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DC Field Value Language
dc.contributor.advisor 이호춘 -
dc.contributor.author Kim, Kyeong Joon -
dc.date.accessioned 2020-08-06T06:15:53Z -
dc.date.available 2020-08-06T06:15:53Z -
dc.date.issued 2020 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000322134 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/12158 -
dc.description Solid oxide cells, High temperature catalyst, Composite electrode, Active and stable -
dc.description.abstract Solid oxide cells (SOCs) are powerful electrochemical devices for sufficient and simultaneous produc-tion and storage of eco-friendly energy. The SOCs can operate reversibly in a solid oxide fuel cell (SOFC) mode to generate electricity from chemical fuels, and a solid oxide electrolysis cell (SOEC) mode to convert electrical power into chemical fuels. An SOC is composed of high-density electrolyte, oxygen electrode, and fuel electrode. During operation, the oxygen electrode provides an active site for oxygen reduction or evolu-tion reaction (ORR / OER), while the fuel electrode oxidizes fuel (e.g. H2, CH4 and CO) or produces fuel (e.g., electrolysis of H2O and CO2). Both electrodes must provide a sufficient number of active sites for electrode reactions as well as suitable routes for rapidly transporting species (ions, electrons, and gas molecules, etc.) involved in the continuous electrode reaction. Thus, both electrodes are essential to improve SOC perfor-mance and stability. Currently, nickel/yttria-stabilized zirconia (Ni–YSZ) has been the most widely used fuel electrode material for SOCs due to its high catalytic activity, operational reliability, and acceptable cost. However, the long-term durability of Ni–YSZ is inadequate due to inherent redox instability and severe car-bon deposition during operation. To address this, alternatives to Ni-YSZ electrode materials, including various perovskite oxides, have been developed and investigated, many of which have shown significant catalytic activity and stability. Owing to their superior redox-stability, lanthanum titanium-based perovskite oxides have garnered significant interest as a promising reliable ceramic fuel electrode for SOFCs. Moreover, recent studies demonstrated that A-site deficiency of La-doped SrTiO3 perovskite could effectively and simultane-ously promote conductivity and catalytic activity. Among those, a La0.4Sr0.4TiO3−δ (LST44) material in the LaxSr1−3x/2TiO3−δ series is a promising candidate as a ceramic fuel electrode due to its redox tolerance and phase stability. Therefore, LST44-Ce0.9Gd0.1O1.95 (GDC) composite fuel electrodes were developed, and their electrochemical performance and stability were investigated. (Chapter III) To improve the electrochemical performance, La2NiO4+δ with a Ruddlesden-Popper structure (RP structure, space group I4/mmm or F4/mmm) has been intensively studied for its rapid surface exchange reaction and bulk ion diffusion. In its crystal structure, perovskite (ABO3) and rock salt (AO) layers are alternately stacked along the c-axis. Intersti-tial oxygen is preferentially localized at the pseudo-tetrahedron of La in the rock salt, and has fast ionic con-duction paths through the AO layers, promoting ionic and electronic conductivity. Furthermore, Gd and Mn co-doped layered perovskite fuel electrode materials can be rationally designed in order to promote the elec-trocatalytic activity, mixed conductivity, and high stability. Therefore, we developed novel SrGdNixMn1-xO4±δ (x = 0.2, 0.5, 0.8) materials with a Ruddlesden-Popper structure and used them as SOFC fuel electrodes. (Chapter IV)
Meanwhile, practical applications for SOC systems have been limited due to chemical reactivity of ox-ygen electrode with adjacent SOC components, resulting in poor long-term stability of SOCs. As an alterna-tive, due to their high electrical conductivity and good chemical compatibility with SOFC components, some AB2O4-type spinel materials, which are widely used as protective coating layers on metallic interconnects, have been recently investigated as oxygen electrode materials for IT (intermediate temperature)-SOFCs. Therefore, we developed a novel spinel oxygen electrode material of Cu-doped Mn1.5Co1.5O4. The electro-chemical performance of an SOFC with the MCCO-(Sc2O3)0.1(CeO2)0.01(ZrO2)0.89 (ScSZ) composite oxygen electrode was evaluated to demonstrate the feasibility of using the MCCO materials as ORR catalysts for IT-SOFCs. (Chapter V) Moreover, due to sluggish ORR/OER activities at IT region, the development of oxygen electrodes with high catalytic activity and stability is essential for high performance SOCs. For example, Sr-doped LaMnO3 (LSM), which is commonly used for SOC oxygen electrode, lacks ionic conductivity and pos-sesses a highly thermal-activated nature for oxygen reduction/evolution reaction. To overcome this limita-tion, conventional oxygen ion-conducting phase, such as Gd-doped CeO2 (GDC) and Y2O3-stabilized ZrO2 (YSZ), have been combined with LSM, resulting in reduced resistance of SOC electrode. Owing to their excep-tionally high ionic conductivity, Bi2O3-based oxide ion conductors are promising materials for replacing con-ventional oxide ion conductors such as YSZ and GDC. Particularly, Dy and Y co-doped Bi2O3 (DYSB) with low total dopant concentration (12 mol%) required for cubic phase stabilization showed extremely high con-ductivity at IT region. In this study, the electrochemical properties of LSM combined with DYSB (LSM-DYSB) were investigated in SOFC, SOEC, and reversible SOC operating conditions to explore its advantage as oxygen electrode. Finally, we succeeded in achieving great performance and stability in SOC. (Chapter VI) This systematic study suggests a method for rational design of advanced alternative electrodes for applica-tion in SOC.
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dc.description.statementofresponsibility N -
dc.description.tableofcontents Ⅰ. Introduction
1.1 Motivation 1
1.2 Objectives and Overview 2

ⅠI. Background
2.1 Solid Oxide Cells (SOCs) 6
2.1.1 Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) 6
2.1.2 Solid Oxide Electrolysis Cells (SOECs) 7
2.2 Oxide ion conductors for SOCs 8
2.2.1 ZrO2-based oxide ion conductors 9
2.2.2 CeO2-based oxide ion conductors 10
2.2.3 Bi2O3-based oxide ion conductors 11
2.2.3 LaGaO3-based oxide ion conductors 11
2.3 Fuel electrodes for SOCs 12
2.3.1 LST-based electrodes 13
2.3.1.1 A-site deficient LST materials 14
2.3.2 Ruddlesden popper (RP) phase-based fuel electrodes 15
2.4 Oxygen electrodes for SOCs 16
2.4.1 Perovskite-based oxygen Electrodes 17
2.4.2 Spinel-based oxygen Electrodes 18

ⅠII. Redox tolerant and highly stable LST-based fuel electrode
3.1 Introduction 30
3.2 Experimental procedure 31
3.2.1 Material preparation 31
3.2.2 SOC fabrication 32
3.2.3 Characterization 32
3.3 Result and discussion 33
3.3.1 Phase analysis 33
3.3.2 Electrochemical performance 35
3.4 Conclusion 38

ⅠV. High performance SGNM fuel electrode induced by Ni nanoparticle exsolution
4.1 Introduction 44
4.2 Experimental procedure 45
4.2.1 Material preparation 45
4.2.2 SOC fabrication 46
4.2.3 Characterization 46
4.3 Result and discussion 48
4.3.1 Phase analysis 48
4.3.2 XPS analysis 50
4.3.3 H2-TPR analysis 53
4.3.4 Electrochemical performance 54
4.4 Conclusion 59

V. Novel spinel-based oxygen electrode
5.1 Introduction 77
5.2 Experimental procedure 79
5.2.1 Material preparation 79
5.2.2 SOC fabrication 79
5.2.3 Characterization 80
5.3 Result and discussion 80
5.3.1 Phase analysis 81
5.3.2 Electrochemical performance 82
5.4 Conclusion 83

VI. Highly active and stable Bi-oxide based oxygen electrode
6.1 Introduction 91
6.2 Experimental procedure 93
6.2.1 Material preparation 93
6.2.2 Symmetrical cell fabrication 93
6.2.3 SOC fabrication 94
6.2.4 Characterization 94
6.3 Result and discussion 95
6.3.1 Powder characterization 95
6.3.2 Electrochemical performance 96
6.4 Conclusion 98
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dc.format.extent 143 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.title Development of Advanced Electrodes for High Temperature Solid-state Energy Conversion Devices -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.200000322134 -
dc.description.alternativeAbstract 다양한 분야에서 에너지 소비의 급격한 증가는 지속 가능한 성장에 끊임없는 도전을 제기했습니다. 또한, 화석 가스의 광범위하고 계속적인 연소는 다량의 오염 가스를 방출하여 지구 온난화와 심각한 환경 오염을 유발하고 있습니다. 이를 개선하면서 미래의 에너지 니즈를 충족하기 위해 고효율의 재생 가능하고 환경 친화적인 에너지원이 광범위하게 연구되었습니다. 궁극적으로, 이러한 간헐적인 재생 가능 에너지원이 전체 에너지 수요의 상당 부분을 충족 시키려면 저렴한 대규모 에너지 변환 및 저장 기반 기술이 필요합니다. 기존의 미래 에너지 기술은 제한된 자원이나 지리적 위치에 의존하기에 확장하는데 막대한 비용이 소요됩니다. 한편, 고체 산화물 전지 (SOC)는 높은 효율을 가지고 있으며, 높은 구동 온도로 인해 수소를 포함하여, 메탄, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 탄화수소연료를 사용 할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 이러한 SOC는 필요에 따라 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 또는 고체 산화물 전해 전지 (SOEC)로 써 작동 할 수 있습니다. SOFC는 높은 에너지 효율, 전력 밀도 및 연료 유연성으로 화학 에너지를 전기 에너지로 에너지 손실이 거의 없이 변환 할 수 있습니다. 또한, SOEC는 H2O 및 CO2의 전기 분해를 통해 화학 에너지 (H2, CO, 기타 재생 가능 연료) 형태로 전기 에너지를 저장할 수 있으며 에너지 변환 효율, 높은 생산 속도, 빠른 전력 사이클, 수송 비용 및 낮은 제조 단가와 같은 SOC의 장점을 유지할 수 있습니다. 이러한 수많은 장점과 밝은 전망에도 불구하고 SOC 시스템의 대규모 애플리케이션은 높은 작동 온도에 의해 심각하게 제한 되고 있습니다. 예를 들면, 고온 작동 시 SOC 구성 요소 간에 불필요한 반응이 발생하여 내구성이 떨어지고 사용 비용이 높아집니다. 이러한 문제를 극복하기 위해서는 고온에서도 보다 효율적이고 내구성을 겸비한 경제적인 SOC 시스템이 개발 되어야 합니다. 특히, 전극의 성질상 열 적으로 활성화되기 때문에, 산소 전극의 산소 발생 / 환원 반응(OER/ORR)의 메커니즘을 촉진시키고 연료 전극의 분극 저항을 감소시킴으로써 전지 성능이 개선되어야 합니다. 결과적으로, SOC 구성 요소를 위한 새로운 물질은 전극에서 높은 전기 촉매 활성을 가능하게 하고 작동 조건 하에서 다른 SOC 구성 요소와의 우수한 호환성을 갖도록 설계되어야 합니다. 본 연구에서는, 기존 전극들의 한계를 극복하고, 더 나아가 SOFC 및 SOEC 구동 모드에서 안정적이며 우수한 성능을 보여주는 SOC용 대체 전극(연료 전극, 산소 전극) 들을 제시하여 그에 대한 물질 연구 및 개발을 목적으로 합니다. 연료 전극의 경우, 2 가지 종류의 페로브스카이트계 재료가 이 논문에 제시되었습니다. 먼저 연료 전극에 대한 A-사이트가 결핍된 페로브스카이트 La0.4Sr0.4TiO3-δ(LST44)는 탁월한 안정성과 산화 환원 내성을 보여줍니다. 예를 들어, 계내 산화 환원 사이클과 결합 된 정전류 장기 안정성 테스트 동안, LST44-GDC 복합 연료 전극을 사용하는 SOC의 최대 출력 밀도는 초기 대비 장기 안정성 테스트 이후 ~ 53% 증가하여 800 °C에서 350 시간 동안 높은 성능을 유지 하였습니다. 성능을 더욱 높이기 위해서 층상 페로브스카이트인 SrGdNi0.2Mn0.8O4+δ(SGNM28)을 개발하여 연료극으로써 SOC 성능 평가 결과 현재까지 Ruddlesden-Popper 기반 연료 전극을 사용하는 모든 SOC 중에서 성능이 가장 우수했습니다. 또한, 연속적인 산화 환원 분위기에서 전극을 노출하여 10 사이클 동안의 면적 비 저항(ASR)의 동향을 관찰 한 결과, 사이클 당 ASR (~0.021 Ω·cm2)의 소량의 변화를 보여 환원 조건에서 현저한 환원-산화 안정성을 나타내었습니다. 한편, 대체 산소 전극을 위해, 새로운 스피넬계 및 비스무스 이온전도체 기반의 전극이 제시되었습니다. Cu가 도핑 된 MCO 스피넬(MCCO) 기반 복합 산소 전극을 사용한 연료극지지형 SOC는 800 및 750°C에서 각각 1.92 및 1.74W cm-2의 우수한 최대 출력 밀도를 달성했으며, 이는 스피넬 기반 공기 전극을 포함하는 모든 SOC 중에서 최고의 성능을 나타내었습니다. 또한, 300 시간 동안의 장기 내구성 시험 결과 전압은 750 °C에서 관찰 가능한 열화 현상 없이 잘 유지되었으며, 이는 중온 범위에서 MCCO 기반 산소 전극의 높은 안정성을 보여주었습니다.
추가로, 이온전도체는 복합 전극을 위한 중요한 요소입니다. 따라서 이온 전도성이 우수한 전도체를 개발하기 위해 이중 도핑 전략을 사용하여 Dy0.08Y0.04Bi0.88O1.5(DYSB) 초이온전도체가 개발되었으며 통상적으로 사용되는 YSZ 이온전도체보다 ~ 110 배 높은 전도성을 얻었습니다. 또한 Sr-doped LaMnO3(LSM)-DYSB의 복합 공기 전극을 기반으로 한 SOC는 700 oC에서 연료 전지 모드에서 2.23 W cm-2의 높은 성능과 전기 분해 모드의 1.3 V에서 1.32 A cm-2의 우수한 성능 및 안정성을 보여주었습니다. 결과적으로, 이 논문은 차세대 SOC를 위한 새로 개발 된 뛰어난 성능과 탁월한 안정성을 갖춘 고온 촉매가 합리적인 설계 및 재료 선택에 대한 새로운 통찰력을 제공한다는 것을 성공적으로 입증했습니다.
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dc.description.degree Doctor -
dc.contributor.department Department of Energy Science and Engineering -
dc.contributor.coadvisor Lee, Kang Ta다 -
dc.date.awarded 2020/08 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.citation XT.ED김14D 202008 -
dc.date.accepted 7/23/20 -
dc.contributor.alternativeDepartment 에너지공학전공 -
dc.embargo.liftdate 8/31/25 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Kyeong Joon -
dc.contributor.affiliatedAuthor Lee, Hochun -
dc.contributor.affiliatedAuthor Lee, Kang Ta다 -
dc.contributor.alternativeName 김경준 -
dc.contributor.alternativeName Lee, Hochun -
dc.contributor.alternativeName 이강택 -
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Department of Energy Science and Engineering Theses Ph.D.

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