Electrochemical Characteristics of Anode-supported Solid Oxide Fuel Cells

연료극 지지형 고체산화물 연료전지의 전기화학적 특성

YSZ ($8mol\%$ yttria-stabilized zirconia)-modified LSM $(La_{0.85}Sr_{0.15}MnO_3)$ composite cathodes were fabricated by formation of YSZ film on triple phase boundary (TPB) of LSM/YSZ/gas. The YSZ coating film greatly enlarged electrochemical reaction sites from the increase of additional TPB. The composite cathode was formed on thin YSZ electrolyte (about 30 Um thickness) supported on an anode and then I-V characterization and AC impedance analyses were performed at temperature between $700^{\circ}C\;and\;800^{\circ}C$. As results of the impedance analysis on the cell at $800^{\circ}C$ with humidified hydrogen as the fuel and air as the oxidant, R1 around the frequency of 1000 Hz represents the anode Polarization. R2 around the frequency of 100Hz indicates the cathode polarization, and R3 below the frequency of 10 Hz is the resistance of gas phase diffusion through the anode. The cell with the composite cathode produced power density of $0.55\;W/cm^2\;and\;1W/cm^2$ at air and oxygen atmosphere, respectively. The I-V curve could be divided into two parts showing distinctive behavior. At low current density region (part I) the performance decreased steeply and at high current density region (part II) the performance decreased gradually. At the part I the performance decrease was especially resulted from the large cathode polarization, while at the part H the performance decrease related to the electrolyte polarization.

기체/전해질/LSM $(La_{0.85}Sr_{0.15}MnO_3)$ 공기극이 만나는 삼상계면 (triple phase boundary) 주위에 YSZ ($8mol\%$ yttria stabilized zirconia) 코팅막 (coating film) 을 형성하여 추가로 삼상계면을 크게 늘린 새로운 전극 미세구조를 갖는 복합 공기극 (composite cathode) 을 개발하였다. 이 복합 공기극을 전해질 두께가 약 $30{\mu}m$인 연료극 (anode)v 지지체 위에 형성하여 $700\~800{\circ}C$의 온도에서 전류전압 특성 및 교류 임피던스 분석을 실시하였다. $800^{\circ}$, 공기 및 수소 조건에서 교류 임피던스 분석 결과 1000Hz주파수 영역을 대변하는 저항성분 R1은 연료극 분극 저항에 해당하였고 100Hz주파수 영역의 저항성분 R2는 공기극 분극 저항 성분, 그리고 10Hz이하 영역의 저항성분 R3는 전극을 통한 기체확산 저항성분으로 특히, 작동 조건인 공기 및 수소 분위기에서는 연료극 쪽 반응기체에 의한 기체확산 저항 성분임을 알 수 있었다. 전지성능 측정 결과 이 복합 공기극을 장착한 전지는 $800^{\circ}C$, 공기 및 산소 조건에서 각각 $0.55W/cm^2$ $1W/cm^2$의 높은 전지성능을 나타내었다. 전류전압 곡선은 기울기가 다른 두 구간으로 구분되었으며, 낮은 전류밀도 하에서 보이는 급격한 전압감소 구간은 공기극 분극저항이 주된 성능 저하의 원인인 반면, 높은 전류밀도 하에서 나타나는 완만한 전압 감소 구간은 전해질에 관련된 분극저항이 주된 성능 저하의 원인이었다.