인천대학교 Eated 중간 발표

1. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
세라믹 후막 공정 기반 저온작동형
고체산화물 연료전지 개발
EATED 연구성과 중간 발표
Energy Materials Laboratory
Department of Materials Science and Engineering
김도현, 이기윤, 박다영
Incheon national university

2. International Issue Global warming
Use of
Fossil Fuels
Emission of
Greenhouse
Gases
Global
Warming

3. 연료의 산화에 의해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는
친환경적인 에너지이다.
수소, 천연가스 등의 연료와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜
전기를 얻는 기술
Fuel Cell Future Clean Energy
Chemical energy
(Fuel supply)
Electric energy
연료전지 (Fuel Cell)
Definition
Electrochemical
activity

4. Soild Oxide Fuel Cell 연구 배경
General Efficiency Trends
Advantages
∙ Clean
∙ High efficiency
∙ Fuel flexibility
High
Potential
Limitation – High operation temperature
Degradation
Poor Long Term Stability
0 ~ 1000oC
Slow Start up Time
Hard to Apply Transportation
High BoP Cost
Sealing, Interconnects
Time Consuming

5. SOFC 연구배경 - 저온작동 시, 발생하는 성능저하
기체의 활성도 감소
활성화 에너지 증가
Electrode Activity 감소
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-Im
Z
(Ω
cm²)
Re Z (Ω cm²)
750o
C
600o
C
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
-Im
Z
(Ω
cm²)
Re Z (Ω cm²)
750o
C
600o
C
* 750oC : 0.09Ω cm²
600oC : 1.89Ω cm²
Fig. LSCF-GDC50 Half Cell Test
저온 작동 시,
성능 저하
전해질 저항 증가
𝜎 = A ∙ exp(−
Ea
k𝑻
)
R =
l
σ
𝑙 = Thickness, σ = Conductivity

6. SOFC 해결법
셀 구조 변경
전해질 지지형 금속 지지형
음극 지지형
Anode
support
Metal
support
구성요소 미세구조 최적화
Anode Cathode
Electrolyte
O2
-
O2-
O2-
High HOR
Activity
Porosity
Thin and
Dense
High Ion
conductivity
High ORR
Activity
Porosity
 구성요소 미세구조 제어
를 통한 더 많은 반응 면
적(TPB) 확보
• 소결온도 제어를 통한 전극, 서
포트 기공률(40%~50%) 최적화
• 조성제어를 통한 전극 촉매능 향
상
 셀 구조 변경을 통한
얇고 치밀한 전해질 확보
• Support 별 Tape Casting, Dip
coating 공정을 통해 얇고 치밀
한 전해질 막 구성
• 구성요소 간 TEC 차이로 인한
Delamination, 전해질 Pin-hole
현상 제어를 위한 최적의 소결조
건 정립
극복 전략

7. Characteristics based on SOFC’s structure
Electrolyte-supported Anode-supported Metal-supported

8. 전해질 저항
R =
𝐥
𝛔
𝒍 = Thickness, 𝝈 = Conductivity
전해질 지지형 SOFC,
저온작동에 적합하지 않은 구조
SOFC Electrolyte supported SOFC (전해질지지체형 SOFC)
Electrolyte
Cathode
Anode
𝒍
Easy to Crack!
전해질 이온전도도
𝝈 = 𝑨 ∙ 𝒆xp(−
𝑬𝒂
𝒌𝑻
)
• Reducing Operating Temperature,
Temp ↓, 𝝈 ↓ 전해질 저항 ↑
• To compensate Performance,
𝒍 ↓ (~10um) 기계적 강도 ↓

9. TPBs(삼상계면) 확대, 우수한 전기촉매적 성능
SOFC Anode-supported SOFCs (연료극 지지체형 SOFC)
Ni
YSZ
• Advantages (화학적 안정)
: Ni = electronic conductivity, catalytic activity
+
YSZ = structural frame
열팽창 호환성 개선, Ni의 결정립 조대화 방지, YSZ를 통한 전극의 이온전도도 형성
< Fig. Ni-YSZ cermet for anode>

10. SOFC Anode-supported SOFCs (연료극 지지체형 SOFC)
▪ Tape-casting, Lamination, Co-firing ; TLC process
< 그림. 평가용 연료극 지지형 SOFC 단위전지의 제작 순서도>
Sintering at 1400°C
for 3h (3°C/min)
Tape-casting
Lamination
▪ Fabrication method
a) b) c)
<그림. (a) 전극 및 전해질 최종 라미네이션 이후 성형체 , (b) 1400oC 3h 소결 이후 ,
(c) 소결체의 평탄도제어 >

11. SOFC Anode-supported SOFCs (연료극 지지체형 SOFC)
▪ Optimizing microstructure of Ni-YSZ anode ; 기공형성제 첨가량 조절을 통한 연료극 미세구조 제어
< 그림. Ni-YSZ 연료극의 기공형성제 첨가량 제어를 통한 미세구조 제어 >
< 그림. 기공형성제의 비율 및 온도에 따른 (a) 환원 전, (B) 환원 후 기공률 분포>
27.797%
Ni-YSZ
CB 7 wt%
32.815%
Ni-YSZ
CB 11 wt%
2µm
X 20000 2µm
X 20000 2µm
X 20000
40.058%
Ni-YSZ
CB 15 wt%

12. SOFC Anode-supported SOFCs (연료극 지지체형 SOFC)
< 그림. illustration of anode-supported unit cells >
Anode support
▪ Microstructure of Ni-YSZ anode-supported SOFC
20um
X 2000
8.17um
200um
X 300
362.66 um
Ni-YSZ
anode-support
YSZ electrolyte
20um
X 3000
20.25um
LSM:YSZ
cathode
a) c)
b)
< 그림. SEM images of Ni-YSZ anode-supported SOFC’s thickness >

13. SOFC Anode-supported SOFCs (연료극 지지체형 SOFC)
▪ 압력조절 및 절단 방법을 통한 단위전지 평탄도 제어
Pa 0 Pa 205 Pa 420
Cutting
method
Punch Punch Punch
After
sintering
image
Pa 0 Pa 205 Pa 420
Cutting
method
Scissors Scissors Scissors
After
sintering
image
Pa 0 Pa 205 Pa 420
Cutting
method
Laser cutting Laser cutting Laser cutting
After
sintering
image
▪ Punch
▪ Scissors
▪ Laser cutting
▪ 단위전지 평탄도 제어 ; Pa 630, laser cutting
a) b) c)
<그림. (a) 전극 및 전해질 최종 라미네이션 이후 성형체 , (b) 1450oC 6h 소결 이후 단위전지,
(c) 소결체의 평탄도제어 >

14. %
SOFC Anode-supported SOFCs (연료극 지지체형 SOFC)
▪ 단위전지의 출력밀도 및 임피던스 측정 표본
<그림. YSZ 전해질의 두께 별 단위전지의 출력밀도 및 임피던스 측정 표본>
<표. YSZ 전해질 두께에 따른 단위전지의 출력밀도 및 임피던스 측정 data>
<그림. 얇은 전해질 층의 불균질한 수축 등으로 형성된 내부 결함>
▪ Nernst equation

15. %
ASC Research plan
▪ CuO (소결소재) 첨가를 통한 YSZ전해질 sinterability 향상
<그림. SEM images of the surface of the YSZ electrolyte containing different amounts
of CuO sintering aid at various firing temperatures>
<그림. Cell performance (a) and ASR data (b) For the NiYSZ/YSZ/LSM-YSZ unit cell (cell
2) co-fired at temperatures ranging from 1300 to 1400 C.>

16. %
Anode support
AFL
< Fig. illustration of anode-supported unit cells with Ni-YSZ AFL>
ASC Research plan
< Fig. Cross-sectional morphology of samples: (a) Anode-3 after reduction and
(b) Cell-3 after electroch>
Electrolyte
Catalytic Electrode
Particles
Gas pores
TPB’s
▪ Triple Phase Boundary
(TPB, 삼상계면)
: 기공을 통한 연료의 주입
: 산소이온 이동
: 촉매의 전자 전도 향상
< Fig. (a) total volume of the Ni-YSZ sample, (b)active and inactive TPBs>

17. %
ASC 기대효과 ; 대면적화
< Fig. illustration of anode-supported unit cells with Ni-YSZ AFL>

18. SOFC 금속지지체(MS-SOFC)
√Good mechanical stability
√ Excellent robustness
√ High electrical and thermal conductivity
√ Easy processing and low-cost
√ Rapid thermal cycling and start-up time
√ Low operating temperature
Why should Metal supported-SOFC be used?
Figure.2: SEM cross-sectional view of Ni-Fe metal
supported cell, co-fired at 1350℃ for 5h.
Figure.1: Schematic diagram of metal supported SOFC
Ni-YSZ AFL
ScSZ electrolyte
LSM-ScSZ cathode
Ni-Fe alloy metal support
18.09㎛
16.67㎛
20.00㎛
151.90㎛
Ni-Fe alloy metal support

19. SOFC Analysis of Ni-Fe alloy support
Figure.3: X-ray diffraction (XRD) patterns of heat treatment NiO-Fe2O3 powder(900℃, 5h)
sintering temperature
1350C 1400C
Sample
Metal
suppport
AFL electrolyte
Metal
suppport
AFL electrolyte
NiO:Fe2O3
(90:10 wt%)
NiO:Fe2O3
(80:20 wt%)
NiO:Fe2O3
(70:30 wt%)
NiO:Fe2O3
(60:40 wt%)
NiO:Fe2O3
(50:50 wt%)
Table.1: Sintering metal support, support/AFL and support/AFL/electrolyte at 1350℃ and 1400℃ for 5h.
NiO:Fe2O3(90:10wt%)
NiO:Fe2O3(80:20wt%)
NiO:Fe2O3(70:30wt%)
NiO:Fe2O3(60:40wt%)
NiO:Fe2O3(50:50wt%)
20 30 40 50 60 70 80
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
Fe2O3
NiFe2O4
NiO
2Ѳ

20. 5um
SOFC Analysis of Ni-Fe alloy support
Figure.4: Cross-sectional microstructure of the as-sintered porous Ni-Fe metal support : (a), (b), (c), (d) and (e) sintered at 1350℃; (f), (i), (j), (k) and (l) sintered at 1400℃.
(a)NF10 (b)NF20 (c)NF30
(j)NF30
(d)NF40
(k)NF40
(e)NF50
(l)NF50
(f)NF10 (i)NF20
Sintering temperature
1350C 1400C 1350C 1400C
Sample Shrinkage Porosity
as-sintered as-reduced as-sintered as-reduced as-sintered as-reduced as-sintered as-reduced
NiO:Fe2O3
(90:10 wt%)
25.9% 33.5%(7.6%)
NiO:Fe2O3
(80:20 wt%)
26.4% 33.9%(7.5%) 42.5%
NiO:Fe2O3
(70:30 wt%)
27% 29.3%(2.3%) 23.8% 31%(7.2%) 52.5% 48.8%
NiO:Fe2O3
(60:40 wt%)
27.1% 30.9(3.8%) 36.5% 36.8%
NiO:Fe2O3
(50:50 wt%)
27.6%
37.9%(10.3
%)
24.8% 31.5%(6.7%) 30.7%
sinterability↑
Table.2: Linear shrinkage and porosity of as-sintered and as-reduced Ni-Fe metal support.
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um

21. SOFC Performance of Ni-Fe metal supported SOFC
Overcoming points
Lower resistance
Raise Power density
Expected effects
Low operating temperature
High electrical conductivity
High thermal stability
High mechanical strength
0 1 2 3 4 5 6
0
1
2
3
4
5
6
900
800
700
600
-Im(Z)/Ohm
Re(Z)/Ohm
Figure.5: Electrochemical performance of NiFe | Ni-YSZ | ScSZ | LSM-ScSZ single cell at 600-900oC. (a) and (c) I-V-P
curves and (b) and (d) impedance spectra showed in 3% H2O/H2.
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
900
800
700
600
Voltage(V)
Current density(mA/cm2
)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
Power
density(W/cm
2
)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
0
1
2
3
4
5 900
800
700
600
-Im(Z)/Ohm
Re(Z)/Ohm
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
1.05
0.8
0.45
0.15
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 33003600
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
900
800
700
600
Voltage(V)
Currnet density(mA/cm2
)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
Power
density(W/cm
2
)
1.2
0.98
0.45
0.14
NF40 NF40
NF50 NF50
(a) (b)
(c) (d)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
[Reference]
Sample Substrate Cell configuration Temperature(℃) MPD(Wcm-2) Ohmic resistance(Ωcm2) Polarization resistance(Ωcm2)
NF40 60:40 Ni-Fe Ni-Fe | Ni-YSZ | ScSZ | LSM-ScSZ 800 0.8 0.2 0.4
NF50 50:50 Ni-Fe Ni-Fe | Ni-YSZ | ScSZ | LSM-ScSZ 800 0.9 0.15 0.29
Reference 50:50 Ni-Fe Ni-Fe | Ni-YSZ | YSZ | GDC | GDC-LSCF 800 1.3 0.1 0.4
Table : Comparison of the performance of Ni-FE metal supported SOFC

22. 감사합니다
에너지소재연구실