Performance of nickel hydrogen electrode of Solid Oxide Electrolysis Cell(SOEC) with different operating condition(steam/hydrogen ratio) is investigated. The objective of this work is to identify the change of hydrogen electrode performance with different operating conditions and to find the reason of change initially and 20 hours. In the region of 5/5$\sim$9/1 steam/hydrogen ratio, performance is increased with higher steam contents. However, when 10/0 steam/hydrogen ratio, performance is decreased rapidly. In the SOEC reaction, high steam contents can make positive effect because steam is a reactant of steam dissociation reaction. Electrochemically, higher concentration of reactant makes more active reaction. However, in extremely high steam contents (10/0), decreased performance is measured and it can be caused by nickel oxidation. It is thermodynamically calculated that hydrogen contents above 1% can prevent nickel oxidation. Further sharp decrease in performance with 20 hours in steam hydrogen ratio 10/0 is observed. This fact can be considered as redox problem. By SEM image analysis, severe microstructure damage is found only at the case of 20 hours operation with no hydrogen condition (10/0) and current loading. The reason of performance decrease with time can be supposed that microstructure damage affects performance due to redox reaction. Normal SOEC operation in oxidation condition at hydrogen electrode can cause redox reaction repeatedly. Redox reaction on hydrogen electrode induces +71%/-42% (oxidation/reduction) of volumetric change at hydrogen electrode. It can lead hydrogen electrode microstructure to develop micro-crack. But, In case of platinum hydrogen electrode, Redox problem is not exhibited. From this fact, it is found that noble metal (platinum) electrode can be used as SOEC hydrogen electrode even at pure steam condition of SOEC operation. Therefore, SOEC with no hydrogen added system can be operable at stable mode and system concept is suggested.
본 연구에서는 고온 전기 분해조의 운전 조건에 따른 성능 변화에 대한 연구가 수행되었다. 고온 전기 분해조에서 수소극 운전 조건은 수증기와 수소의 혼합물로 이루어져 있으며 산화 분위기를 막기 위하여 수소가 첨가 된다. 따라서 적정 운전 조건을 도출 하기 위하여 수증기와 수소의 비율을 달리 하면서 수소극에 어떠한 성능 변화가 일어나는지 한 시점 및 시간에 따른 성능 변화를 관찰 하였다. 수소가 첨가 되지 않은 조건에 대하여 한 시점 및 시간에 따른 성능 모두 성능의 감소를 나타내었으며 이는 산화 분위기 형성으로 인한 Ni/YSZ 촉매의 반응성 저하 때문으로 추측된다. 수증기는 반응물로 작용하기 때문에 낮은 분압을 형성할 경우 낮은 성능을 야기 시킬 수 있으나 너무 높은 경우에도 수소극의 산화 문제를 발생 시킬 수 있다. 시간에 따른 성능 관점에서는 전기분해를 하기 위해 인가되는 전기 에너지가 산화분위기의 Ni을 반복적으로 산화 환원 시킬 수 있다. Ni의 반복적인 산화 환원은 40~70%의 심각한 부피 팽창 및 수축을 야기 시키므로 구조적인 결함을 발생시키고 전극의 급격한 성능 감소를 유도하는 것으로 판단된다. 따라서 본 현상을 막기 위해 귀금속 계열 촉매인 백금 촉매를 통한 실험이 수행 되었으며 산화 환원 반응으로 인한 구조적 손상이 관찰 되지 않았다. 이를 통하여 수소가 첨가 되지 않은 수증기 환경에 대한 타당한 고온 전기 분해조 시스템 제안이 수반되었으며 수식을 통하여 검증 하였다.
