• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.135.1-135.1
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• 2010

최근 고온에서 사용 가능한 PEMFC용 고분자전해질 막 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. PEMFC가 고온에서 작동하게 되면 높은 성능과 많은 장점을 갖게 된다. PEMFC를 $100^{\circ}C$ 이상에서 운전하게 될 경우 백금 전극 반응을 향상시켜 고가의 백금 촉매 양을 줄일 수 있게 되고, 수소연료 속에 미량 포함된 CO에 의한 촉매표면 피독현상에 대한 내구성을 높일 수 있어 저 순도 수소연료 사용이 가능해 진다. 또한 가습장치와 수소 연료 개질장치의 부피를 줄일 수 있게 되어 전체적인 PEMFC 시스템이 단순화 된다. 현재 연료전지용 고분자 전해질막으로 DuPont사의 과-불소계 고분자 전해질막인 Nafion$^{(R)}$이 가장 널리 사용되고 있다. Nafion$^{(R)}$은 유연한 분자구조 안에 소수성이 강한 주사슬과 친수성을 나타내는 술폰산이 결합된 곁사슬이 존재하여 술폰화 곁사슬의 클러스터 둘레에는 친수성 영역이 형성이 되기때문에 소수/친수 상 분리가 잘되어 이온 클러스터 형성이 용이하지만 제조비용이 높은 단점을 갖고 있다. 특히, 전해질 막내에서 Bronsted base 역할을 하는 물에 의해 이온전도가 이루어지기 때문에 고온에서는 수분증발로 인해 성능이 급격히 감소된다. 따라서, 본 연구에서는 고온 저가습 조건에서 운전이 가능하고 Nafion이 갖는 문제점을 해결하고자, 내열특성이 뛰어나며 높은 수소이온 전도도 학보가 용이한 Sulfonated Poly(aryl ether)sulfone(SPAES) 고분자 전해질에, 고온에서도 수화성이 유지될 수 있도록 지르코니아를 황산화한 sulfated zirconia(s-$ZrO_2$)를 함침하여 복합 고분자전해질막을 제조하여 고온 저가습 조건에서의 수소이온 전도 특성에 관한 연구를 수행하였다. 개발된 막의 물리/화학적 특성은 water content(Wup%), 이온교환 용량(IEC, meq $g^{-1}$), 수소이온전도도(s $cm^{-1}$) 열 중량 분석(TGA), X선 회절분석(XRD) 등을 통하여 분석 및 관찰하였다. 내화학 및 열적 특성분석 결과, 황산화 반응공정으로 $ZrO_2$에 술폰산기가 안정적으로 결합하고 있음이 관찰되었으며, 본 연구에서 개발된 유 무기 복합막이 $250^{\circ}C$이상 열적안정성을 확보하고 있는 것으로 판단되었다. $100^{\circ}C$ 이하의 저온 영역에서, 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES막에서 이온교환용량(IEC)이 순수 SPAES 막보다 낮음에도 불구하고, water uptake가 증가함과 동시에 수소이온 전도도가 향상된 것을 관찰하였다. 또한, 고온에서는 수소이온이 자유롭게 이동할 수 있는 water channel을 형성하는 free water는 증발 하지만 s-$ZrO_2$와 SPAES의 술폰산기 사이에 강력하게 결합하고 있는 bound Water는 $100^{\circ}C$ 이상의 고온 영역에서도 존재하여, 비록 무가습 조건에서도 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES50 전해질 막의 경우, 높은 전도도를 나타냄을 관찰할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 저가습 고온 적용을 목적으로 개발된 s-$ZrO_2$/SPAES50막은 우수한 내열 특성을 나타냄과 동시에 저가습 고온 영역($120^{\circ}C$, $50RH{\downarrow}$)에서 높은 수소이온 전도도를 유지하여, 고온 저가습 연료전지 운전에 적합할 것으로 사료된다.

• 공업화학
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• 제7권6호
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• pp.1125-1131
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• 1996

고체전해질형 연료전지의 산소극 재료로서 페롭스카이트 구조를 갖는 $PrMnO_3$에 Ca과 Sr을 도핑시켜 도핑량에 따른 전기전도도, 산소환원과전압 등의 전기화학적 특성과, 전해질인 yttria stabilized zirconia와의 반응성 그리고 열 팽창률 등을 살펴 보았다. 합성된 페롭스카이트 분말은 대략 $2{\sim}5{\mu}m$의 평균입자 크기를 나타내었는데 이때 입자크기 및 비표면적은 도핑량과 무관하였다. Ca이 30mo1% 도핑되었을 때 전기전도도는 $1000^{\circ}C$에서 $266S{\cdot}cm^{-1}$로 가장 높은 값을 나타내었고, 분극을 통해 살펴 본 산소환원특성도 Ca이 30mol% 도핑되었을 때 가장 우수한 특성을 나타내었다. 전극물질과 전해질인 YSZ를 $1200^{\circ}C$에서 100시간 동안 반응시킨 결과 $PrMnO_3$에 Sr을 도핑시켰을 때보다 Ca을 도핑시킨 것이 반응성이 훨씬 약한 결과를 나타내었다. $Pr_{0.7}Ca_{0.3}MnO_3$의 열팽창계수는 $300{\sim}1000^{\circ}C$의 영역에서 $1.19{\times}10^{-5}K^{-1}$로 측정되었고 이 값은 YSZ의 열팽창계수 $1.15{\times}10^{-5}K^{-1}$과 유사한 값이었다.

• 한국세라믹학회지
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• 제43권12호
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• pp.812-822
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• 2006

This study amis to investigate the functional analysis of anode and cathode materials in Anode supported Solid Oxide Fuel Cell. The concentration polarization of single cell was investigated with CFD (Computational Fluid Dynamics) method for the case of the different morphology by using four types of unit cell and discussed to reduce the concentration polarization. The concentration polarization at anode side effected the voltage loss in Anode supported Solid Oxide Fuel Cell and increased contact areas between fuel gas and anode side could reduce the concentration polarization. For intermediate temperature operation, Anode-supported single cells with thin electrolyte layer of YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia) were fabricated and short stacks were built and evaluated. We also developed diesel and methane autothermal reforming (ATR) reactors in order to provide fuels to SOFC stacks. Influences of the $H_2O/C$ (steam to carbon ratio), $O_2/C$ (oxygen to carbon ratio) and GHSV (Gas Hourly Space Velocity) on performances of stacks have been investigated. Performance of the stack operated with a diesel reformer was lower than with using hydrogen as a fuel due to lower Nernst voltage and carbon formation at anode side. The stack operated with a natural gas reformer showed similar performances as with using hydrogen. Effects of various reformer parameters such as $H_2O/C$ and $O_2/C$ were carefully investigated. It is found that $O_2/C$ is a sensitive parameter to control stack performance.

• 한국결정성장학회지
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• 제15권1호
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• pp.16-20
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• 2005

고체 산화물 연료전지 전해질 재료인 8YSZ(yttria stabilized zirconia)세라믹 소재의 전기 전도도와 기계적 특성을 동시에 향상시키기 위하여 첨가제로서 Al₂O₃를 사용하고, 방전 플라즈마 소결법을 적용하였다. 제조된 소결체는 1200℃의 소결 온도에서 96% 이상의 밀도를 보이며, 1 ㎛ 이하의 균일한 크기의 결정립들로 구성된 미세구조를 보여주고 있다. 첨가된 Al₂O₃는 순수한 8YSZ의 결정립성장을 억제하여 파괴인성 및 굽힘강도 등 기계적 물성을 향상시키고, 또한 결정립 내부 전도도는 일정하게 유지한 채, 결정립계 전도도를 향상시켜 전체 이온 전도도를 증가시킴을 확인하였다. 이는 방전플라즈마 소결법이 비교적 낮은 온도에서 소결이 가능하여 기존의 소결 방법에서 문제시 되었던 8YSZ내로 Al₂O₃가 용해되는 것이 억제 되었을 뿐 아니라, 결정립계에 존재하는 SiO₂가 Al₂O₃와 반응하여 Al/sub 2-x/Si/sub l-y/O/sub 5/상으로 결정화되면서 결정립계 전도도를 향상시킨 결과로 사료된다.

• 한국결정성장학회지
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• 제8권1호
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• pp.145-150
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• 1998

8mol%의 이트리아 안정화 지르코니아에 알루미나를 첨가하여 복합체를 제조하고 이때 알루미나 함량에 따른 전기 및 기계적 성질을 조사하였다. 3-점 곡강도와 파괴강도 값은 알루미나 함량이 20wt%까지 증가하였고, 복합체의 평균입자크기는 알루미나 첨가량이 증가할수록 감소하였다. 5wt%의 알루미나를 첨가하여 $1600^{\circ}C$, 2시간 유지하여 제조한 복합체의 3점 곡강도는 310MPa, 이때 파괴강도는 $7.8MPa\cdot\textrm m^{1/2}$이였다. 복합체의 전기 전도도 값은 알루미나 첨가량이 10wt%까지는 약간 증가하다가 그 이후로는 감소하였다. 알루미나 5wt% 첨가하여 $1600^{\circ}C$, 2시간 소결한 복합체의 전기 전도도는 0.4S/cm이였다.

• Journal of Electrochemical Science and Technology
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• 제11권4호
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• pp.336-345
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• 2020

Nickel-doped lanthanum cobalt oxide (LaCo_1-xNi_xO_3-δ, LCN) was investigated as an alternative anode material for solid oxide fuel cells. To improve its catalytic activity for steam methane reforming (SMR) reaction, Ni²⁺ was substituted into Co³⁺ lattice in LaCoO₃. LCN anode, synthesized using the Pechini method, reacts with yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte at high temperatures to form an electrochemically inactive phase such as La₂Zr₂O₇. To minimize the interlayer by-products, the LCN was coated via a double-tape casting method on the Ni/YSZ anode as a catalytic functional layer. By increasing the Ni doping amount, oxygen vacancies in the LCN increased and the cell performance improved. CH₄ fuel decomposed to H₂ and CO via SMR reaction in the LCN functional layer. Hence, the LCN-coated Ni/YSZ anode exhibited better cell performance than the Ni/YSZ anode under H₂ and CH₄ fuels. LCN with 12 mol% of Ni (LCN12)-modified Ni/YSZ anode showed excellent long-term stability under H₂ and CH₄ conditions.

• 전기화학회지
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• 제2권4호
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• pp.202-208
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• 1999

[ $50/50 vol\%$ ] LSM-YSZ의 양극은 콜로이드 증착법에 의해 YSZ 전해질상에 증착하였다. 양극 특성은 주사전자현미경과 임피던스 분석기에 의해 고찰하였다. LSM-YSZ양극의 제조 조건에 따른 영향을 관찰하였으며, 그 영향에 대한 개선책이 고체산화물 연료전지의 성능향상을 위해 제시되었다. 임피던스에 대한 온도, YSZ전해질로의 양극 접착에 대한 표면 오염, 사용하는 Pt 페이스트, 미세구조에 대한 곡표면에 가해진 연무질 분사기술과 셀과 셀의 변동성에 대한 영향들은 각각 $900^{\circ}C$ 측정, YSZ표면 연마, 일단의 Pt페이스트 사용, 평편한 YSZ판의 사용과 일관된 절차와 기술의 사용에 의해 해결되었다. 이때 재현성 있는 임피던스 스펙트럼들이 향상된 셀을 사용함으로써 얻어졌고, $900^{\circ}C$에서 (공기)LSM-YSZ/YSZ/LSM-YSZ(공기) 셀에 대해 측정된 전형적인 임피던스 스펙트럼들은 2개의 불완전한 호로 구성되었다. 또한 LSM-YSZ 양극의 임피던스 특성은 촉매층, 양극 조성, 인가 전류 등과 같은 실험 조건들에 의해서도 영향을 받았다.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제27권12호
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• pp.866-870
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• 2014

In solid oxide fuel cell system, yttria-stabilized zirconia is generally adopted as the electrolyte, which has high strength and superior oxygen ion conductivity, and the air electrode and the fuel electrode are attached to this. Recently, new structure of 'layered planar SOFC module' was suggested to solve the reliability problem due to the high temperature stability of a sealing agent and a binding material. In this study to materialize the air electrode in a layered planar SOFC module, the LSM ink was coated to form homogeneous electrode in the channel after the ink preparation. As the porosity control agent, PMMA or active carbon powder was adopted with use of a commercial dispersant in ethanol. The optimal amounts of both the porosity control agents and the dispersant were determined. Four (4) vol% of the dispersant for the LSM-PMMA case and 15 vol% for LSM-carbon powder showed the lowest viscosities respectively to indicate the best dispersed states of the slurries. With PMMA and carbon powder, sintered LSM ink shows the relatively homogeneous distributions of pores and with increases of the agents, the porosities increased in both cases. From this, it can be thought that the amount of the PMMA or carbon powder could be used to control the porosity of the LSM ink.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제32권6호
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• pp.501-506
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• 2019

To overcome the limitations of the conventional Ni anode-supported SOFCs, various types of ceramic anodes have been studied. However, these ceramic anodes are difficult to commercialize because of their low cell performances and difficulty in manufacturing anode-support typed SOFCs. Therefore, in this study, to use these ceramic anodes and take advantage of anode-supported SOFC, which can minimize ohmic loss from the thin electrolyte, we fabricated cathode support-typed SOFC. The cathode-support of LSCF-YSZ was prepared by the acid treatment of conventional Ni-YSZ (Yttria-stabilized Zirconia) anode-support, followed by the infiltration of LSCF to YSZ scaffold. The composite of $La(Sr)Ti(Ni)O_3$ and $Ce(Mn,Fe)O_2$ was used as the ceramic anode. The fabricated cathode-supported button cell showed a relatively low power density of $0.207Wcm^{-2}$ at $850^{\circ}C$; however, it is expected to show better performance through the optimization of the infiltration rate and thickness of LSCF-YSZ cathode-support layer.

• 전기화학회지
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• 제4권2호
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• pp.58-64
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• 2001

기체/전해질/LSM $(La_{0.85}Sr_{0.15}MnO_3)$ 공기극이 만나는 삼상계면 (triple phase boundary) 주위에 YSZ ($8mol\%$ yttria stabilized zirconia) 코팅막 (coating film) 을 형성하여 추가로 삼상계면을 크게 늘린 새로운 전극 미세구조를 갖는 복합 공기극 (composite cathode) 을 개발하였다. 이 복합 공기극을 전해질 두께가 약 $30{\mu}m$인 연료극 (anode)v 지지체 위에 형성하여 $700\~800{\circ}C$의 온도에서 전류전압 특성 및 교류 임피던스 분석을 실시하였다. $800^{\circ}$, 공기 및 수소 조건에서 교류 임피던스 분석 결과 1000Hz주파수 영역을 대변하는 저항성분 R1은 연료극 분극 저항에 해당하였고 100Hz주파수 영역의 저항성분 R2는 공기극 분극 저항 성분, 그리고 10Hz이하 영역의 저항성분 R3는 전극을 통한 기체확산 저항성분으로 특히, 작동 조건인 공기 및 수소 분위기에서는 연료극 쪽 반응기체에 의한 기체확산 저항 성분임을 알 수 있었다. 전지성능 측정 결과 이 복합 공기극을 장착한 전지는 $800^{\circ}C$, 공기 및 산소 조건에서 각각 $0.55W/cm^2$ $1W/cm^2$의 높은 전지성능을 나타내었다. 전류전압 곡선은 기울기가 다른 두 구간으로 구분되었으며, 낮은 전류밀도 하에서 보이는 급격한 전압감소 구간은 공기극 분극저항이 주된 성능 저하의 원인인 반면, 높은 전류밀도 하에서 나타나는 완만한 전압 감소 구간은 전해질에 관련된 분극저항이 주된 성능 저하의 원인이었다.