Metal-supported solid oxide fuel cells have been considered as a solution to overcome sealing and strength problems of conventional ceramic-supported solid oxide fuel cells. A metal-supported solid oxide fuel cell with a particular structure compared with the other metal-supported cells was fabricated and characterized by analyzing material properties, electrochemical properties and numerical simulation results in this study:
(1) The oxidation-resistant layer was coated by a sputtering method to reduce the oxidation rate of the metal support and increase the electrical conductivity of the oxide layer. LSCr-coated STS430 can reduce the electrical resistance to 1/3 level, compared with the uncoated STS430. Long-term durability test results at 700℃ for 1000 hours indicate that the LSCr thin layer performs an important role to prohibit serious degradations.
(2) Cathode properties on YSZ electrolyte was optimized materially and geometrically with respect to the area specific resistance, thermal expansion coefficient and chemical reactivity as a function of temperature and oxygen partial pressure. LSM/YSZ double layer cathode on YSZ and LSCM-8246 cathode on CGO-layered YSZ were the best combination having sufficiently low impedance to apply them to intermediate temperature-operating solid oxide fuel cells. Area specific resistance of LSCM-8246 cathode was measured as $0.14 \Omega cm^2$ at 700℃. Oxygen reduction reaction mechanism on LSCM-8246 was investigated because the reaction order is an important factor when predicting fuel cell performances for various operating conditions. The reaction order of LSCM-8246 on CGO-layered YSZ was found to be 3/8.
(3) A metal-supported solid oxide fuel cell was newly designed in order to reduce fabrication step by using the commercial stainless steel plate, STS430, as a supporting body of fuel cell. Thin ceramic layer composed of NiO/YSZ and YSZ was joined with the metal support by using a cermet adhesive. LSCM-8246 perovskite oxide was used as the cathode material. Single cell performance was increased and saturated at operating time to several hundred hours at 800℃ because of the cathode sintering effect. The sintering effect was reinvestigated by half cell test. Maximum power density of the cell was $0.8 W/cm^2$ at 800℃, that is approaching the commercial use. Numerical analysis was carried out to classify main factors influencing the single cell performances. The simulated I-V curves based on the experimental parameters such as the exchange current density were in good agreement the experimental curves.
(4) The oxygen reduction reaction phenomena were theoretically analyzed for several practical cases, such as the oxygen transport in a composite material and the electrochemical resistance of a porous cathode. It was proved by and large that the effective area of the composite cathode strongly affects the ionic conduction property. The effective area for the ionic conductivity can be estimated by considering the nature of the oxygen reduction reaction. The electrochemical resistance was modeled by the useful kinetic parameters, such as the oxygen surface exchange coefficient ($k$), oxygen self diffusion coefficient ($D_o$), and oxygen gas phase diffusion coefficient ($D_g$). The results calculated by the model were compared with the measured data for the poor ionic conducting cathodes, composite cathodes, and MIEC cathodes, corresponding with each other fairly well.
신적층구조의 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 금속지지체와 세라믹요소 간의 소결접합공정을 이용하여 개발하였다. 공정비용의 절감효과를 위해 상용 스테인리스스틸(STS430)을 금속지지체로 사용하였다. YSZ 전해질과 NiO/YSZ 연료극으로 이루어진 세라믹층을 서멧 접합제를 이용하여 금속지지체에 임시적으로 붙였으며, 이를 1400℃의 환원 분위기에서 소결함으로써 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 얻을 수 있었다. 온도, 산소분압, 집전의 영향을 살펴보았다. 단전지의 최대작동전압은 700, 800, 900℃ 에서 각각 0.03, 0.09, 0.18 W/㎠ 로서 열적활성특성을 보여주었다. 산소분압을 높임으로써 단전지 성능을 향상시킬 수 있었으며, 이는 공기극의 산소환원반응이 좋아졌기 때문이다. 실험 및 전산해석을 통해 이러한 산소환원반응이 단전지 성능을 지배하는 주요 변수로 판명되었다. 시간이 흐름에 따라 공기극 소결효과를 관찰할 수 있었으며, 이는 공기극 저온소결의 중요성을 확인시켜 주었다. 연료극에 Ni 페이스트를 공기극에 Pt 페이스트를 발라 집전특성을 향상시킴으로써 단전지 성능을 향상시킬 수 있었다. 이러한 집전방법을 통해 800℃에서 0.8 W/㎠의 높은 최대전력밀도를 얻을 수 있었으며, 상용화에 한층 가까워진 수치이다. 금속지지체형 고체산화물 연료전지를 보다 효과적으로 개발하기 위해 다음 단락들과 같이 몇 가지 주제에 대해 연구를 수행하였다.
스퍼터링 방법을 이용하여 STS430 위에 박막 (~0.5㎛) 을 코팅하여 고온에서 전기적 특성을 향상시켰다. LSCr이 코팅된 STS430이 가장 낮은 면적비저항을 나타내었으며, 코팅하지 않은 STS430과 비교해 볼 때 1/3 정도의 저항감소효과를 볼 수 있었다. 또한 700℃에서 1000시간이 넘는 장기운전실험을 통해 그 안정성을 확인하였다. LSCr이 코팅된 STS430의 경우, 장기운전실험 후 0.2Ω㎠의 비저항을 갖는 것에 반해, 코팅하지 않은 STS430의 경우, 0.5Ω㎠의 비저항을 나타내었다.
YSZ 전해질 기반의 금속지지체형 고체산화물 연료전지에 적용하기에 충분할 정도로 LSCM 공기극은 YSZ 전해질에 대해 우수한 특성을 보여주었다. 그 중 LSCM-8246 공기극이 가장 우수하였으며, 이는 산소환원특성, 열팽창특성, YSZ와의 화학적 반응성이 서로 최적화되었기 때문이다. CGO 중간층을 가진 YSZ 전해질에 대해 LSCM-8246은 700℃ 에서 0.14Ω㎠의 가장 낮은 면적비저항을 보여주었다. 반전지 및 단전지 실험을 통해 반응상수 해석을 수행하여 흡착된 산소의 이온화가 다공성의 LSCM-846 공기극의 율속임을 밝혔다. 공기극의 소결효과가 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 가장 두드러진 특성이었으며, 이는 공기극이 단전지 측정 중에 내부소결될 수 밖에 없기 때문이다.
산소표면교환반응과 산소확산에서 계산된 유효면적을 고려하여 이온전도체와 전자전도체로 이루어진 혼합공기극의 이온전도도를 모델링하였다. 모델에 의한 계산값과 다른 문헌에서 보여주는 실험값과의 차이는 크기정도 0.5 이내로서 받아들여질 만한 결과를 보여주었다. LSM/YSZ의 이중층 혼합공기극의 면적비저항 측정치와 예상치를 비교하였으며, 이 또한 잘 맞는 것을 볼 수 있었다.
산소표면교환반응 및 여러 산소확산과 같은 유용한 반응관련 파라미터를 이용하여 다공성 공기극의 전기화학저항을 모델링하였다. 이 모델은 공기극 두께 및 입자크기와 같은 기하요소를 포함하고 있다. 면적비저항의 측정치와 예상치를 비교한 결과 상당히 잘 맞는 것으로 검증되었다. 공기극이 이온전도도가 좋지 않은 이온전도체일 경우, 삼상계면을 통한 면적비저항이 전체 면적비저항을 지배하였다. 반면, 공기극이 혼합이온전자전도체일 경우, 공기극 표면을 통한 면적비저항이 전체 면적비저항을 지배하였다. 흥미롭게도 혼합공기극일 경우에는 삼상계면을 통한 면적비저항과 공기극 표면을 통한 면적비저항이 모두 중요하게 작용하였다. 공기극의 입자크기 및 두께 변화에 대해 면적비저항이 어떤 영향을 받는지 모델계산을 통해 살펴보았다. 혼합공기극 및 혼합이온전자전도체 공기극의 면적비저항은 산소가스확산의 영향을 크게 받지 않는 것으로 보이며, 이는 산소환원반응사이트의 특성과 상보관계를 가지기 때문이다. 반대로, 이온전도도가 좋지 않은 공기극은 산소가스확산의 영향을 크게 받는 것으로 판단되며, 이는 산소환원반응을 위한 면적이 한정되어 있기 때문이다.
