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붕소를 함유 밀봉용 결정화유리와 란탄을 함유한 양극 간의 반응에 Bi2O3의 효과

전문가 제언: ○ SOFC는 양극, 고체전해질, 음극으로 단위전지가 구성되며 단위전지를 음극과 양극을 연결하는 연결재료로 되어 있다. 음극은 주로 Ni과 이온전도성 산화물입자로 구성되어 산소가 혼입되면 Ni이 산화되어 촉매반응을 악화시키고 음극에 균열이 발생한다. 양극의 경우 연료가 혼입되면 양극 내의 산소와 반응하여 물을 형성하게 되고 양극으로 사용되는 페로브스카이트 산화물의 촉매특성을 악화시키게 된다. 따라서 양극과 음극으로 흐르는 가스가 서로 혼입되지 않도록 밀봉재가 필요하다.

○ 밀봉재로는 SOFC 구성요소와 열팽창계수 차이가 작고 결합물질과 화학적 반응이 없고 장기 내구성을 가져야 한다. 또한 점탄성 유동으로 열응력을 완화하고 계면에서 미세균열을 자가치유 할 수 있는 각종 유리가 밀봉용으로 사용되고 있다. 본고에서는 붕규산염유리 중의 붕소 증기와 양극인 란탄-스트론튬-코발트-페라이트(LSCF) 사이 반응에서 LaBO3가 생성되어 양극의 분해 및 붕괴가 일어나므로 붕규산염유리 중에 SiO2의 일부를 Bi2O3로 치환하여 그 효과를 유리구조 관점에서 조사하였고 그 결과는 다음과 같다.

○ ① Bi2O3 도핑은 붕규산염유리의 휘발성을 감소시켜 적당량(9mol%) Bi2O3 첨가는 LaBO3의 생성을 감소 및 억제 시키게 된다. ② Bi2O3 도핑은 유리구조에서 ？BO3？？？BO4？로 강하게 전이시켜 붕규산염 유리 중의 붕소 휘발을 억제하게 된다. ③ 적당량(9mol%)의 Bi2O3 첨가는 각종 결정의 결정화를 촉진시키며 특히 BiBO3상의 생성은 붕소의 휘발을 억제하게 된다. 또 BiBO3 결정 증가는 용융온도를 685℃로 낮출 수 있고, 잔류유리에 의한 결정화유리의 자기치유에도 유익하다. 따라서 IT-SOFC 응용을 위한 밀봉재료의 설계에 도움이 될 것이다.

○ SOFC의 저온작동을 위해 일본과 미국 등 선진국에서는 YSZ 대신 Gd2O3가 첨가된 CeO2계와 LSGM계의 대체 전해질 연구, SWPC사는 스택의 제조비용 절감을 위한 플라스마 공정을 사용하고 있다. 국내에서는 KIMS, (주)POSCO 및 KIST, 각 대학의 재료관련 학과에서 저온용 SOFC용의 각 구성요소에 대해 활발히 연구가 진행되고 있다.

저자: Lihua Fanga, et al.
자료유형: 니즈학술정보