목차
표제지=0,1,1
제출문=0,2,1
요약문=i,3,8
SUMMARY=ix,11,4
CONTENTS=xiii,15,3
목차=xvi,18,4
그림목차=xx,22,5
표목차=xxv,27,2
I. 차세대 고성능 세라믹 연료전지 본체 개발=1,29,2
제1장 서론=3,31,1
제1절 연구개발의 목적 및 필요성=3,31,3
제2절 연구 추진 상황,연구 내용 및 범위=6,34,2
제2장 고체산화물 연료전지 스택 설계 및 개발=8,36,1
제1절 고체산화물 연료전지 스택종류=8,36,1
1. 서론=8,36,2
2. 단전지식 원통형 구조=9,37,1
2.1 단전지 원통형 구조의 전기적 연결=9,37,3
2.2 가스메니폴더 구조=12,40,1
2.3 단전지식 원통형 구조의 특징=12,40,1
3. 다전지식 원통형 구조=12,40,2
3.1 다전지식 구조의 전기적 연결=14,42,1
3.2 다전지 구조의 가스메니폴더 구조=14,42,2
3.3 다전지식 원통형 구조의 특징=16,44,1
4. 일체형 고체산화물 연료전지 구조=16,44,1
4.1 구조특징=16,44,2
4.2 일체형 구조에서 전기적 연결=18,46,1
4.3 일체형 구조에서 가스 메니폴더 설계=18,46,2
4.4 일체형 SOFC의 특징=19,47,2
5. 평판형 구조=21,49,1
5.1 구조특징=21,49,2
5.2 평판형 구조의 전기적 연결=22,50,1
5.3 평판형에서의 가스 메니폴더=22,50,2
5.4 평판형 구조의 특징=24,52,1
6. 평판형 SOFC 스택 구조=25,53,1
6.1 구조특징=25,53,2
6.2 단전지 평관형 구조의 전기적 연결=27,55,1
6.3 평관형 구조의 메니폴더=27,55,2
6.4 일체형 SOFC의 특징=29,57,1
제3장 고효율 단위전지 설계 및 100W급 스택 성능시험=30,58,1
제1절 고효율 단위전지 설계=30,58,1
1. 단위 전지 성능개선=30,58,2
2. 연료극 지지체 물성 개선=32,60,5
3. 단전지 성능평가=37,65,4
4. 100W급 스택 제작 및 특성평가=41,69,6
제4장 세라믹 연결재 및 Bipolar plate 코팅 제조기술 개발=47,75,1
제1절 세라믹 연결재 코팅기술 개발=47,75,1
1. 세라믹 연결재 제조=47,75,3
2. 세라믹 연결재 분말 제조기술=49,77,1
2.1 La0.75Ca0.27CrO3=49,77,2
3. 세라믹 연결재 코팅기술 및 결과 고찰=50,78,1
3.1 분말 합성 및 특성평가 및 고찰=50,78,4
3.2 Dip 코팅적용 및 플라즈마 용사 코팅 적용 후 특성 평가 및 고찰=53,81,9
제5장 결론=62,90,1
참고문헌=63,91,4
II. Prereformer 설계 및 원천 재료 개발=67,95,2
제1장 서론=69,97,1
제1절 Prereformer=69,97,2
제2절 prereformer 개발 현황=71,99,2
제3절 prereformer 자체개발 추진방향=73,101,1
제2장 부분산화 반응기 개발=74,102,1
제1절 개요=74,102,2
제2절 촉매제조 몇 촉매 성능평가 실험=75,103,2
제3절 부분산화 반응기 개발 결과=76,104,8
제4절 부분산화반응 prereformer 운전 결과=84,112,11
제3장 수증기 개질 반응기 개발=95,123,1
제1절 개요=95,123,1
제2절 촉매 및 성능 평가=95,123,5
제3절 수증기개질 prereformer 반응기 개발 및 운전 결과=100,128,4
제4장 결론 및 향후 연구 방향=104,132,1
참고문헌=105,133,2
III. 고성능 전극 소재 개발=107,135,2
제1장 서론=109,137,4
제2장 이론적 배경=113,141,1
제1절 SOFC 음극 전극의 요구특성=113,141,4
제2절 SOFC 전극소재의 내구성=116,144,4
제3장 연구방법=119,147,1
제1절 Ni-YSZ 음극소계 강도향상 실험=119,147,4
제2절 Ni-YSZ 장기 내구성 평가 실험=122,150,4
제3절 Ni-CeO2계 음극소재 다양화 실험=126,154,2
제4절 LaCoO계 양극 나노분말 제조 실험=127,155,4
제4장 연구결과=131,159,1
제1절 Ni-YSZ 음극소재 강도향상 실험=131,159,13
제2절 Ni-YSZ 장기 내구성 평가 실험=143,171,5
제3절 Ni-CeO2계 음극소재 다양화 실험=147,175,6
제4절 LaCoO계 양극 나노분말 제조 실험=153,181,4
제5장 결론=157,185,2
참고문헌=159,187,1
IV. 차세대 고성능 세라믹 연료전지 기술 개발 사업(2차년도) 연구 결과=160,188,1
제1장 최종 결론=160,188,1
제2장 향후 연구 추진 계획=161,189,3
영문목차
[title page etc.]=0,1,14
CONTENTS=xiii,15,14
I. Development of ceramic fuel cell stack for the next generation power system=1,29,2
Chapter 1. Introduction=3,31,1
Section 1. Objectives and significance=3,31,3
Section 2. Research trends and contents=6,34,2
Chapter 2. Fabrication and design of high performance ceramic fuel cell stack=8,36,1
Section 1. Type of solid oxide fuel cell stack=8,36,1
1. Introduction=8,36,2
2. Sealless tubular design=9,37,4
3. Segmented-cell-in-series design=12,40,5
4. Monolithic design=16,44,5
5. Flat-plate design=21,49,4
6. Flat-tubular design=25,53,5
Chapter 3. Development of manufacturing technology of ceramic fuel cell and test of 100W SOFC stack=30,58,1
Section 1. Design of high efficiency SOFC cell=30,58,1
1. Development of advanced unit cell=30,58,2
2. Characterization of anode supporter=32,60,5
3. Performance test of unit cell=37,65,4
4. Design and fabrication of 100W flat-tubular SOFC stack=41,69,6
Chapter 4. Development of ceramic interconnect and metallic bipolar plate=47,75,1
Section 1. Development of coating technologies in ceramic interconnect layer=47,75,1
1. Fabrication of ceramic interconnect layer=47,75,3
2. Ceramic interconnect powder=49,77,2
3. Ceramic interconnect layer coating=50,78,12
Chapter 5. Conclusion=62,90,1
References=63,91,4
II. Prereformer and Catalyst Development=67,95,2
Chapter 1. Introduction=69,97,1
section 1. Prereformer=69,97,2
Section 2. prereformer development status=71,99,2
Section 3. prereformer development strategy=73,101,1
Chapter 2. Partial oxidation(POX) reactor development=74,102,1
Section 1. Background=74,102,2
Section 2. Catalyst manufacture and test=75,103,2
Section 3. Results=76,104,8
Section 4. 100 W-capacity POX prereformer test results=84,112,11
Chapter 3. Steam reforming reactor development=95,123,1
Section 1. Background=95,123,1
Section 2. Catalyst manufacture and test=95,123,5
Section 3. Design of 100W-capacity steam reforming prereformer=100,128,4
Chapter 4. Conclusion and future direction=104,132,1
References=105,133,2
III. Development of electrodes with high performance=107,135,2
Chapter 1. Introduction=109,137,4
Chapter 2. Theoretical background=113,141,1
Section 1. The requirement for anode electrode in SOFC=113,141,4
Section 2. The stability of the electrode for SOFC=116,144,4
Chapter 3. Research method=119,147,1
Section 1. Experiment on the strength improvement of Ni/YSZ anode material=119,147,4
Section 2. Longtime stability test for NiO-YSZ anode material=122,150,4
Section 3. Experiment on the fabrication of NiO-CeO2 anode material=126,154,2
Section 4. Experiment on the fabrication of nano LaSrCoO3 cathode material=127,155,4
Chapter 4. Results=131,159,1
Section 1. Experiment on the strength improvement of Ni/YSZ anode material=131,159,13
Section 2. Longtime stability test for NiO-YSZ anode material=143,171,5
Section 3. Experiment on the fabrication of NiO-CeO2 anode material=147,175,6
Section 4. Experiment on the fabrication of nano LaSrCoO3 cathode material=153,181,4
Chapter 5. Conclusion=157,185,2
References=159,187,5
[표 1-1] SOFC 스택 설계별 특성=9,37,1
[표 1-2] 다전지식 SOFC 원통형 구조의 특성=13,41,1
[표 1-3] 일체형 SOFC 구성 요소 특징=17,45,1
[표 1-4] 평판형 SOFC의 구성 요소 특성=21,49,1
[표 1-5] 단위 전지 성능 측정을 위한 각 구성요소=38,66,1
[표 1-6] 고체 산화물 연료전지 각 구성요소의 열팽창 계수와 전기전도도=48,76,1
[표 1-7] Doped LaCrO₃ 열팽창계수=49,77,1
[표 1-8] Gel 조성에 따른 분석=51,79,1
[표 1-9] Polyesterification 반응도=52,80,1
[표 1-10] 액상소결과정 모식도=53,81,1
[표 2-1] Dehi의 APU용 리포머 개발 목표=72,100,1
[표 2-2] 개발 대상 prereformer의 연구개발 목표치=73,101,1
[표 2-3] O₂/CH₄ 변화에 의한 메탄전환율 및 생성물의 선택도 변화=88,116,1
[표 3-1] 고체산화물형 연료전지의 양극 소재 재발동향=114,142,1
[표 3-2] 고체산화물형 연료전지의 음극 소재 개발동향=115,143,1
[표 3-3] SOFC 철 제조 및 디자인의 최근 연구경향=117,145,1
[표 3-4] NiO-YSZ 음극소재의 원료조합표=120,148,1
[표 3-5] 압출성형을 위한 원료조합표=121,149,1
[표 3-6] NiO-YSZ 음극소재의 소결수축율=135,163,1
[표 3-7] 압출성형을 위한 원료조합표=150,178,1
[표 3-8] SOFC 음극을 위한 NiO-YSZ 및 NiO-SDC 원통관 지지체의 특성=152,180,1
[그림 1-1] 단전지 원통형 구조=10,38,1
[그림 1-2] 단전지식 원통형 SOFC에서 각 단저니 연결 구조=11,39,1
[그림 1-3] 단전지식 원통형 구조에서의 가스메니폴더의 개념도=11,39,1
[그림 1-4] 다전지식 원통형 구조=13,41,1
[그림 1-5] 다전지식 구조(a)에서 가스 메니폴더 개념도=15,43,1
[그림 1-6] 다전지식 구조(b)에서 가스 메니폴더 개념도=15,43,1
[그림 1-7] 일체형 SOFC 구조=17,45,1
[그림 1-8] 일체형 SOFC에서 전자/이온의 이동 경로=18,46,1
[그림 1-9] Coflow 구조에서의 가스메니폴더 개념도=20,48,1
[그림 1-10] 평판형 SOFC 구조와 단전지=22,50,1
[그림 1-11] 평판형 구조의 SOFC의 crossflow 구조를 가지는 메니폴더 개념도=23,51,1
[그림 1-12] 원형 구조의 평판형 SOFC와 가스메니폴더 구조=23,51,1
(그럼 1-13] 단전지 평관형 구조=26,54,1
[그림 1-14] 평관형 SOFC 100W급 2×2 스택 측면도=26,54,1
[그림 1-15] 평관형 구조의 SOFC에서의 전류흐름=27,55,1
[그림 1-16] 공기 공급을 위하여 유로가 설계된 금속 bipolar plate=28,56,1
[그림 1-17] 연료가스 흐름 및 연료가스 메니폴더 개념도=28,56,1
[그림 1-18] 개발되어진 단전지 정면사진=30,58,1
[그림 1-19] 평관형 과 평판형 SOFC에서 단위 부피당 전력밀도의 비교=31,59,1
(그립 1-20] 각 Ni의 vol.%별 연료극 지지체의 환원후 광학 현미경 사진=34,62,1
[그림 1-21] Ni vol.%별 환원 전ㆍ후의 압축 강도=35,63,1
[그림 1-22] Ni vol.%별 연료극 지지체의 전기 전도도=35,63,1
[그림 1-23] Ni vol.%별 환원 전ㆍ후의 기공도 분포=36,64,1
[그림 1-24] 압출 제조하여 1300℃에서 가소결된 단위전지㉮와 다시 전해질을 코팅하고 1400℃에서 소결한 단위전지㉯,그리고 최종으로 양극코팅을 코팅하고 1200℃에서 소결한 단위 전지 ㉰=39,67,1
[그림 1-25] 제조된 단위전지의 측면 SEM사진=39,67,1
(그럼 1-26] 단위전지 성능평가 시스템의 구성도와 성능평가 시스템=40,68,1
[그림 1-27] 단위전지 성능특성=40,68,1
[그림 1-28] 연료가스 공급 메니폴더=42,70,1
[그림 1-29] 공기 공급 메니폴더=43,71,1
[그림 1-30] 100W급 평관형 SOFC 스택 적충구조=43,71,1
[그림 1-31] 100W급 평관형 SOFC 스택 조립전 모습=44,72,1
[그림 1-32] 100W급 평관형 SOFC 스택 조립후 모습=44,72,1
[그림 1-33] 100W 평관형 SOFC 스택 운전 개략도=45,73,1
[그림 1-34] 100W 스택 시험 후 단전지 파괴모습=46,74,1
[그림 1-35] LCC41 resin TG/DSC 분석=55,83,1
[그림 1-36] La0.6Ca0.41CrO₃분말의 하소온도에 따른 XRD 패턴=56,84,1
[그림 1-37] 온도별 LCC41 cha.(a),resin(b) 및 하소 후 분말 사진=56,84,1
[그림 1-38] La0.6Ca0.41CrO₃ 분말의 하소온도에 따른 입자분포.(a) 분쇄 후의 resin,(b) 800℃에서 2hr하소 후,(c) 900℃에서 2hr하소 후=57,85,1
[그림 1-39] Plasma 용사 코팅후 1200℃에서 3시간 소결후의 사진.(a) 플라즈마 코팅후의 표면사진,(b) 표면 확대,(c) 플라즈마 코팅후의 단면사진,(d) 단면 확대=58,86,1
[그림 1-40] 플라즈마 용사코팅 후 1200℃에서 3시간 소결후의 EDS mapping사진=59,87,1
[그림 1-41] La0.6Ca0.41CrO₃ 슬러리 dip coating후 2-step 소결을 이용한 사진. (a) 단면부,(b) LSCC interlayer.와 LCC41,(c) NiO와 LSCC 확대,(d) LCC41 표면부=60,88,1
[그림 1-42] La0.75Ca0.27CrP₃ 플라즈마코팅 후,플라즈마후+La0.6Ca0.41CrO₃dip 코팅 적용후 연결재비 저항값=61,89,1
[그림 1-43] 2-step 소결온도에 따른 La0.6Ca0.41CrO₃ 연결재의 비저항값=61,89,1
[그림 2-1] SOFC 발전 시스템에서의 prereformer 및 탈황반응기=69,97,1
[그림 2-2] 직경 0.95cm 석영반응기에서 메탄 부분산화반응 blank run=77,105,1
[그림 2-3] 분말 귀금속 촉매의 부분산화반응 활성(공간속도 Pd:1280000,Ru:2330000h-1].=77,105,1
[그림 2-4] 금속지지체에 washcoat된 귀금속 촉매의 부분산화 활성(공간속도:19000h-1].=78,106,1
[그림 2-5] Pd-금속지지체 촉매의 공간속도 변화에 따른 촉매 성능 변화=79,107,1
[그림 2-6] Pd-금속 지지체 촉매 상에서 메탄 부분산화반응이 개시된 후 외부가열 차단시 반응기의 거동(공간속도:108000h-1)=80,108,1
[그림 2-7] Pd-금속 지지체 촉매 상에서 반응기체 주입온도 변화에 따른 출구 온도 및 메탄 전환율 변화(공간속도:108000h-1)=81,109,1
[그림 2-8] 96 cc의 Pd-금속지지체 촉매와 EHC를 장착한 직경 5 cm 부분산화반응기의 기동 특성(반응기체 유속:10 ℓ/min)=82,110,1
[그림 2-9] 1세대 100 W급 prereformer 개략도=83,111,1
[그림 2-10] 1세대 prereformer의 기동 결과=84,112,1
[그림 2-11] 2세대 prereformer의 기동 특성=85,113,1
[그림 2-12] 2세대 부분산화반응 prereformer의 기동 특성=86,114,1
[그림 2-13] 2세대 부분산화반응 prereformer의 동특성=87,115,1
[그림 2-14] 열교환기가 장착된 3세대 부분산화반응기=89,117,1
[그림 2-15] 열교환기가 장착된 3세대 메탄부분산화반응기의 성능=89,117,1
[그림 2-16] Pd 담지 부분산화촉매의 담지량 변화에 따른 메탄 부분산화 활성 변화=90,118,1
[그림 2-17] Pd 촉매(5 wt%)와 Ni 촉매의 메탄 부분산화 활성=91,119,1
[그림 2-18] Pd가 washcoat된 금속모노리스 촉매의 단기간 안정성=92,120,1
[그림 2-19] 열교환기 내부 장착형 4세대 부분산화반응기=93,121,1
[그림 2-20] Ru 및 Pd 금속 지지체 촉매의 수증기개질 반응 성능=96,124,1
[그림 2-21] Pellet형 Ni 촉매와 금속모노리스에 washcoat된 Ni 촉매의 수증기개질 온도별 성능비교=97,125,1
[그림 2-22] Pellet형 Ni 촉매와 금속모노리스에 washcoat된 Ni 촉매의 공간속도 변화에 따른 수증기개질 성능 비교=98,126,1
[그림 2-23] Ru가 도핑된 Ni 촉매의 수증기개질 특성=99,127,1
[그림 2-24] 열교환형 single-tube 수증기개질 반응기=100,128,1
[그림 2-25] Ni가 코팅된 금속모노리스 촉매 35 cc가 충진된 열교환형 수증기 개질반응기 운전 결과=101,129,1
[그림 2-26] Ru-Ni-금속모노리스 촉매 70 cc가 충진된 열교환형 수증기개질 반응기 운전 결과=102,130,1
[그림 2-27] Multi-tube형 수증기개질 열교환반응기 개략도(4.2 kW급)=103,131,1
[그림 3-1] 고체산화물형 연료전지 셀의 구조 및 발전원리=110,138,1
[그림 3-2] 연료전지의 삼중점을 나타내는 모식도=113,141,1
[그림 3-3] NiO-YSZ 곡강도 시편의 압출성형 모습=121,149,1
[그림 3-4] 고온 전기전도도 측정 장비 구성도=123,151,1
[그림 3-5] 고온 열충격 실험에 있어서 시간과 온도와의 관계=125,153,1
[그림 3-6] 고온 장기환원 실험에 있어서 시간과 온도와의 관계=125,153,1
[그림 3-7] 나노 양극분말 제조공정도=129,157,1
[그림 3-8] 분무열분해에 의한 나노분말 제조모식도=130,158,1
[그림 3-9] Y₂O₃의 함량이 각각 8mol%와 10mo1% 첨가되고 기공전구체로 활성탄이 첨가된 NiO-YSZ 음극소재의 소결온도에 따른 (a) 기공율과 (b) 강도=132,160,1
[그림 3-10] NiO-YSZ 음극소재의 주사전자현미경 사진,(a) Y₂O₃ 함량 8mol%,소결온도1400℃,(b) Y₂O₃ 함량 10mo1%,소결온도 1400℃,(b) Y₂O₃ 함량 8mol%,소결온도 1500℃,(b) Y₂O₃ 함량 10mo1%,소결온도 1500℃=133,161,1
[그림 3-11] 기공전구체의 주사전자현미경 사진; (a) 활성탄(activated carbon),(b) 카본블랙(carbon black)=135,163,1
[그림 3-12] 10mo1%의 Y₂O₃가 첨가되고 서로 다른 기공전구체를 갖는 NiO-YSZ 음극소재의 소결온도에 따른 (a) 기공을과 (b) 강도=136,164,1
[그림 3-13] 서로 다른 기공전구체가 첨가되고 1400℃에서 소결된 NiO-YSZ 음극소재의 주사 전자현미경 사진((a),(b)) 및 비디오 현미경 사진 ((c),(d)); ((a),(c) 10Y-AC,(b),(d) 10Y-CB)=138,166,1
[그림 3-14] 압출공정으로 제조된 NiO-YSZ 음극소재의 기공분포,(a) 8Y-AC 환원 전,(b) 10Y-CB 환원 전,(c) 8Y-AC 환원 후,(d) 10Y-CB 환원 후=139,167,1
[그림 3-15] NiO-YSZ 음극소채의 기공율의 함수로써의 3점 곡강도 그래프=140,168,1
[그림 3-16] NiO-YSZ 음극소재의 작동온도에 따른 전기전도도=142,170,1
[그림 3-17] NiO-YSZ 음극소재의 환원 전,후의 강도 변화=143,171,1
[그림 3-18]/[그림 4-18] 고온 열충격 싸이클에 따른 Ni-YSZ 음극소재의 강도변화=145,173,1
[그림 3-19]/[그림 4-19] 고온 장기 환원시간에 따른 Ni-YSZ 음극초재의 강도변화=145,173,1
[그림 3-20]/[그림 4-20] 800℃,Ar/4%H₂ 분위기에서 시간에 따른 Ni/YSZ 음극소재의 전기전도도 변화=146,174,1
[그림 3-21] Y₂O₃-ZrO₂의 상평형도=148,176,1
[그림 3-22] NiO-CeO₂계의 음극소재의 환원 후 미세구조 SEM 사진,(a) Ni-SDC,(b) Ni-GDC=149,177,1
[그림 3-23] Ni-CeO₂계 음극소재의 환원 전후 기공율 변화=149,177,1
[그림 3-24] NiO-YSZ 및 NiO-CeO₂계 음극지지체의 원통관 사진(a) 및 NiO-YSZ에 전해질과 양극을 코팅한 셀의 사진 (b)=151,179,1
[그림 3-25] Ni-SDC 및 Ni-YSZ의 온도에 따른 전기전도도=152,180,1
[그림 3-26] 분무열분해법의 제조온도에 따른 XRD 결정상 분석결과=154,182,1
[그림 3-27] 서로 다른 온도에서 합성된 LaSrCoO₃ 나노분말을 x100,000배로 확대 관찰한 사진:(a) 800℃,(b) 900℃,(c) 1000℃=155,183,1
[그림 3-28] 서로 다른 온도에서 합성된 LaSrCoO₃ 나노분말을 x10,000배로 확대 관찰한 사진:(a) 800℃,(b) 900℃,(c) 1000℃=155,183,1
[그림 3-29] 분무열분해법으로 합성된 LaSrCoO₃의 스크린프린팅한 후 표면 관찰사진:(a)5,000배,(b) 20,000배,(c) 100,000배=156,184,1