Solid oxide fuel cells (SOFCs) are promising next-generation power sources. SOFCs have higher efficiency than other competing energy conversion technologies because they directly convert chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemical reactions. However, the high operating temperature of SOFCs (700~800°C) has limited the development and deployment of this technology because it induces fast degradation and poor reliability. Therefore, lowering the operating temperature is a major issue in SOFC research, and it has been actively studied over the past decade. This study investigated the performance and reliability of nanostructured anode for low-temperature operating SOFCs (LT-SOFCs). The influence of the nanostructured anode on the operation of the SOFC is evaluated through electrochemical analysis. The correlation between microstructure and performance is observed and based on the results, a novel structure of the anode is proposed. Although the amount of Ni catalyst was significantly reduced to improve the reliability, the electrochemical performance was not compromised by nanostructured, and the improved reliability was proved by stress analysis. It is observed that the newly designed anode significantly increased not only the electrochemical performance but also the mechanical stability. This study provides insights to the stability issue that has been obstacles in the commercialization of nanostructured SOFCs. This study is focused on the anode of SOFC, however, it is expected that the methodology can be extended to other components as well.
고체산화물 연료전지(SOFC)는 유망한 차세대 전력원이다. SOFC는 전기화학적 반응을 통해 연료를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 다른 경쟁 발전 기술보다 높은 효율을 보인다. 그러나 SOFC의 700 ~ 800 °C 정도의 높은 작동 온도는 빠른 열화와 낮은 신뢰성을 유발하기 때문에 이 기술의 활용이 제한적이었다. 따라서, 작동 온도를 낮추는 것은 SOFC 연구에서 매우 중요한 문제로서, 최근에 활발히 연구되어왔다. 따라서, 본 연구에서는 저온작동 SOFC(LT-SOFC)에 적용하기 위한 나노구조 연료극의 성능과 신뢰성을 해당 연료극이 적용된 SOFC의 작동 성능 분석을 통해 자세히 확인하였다. 미세구조와 성능 사이의 상관 관계를 파악하고, 그 결과를 토대로 새로운 구조의 연료극을 제안하였다. 신뢰성 향상을 위해 촉매량을 큰 폭으로 줄였지만, 나노구조화를 통해 성능하락을 보완하였고, 응력 분석을 통해 향상된 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 새롭게 설계된 연료극은 성능뿐만 아니라 안정성도 크게 증가하는 것을 밝혔다. 본 연구는 나노구조 SOFC를 상업화하기 앞서 큰 걸림돌이었던 안정성 문제를 해결하는데 중요한 단서를 제공하였고, 해당 결과는 향후 SOFC의 연료극 뿐 아니라 다른 구성 요소로 확장 될 수 있을 것으로 사료된다.
