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SOFC 내구성 열화의 기본기구

전문가 제언: ○ SOFC의 성능 열화를 토론하는 데는 SOFC 스택이 접속제 같은 수개의 금속 성분을 제외하고, 세라믹 재료이기 때문에 기술적인 어려움이 있다. 이는 재료의 개발과 동시에 특별한 용도에 따른 개념으로 재료공정과 스택 디자인을 개발할 필요가 있다. SOFC의 1세대는 1980년대의 Westinghouse에 의해 개발된 튜브형으로 YSZ 전해질, LSM 음극, Ni 양극 및 LaCrO3 접속제로 EVD 공정으로 제작되었다.

○ 원통형은 열화에 강한 반면 중온(IT) SOFC는 보다 활성인 음극을 사용하기 때문에 보다 열화되기 쉽다. 열화는 균열형성과 전파 같은 기계적 파손의 성능 열화로 정의된다. 이에 대한 시험은 내구성 시험, 열 사이클 시험과 산화환원 시험 및 가속수명시험을 수행한다. 또한 이들은 물리화학적 현상을 같이 이해해야 할 필요가 있다.

○ 현재의 양극 재료는 Ni/YSZ과 Ni/CGO 서멧이 주류를 이룬다. YSZ이나 CGO 세라믹 네트워크는 Ni 입자를 보유하며 견고한 세라믹 구조는 열팽창계수(CTE)를 전해질과 비슷하게 하며 Ni이 신속히 엉기는 것을 방지한다. 또한 산소이온 이동경로를 제공하여 삼상계면(TPB)을 확대한다. 다공성은 30-40vol%가 가스반응과 생성물의 제거에 필요하다.

○ 음극은 사용하는 재료에 따라 열화 기구가 상이하게 설명된다. 열화는 미세구조와 관련된 전기화학적 특성의 변화가 주로 다루어진다. 열화 효과는 전자/이온전도도, 음극 재료의 촉매 활성, 활성 표면적 및 다공성을 감소시키는 결과를 가져온다. 이의 원인은 운전온도, 전류밀도, 과전압, 산소와 물의 공기 중 분압 등의 운전 파라미터에 영향을 받는다. 따라서 예를 들면, Cr의 피독 효과는 음극의 과전압에 영향을 받으므로 전류밀도를 고려해야 한다.

○ 이렇듯 SOFCs의 장기 안정성은 코스트와 성능과 더불어 상업적으로 중요하다. 연료전지 중에서 발전용으로 SOFC가 일반적인 견해로 가장 빠른 상업화에 도달하리라는 예측이 있다. 그러나 이들 목표는 아직 달성되지 못하였다. 그러나 거듭되는 연구가 이를 이룰 것이다.

저자: Harumi Yokokawa, Hengyong Tu, Boris Iwanschitz, Andreas Mai
자료유형: 학술정보