| 학회 | 한국재료학회 |
| 학술대회 | 2020년 가을 (11/18 ~ 11/20, 휘닉스 제주 섭지코지) |
| 권호 | 26권 1호 |
| 발표분야 | C. 에너지 재료 분과 |
| 제목 | 나노 실리콘 카바이드 첨가를 통한 고체산화물연료전지 Ni-3YSZ 연료극 지지체의 기계적 강도 및 내구성 향상 효과 |
| 초록 | Nickel (Ni)-3 mol. % Yttria Stabilized Zirconia (3YSZ) 서멧 (cermet)은 일반적으로 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)의 연료극 지지체 재료로 사용된다. 그러나 이 Ni-3YSZ 서멧은 SOFC 작동 환경 조건인 수분이 함유된 고온 (700 - 900 oC) 수소 분위기에서 기계적 내구성에 많은 문제가 있다. 예를 들어, Ni은 SOFC 작동 조건에 노출되게 되면 표면 에너지를 줄이기 위해 입자 응집이 발생하며, 입자 크기 증가에 따른 기공도 증가로 인하여 지지체의 기계적 강도를 낮추는 것으로 보고되었다.[1] 또한, 3YSZ의 경우 SOFC 작동 조건에서 상이 불안정하여 기존 tetragonal 상의 zirconia가 monoclinic 상의 발생으로 인해 부피 차가 발생하여 기계적 내구성을 저하시킨다.[2] 이 연구에서는, 나노 실리콘 카바이드 (nano-SiC)를 첨가하여 기계적 강도와 내구성의 향상시키고자 하였다. SiC는 Ni의 입성장을 방해하는 효과가 있으며,[3] 3YSZ의 구조적 안정성을 향상 시킬 수 있다고 보고되었다.[2] 또한, 나노 입자를 첨가함으로써 형성된 2차상을 통해 grain 성장 및 크랙 성장을 방해하여 강도를 증진시킬 수 있다고 보고되었다.[4, 5] NiO-3YSZ 분말을 1, 3, 5 wt. % nano-SiC와 혼합하여 펠렛을 성형하고 1400 oC에서 3시간동안 소결하였다. 연료극 지지체의 장기적인 기계적 내구성은 수분이 함유된 수소 분위기에서 750 oC, 8 시간 동안 초기 환원하였고, 900 oC에서 각 500, 1000 시간동안 환원분위기에서 장기 열처리한 후 펠렛의 기계적 강도를 측정하였다. 1000 시간 열처리 후 Ni-3YSZ는 매우 낮은 기계적 강도를 나타내었으며, 기계적 내구성은 약 69 % 의 열화율을 나타내었다. 그러나, Ni-3YSZ에 3 wt. % nano-SiC를 첨가한 샘플은 약 356 % 의 기계적 강도 향상 및 열화율은 약 32 % 로 nano-SiC 첨가가 기계적 강도 및 내구성 향상에 효과적인 것으로 나타났다. [1] Materials 8.9 (2015): 5554-5585. [2] Ceramics International 44.12 (2018): 14824-14833. [3] International Journal of Hydrogen Energy 40.35 (2015): 11968-11975. [4] Acta Materialia 97 (2015): 68-74. Mathers, G. (2002). [5] The welding of aluminium and its alloys. Woodhead publishing, 2002. |
| 저자 | 권범수1, 조동우2, 송락현2, 이승복1, 임탁형2, 홍종은1 |
| 소속 | 1과학기술연합대, 2한국에너지기술(연) |
| 키워드 | 고체산화물연료전지(SOFC); 연료극 지지체; Ni-YSZ; nano-SiC; 기계적 강도; 기계적 내구성 |
