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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 안지환
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수10
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고체산화물 연료전지 (Solid oxide fuel cells, SOFC)는 연료의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜주는 차세대 변환장치로써 친화경성, 고효율 및 연료다양성 등의 다양한 장점을 가지고 있다. 하지만 기존의 SOFC는 800 ℃ 이상의 고온에서 구동되기 때문에 열적 내구성 하락이 심해지고 수소를 연료로 사용하기 떄문에 연료 생산과 이동에 큰 비용이 소모된다는 단점이 있다. 따라서 이번 연구에서는 구동 온도를 낮추고 연료를 메탄을 사용한 저온 구동형 직접 메탄 SOFC (Low temperature direct methane - SOFC, LT DM - SOFC)를 이용해 앞서 언급한 단점들을 해결하고자 했다.
그러나 LT DM - SOFC는 낮은 구동 온도로 인해 전해질 내의 이온 전도도가 낮아지고 메탄 연료 사용으로 인해 활성화 에너지가 증가해 연료극과 전해질 사이의 계면에서 반응이 느려진다. 이러한 단점들을 해결하고자 메탄 산화 반응 (Methane oxidation reaction, MOR)에 좋다고 알려진 루테늄 (Ru)을 연료극으로 사용하였다. 하지만, Ru의 비싼 가격 때문에 Ru의 사용량을 줄이면서 LT DM - SOFC의 성능을 향상시키는 것이 필수적인 과제이다.
이번 연구에서는 최초로 플라즈마 원자층 증착법 (Plasma - enhanced atomoic layer deposition, PEALD)을 이용해 Ru을 LT DM ? SOFC의 연료극에 증착하고 PEALD의 주기 수를 변화시키면서 가장 좋은 성능을 보이는 Ru의 두께를 확인하였다. 결과적으로 약 5 nm의 Ru을 증착했을 때 가장 좋은 성능을 보이는 것을 확인하였다. 또한, 기존에 전극 증착에 많이 이용되는 sputtering과 비교하였다. 그 결과, PEALD로 약 5 nm의 Ru을 증착한 셀이 sputtering으로 약 100 nm의 Ru을 증착한 셀보다 약 30 % 향상된 성능을 보이는 것을 확인하였다.
위 연구를 통해 귀금속인 Ru의 사용량을 줄이면서도 높은 SOFC의 성능을 달성할 수 있다는 것을 증명했고 SOFC의 경제성 향상에 기여할 수 있었다고 생각한다.
그러나 LT DM - SOFC는 낮은 구동 온도로 인해 전해질 내의 이온 전도도가 낮아지고 메탄 연료 사용으로 인해 활성화 에너지가 증가해 연료극과 전해질 사이의 계면에서 반응이 느려진다. 이러한 단점들을 해결하고자 메탄 산화 반응 (Methane oxidation reaction, MOR)에 좋다고 알려진 루테늄 (Ru)을 연료극으로 사용하였다. 하지만, Ru의 비싼 가격 때문에 Ru의 사용량을 줄이면서 LT DM - SOFC의 성능을 향상시키는 것이 필수적인 과제이다.
이번 연구에서는 최초로 플라즈마 원자층 증착법 (Plasma - enhanced atomoic layer deposition, PEALD)을 이용해 Ru을 LT DM ? SOFC의 연료극에 증착하고 PEALD의 주기 수를 변화시키면서 가장 좋은 성능을 보이는 Ru의 두께를 확인하였다. 결과적으로 약 5 nm의 Ru을 증착했을 때 가장 좋은 성능을 보이는 것을 확인하였다. 또한, 기존에 전극 증착에 많이 이용되는 sputtering과 비교하였다. 그 결과, PEALD로 약 5 nm의 Ru을 증착한 셀이 sputtering으로 약 100 nm의 Ru을 증착한 셀보다 약 30 % 향상된 성능을 보이는 것을 확인하였다.
위 연구를 통해 귀금속인 Ru의 사용량을 줄이면서도 높은 SOFC의 성능을 달성할 수 있다는 것을 증명했고 SOFC의 경제성 향상에 기여할 수 있었다고 생각한다.
목차
요약 i그림 목차 iiiI. 서 론 11. 연구의 배경 및 목적 1II. 이론적 고찰 71. 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 72. 저온 구동형 직접 메탄 고체 산화물 연료전지 (LT DM ? SOFC) 103. 원자층 증착법 (ALD) 114. 플라즈마 원자층 증착법 (PEALD) 13III. 실험 장치 및 실험 방법 151. 실험 분류 152. 실험 방법 161) SOFC 셀 제작 162) PEALD를 이용한 Ru 박막 증착 183) 전기화학적 분석 204) 나노 형상 및 화학적 분석 22IV. 실험 결과 및 고찰 231. SEM & TEM 분석을 통한 표면 및 단면 분석 232. 전기 화학적 분석을 통한 LT DM ? SOFC의 성능 평가 273. SEM 분석을 통한 연료극 내구성 향상의 원인 파악 324. XPS 분석을 통한 탄소 침착 저항성 평가 345. 타 연구와의 성능 비교 36V. 결 론 38참고문헌 40영문초록 (Abstract) 45감사의 글 46
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