Nanostructure Optimization and Electrochemical Characterization of Nickel Thin Film Anode for Low-temperature Solid Oxide Fuel Cells

Abstract

In this study, a thin film solid oxide fuel cell having the optimized nickel thin film anode for a low-temperature operation was fabricated. Nickel thin film anodes having different anode thickness were deposited on anodic aluminum oxides, nanoporous substrates having various pore sizes, by the sputtering method. Subsequently, a 1㎛-thick, dense yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte and a 150nm-thick porous platinum cathode were also deposited respectively, which completes the whole fuel cells. Ni anodes with three different thicknesses were deposited on the AAOs with four different pore sizes. The anode nanostructures of fuel cells with 12 combinations in total were observed, and each cell's electrochemical analysis was performed. For the nanostructure analysis, the cross-section and surface structure of 12 thin film SOFCs were observed. The cross-section of the fuel cells was analyzed through FIB cross-sectional SEM. In addition to this, FESEM imaging of the Ni thin film anode surfaces enables to identify the characteristics of the anode nanostructure originated from their anode thickness. Those characteristics include the anode porosity; the ratio of pores extended to the anode-electrolyte interface. This study aims to determine the correlation between those parameters and the cells' electrochemical performances. In particular, for three fuel cells fabricated on AAOs having the smallest pore size, the thin film was peeled off when it was exposed to the operating temperature. Their structural causes were explained by the FIB cross-sectional SEM analysis of cells that had undergone the experimental temperature cycle. Nine completed thin film SOFCs were electrochemically analyzed in a 500℃ operating environment. Open circuit voltage (OCV), current density-power density curve(i-V-P curve), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were measured for each cell. By measuring OCV, it was confirmed that the fuel cells reached the normal operating voltage. The maximum power densities were obtained through the i-V-P curves, and the overall performance of the fuel cells could be compared. As a result, the highest performance of 294.1mW/cm2 was measured in the cell, having a combination of AAO 200 and Ni 1200. This was up to 20.5% improvement over other cells. Through the EIS analysis, it was possible to classify and analyze the effects on the performance of different fuel cells. The ohmic resistance from the current collecting mechanism mainly through the thin film anodes and the Faradaic resistance from the catalytic activity of anode nanostructures were variables. The effect of each resistance's sizes on the overall performance was identified. In particular, we investigated the correlation between the nanostructure characteristics such as the thickness of the anode, the porosity, and the degree to which the pores are maintained, and the characteristics of each resistance expressed thereby. In conclusion, the optimum thickness of the thin film anode in accordance with the pore size of the nanoporous substrate, and the tendency of the electrochemical performance at this combination was identified. It was also predicted that for some combinations, it would perform better with larger pore sizes and thicker thin film anodes. Through this study, the possibility of expanding the research to new fuel cell platforms such as metal support, which has a similar nanostructure and a porosity, was raised.

이번 연구에서 저온작동 고체산화물 연료전지를 위한 니켈 박막 연료극이 최적화된 박막 연료전지를 제작하였다. 다양한 기공 크기를 갖는 나노 다공성 기판인 양극 알루미늄 옥사이드 위에 각기 다른 두께를 갖는 니켈 박막 연료극을 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 이어서 1um 두께의 조밀한 YSZ 전해질과 150nm 두께의 다공성 Pt 공기극도 각각 스퍼터링 방법으로 증착하여 연료전지를 완성하였다. 4가지 AAO위에 각기 다른 3가지 두께를 갖는 Ni 연료극을 증착하여 총 12가지 조합에 대한 연료극의 나노 구조를 관찰하였고 전기화학적인 분석이 시행되었다. 나노 구조 분석을 위해서 12가지 박막 연료전지의 단면과 표면 구조를 관찰하였다. FIB cross-sectional SEM 촬영을 통해서 연료전지의 단면을 분석하였고 Ni 연료극 표면 FESEM 촬영을 통해 다공성 같은 연료극 나노구조의 특성을 파악하였다. 연료극 두께와 연료극에서의 다공성, 기공이 전해질까지 이어지는 정도를 파악하고 각 변수들과 전기화학적 성능 사이의 상관관계를 알아내고자 하였다. 특히 3가지 연료전지에 대해서는 박막이 벗겨지는 현상이 발생하여 실험 온도 사이클을 겪은 이후 FIB cross-sectional SEM 분석을 통해 그 원인을 파악하고자 하였다. 완성된 연료전지에 대해서 500C 작동환경에서 전기화학적 성능 분석이 이루어졌다. OCV와 i-V-P 커브, EIS가 각각 측정되었다. OCV를 측정함으로써 연료전지가 정상 작동 전압까지 도달하는지 확인하였고, i-V-P 커브를 통해 각각 최대 전류 밀도를 얻고, 이를 비교함으로써 전체적인 연료전지의 성능을 비교해 볼 수 있었다. 그 결과 AAO200, Ni1200 조합을 갖는 셀에서 가장 높은 291.4mW/cm2의 성능을 측정하였다. 이는 다른 셀과 비교했을 때 최대 20.5% 향상된 수치였다. EIS 분석을 통해서는 각기 다른 연료전지의 성능에 미치는 영향들을 구분하여 분석해 볼 수 있었다. 주로 연료극을 통한 집전 저항으로부터의 옴 저항과 연료극에서의 반응성에 대한 Faradaic 저항이 변수가 되었고, 각각의 크기가 전체 성능에 어떤 영향을 주었는지 분석하였다. 특히 연료극의 두께와, 이에 따른 다공성, 기공이 유지되는 정도 등의 나노 구조적 특징과 이로 인해 발현되는 각 저항의 특성에 대한 상관관계를 파악하였다. 이 연구를 통해 나노 다공성 기판의 기공 크기에 따라 달라지는 박막 연료극의 최적 두께, 그리고 이 때의 전기화학적 성능의 경향성을 파악하였다. 또한 일부 조건들에 대해서는 더 큰 기공 크기, 더 두꺼운 박막 연료극에서 보다 높은 성능을 보일 것이라 예측이 가능하였고, 이를 통해 메탈 서포트 같은 새로운 연료전지 플랫폼으로의 연구 확장에 대한 가능성을 제기하였다.