The present study is related to the performance variation after current flow on the SOFC single cell. During the operation of the SOFC single cell, unusually, the cell voltage improvement in the initial stage have been observed by several researchers. Although there are already many studies related to this phenomenon, it is difficult to explain the entire voltage enhancement with the reported factors. In this situation, the only definite thing is that the cause of this enhancement would be applied to develop the SOFC system. So, through this study, the performance variation after current flow on the SOFC single cell that consist of LSM cathode / YSZ electrolyte / Ni-YSZ cermet anode was observed, the mechanism behind of this phenomenon was investigated, the relation between the identified mechanism and the cell performance was confirmed, and then finally the application of identified mechanism to improve cell performance was suggested.
Through this study, it was confirmed that the cell performance was greatly effected by the material that used for a current collector not anode, electrolyte and cathode. According to the thermodynamic properties of the material used for current collector, it can be oxidized and vaporized as a gas species from the current collector and than deposited and reduced at the TPB where relatively reducible atmosphere was formed. And then the deposited material at TPB can effect on the cell performance according to its catalytic properties to the oxygen reduction reaction. The driving force of this migration was the oxygen partial pressure difference between the region of current collector and the TPB that originated from the current flow. The claimed mechanism was supported by calculation of the thermodynamic equilibrium partial pressure, application of LSCF cathode, and performance variation according to the different Pt deposition at TPB by different operating conditions.
So far, researches for SOFC cathode were limited into the cell manufacturing process and devoted to the material development. There was no concept that improving the cell performance with some installation during the operation. Besides, the materials that cannot be adopted to the cathode because of the oxidative atmosphere also applicable for the oxygen reduction reaction through this mechanism. In these aspects, identified mechanism has a important meaning because it suggest a way to escape the frame of existing researches.
연료전지의 종류 중, SOFC는 특이하게도, 운전초기에 그 성능이 향상되는 현상을 보이곤 한
다. 문헌조사에 따르면 이와 같은 현상이 이미 여러 연구자들에 의하여 관찰 연구되었음을 알
수 있는데, 제시된 기존의 요소들이 성능향상에 어느 정도 기여하는 것은 사실이지만, 본 현상
을 모두 설명하기에 어려움이 있는 것으로 판단된다. 현 시점에서 무엇보다 명확한 것은, 성능
이 향상되는 현상의 원인을 올바로 규명하고 이를 적절히 응용한다면 SOFC 시스템의 성능개선
을 보다 효율적으로 도모할 수 있을 것이라는 점이다. 이러한 점에 착안하여, 본 연구에서는
LSM cathode / YSZ electrolyte / Ni-YSZ anode cermet 구성의 단전지에 초기전류인가 후
향상되는 성능의 변화를 관찰하고, 본 성능향상 기저의 메커니즘을 규명하고, 규명한 메커니즘
과 성능간의 상관관계를 확인한 후, 최종적으로 SOFC의 성능향상에 본 메커니즘을 효율적으
로 응용할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.
본 연구에서, 이와 같은 성능향상은 집전체로 쓰였던 Pt가 단전지의 운전에 따라 집전체부와
LSM/YSZ/air의 삼상계면(three phase boundary, TPB) 사이에서 발생하는 산소분압의 차이로
인하여 TPB영역에 형성되게 되고, 그 촉매 특성에 따라 산소의 환원반응에 관여함으로써 발생
하는 것으로 규명되었다. 주장하는 메커니즘의 타당성은, 열역학적 평형 값의 계산과 LSCF
cathode의 적용, 그리고 운전조건에 따른 Pt 입자의 형성과 그에 따른 단전지의 성능변화 등,
추가적인 실험을 통하여 확인하였다. 본 메커니즘은, Pt를 집전체로 쓰지 않고 air를 공급하는
관내에 위치시키는 매우 간단한 장치만으로도 응용이 가능함을 확인하였다. 또한, Pt 이외에 산
소환원반응에 적용하고자 하는 촉매도 본 메커니즘에 부합하는 열역학적 특성만 지닌다면 동일
한 방법으로 적용가능 할 것으로 판단된다. 이와 같이 본 메커니즘을 응용한 성능개선의 가능성
확인은, 단전지의 제작 과정 내에만 국한되어서 물질개발 위주로 진행되어 왔던, 기존 SOFC
cathode 연구의 틀을 벗어나 운전 간에도 성능을 개선할 수 있다는 점과, 산소의 환원 반응에
있어서 cathode측의 산화분위기 내에서 적용이 어려웠던 물질들 또한 적용이 가능함을 시사한
다.
