MIEC/YSZ 이중층의 부분 전자 전도도와 YDB의 상분해 거동

Abstract

현재 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) 전해질로 가장 널리 사용되고 있는 YSZ(Yttria-stabilized Zirconia)는 높은 작동온도와 낮은 산소 이온전도도로 인해 상용화의 큰 걸림돌이 되고 있다. YSZ의 작동온도인 1000도 수준의 고온에서는 전극 및 연결재 등의 소재 선택에 제한을 주어 전체적인 SOFC 가격의 상승을 초래하며, 전극의 미세구조 변화 및 전극과 전해질 사이의 계면 반응으로 성능 저하를 일으키는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 700~800도의 중온으로 구동 온도를 낮춰야만 하는데 이 또한 YSZ의 산소 이온 전도도를 떨어뜨려 성능 저하를 일으키는 문제가 발생한다. 위와 같은 문제점들을 근본적으로 해결하기 위해서는 중•저온에서 산소 이온 전도도가 충분히 높은 물질로 YSZ 전해질을 대체해야 하는데, 그 후보 물질들로 GDC와 같은 CeO2계 전해질과 YDB와 같은 Bi2O3계 전해질이 주목받고 있다. 그러나 GDC와 YDB는 전해질 영역이 좁고 환원 분위기에서 열역학적으로 불안정하다는 단점 때문에 SOFC 전해질 물질로 사용하기에 해결해야 할 문제점이 남아있다. 따라서 본 연구에서는 YDB에 YSZ 박막을 증착시켜 YDB가 환원 분위기에 노출되는 것을 막고, 전자 전도도를 억제시켜 전해질 영역을 확장시키는 것을 목표로 하고 있다. 또한 SOFC의 양극재료로 사용되는 LSCF는 이온 전도도가 YSZ 보다 높지만 전자 전도도가 매우 높아 전해질 물질로 사용되지 않는다. 따라서 LSCF와 같이 YSZ보다 높은 이온 전도도를 갖지만 전자 전도도가 매우 높은 혼합 전도체에 YSZ 박막을 증착시켜 전자 전도도를 크게 억제 시켜 전해질로서의 가능성을 타진해 보고자 한다