친환경 적이고 우수한 에너지 효율을 나타내는 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)는 많은 부분에서 주목 하고 있다. 특히 YSZ 기반의 SOFC는 연료의 선택 폭이 넓다는 장점도 가지고 있다. 하지만 높은 온도에서 작동하기 때문에 작동 비용이 크고 재료 물질의 장기 안정성이 좋지 못하다는 단점이 있다. 단점을 보완 하고자 온도를 낮추게 되면 재료 내의 전도도가 감소하여 에너지 효율이 감소하게 되고 또한, 내부의 저항이 크게 증가하게 된다. 특히 양극에서는 분극 저항이 크게 증가 하여 전체적인 성능에 크게 영향을 미치게 된다. 따라서 중·저온에서도 안정적이고 전도도의 감소 없이 높은 효율을 가지는 ...
친환경 적이고 우수한 에너지 효율을 나타내는 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)는 많은 부분에서 주목 하고 있다. 특히 YSZ 기반의 SOFC는 연료의 선택 폭이 넓다는 장점도 가지고 있다. 하지만 높은 온도에서 작동하기 때문에 작동 비용이 크고 재료 물질의 장기 안정성이 좋지 못하다는 단점이 있다. 단점을 보완 하고자 온도를 낮추게 되면 재료 내의 전도도가 감소하여 에너지 효율이 감소하게 되고 또한, 내부의 저항이 크게 증가하게 된다. 특히 양극에서는 분극 저항이 크게 증가 하여 전체적인 성능에 크게 영향을 미치게 된다. 따라서 중·저온에서도 안정적이고 전도도의 감소 없이 높은 효율을 가지는 수소 이온 전도성 연료 전지(Protonic Conducting Ceramic Fuel cell : PCFC)가 필요하다. PCFC에서는 수증기를 포함하고 있는 상태에서 발생하는 구조적 결함을 통해 중·저온에서도 수소 이온이 이동에 필요한 활성화 에너지가 작고 이온 전도도의 감소가 나타나지 않는 장점이 있다. 하지만 수소 이온이 전해질을 통해 이동하여 양극에서 산소 이온과 반응 하는 과정에서 전해질과 양극의 계면에서만 반응이 일어나게 되어 전극의 분극 저항이 증가하게 된다. 본 논문에서는 PCFC의 양극에서 일어나는 전기·화학적 반응이 어떠한 요소에 의해 정해지는지 연구하였다. PCFC의 양극에서 필요한 요소를 갖고 있는 전극 물질을 찾기 위하여 기존 SOFC에서 사용하는 전극 물질들을 전도 특성에 따라 PCFC에 적용했다. 전기 전도가 주된 전도 요소인 전극 물질 LaCoO3 (LaCo)와 Mixed Ionic-Electronic Conducting Ceramic(MIEC) 전극 물질들인 (La0.8Sr0.2)CoO3-δ (LSCo), (La0.8Sr0.2)FeO3-δ (LSF), (La0.8Sr0.2)(Co0.8Fe0.2)O3-δ (LSCF) 그리고 수소 이온 전도성 세라믹 전해질과 전극 계면에서 양이온 교환에 의해 생기는 산소 빈자리를 통해 수소 이온 전도성을 가지는 (Ba0.5Sr0.5)(Co0.8Fe0.2)O3-δ (BSCF)전극 물질을 액상 법으로 합성하여 수소 이온 전도성 세라믹 Ba(Ce0.51Zr0.3Y0.15Zn0.04)O3-δ (BCZY-Zn)으로 제작한 단전지와 반전지에 함침법으로 다공성 세라믹 scaffold에 첨가 시켜 주어 전극의 I-V 특성 및 전력 밀도 그리고 임피던스 특성을 평가하고 비교하였다. SOFC에서 양극의 성능에 영향을 주는 요인들인 전기전도도, MIEC 특성을 갖는 전극 물질들은 PCFC의 양극으로 사용할 경우 전극 특성에 영향을 미치지 않는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 수소 이온 전도도는 다른 요인들 보다 전극 특성에 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 수소 이온 전도성을 높이기 위하여 BSCF조성에서 Co3+ 함량 일부를 이온 반경은 유사하고 전기음성도가 낮은 이온으로 치환 하는 실험을 통해 수소 기체가 수소 이온으로 자발적인 반응이 일어날 수 있도록 설계하여 Y, Ce, Nd, Pr, Ti 이온을 치환 하고 전극 특성 평가를 하였다. 반전지에서 수소 이온 전도도를 증가 해준 전극 물질들의 특성은 기존의 BSCF와 크게 차이가 나지 않았다. 연구 결과로 PCFC에서 양극 특성을 결정 하는 요인은 SOFC에서와 달리 전극 물질의 전기 전도도와 산소 이온 전도도 그리고 수소 이온 전도도가 아닌 다른 요인이 있음을 확인 하였다.
친환경 적이고 우수한 에너지 효율을 나타내는 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)는 많은 부분에서 주목 하고 있다. 특히 YSZ 기반의 SOFC는 연료의 선택 폭이 넓다는 장점도 가지고 있다. 하지만 높은 온도에서 작동하기 때문에 작동 비용이 크고 재료 물질의 장기 안정성이 좋지 못하다는 단점이 있다. 단점을 보완 하고자 온도를 낮추게 되면 재료 내의 전도도가 감소하여 에너지 효율이 감소하게 되고 또한, 내부의 저항이 크게 증가하게 된다. 특히 양극에서는 분극 저항이 크게 증가 하여 전체적인 성능에 크게 영향을 미치게 된다. 따라서 중·저온에서도 안정적이고 전도도의 감소 없이 높은 효율을 가지는 수소 이온 전도성 연료 전지(Protonic Conducting Ceramic Fuel cell : PCFC)가 필요하다. PCFC에서는 수증기를 포함하고 있는 상태에서 발생하는 구조적 결함을 통해 중·저온에서도 수소 이온이 이동에 필요한 활성화 에너지가 작고 이온 전도도의 감소가 나타나지 않는 장점이 있다. 하지만 수소 이온이 전해질을 통해 이동하여 양극에서 산소 이온과 반응 하는 과정에서 전해질과 양극의 계면에서만 반응이 일어나게 되어 전극의 분극 저항이 증가하게 된다. 본 논문에서는 PCFC의 양극에서 일어나는 전기·화학적 반응이 어떠한 요소에 의해 정해지는지 연구하였다. PCFC의 양극에서 필요한 요소를 갖고 있는 전극 물질을 찾기 위하여 기존 SOFC에서 사용하는 전극 물질들을 전도 특성에 따라 PCFC에 적용했다. 전기 전도가 주된 전도 요소인 전극 물질 LaCoO3 (LaCo)와 Mixed Ionic-Electronic Conducting Ceramic(MIEC) 전극 물질들인 (La0.8Sr0.2)CoO3-δ (LSCo), (La0.8Sr0.2)FeO3-δ (LSF), (La0.8Sr0.2)(Co0.8Fe0.2)O3-δ (LSCF) 그리고 수소 이온 전도성 세라믹 전해질과 전극 계면에서 양이온 교환에 의해 생기는 산소 빈자리를 통해 수소 이온 전도성을 가지는 (Ba0.5Sr0.5)(Co0.8Fe0.2)O3-δ (BSCF)전극 물질을 액상 법으로 합성하여 수소 이온 전도성 세라믹 Ba(Ce0.51Zr0.3Y0.15Zn0.04)O3-δ (BCZY-Zn)으로 제작한 단전지와 반전지에 함침법으로 다공성 세라믹 scaffold에 첨가 시켜 주어 전극의 I-V 특성 및 전력 밀도 그리고 임피던스 특성을 평가하고 비교하였다. SOFC에서 양극의 성능에 영향을 주는 요인들인 전기전도도, MIEC 특성을 갖는 전극 물질들은 PCFC의 양극으로 사용할 경우 전극 특성에 영향을 미치지 않는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 수소 이온 전도도는 다른 요인들 보다 전극 특성에 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 수소 이온 전도성을 높이기 위하여 BSCF조성에서 Co3+ 함량 일부를 이온 반경은 유사하고 전기음성도가 낮은 이온으로 치환 하는 실험을 통해 수소 기체가 수소 이온으로 자발적인 반응이 일어날 수 있도록 설계하여 Y, Ce, Nd, Pr, Ti 이온을 치환 하고 전극 특성 평가를 하였다. 반전지에서 수소 이온 전도도를 증가 해준 전극 물질들의 특성은 기존의 BSCF와 크게 차이가 나지 않았다. 연구 결과로 PCFC에서 양극 특성을 결정 하는 요인은 SOFC에서와 달리 전극 물질의 전기 전도도와 산소 이온 전도도 그리고 수소 이온 전도도가 아닌 다른 요인이 있음을 확인 하였다.
Because of excellent energy efficiency and environmentally friendly, Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are attracting much attention. Especially, YSZ-based SOFC has the advantage of wide selection of fuel. However, SOFCs operate in a high temperature that has disadvantages that are expensive to operate...
Because of excellent energy efficiency and environmentally friendly, Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are attracting much attention. Especially, YSZ-based SOFC has the advantage of wide selection of fuel. However, SOFCs operate in a high temperature that has disadvantages that are expensive to operate and the poor long-term stability of the material. To complement disadvantages, when SOFCs decrease in operating temperature, conductivity inside the material decreases. As result, energy efficiency is decreased and internal resistance is greatly increased. In particular, the polarization resistance in cathode is significantly increased, which greatly affects the overall cell performance. Therefore, Protonic Coducting Ceramic Fuel Cell, which is stable even at low temperature and has high efficiency without decreasing the conductivity, is needed. Because of the structural defects that occur when water vapor is contained, PCFCs have advantages that the activation energy required for proton migration is small and the ionic conductivity isn't decreased in inter-mediate temperature. However, proton migrates through the electrolyte and reacts with oxygen ions at the cathode surface, so that reaction occurs only at the interface between the electrolyte and cathode. Consequently, the polarization resistance of the electrode is increased. In this paper, we investigate what factors determine the electrochemical reactions at the cathode of PCFC. The electrode materials used in conventional SOFCs were applied to the PCFC. According to the conductivity type in order to find electrode materials having necessary elements at the cathode of PCFC. (La0.8Sr0.2)CoO3-δ (LaCo) which is electronic conductor material, (La0.8Sr0.2)CoO3-δ (LSCo), (La0.8Sr0.2)FeO3-δ (LSF), (La0.8Sr0.2)(Co0.8Fe0.2)O3-δ (LSCF) which are Mixed ionic-Electronic Conducting Ceramic(MIEC) and (Ba0.5Sr0.5)(Co0.8Fe0.2)O3-δ (BSCF), which has proton conductivity caused oxide vacancy occurring cation exchange at proton conducting ceramic electrolyte and electrode interface, fabricate ceramic composite electrodes by using infiltration method. And fabricated cells were measured in order to estimate I-V curve, power density and electrochemical impedance spectroscopy. It was confirmed that electrode materials having electrical conductivity and MIEC characteristics, which are factors affecting the performance of the cathode in the SOFC, do not affect the electrode characteristics when used as the cathode of the PCFC. The protonic conductivity seems to affect the electrode characteristics more than other factors. In order to increase the protonic conductivity, a part of the Co3+ content in the BSCF composition was substituted with the ionic radius and the electronegativity was low. the Y, Ce, Nd, Pr and Ti ions were replaced by Co3+ content in order to perform that hydrogen gas reacts spontaneously and becomes proton. The characteristics of the electrode materials that increased the proton conductivity in the half cell were not significantly different from those of the conventional BSCF. AS a result of the study, it was confirmed that the factors that determine the cathode characteristics in the PCFC are different from those of the SOFC. And there are not electrical conductivity, oxygen ion conductivity and protonic conductivity but other factors of the cathode material.
Because of excellent energy efficiency and environmentally friendly, Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are attracting much attention. Especially, YSZ-based SOFC has the advantage of wide selection of fuel. However, SOFCs operate in a high temperature that has disadvantages that are expensive to operate and the poor long-term stability of the material. To complement disadvantages, when SOFCs decrease in operating temperature, conductivity inside the material decreases. As result, energy efficiency is decreased and internal resistance is greatly increased. In particular, the polarization resistance in cathode is significantly increased, which greatly affects the overall cell performance. Therefore, Protonic Coducting Ceramic Fuel Cell, which is stable even at low temperature and has high efficiency without decreasing the conductivity, is needed. Because of the structural defects that occur when water vapor is contained, PCFCs have advantages that the activation energy required for proton migration is small and the ionic conductivity isn't decreased in inter-mediate temperature. However, proton migrates through the electrolyte and reacts with oxygen ions at the cathode surface, so that reaction occurs only at the interface between the electrolyte and cathode. Consequently, the polarization resistance of the electrode is increased. In this paper, we investigate what factors determine the electrochemical reactions at the cathode of PCFC. The electrode materials used in conventional SOFCs were applied to the PCFC. According to the conductivity type in order to find electrode materials having necessary elements at the cathode of PCFC. (La0.8Sr0.2)CoO3-δ (LaCo) which is electronic conductor material, (La0.8Sr0.2)CoO3-δ (LSCo), (La0.8Sr0.2)FeO3-δ (LSF), (La0.8Sr0.2)(Co0.8Fe0.2)O3-δ (LSCF) which are Mixed ionic-Electronic Conducting Ceramic(MIEC) and (Ba0.5Sr0.5)(Co0.8Fe0.2)O3-δ (BSCF), which has proton conductivity caused oxide vacancy occurring cation exchange at proton conducting ceramic electrolyte and electrode interface, fabricate ceramic composite electrodes by using infiltration method. And fabricated cells were measured in order to estimate I-V curve, power density and electrochemical impedance spectroscopy. It was confirmed that electrode materials having electrical conductivity and MIEC characteristics, which are factors affecting the performance of the cathode in the SOFC, do not affect the electrode characteristics when used as the cathode of the PCFC. The protonic conductivity seems to affect the electrode characteristics more than other factors. In order to increase the protonic conductivity, a part of the Co3+ content in the BSCF composition was substituted with the ionic radius and the electronegativity was low. the Y, Ce, Nd, Pr and Ti ions were replaced by Co3+ content in order to perform that hydrogen gas reacts spontaneously and becomes proton. The characteristics of the electrode materials that increased the proton conductivity in the half cell were not significantly different from those of the conventional BSCF. AS a result of the study, it was confirmed that the factors that determine the cathode characteristics in the PCFC are different from those of the SOFC. And there are not electrical conductivity, oxygen ion conductivity and protonic conductivity but other factors of the cathode material.
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