기준 전극을 이용한 용융탄산염 연료전지의 분극 특성 해석

Analysis of Electrode Polarization in MCFC by a Reference Electrode

용융탄산염 연료전지의 장기 운전시 각 전극별 분극의 변화를 Au, $CO_2/O_2$ 기준전극이 부착된 단위전지를 이용하여 성공적으로 해석하였다. 서로 다른 구성요소로 조합된 네 가지 단위 전지를 운전하며 각 전극의 분극을 해석한 결과, 이미 알려진 바와 같이 공기극의 분극 크기가 연료극의 경우보다 큰 것을 실험적으로 측정할 수 있었다. 고온 부식 방지를 위해 cell frame의 wet seal부분에 Al코팅을 한 전지는 6,000시간까지 성능을 유지하여 부식이 전지 성능 저하에 큰 역할을 하고 있음을 알 수 있었다. 한편, $LiCoO_2$가 코팅된 안정화 공기극은 일반적으로 사용되는 NiO 공기극보다 lithiation에 필요한 시간이 길어 운전 초기에 공기극 분극이 크고 성능이 낮았으나 지속적인 운전으로 공기극이 충분히 lithiation되면서 공기극의 분극이 작아지고 성능도 점차 증가하였다. $Li_2CO_3/Na_2CO_3$ 전해질을 사용한 전지는 운전 중 성능이 하락과 상승을 반복하는 진동현상을 보였는데 이는 연료극보다는 공기극의 영향으로 해석되었다. 대부분의 단위전지들이 급격한 성능 하락을 보였을 경우의 공기극 분극은 급격히 증가하였으며 이로써 용융탄산염 연료전지의 수명 향상을 위해서는 공기극의 개선이 필수적이라는 것을 알 수 있었다.

A long-term variation of electrode polarization in the MCFC has been analyzed successfully using a single cell with a Au, $CO_2/O_2$ reference electrode Four different cells with different components were operated and their electrode polarizations were analyzed. As published in the literatures, the cathode polarization was larger than that of the anode. The more stable operation of a single cell with the Al-coated cell frame up to 6,000hrs indicates that the corrosion at the cell frame, particularly wet seal area, plays an important role to determine the lifetime of a MCFC. At the initial stage of the cell operation, the voltage of the cell using a cathode stabilized by the $LiCoO_2$ coating was relatively low due to the high cathode polarization. As the cell was operated and the stabilized cathode was lithiated sufficiently, the cathode polarization decreased and the cell voltage was recovered. It was observed that the voltage of the cell using the $Li_2CO_3/Na_2CO_3$ electrolyte fluctuated with operation time and the cathode polarization fluctuated along with the cell voltage quite similarly. Although the mechanisms of the voltage fluctuation were not clear yet, the results imply that the voltage fluctuation was related with a reaction in the cathode side. After testing every single cell, the cathode polarization increased with the steep decrease in the cell voltage. Thus, the cathode should be improved in order to develop more durable MCFC.