목차
표제지=0,1,1
제출문=ii,2,1
요약문=iii,3,7
SUMMARY=x,10,5
CONTENTS=xv,15,3
목차=xviii,18,4
그림목차=xxii,22,4
표목차=xxvi,26,1
I. 차세대 고성능 세라믹 연료전지 본체 개발=1,27,2
제1장 서론=3,29,1
제1절 연구개발의 목적 및 필요성=3,29,3
제2절 연구 추진 상황,연구 내용 및 범위=6,32,2
제2장 세라믹 연료전지 기술 개발 현황 분석=8,34,1
제1절 서 론=8,34,1
1. 기술의 원리 및 특징=8,34,2
2. 기술의 중요성=10,36,1
3. 세라믹 연료전지의 시장=11,37,3
제2절 적용분야별 고체산화물 연료전지 발전시스템 개발 현황=13,39,1
1. 정지형 발전시스템=13,39,3
2. 가정용 소형 발전시스템=15,41,2
3. 이동용 발전시스템=16,42,2
제3절 주요국가의 연구개발 및 투자 동향=18,44,1
1. 미국의 연구개발 및 투자동향=18,44,6
2. 일본의 연구개발 및 투자동향=23,49,7
3. 유럽의 연구개발 및 투자동향=29,55,2
가. 유럽위원회내(European Commision,EC)에서 연료전지 연구개발 정책=30,56,3
나. 유럽의 SOFC 국가 프로그램=32,58,1
1) 독일=32,58,1
2) 프랑스=32,58,2
3) 네덜란드=33,59,1
4) 영국=33,59,1
5) 스위스=33,59,1
다. 유럽에서의 SOFC개발-산업 프로그램=33,59,5
4. 국내=37,63,3
제4절 세라믹 연료전지의 이론적 배경=40,66,1
1. 세라믹 연료전지의 일리 및 특성=40,66,1
가. 작동원리=40,66,5
나. 전지성능 및 특징=44,70,5
2. 세라믹 연료전지의 각 구성재료의 종류와 특징=49,75,3
제3장 차세대 고성능 세라믹 연료전지 제조기술 개발=52,78,1
제1절 연료극 제조=52,78,1
1. 연료극 지지체 제조=52,78,3
2. 연료극 지지체관 특성 평가 및 결과 고찰=55,81,6
제2절 전해질,공기극 제조 및 전지성능 결과 고찰=61,87,1
1. 전해질 제조 및 코팅기술 개발=61,87,4
2. 공기극 제조 및 고출력 세라믹 연료전지 단전지 성능 특성=65,91,1
가. 공기극 분말 제조 및 코팅=66,92,1
나. 공기극 특성 및 단전지 성능시험=66,92,8
제4장 세라믹 연결재 및 금속연결재 코팅 제조기술 개발=74,100,1
제1절 세라믹 연결재 코팅기술 개발=74,100,1
1. 세라믹 연결재 제조=74,100,4
2. 세라믹 연결재 분말 제조기술=77,103,1
가. La0.075Ca0.27CrOc₃(이미지참조)=77,103,1
나. La0.8(Sr0.2-xCax)CrO₃(이미지참조) (X=0,0.1,0.015,0.2)=77,103,1
3. 세라믹 연결재 코팅기술 및 결과 고찰=77,103,1
가. La0.075Ca0.27CrOc₃(이미지참조) 특성 및 코팅기술=77,103,1
나. La0.8(Sr0.2-xCax)CrO₃(이미지참조) (X=0,0.1,0.015,0.2)의 소결 특성 및 결과 고찰=77,103,13
제2절 금속 연결재 코팅기술 개발=90,116,1
1. 금속 연결재 제조=90,116,1
2. 금속 연결재 코팅층 분석 결과 및 고찰=90,116,6
제5장 고출력 스택 원천기술 및 제작 기반기술 개발=96,122,1
제1절 고출력 스택 설계 및 제작 기술 개발=96,122,2
제6장 결론=98,124,2
참고문헌=100,126,3
II. Prereformer 설계 및 원천 재료 개발=103,129,2
제1장 서론=105,131,1
제1절 Prereformer=105,131,2
제2절 prereformer 개발 현황=106,132,1
1. McDermott Technology,Inc. (MTI)=107,133,1
2. Delphl Corporation=107,133,1
3. Ztek corporation=108,134,1
4. Los Alamos National Laboratory(LANL;미국)=108,134,1
제3절 prereformer 자체개발 추진방향제=108,134,1
제2장 부분산화 반응기 개발=109,135,1
제1절 개요=109,135,2
제2절 촉매제조 및 촉매 성능평가 실험=110,136,1
1. 촉매 제조=110,136,1
2. 반응기 및 실험 방법=110,136,2
제3절 부분산화 반응기 개발 결과=111,137,1
1. 촉매 개발=111,137,6
2. 반응 개시장치=116,142,2
3. 100 W급 prereformer 개발=118,144,1
제4절 100 W급 prereformer 운전 결과=119,145,1
1. 1세대 prereformer 운전=119,145,2
2. 2세대 prereformer 운전 결과=120,146,2
제3장 수증기 개질 반응기 개발=122,148,1
제1절 개요=122,148,1
제2절 촉매 및 성능 평가=122,148,2
제3절 100 W급 수증기 개질반응 prereformer 설계=123,149,3
제4장 결론 및 향후 연구 방향=126,152,1
참고문헌=127,153,2
III. 고성능 전극 소재 개발=129,155,2
제1장 서론=131,157,3
제2장 이론적 배경=134,160,1
제1절 SOFC 음극 전극의 요구특성=134,160,3
제2절 SOFC 양극 전극의 요구특성=136,162,2
제3장 연구방법=138,164,1
제1절 NiO-YSZ 음극소재 다양화 실험=138,164,1
1. Y₂O₃ mol% 변화실험=138,164,2
2. 탄소 첨가제변화실험=139,165,1
3. ZrO₂ 첨가제변화실험=139,165,1
4. ZrO₂ 분말크기 변화실험=140,166,1
제2절 NiO-YSZ 원통관 지지체 제조 실험=141,167,2
제3절 LaCoO계 양극소재의 산소투과 실험=143,169,2
제4장 연구결과=145,171,1
제1절 NiO-YSZ 음극소재 강도 및 전기전도도=145,171,10
제2절 NiO-YSB 원통관 지지체 제조=154,180,3
제3절 LaCoO계 양극소재의 산소투과 성능=157,183,4
제5장 결론 및 향후 연구방향=161,187,1
참고문헌=162,188,3
영문목차
[title page etc.]=0,1,14
CONTENTS=xv,15,12
I. Development of high Performance Ceramic Fuel Cell stack for the next generation power system=1,27,2
Chapter 1. Introduction=3,29,1
Section 1. Objectives and significance=3,29,3
Section 2. Research trends and cntents=6,32,2
Chapter 2. Current status of ceramic fuel cell development=8,34,1
Section 1. Introduction=8,34,6
Section 2. Application of SOFC system=13,39,5
Section 3. Current status of foreign and domestic SOFC R&D program=18,44,22
Section 4. Theoretical background of ceramic fuel cell=40,66,12
Chapter 3. Development of manufacturing technology of high Performae ceramic fuel cell=52,78,1
Section 1. Manufacturing of anode support=52,78,9
Section 2. Cell peformance test and fabrication of electrolyte and cathode=61,87,13
Chapter 4. Development of ceramic interconnect and metallic interconnect=74,100,1
Section 1. Development of coating technologies of ceramic interconnect layer=74,100,16
Section 2. Characteristics of metallic interconnect coated LSM=90,116,6
Chapter 5. Fabrication and design of high performance ceramic fuel cellstack=96,122,1
Section 1. Fabrication and design of stack system=96,122,2
Chapter 6. Conclusion=98,124,2
References=100,126,3
II. Prereformer and Catalyst Development=103,129,2
Chapter 1. Introduction=105,131,1
Section 1. Prereformer=105,131,2
Section 2. prereformer development status=106,132,1
2. Delphi Corporation=107,133,1
4. Los Alamos National Laboratory (LANL,USA)=108,134,1
Section 3. prereformer development strategy=108,134,1
Chapter 2. Partial oxidation(POX) reactor development=109,135,1
Section 1. Background=109,135,2
Section 2. Catalyst manufacture and test=110,136,1
1. Catalyst manufacture=110,136,1
2. Reactor and experimental procedure=110,136,2
Section 3. Results=111,137,8
Section 4 100 W-capacity POX prereformer test results=119,145,3
Chapter 3. Steam reforming reactor development=122,148,1
Section 1. Background=122,148,1
Section 2. Catalyst manufacture and test=122,148,2
Section 3. Design of 100w-capacity steam reforming prereformer=123,149,3
Chapter 4. Conclusion and future direction=126,152,1
References=127,153,2
III. Development of electrodes with high performance=129,155,2
Chapter 1. Introduction=131,157,3
Chapter 2. Theoretical background=134,160,1
Section 1. The requirement for anode electrode in SOFC=134,160,3
Section 2. The requirement for cathode electrode in SOFC=136,162,2
Chapter 3. Research method=138,164,1
Section 1. Development of NiO-YSZ anode matenals=138,164,3
Section 2. Development of tubular anode support=141,167,2
Section 3. Evaluation of LaCoO-based cathode materials=143,169,2
Chapter 4. Results=145,171,1
Section 1. Strength and electrical conductivity of NiO-YSZ anode materials=145,171,10
Section 2. Fabrication of tubular anode support=154,180,3
Section 3. Oxygen permeation of LaCoO-based cathode materials=157,183,4
Chapter 5. Conclusion=161,187,1
Reference=162,188,3
[그림 2-1] 100kw급 SOFC 발전시 스템 (Siemens-Westinghouse사)=9,35,1
[그림 2-2] SOFC 세계시장 규모. (*미국 ABI사 시장예측 보고서)=11,37,1
[그림 2-3] SOFC 시스템 가격예측 전망. (* 미국 Siemens Westinghouse Co. 자료)=11,37,1
[그림 2-4] 연료전지 세 계 시장 규모=12,38,1
[그림 2-5] 미국 Westinghouse사에서 설계된 원통형 구조의 3 MW 고체산화물 연료전지-가스터빈의 2 단계 복합발전시스템의 구성도=15,41,1
[그림 2-6] Sulzer Hexis사의 1kW급 가정용 고체산화물 연료전지 발전시스템=15,41,1
[그림 2-7] SOFCO 사가 개발 중인 25 kW급 자동차용 전원=17,43,1
[그림 2-8] Siemens Westinghouse사 고체산화물 연료전지/가스터빈복합 발전시스템 (DOE)=20,46,1
[그림 2-9] SOFC R&D 프로그램의 개략도. (Phase H,FY 1998-2OOO)=26,52,1
[그림 2-10] 다전지식(segmented-cell-in series) 원통형 고체산화물 연료전지 발전=27,53,1
[그림 2-11] 세라믹 연료전지의 작동원리=42,68,1
[그림 2-12] 연료전지의 전형적인 분극 거동=48,74,1
[그림 3-1] 압출용 페이스트 제조용 혼련기=53,79,1
[그림 3-2] 연료극 지지체관 제조용 압출기=54,80,1
[그림 3-3] 고출력 연료극지지 flat tube 전지 개발=57,83,1
[그림 3-4] SEM image 와 연료극 지지체상의 Ni,Zr(YSZ) WDS 원소분포=58,84,1
[그림 3-5] 소결조건에 따른 지지체관의 기공율,기공크기 변화=59,85,1
[그림 3-6] 압출후 가소결시 승온속도에 따른 크랙 형상=60,86,1
[그림 3-7] 전해질과 공기극 슬러리 제조법의 흐름도=63,89,1
[그림 3-8] 슬러리 고상입자 농도에 따른 전해질 코팅층 변화=64,90,1
[그림 3-9] 고출력 연료극 지지체 Flat-Tube 단위셀 전극 및 전해질 미세구조=68,94,1
[그림 3-10] Flat-Tube 단위셀 전극에서의 Mn(LSM)과 Fe(LSCF) 원소분포=69,95,1
[그림 3-11] 단위전지 성능평가 시스템의 구성도=70,96,1
[그림 3-12] 단위전지 성능평가 시스템의 구성도=71,97,1
[그림 3-13] 단위전지 성능특성=72,98,1
[그림 4-1] LaO.75Ca0.27Cr₃(이미지 참조) 분말의 하소온도에 따른 XRD 패턴=80,106,1
[그림 4-2] LaO.75Ca0.27Cr₃(이미지 참조) 분말의 하소온도에 따른 입자분포=81,107,1
[그림 4-3] Plasma 용사 코팅후 1400℃에서 3시간 소결후의 사진=82,108,1
[그림 4-4] NiO층을 코팅후 슬러리 dip coating후 1400℃에서 3시간 소결후의 사진=82,108,1
[그림 4-5] LaO.75Ca0.27Cr₃(이미지 참조) 소결재의 전기 전도도=83,109,1
[그림 4-6] LaO.75Ca0.27Cr₃ 소결재의 산소분압에 따른 전기 전도도=83,109,1
[그림 4-7] La0.8Sr0.2-xCaxCrO₃(이미지 참조)(x=0-0.2) polymerized resin의 TG분석=84,110,1
[그림 4-8] La0.8Sr0.2-xCaxCrO₃(이미지 참조)(X=0-0.2) POIymeriZed resin의 100℃건조 후 형상=85,111,1
[그림 4-9] La0.8Sr0.2-xCaxCrO₃(이미지 참조)(X=0-0.2)의 하소 온도에 따른 결정상 비교=87,113,1
[그림 4-10] La0.8Sr0.2-xCaxCrO₃(이미지 참조)(x=0-0.f)의 조성과 소결온도에 따른 상대밀도=88,114,1
[그림 4-11] La0.8Sr0.2-xCaxCrO₃ (이미지 참조)소결재의 파단면((a) x=0,(b) x=0.15,(c) x=0.2)과 theral etching 후의 미세조직 ((d) x=0,(e) x=0.15,(f) x=0.2)=88,114,1
[그림 4-12] La0.8Sr0.2-xCaxCrO₃(이미지 참조)소결재의 전기전도도 특성=89,115,1
[그림 4-13] LSM이 코팅된 SUS430의 온도(a)와 시간(b)에 따른 전기저항 변화=92,118,1
[그림 4-14] LSM이코팅된 SUS430의 환원소결후 측정온도에 따른 LSM XRD 상변화=93,119,1
[그림 4-15] LSM이코팅된 SUS430의 환원소결 후 표면코팅층 EPMA 분석결과=94,120,1
[그림 4-16] LSM이코팅 된 SUS430,Fecralloy의 임피던스 분석 결과=95,121,1
[그림 1-1] SOFC 발전 시스템에서의 prereformer 및 탈황반응기=105,131,1
[그림 2-1] 직경 0.95cm 석영반응기에서 메탄 부분산화반응 blank run=112,138,1
[그림 2-2] 분말 귀금속 촉매의 부분산화반응 활성(공간속도 Pd:1280000,Ru:2330000h-1)=112,138,1
[그림 2-3] 금속지지체에 washcoat된 귀금속 촉매의 부분산화 활성(공간속도:19000h-1)=113,139,1
[그림 2-4] Pd-금속지지체 촉매의 공간속도 변화에 따른 촉매 성능 변화=114,140,1
[그림 2-5] Pd-금속 지지체 촉매 상에서 메탄 부분산화반응이 개시된 후 외부가열차단시 반응기의 거동(공간속도,108000h-1)=115,141,1
[그림 2-6] Pd-금속 지지체 촉매 상에서 반응기체 주입온도 변화에 따른 출구 온도 및 메탄 전환율 변화(공간속도 108000h-1)=116,142,1
[그림 2-7] 96 cc의 Pd-금속지지체 촉매와 EHC를장착한 직경 5cm 부분산화반응기의 기동 특성(반응기체 유속:10ℓ/min)=117,143,1
[그림 2-8] 1세대 100 W급 prereformer 개략도=118,144,1
[그림 2-9] 1세대 prereformer의 기동 결과=120,146,1
[그림 2-10] 2세패 prereformer의 기동 특성=121,147,1
[그림 3-1] Ru 및 Pd 금속 지지체 촉매의 수증기개질 반응 성능=123,149,1
[그림 3-2] 연소기 및 열교환 성능이 포함된 100 W급 수증기개질 반응기 개략도=125,151,1
[그림 1-1] 고체산화물형 연료전지 및 연료극 모식도=132,158,1
[그림 3-1] 압출성형기의 외관사진=142,168,1
[그림 3-2] NiO-YSZ 음극소재의 압출성형을 위한 몰드=142,168,1
[그림 3-3] 산소투과 측정장치 모식도=144,170,1
[그림 4-1] Y₂O₃가 각각 8mol%,10mol% 첨가된 음극소재의 소결온도에 따른 강도변화=145,171,1
[그림 4-2] 1500℃에서 소결된 NiO-YSZ 음극소재의 파단면=146,172,1
[그림 4-3] 탄소분말의 주사전자현미경(SEM) 사진=146,172,1
[그림 4-4] 서로 다른 종류의 탄소가 첨가된 NiO-YSZ 음극소재의 강도=147,173,1
[그림 4-5] 서로 다른 탄소가 첨가된 후 1400oC에서 소결된 8YF의 파단면 사진=148,174,1
[그림 4-6] ZrO₂의 일부를 Zr(OH)₄ 또는 ZrO(NO₂)₃ㆍxH₂O로 대체한 NiO-YSZ 음극소재의 소결온도에 따른 강도변화=148,174,1
[그림 4-7] Zr(OH)₄분말의 주사전자현미경(SEM)사진=149,175,1
[그림 4-8] ZrO₂분말의 크기가 서로 다른 NiO-YSZ 음극소재의 강도=150,176,1
[그림 4-9] 서로 다른 크기의 분말을 사용하여 1400cC에서 소결한 NiO-YSZ 음극소재의 파단면 사진=150,176,1
[그림 4-10] 본 연구에서 제조된 NiO-YSZ의 기공율에 따른 강도=151,177,1
[그림 4-11] NiO-YSZ 음극소재의 800oC에서 전기전도도 값의 비교=152,178,1
[그림 4-12] 온도에 따른 BYP와 10YF의 전기전도도 값의 변화=153,179,1
[그림 4-13] Y₂O₃-ZrO₂의 상평형도=154,180,1
[그림 4-14] NiO-YSZ 음극소재용 분말과 유기보조제의 혼련모습=155,181,1
[그림 4-15] 몰드를 통해 원통관 지지체가 압출성형 되는 모습=156,182,1
[그림 4-16] 길이 20cm로 성형된 NiO-YSZ의 압출체 모습=156,182,1
[그림 4-17] 소결온도에 따른 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O₃(이미지 참조) 양극소재의 미세구조=157,183,1
[그림 4-18] 서로 다른 미세구조를 갖는 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O₃ 양극소재의 작동온도에 따른 산소투과량의 변화=158,184,1
[그림 4-19] LaSrCoO계 양극소재의 도포후 산소투과도를 측정하는 방법을 모식도=159,185,1
[그림 4-20] LaSrCoO계 양극재료의 온도에 따른 산소투과량=160,186,1
[표 2-1] 3세대 연료전지 적용분야별 개발 현황 및 상용화 계획=14,40,1
[표 2-2] 가정형 소형 발전지스템 개발 기관=16,42,1
[표 2-3] 이동용 소형 발전시스템 개발 기관=17,43,1
[표 2-4] 미국과 일본의 고체산화물 연료전지 발전 시스템 기술정책=18,44,1
[표 2-5] SOFC 복합 발전 시스템 개발을 위한 Vision 21 Program (* DOE 자료)=20,46,1
[표 2-6] 일본의 연료전지 개발계획 (Roadmap in NEDO)=25,51,1
[표 2-7] 일본의 연료전지 계획 및 예산 (NEDO)=25,51,1
[표 2-8] 연료전지의 종류와 특성=41,67,1
[표 3-1] 단위 전지 성능 측정을 위한 각 구정요소=67,93,1
[표 4-1] 고체 산화물 연료전지 각 구성요소의 열팽창 계수와 전기전도도=75,101,1
[표 4-2] LaCrO₃ 공기 분위기에서의 전도도=75,101,1
[표 4-3] doped LaCrO₃의 대기분위기와 p(O2)=76,102,1
[표 4-4] doped LaCrO₃ 열팽창 계수=76,102,1
[표 1-1] Delphi의 APU용 리포머 개발 목표=107,133,1
[표 1-2] 개발 대상 prereformer의 연구개발 목표치=108,134,1
[표 2-1] 고체산화물형 연료전지의 연료극 소재 개발동향=135,161,1
[표 3-1] 음극소재의 원료조합표=140,166,1
[표 4-1] 압출성형을 위한 원료조합표=155,181,1