수소 이온 나르개를 포함하는 산소이온/전자 혼합 전도체의 등온/비등온 열린 회로 기전력

Abstract

페로브스카이트계 수소 이온 전도성 산화물은 전자 전도와 산소 이온 전도뿐만 아니라 수소 이온의 전도성이 나타나는 물질로, 80년대 초 Iwahara에 의해 발견된 이후부터 현재까지 과학적 호기심을 자극하는 소재, 그리고 친환경 에너지 소재로써 지속적인 관심을 받고 있다. 이러한 수소 이온 전도체는 고체 산화물 연료전지(SOFC)의 전해질, 수소 분리막, 수소 센서 등의 친환경 에너지 저장 및 변환 장치의 재료로 각광 받고 있다. 이 중 특히 고체 산화물 연료 전지 또는 열전 발전기(Thermoelectronic generator) 등의 에너지 전환 장치의 효율을 결정하는 첫 번째 지표는 열린 회로 기전력(Open Circuit Voltage)이다. 따라서 장치의 성능을 바르게 평가하기 위해서는 물질의 열린 회로 기전력을 명확하게 정의하는 것이 중요하다. 현재 가장 많이 사용되는 재료인 산소 이온 전도체의 경우 열린 회로 기전력이 경로와 시간에 의존하지 않는 상태 함수이다. 하지만 두 종류의 이온 전하 나르개를 가지는 수소 이온 전도체에서는 그렇지 않을 것이라는 의문이 제기되었으며, 실제로, 수소 이온 전도체의 열린 회로 기전력이 경로와 시간에 의존한다는 것이 실험으로 관찰되었다. 따라서, 본 연구에서는 열린 회로 기전력의 시간 의존성이 나타나는 것을 두 종류의 이온 전하 나르개가 존재하기 때문이라는 가설을 세우고 SrTi0.982Al0.018O3-δ와 BaTi0.982Al0.018O3-δ를 이용하여 실험적으로 검증하였다. 또한 산화 분위기에서 수소이온 전도체가 두 종류의 안정화 시간을 가진다는 사실을 바탕으로 이 거동을 설명할 수 있는 모델을 제시하였으며, 이를 바탕으로 열린 회로 기전력 안정화 곡선으로부터 수소와 산소의 겉보기 화학 확산 계수를 구하였다. 또한, 세 종류의 전하 나르개가 존재하는 수소 이온 전도체에서 온도차가 가해져 있는 상태의 열린 회로 기전력은 물성 변화가 더욱 복잡하게 나타나 사실상 명확히 밝혀진 바가 없는데, 본 연구에서는 다양한 열역학적 조건 하에서 BaZr0.8Y0.2O3-δ의 열기전력을 측정하고 선행 연구에서 밝혀진 평형 상수들을 이용하여 수소 이온이 열기전력에 미치는 영향에 대해서 알아보았다.