Solid oxide fuel cells (SOFCs) have great promise as an alternative energy conversion device for transportation and stationary applications due to their superior efficiencies. As of now, a key challenge hindering their development is sluggish rates of electrochemical reactions taking place at both electrodes. To facilitate fast reactions in such solid-state devices, electrode materials need to have fast transport properties for both ionic and electronic species as well as favorable electro-catalysis at the electrochemically active sites. Therefore, it is critical to develop a technique for measuring ionic and electronic conductivities, and electrochemical activity with high precision and great simplicity for discovering promising electrode materials.
Traditionally several methods have been utilized for monitoring the conductivity and surface electro-catalytic activity of mixed ionic and electronic conductors (MIECs) - one of the most promising classes of electrode materials. Most of these methods, however, are quite time-consuming and complicated in terms of measurement configurations. Recently, a numerical model has been developed for understanding the AC impedance response of a MIEC, when it is placed between metal electrodes, enabling a single measurement to attain the three key material properties (ionic conductivity, electronic conductivity and site-specific electro-catalytic activity) simultaneously. In this work, we apply this impedance model for a mixed conducting cathode candidate - Bi1.5Y0.5O3-δ. The analytic impedance model, in combination with simple, metal-patterned cell geometries, demonstrates the possibility of identifying the electrochemical reaction pathways and facilitating measurement of the site-specific electro-catalytic activities.
In conclusion, the feasibility of utilizing the impedance analysis to extract the three key material properties has successfully been confirmed. Exceptionally high electro-catalytic activity of Bi1.5Y0.5O3-δ toward oxygen reduction reactions has also been found. The observations give guidance for discovering a promising SOFC cathode materials and optimizing electrode architectures.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells)는 화학연료를 전기에너지로 변환하는 효율이 매우 좋다는 장점을 가지고 있기 때문에 여러 에너지 장치 분야에 적용되어 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그러나 매우 고온에서 작동하기 때문에 열화현상을 방지하기 위한 소재 선택이 매우 제한적이고, 두 전극에서 일어나는 전기화학 반응 속도가 느려서 출력과 변환 효율을 유지하는데 어려움이 있다. 그렇기 때문에 저온에서 높은 전도성과 빠른 전기화학 반응 속도를 가지는 전극을 개발하는 것이 중요하다. 이를 위한 물질 특성의 신속하고 간편한 측정 방법을 개발하는 것 또한 중요한 요소이다. 전극의 특성 파악을 위한 기존의 분석 방법들은 굉장히 오랜 시간이 걸리고, 측정 구성요소가 복잡하여 간편하고 쉬운 측정을 진행하기가 어렵다. 이를 보완하고자 물리적인 의미가 잘 분석 되어지는 임피던스 모델과 계면의 특성을 정량적으로 분석하는 모델시스템을 적용한 측정방법을 사용하여 한 번의 측정만으로도 이온전도도 전자전도도, 표면 전기화학 특성을 동시에 분석하는 분석 방법에 대해서 연구하고자 한다.
이러한 새로운 분석 방법을 혼합 전도성을 가진 도핑된 비스무스에 적용하여 분석 방법의 타당성 검증 및 전극 물질로서 중요한 3가지 특성( 이온전도도, 전자전도도, 전기화학적 촉매 활성)들에 대한 분석을 진행하였다.
일부 제한적인 부분이 존재하지만, 결론적으로 전극 물질의 특성 값을 정량 분석함으로써, 새로운 분석기법에 대한 유효성 검증이 이루어졌고, 기존에 전극 특성에 관하여 잘 알려져 있지 않은 도핑된 비스무스 산화물을 이용한 측정용 셀을 만들어 촉매적 반응 계면을 정의하고 이를 통하여 반응 지점에 따른 촉매적 특성을 분석함으로써 도핑된 비스무스 산화물계 물질이 산소의 산화 환원 반응에 대해서 금속의 굉장히 우수한 촉매적 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 모델 시스템을 적용한 임피던스 분석 방법을 통하여 우수한 촉매적 특성을 가진 고체산화물 연료전지 환원전극 물질의 탐색 및 성능향상을 위한 전극구조 최적화에 새로운 연구 방향을 제시 할 수 있을 것이다.
