테이프 캐스팅 및 공소결 공정 기반 대면적 양성자 전도성 세라믹 연료전지 제작에 관한 연구

Abstract

양성자 전도성 세라믹 연료전지는 기존 산소 이온 전도 기반의 고체 산화물 연료전지보다 이온 전도의 활성화 에너지가 낮아 상대적 저온 영역($400-600^\circ C$)에서 작동이 가능하다는 장점이 있다. 최근 우수한 전기화학 성능을 보이는 양성자 전도성 세라믹 연료전지 연구가 다수 보고되고 있으나 상용화를 위한 대면적화 연구는 비교적 미미한 실정이다. 양성자 전도성 세라믹 연료전지 전해질 소재의 경우 기존 고체 산화물 연료전지 전해질 소재에 비해 높은 소결 온도가 필요하므로 대면적 단위 전지 제작 시 휨, 박리, 파단 등의 기술적 어려움이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 상용화 및 대량생산에 용이하며 경제적인 테이프 캐스팅 공정을 활용하여 연료극 지지층, 연료극 기능층, 전해질 층을 각각 제작한 후 라미네이션 및 공소결 공정을 거쳐 대면적 양성자 전도성 세라믹 연료전지를 제작하고자 하였다. 이때, 테이프 캐스팅 공정에 사용되는 파우더 사이즈를 증가시켜 소결 과정 중 발생하는 수축률 차이를 완화하였고, 공소결 과정에서 소결체에 가하는 하중에 대한 사례연구를 통해 단위전지의 평탄도를 향상시켰다. 평탄도가 향상된 단위전지는 전기화학 평가 결과, 이론적인 개회로전압을 나타냈고 최대 전력밀도는 7.3% 증가하였다. 최종적으로 $6 \times 6 cm^2$의 크기로 제작된 양성자 전도성 세라믹 연료전지는 $650 ^\circ C$에서 $7.33 W$의 최대전력, 그리고 $293 mW/cm^2$의 최대전력 밀도를 나타냈다.