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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 안지환
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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고체산화물 연료전지 (Solid oxide fuel cells, SOFC)는 높은 에너지 변환 효율, 환경 친화적, 그리고 연료의 유연성의 장점으로 인하여 차세대 에너지 변환 장치로 주목 받고 있다. 800 ℃ 이상의 온도에서 구동되는 일반적인 SOFC는 높은 구동온도에 인한 문제로 인하여 휴대용 기기 등으로의 응용이 제한적이다. 하지만 500 ℃ 이하의 온도에서 구동되는 저온 구동 형 SOFC (Low temperature-SOFC, LT-SOFC)는 이러한 문제를 해결할 수 있다는 점에서 장점을 가지고 있다. 낮은 온도에서 구동되는 LT-SOFC에서는 열적 내구성이 뛰어나고 동시에 높은 촉매 반응성을 갖는 전극의 구성이 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 가장 좋은 금속 촉매로 알려진 Pt 전극 위에 원자층 증착법 (Atomic layer deposition, ALD)을 이용한 CeO2 층을 증착하여 이중 촉매 구조를 설계하였다.
이를 연료전지의 공기극에 적용 시 CeO2가 코팅 된 (5 ALD cycles, ~2 nm thick) 전극 구조에서 Pt 전극 대비 70 %의 낮은 활성화 저항을 보였고, 동시에 열적 내구성 또한 2배 증가하였다. 또한 Pt-CeO2 이중 촉매 구조를 양극 산화 알루미늄 (Anodized aluminium oxide, AAO) 기판을 기반으로 한 박막 형 연료전지 (Thin film-SOFC, TF-SOFC)에 적용 시 500 ℃ 의 구동온도에서 800 mW/cm2의 높은 성능을 기록하였으며, 이는 기존에 발표된 AAO 기반의 연구 결과 중 500 ℃ 이하의 구동온도에서 가장 높은 성능임을 확인하였다. 또한 최적화된 Pt-CeO2 이중 촉매 구조를 AAO 기반 TF-SOFC의 연료극에 적용함으로써 이중 촉매 구조 사용 시 1.9배의 성능 향상을 보임을 확인하였다.
이를 연료전지의 공기극에 적용 시 CeO2가 코팅 된 (5 ALD cycles, ~2 nm thick) 전극 구조에서 Pt 전극 대비 70 %의 낮은 활성화 저항을 보였고, 동시에 열적 내구성 또한 2배 증가하였다. 또한 Pt-CeO2 이중 촉매 구조를 양극 산화 알루미늄 (Anodized aluminium oxide, AAO) 기판을 기반으로 한 박막 형 연료전지 (Thin film-SOFC, TF-SOFC)에 적용 시 500 ℃ 의 구동온도에서 800 mW/cm2의 높은 성능을 기록하였으며, 이는 기존에 발표된 AAO 기반의 연구 결과 중 500 ℃ 이하의 구동온도에서 가장 높은 성능임을 확인하였다. 또한 최적화된 Pt-CeO2 이중 촉매 구조를 AAO 기반 TF-SOFC의 연료극에 적용함으로써 이중 촉매 구조 사용 시 1.9배의 성능 향상을 보임을 확인하였다.
목차
목 차요약 i그림 목차 ivI. 서 론 11. 연구의 배경 및 목적 1II. 이론적 고찰 31. 고체 산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell) 32. 원자층 증착법 (Atomic Layer Deposition) 5III. 실험 장치 및 실험 방법 71. 실험 분류 71) ALD CeO2 두께에 따른 최적의 Pt-CeO2 이중 촉매 구조 연구 72) 최적화된 Pt-CeO2 이중 촉매 구조의 TF-SOFC으로의 적용 72. 실험 방법 81) SOFC 샘플 제작 82) ALD CeO2 박막 증착 공정 83) 전기화학적 분석 104) 화학적 분석 및 형상학적 분석 10IV. 실험 결과 및 고찰 111. Pt 전극 위 ALD CeO2 층을 이용한 이중 촉매 구조 개발 112. 벌크 전해질 시스템에서의 Pt-CeO2 이중 촉매 적용 141) 전기화학적 성능 분석 142) EIS 분석 163) Pt-CeO2 이중 촉매 구조의 연료전지 내구성 향상과 성능 향상에 대한 고찰 183. AAO 기반 TF-SOFC 공기극의 Pt-CeO2 이중 촉매 구조 적용 211) 전기화학적 성능 분석 212) ALD CeO2가 적용된 TF-SOFC에서의 형태학적 분석 254. AAO 기반 TF-SOFC 연료극의 Pt-CeO2 이중 촉매 구조 적용 271) Pt 연료극 구조에 대한 연구 272) 전기화학적 성능 분석 30V. 결 론 32참고문헌 33영문초록(Abstract) 35감사의 글
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