Solid oxide fuel cells (SOFCs) are promising next generation energy devices that generate electric power by electrochemical reactions of fuels with high efficiency. Moreover, in addition to hydrogen, SOFCs can directly utilize natural gas that is commercially available at the moment. However, the state-of-the-art SOFC anode, a composite of nickel and yttria-stabilized-zirconia, degrades performance due to severe carbon coking of the Ni surface at hydrocarbon fuel operating conditions. Here, I developed a two-step method of coating a Sm-doped $CeO_2$ (SDC) nanostructure containing nickel nanoparticles on Ni/YSZ electrode surfaces, which remarkably enhances SOFC anode performance and durability. $CeO_2$ is a key material to achieve a coking-resistant and electrochemically active anode under methane-fed conditions due to its high coking resistance and favorable electro-catalytic activity. Furthermore, metal nanoparticles effectively promote chemical reforming and electrochemical oxidation reactions. Highly porous SDC layers uniformly decorated with Ni nanoparticles were synthesized via a simple, scalable, cost-effective coating method known as cathodic electrochemical deposition. The influence of process variables on the physical characteristics were characterized by SEM, TEM, XRD and EDS. It turned out that the Ni-SDC overcoat significantly enhanced chemical and electrochemical methane oxidation at 650℃, which were measured by gas chromatography and electrochemical impedance spectroscopy. These observations suggest the coating method is technically valuable as a solution to suppress the SOFC anode deterioration.
고체산화물연료전지는 높은 구동 온도를 통해 다양한 연료, 특히 탄화수소 계 연료를 직접 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이를 통해 기존 수소 연료가 가지는 생산, 저장 및 운반 기술의 문제를 해결하여 고체산화물연료전지를 근시일 내에 상용화할 수 있다. 그러나 탄화수소 계 연료를 사용할 경우 가장 널리 사용되는 고체산화물연료전지의 연료극인 니켈 지르코니아 연료극을 사용 할 경우 니켈 표면에서 일어나는 심각한 탄소침적으로 인해 성능 저하가 발생한다. 따라서 탄소 침적에 대한 내성을 가지는 고체산화물 연료극을 개발하는 것이 관련 연구에서 매우 중요한 상황이다. 높은 전자, 이온 전도도를 가지는 세륨 산화물 ($CeO_{2.}$,세리아) 코팅은 탄소 침적을 효과적으로 막아 연료극의 안정성을 향상시킬 수 있고, 금속나노입자와 함께 결합되면 매우 향상된 성능을 보일 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 이번 연구에서는 매우 빠르고 경제적인 전기화학도금법을 통해 금속 나노입자를 포함한 다공성의 세리아 구조체를 탄소 침적의 주요 반응점인 니켈 표면에 코팅하는 방법을 연구하였다. 본 연구에서는 구조적 복합성을 배제한 니켈/지르코니아 모델 연료극을 제작 한 후 금속나노입자를 포함한 다공성 세리아 구조체를 코팅하였다. 다양한 변수의 최적화를 통해 작은 금속나노입자가 균일하게 분산된 높은 비표면적을 가지는 다공성의 세리아 구조체 합성에 성공하였다. 이후 임피던스 분석과 가스 분석을 활용하여 코팅층의 화학적, 전기화학적 특성 및 연료극의 내구성과 성능을 확인하였다. 그 결과 높은 비표면적의 전기화학적 촉매 특성이 우수한 니켈 나노입자 – 세리아 표면을 통해 효과적으로 연료극 활성이 증가된 것을 확인하였다. 이는 주입된 연료에 대한 증가된 전기화학적 촉매 특성과 화학적 개질촉매 특성이 복합적으로 작용한 것임을 보였다. 또한, 세리아 코팅을 통해 모델 전극과 도입된 나노입자의 표면에 탄소침적이 효과적으로 억제됨을 90시간의 장시간 안정성 평가를 통해 확인하였다. 이번 연구를 통해 기존의 고체산화물 연료전지의 연료극에 메탄 구동환경에서 매우 향상된 성능과 안정성을 부여할 수 있는 아주 간단한 방법을 제시했다. 특히 해당 방법은 기존 공법에 비해 혁신적으로 가격과 시간을 절약함과 동시에 효과적인 성능향상과 안정성을 부여할 수 있다는 점에서 큰 의미를 가진다.
