$La_{0.8}Sr_{0.2}Ga_{0.8}Mg_{0.2}O_{3-\delta}$ (LSGM8282) perovskites show superior ionic conductivity and chemical stability, and are regarded as promising candidates for the electrolyte of intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs). Efficiency of fuel cell using LSGM is related to the electrical conductivity of the electrolyte, since the minor charge carriers in the electrolyte, i.e., free electrons and electron holes, could result to a short circuit current. The studies of the conductivity of LSGM with a low concentration of transition metal ($\lt 8.5 mol%$) are still limited. Ishihara et al. investigated the electronic conductivity in cobalt doped LSGM with the ion blocking method. Electronic conductivities at various temperatures in $La_{0.8}Sr_{0.2}Ga_{0.8}Mg_{0.15}Co_{0.05}O_{3-\delta}$ (LSGMC5) and electronic conductivities at in LSGM8282 doped with various amount of cobalt were reported. It was considered that minor free electron and hole conductivity caused by the redox reactions. The properties of the single cell have a strong effect on the polarization resistance of the electrode supported on the electrolyte beside the dominant effect on the ohmic resistance of the cell. The single cells with transition metal doped lanthanum gallate electrolyte exhibited a low ohmic resistance and electrode polarization resistance. It was assumed that the properties of the charge carriers in the electrolyte could play a major role in determining the cell performance
In chapter III, we discuss the phase stability and conductivity of Fe-doped LSGM with a “Sr-rich” composition (25 mol%), or $La_{0.75}Sr_{0.25}Ga_{0.8}Mg_{0.2 -x}Fe_xO_{3-\delta}$ (x = 0-0.08) and report the results of optimized composition for a promising electrolyte composition. It is of significance to systematically investigate the crystal structure, because the investigation brings the useful information to examine the oxide ion conduction mechanism. Thus we crystallographic analysis Fe-doped LSGM with a “Sr-rich” composition (25 mol %), or $La_{0.75}Sr_{0.25}Ga_{0.8}Mg_{0.2-x}Fe_xO_{3-\delta}$ (x = 0-0.08) and report the results of optimized composition for a promising electrolyte composition. The effects of Fe doping on phase stability and electrical conductivity were investigated for the 25 mol% Sr and 20 mol% Mg-doped lanthanum gallates (LSGM-2520). While secondary phases, in addition to perovskite phase, were formed for an undoped LSGM-2520 in accordance with previous reports, a single phase perovskite phase was obtained by addition of a small amount ($\sim 4 mol%$) of Fe to LSGM-2520. The conductivity of 4 mol% Fe-doped LSGM-2520 was as high as 0.17 S cm-1 at $800 \degC$ and it was confirmed to be ionic based on its dependency on oxygen partial pressures. Crystallographic analysis using neutron diffraction and electron diffraction determined the crystal structure and lattice parameters for 4 mol% Fe-doped LSGM-2520.
In chapter IV, a single cell with NiO-SDC as anode substrate, a thin $La_{9.67}(Si_{0.75}Al_{0.25}O_4)_6O_{2-d}$ (LSAO)-LSGM bilayer as electrolyte, and $Sm_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3$ (SSC) as cathode, was fabricated and tested. The dense anode substrate was used for fabrication of the thin LSGM film by pulsed laser deposition (PLD) and it convert to the porous one by $H_2$ reduction after the film deposition. In order to prevent the reaction between substrate and electrolyte, LSAO thin film was introduced between LSGM and NiO-SDC substrate.
최근 환경과 에너지 문제가 주된 관심사가 됨에 따라 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지에 대한 관심도 커지고 있다. 연료전지는 친환경적이고 반영구적인 장점이 있다. 연료전지중 산화물을 이용하는 고체전해질 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)는 고온에서 작동시킬 수 있어 약 60%에 달하는 높은 변환 효율을 보여주고 있으며, 액체전해질을 사용하였을 때 생기는 전해질의 부식등에 대한 문제가 적어 차세대 연료전지로 기대되고 있다. 또한 높은 작동온도로 인해 외부개질 장치없이도 탄화수소 계열의 연료를 직접적으로 사용할 수 있다. 그러나 고체전해질 연료전지는 일반적으로 $600\degC$ 이상의 고온에서 이온 전도성이 나타나기 때문에 동작온도 또한 $600\degC$ 이상이 된다. 작동온도가 높다는 점은 연료저지 스택을 제작하고, 유지하는데 많은 어려움이 있다는 단점이 있지만 반응속도를 빠르게 하고 열효율이 좋아진다는 장점도 가지고 있다. 따라서 이러한 작동온도를 낮추는 것은 스택의 장기성능을 향상시키고 가격을 낮추는 지름길이라 할 수 있겠다. 중저온형 영역에서 연료전지가 신뢰성을 가지고 작동하기 위해서는 무엇보다도 중저온에서 고체전해질의 이온전도성이 확보되어야 한다. 이에 고체산화물 연료전지의 여러 구성요소중 본 연구에서는 중저온형 전해질로 각광받고 있는 LSGMF전해질의 이온전도성과 상안정성에 대하여 연구하였다.
Chapter III-1에서는 고상법으로 LSGM system 에 Fe를 치환하여 전기전도도를 높이는 연구를 하였다. 고용 한계는 Fe 8mol%이며, Fe가 치환됨에 따라 전체적인 전기전도도가 증가하는 경향성을 보였다. 하지만 8mol% 치환된 LSGMF251208경우는 낮은 산소분압에서 전자전도도의 특성을 보임으로써 SOFC의 고체전해질로써 부적합하며 Fe가 4mol% 치환된 LSGMF251604의 경우 순수한 이온 전도성을 보임으로써 최적의 조성을 선택할 수 있었다.
Chapter III-2에서는 LSGM의 고용한계는 Sr 20%, Mg20%로 알려져 있다. 이에 본 연구에서 시도한 조성은 기존에 보고되지 않은 Sr-rich영역에서의 상안정성을 조사하였다. 실제로 LSGM의 경우 sr과 mg의 치환량에 따라 cubic, orthorhombic, rhombohedral등 여러가지 결정구조를 가지는 바, sr-rich영역에서의 결정구조를 확립할 필요성이 있다. 이에 원자핵과 반응하는 중성자 회절과 고분해능 XRD를 이용하여 data를 수집후 rietveld refine을 통하여 구조분석결과 Sr-rich영역에서의 LSGMF251604는 cubic구조를 가짐을 확인할 수 있었고 TEM사진과 비교하였을 때 타당하다는 결과를 얻을 수 있었다.
Chapter IV-1에서는 LSGMF전해질을 실제 cell 형성시 고온의 제조온도에 의해 La가 anode 층으로 확산함을 확인하고 이는 전체적인 cell특성에 퇴화를 일으킴을 확인할 수 있었다. 이에 본 연구에서는 이러한 확산을 막기위하여 ISO-La activity 를 가지며 우수한 산소이온 전도도를 가지는 LSAO를 확산방지막으로 적용하였다. 최고 출력은 $500\degC$에서 약 130mW를 보여 주었으며 La확산을 방지하여 단일상의 cell 구조를 유지할 수 있었다. 또한 OCV 역시 $\sim 1.1V $를 유지함으로써 LSAO가 LSGMF 전해질에 어울리는 확산방지막이라는 것을 확인 할 수 있었다.
Chapter IV-2에서는 PLD 증착법을 통하여 LSAO와 LSGMF를 박막화 시켰다. 약 $2 \sim 5um$ 정도로 형성시켰으며 상 형성온도는 대략 1573K 정도였다. 최대 출력은 두께에 따라 $800\degC$ 에서 약 1W 이상의 높은 출력을 얻을 수 있었다. 하지만 확산방지막으로 쓰인 LSAO의 층이 1um이하로 형성될 경우 전해질과 방지막표면에 hole이 생겨 가스투과도가 높아져 OCV감소를 초래한다. 따라서 최적의 두께는 2um이상으로 형성함이 유리하다.
