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고체산화물연료전지에 대한 신산화물양극의 발견과 특성규명(Discovery and characterization of novel oxide anodes for solid oxide)

전문가 제언: □ 고체산화물연료전지(SOFC)는 그것의 가능한 연료적응성과 내연기간의 열의 일효율 30%에 비하여 70%까지도 가능한 대단히 높은 효율 때문에 미래전력발전에 대한 가장 큰 호기심을 불러일으키는 시스템들 중의 하나이다. 이제까지는 대부분 SOFC 개발은 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ) 전해질들에 기초되어 왔는데 그것의 높은 산소이온전도도, SOFC 작동조건들 하에서 좋은 안정성 및 높은 역학적 강도 때문이다.

□ SOFC양극물질들에 대한 필요조건들은 SOFC의 작동조건들에서 좋은 화학적․역학적 안정성, 광범위한 pO2에서 높은 이온(O2-/H+)과 전자전도도 및 전해질과 상호연결 물질들과의 좋은 화학적․열적 융화성이며, 그 밖에도 높은 표면산소교환 반응속도와 양극반응들에 대한 좋은 촉매성들 등이다. 고전적 Ni-YSZ 서멧(cermet)범위의 양극물질로부터 새로운 산화물 양극물질까지 그 필요조건들에 관하여 간단히 리뷰 한다.

□ 탄소석출 없이 탄화수소들의 직접산화에 대한 SOFC양극물질로서 서멧 Cu-세리아가 사용될 수도 있어서 구리-함유된 물질들이 연료전지 작동 하에서 탄화수소의 완전산화를 위한 적당한 촉매임을 나타낸다. 부탄이 연료로서 사용될 때 Cu-세리아 양극위에 약간의 탄소석출은 구리입자들을 서로 연결시킨다. 그 연결은 증가된 전지성능에 달하도록 양극에 대한 새로운 전도경로를 생기게 한다.

□ Cu0.8Ni0.2/YSZ서멧 양극으로 만든 연료전지의 성능은 500시간동안 건조 메탄에서 시험되었고 비록 적은 탄소석출이 형성되었지만 시간에 따라서 전력밀도의 상당한 증가를 나타냈다. 비록 합금의 Ni함량이 Cu0.8Ni0.2/YSZ양극보다 더욱더 높을지라도 약 40시간동안 800oC의 건조메탄에서 Ni052Cu0.48/Ce0.9Gd0.1O1.95서멧 양극을 작동할 때 상당한 탄소석출은 관찰되지 않는 이유는 세리아가 탄소 석출을 피하는데 중요한 역학을 한다는 것이다.

□ 페롭스카이트 ABO3물질들은 큰 함량의 산소빈자리를 수용할 수 있기 때문에 어떤 페롭스카이트들은 좋은 산소이온전도체들이다. 그 페롭스카이트의 작은 B-자리는 그 격자에 첫 주기 전이원소들이 도입되도록 허용한다. 이들 원소들은 다른 조건들 하에서 다중-원자가를 나타내어, 그것은 높은 전자전도도의 원천이 되기도 한다. 좋은 이온과 혼합전도도가 여러 가지 페롭스카이트 산화물들에서 발견된다.

□ Sr-과 Mg- 도프 된 LaGaO3(LSGM)와 같은 페롭스카이트 구조를 갖는 물질들은 대단히 높은 산소이온 전도도를 나타낸다. B-자리에 전이원소들을 갖는 페롭스카이트들은 높은 전자 또는 혼합된 전도성을 나타낸다. 적당한 산화물 이온전도도를 갖는 La1-xSrxMnO3 또는 아주 높은 산화물 이온전도도를 갖는 La1-xSrxCo1-xO3와 같은 혼합된 전도성 페롭스카이트들은 SOFC음극물질들로 사용되었었다. 순수하게 전자전도체인 La1-xMxCrO3(M=Ca, Sr)은 SOFCs에 대한 상호연결체로 광범위하게 사용되었었다.

□ 비 화학량론 적 복합 페롭스카이트인 (La0.75Sr0.25)1-xCr0.5Mn0.5O3(LSCM)은 Ni/YSZ서멧들에 비교할만한 전기화학적 성능을 나타낸다. 그 전극 편극저항은 97%H2/3%H2O에서 900oC일 때 0.2Ώcm2에 접근한다. 과잉 스팀을 사용하지 않고 메탄산화에 대한 대단히 좋은 성능이 성취되었다. 그 양극은 연료와 공기조건들에서 안정하고 메탄에서 안정한 전극 성능을 보인다. 산화환원안정성과 낮은 스팀 탄화수소들에서 작동은 모두 시범되었고 니켈 지르코니아 서멧 SOFC양극들의 전류발전의 두 가지 주된 제한을 극복하였다.

□ SOFCs에 대한 종래의 Ni-YSZ양극의 장단점을 비교하고, 그 대용양극들로 형석, 루틸, 텅스텐청동, 파이로크로, 페롭스카이트 및 스피넬 구조들을 상세히 고찰하고 리뷰 한 결과 좋은 산화환원 안정한 비 화학량론적 페롭스카이트 양극을 얻었다. 그 비 화학량론적 조성들과 마이크로구조들을 더욱더 최적화하여 이들 양극물질들의 그 성능을 더욱더 개선하여 연료전지산업에 획기적인 발전의 전기가 되기를 기대한다.

저자: Tao, SW; Irvine, JTS
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