450℃의 저온에서도 전기를 생산할 수 있는 미세고체산화물 라이트닝 바카라전지

스즈키 도시오(수석 연구원), 기능 통합 그룹(리더: 후지시로 요시노부), 산업기술종합연구소(AIST, 회장: 노마쿠치 타모츠) 첨단 제조 연구소(이사: 무라야마 노리미츠), 미국 콜로라도 광산 학교의 나이젤 샘스(교수) 등이 개발한 직접 개질을 통해 다양한 탄화수소 라이트닝 바카라를 사용할 수 있는 촉매층을 갖춘 마이크로 고체산화물 라이트닝 바카라전지(micro-SOFC) 이 기술은 450°C 이하의 온도에서 메탄 라이트닝 바카라를 직접 개질하여 발전을 가능하게 합니다

일반적으로 SOFC는 700~1000°C의 고온에서 작동하며 다양한 유형의 라이트닝 바카라전지 중에서 에너지 변환 효율이 가장 높습니다 그러나 그 사용은 대형 및 고정형 전원 공급 장치와 같은 애플리케이션으로 제한됩니다 AIST는 수요가 많은 소형 전원 공급 장치에 적용하기 위한 마이크로 SOFC의 연구 개발을 수행해 왔습니다 이러한 응용 분야에서는 탄화수소 라이트닝 바카라를 사용하는 기술이 매우 중요합니다 그러나 탄화수소는 현재까지 600℃ 이하의 운전온도에서는 충분히 개질되지 않아 라이트닝 바카라로 직접 전기를 생산하기는 어렵다 따라서 작동 온도를 낮추는 것이 큰 문제가 되었습니다

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이 결과의 일부는 영국 과학 저널에 게재되었습니다에너지 및 환경 과학자세한 내용은 2011년 1월 23일부터 28일까지 미국 플로리다에서 개최되는 제35회 첨단 세라믹 및 복합재 국제 컨퍼런스 및 박람회에서 발표될 예정입니다

그림 1: 셀의 도식

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SOFC를 소형, 수요가 높은 전원에 적용하는 것을 목표로 AIST는 빠른 시작 기능을 향상시키고 구성 요소 비용을 줄이기 위해 마이크로 SOFC의 모듈화 연구 및 개발을 수행해 왔습니다 AIST는 신에너지산업기술개발기구의 '세라믹 원자로 개발사업(2005~2009년)'에서 650℃ 이하 온도에서 작동하는 고출력, 내열충격 SOFC의 실용화 연구를 진행했으며, 세리아 및 지르코니아계 소재를 활용한 퀵스타트 마이크로 SOFC용 번들링·스태킹 기술을 개발했다 이번 연구에서는 메탄 라이트닝 바카라를 직접 개질할 수 있는 새로운 micro-SOFC를 목표로 삼았습니다

SOFC의 성능은 작동 온도가 낮아지면 급격히 떨어집니다 이러한 문제를 해결하기 위해 우리는 10 W/cm의 높은 전력 밀도를 가능하게 하는 새로운 전극 기술을 개발했습니다²약 600°C의 저온에서 수소를 사용합니다(2009년 9월 10일 AIST 보도 자료) 그러나 SOFC 시스템의 시동 시간과 에너지를 줄이기 위해서는 작동 온도를 더욱 낮춰야 했습니다 에너지 밀도가 높은 탄화수소 라이트닝 바카라를 사용하는 소형 SOFC 시스템의 실용화를 위한 개발이 필요합니다 600°C 미만의 온도에서 양극의 낮은 촉매 활성으로 인해 발전 성능이 감소합니다 이 온도에서는 개질 반응이 일어나기 어렵습니다 이 문제는 해결되어야 했습니다

이를 염두에 두고 우리는 수년 동안 개발한 관형 마이크로 SOFC 기술을 개선하고 탄화수소 라이트닝 바카라를 직접 사용할 수 있도록 양극에 촉매층을 추가하여 양극에서 직접 개질하는 기술을 개발했습니다 기존의 평면형 셀에서는 전류를 수집하기 위해 라이트닝 바카라극 표면에 배선 물질이 연결되어 있어 셀 위에 직접 라이트닝 바카라 개질층을 형성하는 것이 어려웠다 따라서 평면형 라이트닝 바카라전지 시스템에서 라이트닝 바카라 개질기는 SOFC 모듈 근처에 위치합니다 관형 마이크로-SOFC 시스템에서는 양극관의 끝면에서 전류를 모아 양극 표면에 다양한 조성의 기능성 층을 추가할 수 있다

개발된 관형 라이트닝 바카라 SOFC는 세리아 기반 세라믹을 전해질로, 니켈-세리아 기반 세라믹을 양극으로, 란타늄-코발트-세리아 기반 세라믹을 공기 전극(음극)으로 사용합니다 양극 내부 표면에 나노미터 크기의 세리아 기반 개질 촉매층을 추가하여 직경 18mm의 관형 라이트닝 바카라 SOFC를 제작했습니다(그림 2)

그림 2: 나노미터 크기의 세리아 기반 개질 촉매층을 갖는 관형 라이트닝 바카라 SOFC의 단면 및 촉매층 표면

기능성 촉매로서 세리아 기반 촉매층이 있거나 없는 마이크로-SOFC는 약 450 °C의 온도에서 메탄-증기 혼합물을 사용하여 테스트되었습니다 촉매층을 적용한 마이크로 SOFC는 촉매층을 적용하지 않은 마이크로 SOFC에 비해 발전 성능을 획기적으로 향상시켰다 세계 최초로 메탄 기반 라이트닝 바카라를 직접 개질하여 저온(500°C 이하)에서 전력 생산을 시연했습니다(그림 3) 세리아계 촉매층을 사용하지 않은 상태에서 메탄계 라이트닝 바카라를 직접 사용할 경우 발생되는 전압은 약 450℃에서 06V 정도로 낮았고(Fig 3), 전력밀도는 제곱센티미터당 수 밀리와트 수준이었다 촉매층을 사용한 전력 밀도는 01W/cm로 증가했습니다²—실용적인 수준이며 촉매 없이 밀도가 약 30배 높습니다 또한 전력 밀도는 04W/cm²및 045W/cm²는 각각 약 500°C와 550°C에서 달성되었습니다(그림 4) 현재 우리는 메탄을 포함한 다양한 탄화수소 라이트닝 바카라를 사용하여 저온에서 수소 라이트닝 바카라와 같거나 그 이상의 출력 밀도를 달성하기 위해 다양한 촉매층을 갖춘 전극에 대한 연구 개발을 진행하고 있습니다

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그림 3: 약 450°C에서 촉매층이 있는 관형 라이트닝 바카라 SOFC와 촉매층이 없는 관형 라이트닝 바카라 SOFC의 발전 성능 비교

그림 4: 약 (a) 550 °C, (b) 500 °C 및 (c) 450 °C에서 메탄-증기 혼합물을 직접 사용하여 촉매층을 갖춘 관형 라이트닝 바카라 SOFC 발전 성능의 작동 온도 의존성

다음 단계에서는 다양한 탄화수소 라이트닝 바카라용 촉매층을 설계 및 최적화하고 수년에 걸쳐 개발된 SOFC 모듈화 기술을 새로운 관형 마이크로 SOFC에 적용할 것입니다 우리의 목표는 시동 에너지를 줄이고, 시동 시간이 더 빠른 소형 SOFC 시스템을 개발하며, 차세대 차량 및 모바일 장치를 위한 소형, 라이트닝 바카라 유연성이 있는 전원으로의 사용을 촉진하는 것입니다