Electrochemical Optimization of Zirconium based Protonic Conducting Electrolyte for intermediate Temperature Fuel Cell

Abstract

본 연구에서는 연료전지의 전해질을 이종전해질로 제조함과 동시에 저온에서 작동하는 고체산화물 연료전지용 전해질로 사용 할 수 있는가에 대한 가능성을 연구하고있다. 고체산화물 연료전지는 구조적으로 연료극, 전해질, 공기극으로 구성이 되는데, 공기극의 산소가 산소 이온으로 변환을 하면서 전해질을 통해 확산 이동을 한다. 전해질은 두가지 종류로 나뉘게 되는데, 기존 연구에 주로 사용되는 산소 이온이 확산 이동하는 전해질은 산소 이온 전도성이 높을수록 유리하며 공기 가스 또는 연료 가스가 투과되지 않도록 높은 소결밀도를 확보하는 것이 중요하다. 산소 이온 전해질로 널리 쓰이는 물질은YSZ (Yttria Stabilized Zirconia)로, YSZ는 높은 산소 이온 전도성을 가진 물질로서 SOFC의 전해질로 안정적으로 사용되기에 적합한 특성을 가지고 있지만, 1000℃ 이상의 고온에서 작동해야 하는 문제점이 있다. 다른 한 종류는 수소 이온 전도체 물질로 만든 전해질인데, 수소 이온 전도체 세라믹 중 전도도가 가장 높은 BZY(Barium Yttrium Zirconia) 를 사용하는데 상대적으로 낮은 온도에서 높은 수소이온 전도성을 갖고 있지만 갖을 수 있지만 다공성 구조에 밀도가 높은 전해질을 얻기가 힘든 문제점이 있다.

본 연구에서 말하는 이종전해질이란, 산소 이온 전도체인 (Y2O3)8 (ZrO2)92와 수소 이온 전도체인 BaZr0.8Y0.2O3 를 각각 25:75, 50:50, 75:25,100:0, 0:100의 비율로 혼합 하여 BZY의 다공성 부분을 YSZ 입자로 치밀도를 높힌 전해질을 말한다. 혼합한 파우더를 600°C, 1000°C, 1400 °C 에서 소결을 한 후 밀도가 높아짐을 SEM 으로 확인을 할 수 있었고, 밀도가 높아짐에 따라 BZY, YSZ만으로 이루어진 전해질 대비 이종 전해질 중 BZY 25: YSZ 75가 뛰어난 전도도를 보인 것을 확인 할 수 있었다. 전도도의 양극은 Ag paste을 균일하게 도포한 symmetric cell의 형태로 기존 공기극 연료극에 수소 연료를 주입하지 않은 공기 중의 상태와 고체산화물 연료전지의 실험 조건과 흡사한 50sccm의 수소를 연료극에 주입하는 조건에서 측정되었다. 첫번째 조건은 500°C의 측정온도에서만 BZY25의 전도도가 BZY 보다 낮고, 550°C에서 650°C 에서는 BZY 25의 샘플의 전도도가 가장 높게 측정되었다. 50sccm의 수소 환경에서는 YSZ의 전도도와 흡사한 값으로 BZY25의 전도도가 높게 측정되었다.

본 연구는 bulk 한 구조에서 진행된 것으로 박막에서 요구하는 전도도와는 차이가 있으나, 세리아계 물질을 섞으며 박막에 적용하는 추후 연구를 진행한다면 전기화학적 성능으로도 의미있는 결과가 나올 것으로 사료된다.

There are two types of electrolyte

protonic conductor electrolyte and ion conductor electrolyte. The BaZr0.8Y0.2O3− (BZY) powder, a protonic conductor candidate electrolyte for intermediate temperature (500–700 °C) solid oxide fuel cells (IT-SOFCs), was mixed with (Y2O3)8 (ZrO2)92 (YSZ) powder, oxygen ion conductor candidate, by ball milling technique then be a BZY-YSZ mixed pellet by different weight ratio. The ratio of BZY to YSZ was 25:75, 50:50,and 75:25 and 100:0 and 0:100 were made for reference of raw data. The powders were sintered escalated temperature at 600,1000, for 5 hours and 1400 °C for 10 hours. The sintered pellets were shrunk. The phase composition of the resulting specimens was investigated using X-ray diffraction (XRD) analysis. Microstructural characterization was performed using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). To analyze the grain, Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used to distinguish the grains. Fuel cell polarization curves on symmetric Ag/BZY-YSZ/Ag cells of different weight ratio pellets were measured at 500–650 °C.