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표제지

국문초록

목차

제1장 서론 12

제2장 이론적 배경 15

2.1. Fuel Cell 15

2.2. SOFC의 작동원리와 특징 18

2.3. Ceria계 고체 전해질의 특성 22

2.4. 특성향상을 위한 첨가물 25

2.5. E-beam evaporator 28

2.5.1. E-beam evaporator의 원리 28

2.5.2. E-beam evaporator의 특성 32

2.5.3. E-beam evaporator에 의한 film 핵형성 및 결정성장 33

제3장 실험 방법 35

3.1. 여러 가지 물질이 첨가된 GDC 전해질의 합성 35

3.1.1. 출발물질의 선택 35

3.1.2. GDC 전해질 powder 제작 36

3.1.3. NiO-GDC Anode 기판 준비 38

3.1.4. GDC 전해질 박막의 증착 39

3.2. GDC 전해질 박막의 특성 평가 41

1) XRD 측정 41

2) SEM 측정 41

3) 이온전도도 측정 41

제4장 실험 결과 및 고찰 43

4.1. Solid-state reaction에 의한 GDC 전해질 powder의 합성 43

4.2. GDC 전해질 박막의 기판 온도 변화에 대한 영향 48

4.3. GDC 전해질 박막의 E-Beam gun power에 대한 영향 54

4.4. 첨가물에 대한 GDC 박막 전해질의 전기적 특성 57

제5장 결론 66

참고문헌 68

Abstract 71

표목차

표 2.1. Type of fuel cells 16

표 3.1. 출발 물질 35

표 4.1. E-Beam evaporation 증착률 55

표 4.2. 전해질 박막 제작 조건 60

표 4.3. 작동 온도에 대한 전해질 저항 60

List of Figures

그림 2.1. The operating principle of various Fuel cells: 17

그림 2.2. Structure of solid oxide fuel cell(SOFC) 21

그림 2.3. A half unit cell of the fluorite structure showing the position of dopant cation-oxygen vacancy associate 23

그림 2.4. Schematic diagram showing the steps of deposition process by E-beam technique 29

그림 2.5. Schematic diagram showing mechanism of nuclei formation and crystal orientation on surface of film process by E-beam 34

그림 3.1. The flowchart for the preparation of GDC electrolyte 37

그림 3.2. The flowchart for the preparation of NiO-GDC anode substrate 38

그림 3.3. Schematic process of deposition of GDC thin film by E-beam evaporation 40

그림 3.4. Schematic diagram of E-beam evaporation technique 40

그림 3.5. Schematic illustration of electrode preparation for conductivity measurement of electrolyte thin film 42

그림 4.1. The XRD pattern of GDC electrolytes for various sintering temperature 45

그림 4.2. The XRD pattern of CaO, FeO and CoO doped GDC electrolyte powders 46

그림 4.3. The FESEM image of GDC electrolyte powders 47

그림 4.4. The XRD pattern of GDC thin films deposited on NiO-GDC at various substrate temperature 50

그림 4.5. The FESEM micrographs of surface view of GDC thin films deposited on NiO-GDC substrate at various substrate temperature 51

그림 4.6. The FESEM micrographs of cross-section view of GDC thin films deposited on NiO-GDC substrate at various substrate temperature 52

그림 4.7. The EDX pattern of the GDC thin film deposited by E-Beam evaporation 53

그림 4.8. The XRD pattern of GDC thin films deposited on NiO-GDC at different evaporation gun power 55

그림 4.9. The FESEM micrographs of surface view of GDC thin films deposited on NiO-GDC substrate at different evaporation gun power 56

그림 4.10. The FESEM micrographs of cross-sectional view of GDC thin films deposited on NiO-GDC substrate of the additives 61

그림 4.11. I-V and I-P curves of the ionic conductivity of the GDC thin film of the additives 62

그림 4.12. Schematic of an idealised complex impedance plot and associated equivalent circle (Rb, Rg, Re denote the electrical resistivity to the bulk, grain boundary, electrode) 63

그림 4.13. Niquist plots of the ionic conductivity of the GDC thin film of the additives 64

그림 4.14. Arrhenius plots of the ionic conductivity of the GDC thin film of the additives 65

초록보기

 고체산화물연료전지(SOFCs)의 연구는 높은 작동온도(~1000℃)로 인한 상용화 문제점 때문에 600~800℃이하의 낮은 온도에서 작동하는데 초점이 맞추어 지고 있다. 고온의 작동온도로 인하여 전지 구성의 재료선택 폭이 좁아지고 제작비용이 증가하기 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서 현재 고체산화물 연료전지에 관련된 연구는 주로 저온작동(500~800℃)을 위한 전극의 박막화와 낮은 온도에서 높은 이온전도도를 갖는 대체 전해질의 개발연구가 주를 이루고 있다.

본 연구에서는 500~800℃에서 작동하는 중저온형 SOFC 전해질로 사용되는 GDC를 고상반응법을 통해 합성하였다. 보고에 의하면 GDC 전해질의 이온전도성 향상을 위해 Ca를 첨가 하거나, 소결성 향상을 위해 Fe, Co 등의 전이금속 (Transition Metal Oxide)물질을 각각 첨가한다. 전해질을 박막화 시키면 상대적으로 얇은 두께에 의해 저항이 감소하고 따라서 이온전도도가 증가한다. GDC 전해질의 이온전도성 향상을 위해 E-beam evaporator를 통해 전해질 박막을 제작하여 성능을 평가 하였다. GDC 전해질 박막 제조의 최적의 조건을 찾기 위하여, 박막 증착시의 기판의 온도, E-beam gun power등의 공정 변수에 따라 제조된 박막의 결정 구조와 표면 특성을 XRD, SEM 등을 이용하여 분석 하였고, 박막의 전기적 특성은 impedance analyzer를 사용하여 이온전도도를 분석하였다.

본 연구에서 사용한 기판은 NiO-GDC 음극지지체 이고, 증착시 기판온도가 400℃, E-beam gun power 0.9kW일 때 주상구조를 갖는 가장 치밀한 박막의 형성이 확인 되었다. 또한 Ca, Fe, Co 등의 물질을 GDC 전해질에 각각 첨가하였을 때, 이온전도도 및 소결성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

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