 연료극 촉매이나 이는 고온전기분해조 모드에서는 수분으로 인하여 전극 산화환원 및 조대화 현상이 심해져 내구성이 낮아진다는 단점이 발생한다. 그래서 고온전기분해조의 내구성을 확보하기 위해서는 Ni-YSZ을 대체할 전극 촉매가 필요하다. 본 연구에서는 촉매 안정성, 전기전도도 및 촉매활성도가 높은 전극물질로 알려진 이중페로브스카이트 구조 촉매인 $PrBrMn_2O_{5+ \delta}$ (PBMO)을 다공성의 $La_{0.8}Sr_{0.2}Ga_{0.85}Mg_{0.15}O_{3- \delta}$ (LSGM) 스케폴드 구조체에 함침하는 방법을 이용하여 가역 고체산화물 연료전지에 사용 가능한 전극을 설계하는 연구를 진행했다. 고온에서 전해질과 2차상을 만드는 문제를 피하기 위하여, 고온에서 열처리를 통해 형성한 전해질 스케폴드 구조체에 전극물질을 함침하여 저온에서 열처리하는 방식을 적용했다. 또한, 연료극 촉매로서 가장 중요한 요소인, 전기 전도도를 측정하여 기존의 산화물 촉매와 비교하고, 반전지 테스트를 통해서 고온전기분해조 및 고체산화물연료전지 방식에서 촉매활성도를 측정하고 분석했다. 또한, 촉매 함침량에 따른 성능 증가 추이를 분석하고 최적의 함침량에 대해 연구했다.