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dc.contributor.advisor 홍승태 -
dc.contributor.author Kim, Doyeub -
dc.date.accessioned 2020-08-06T06:16:05Z -
dc.date.available 2020-08-06T06:16:05Z -
dc.date.issued 2020 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000333033 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/12162 -
dc.description solid oxide fuel cell applications, perovskite structure, oxygen electrodes, performance degradation, oxygen transport kinetics, nano-engineering -
dc.description.abstract In recent years, the hydrogen has played a unique role in the essential transition from fossil fuels to a renewable energy because of its high gravimetric energy density, and environment-friendly nature. One of the most promising clean energy conversion devices for hydrogen utilization is solid oxide fuel cells (SOFCs), which can directly convert chemical fuel (e.g., hydrogen) to electrical energy with high efficiency and fuel flexibility (if the reactions of SOFCs are operated in reverse, hydrogen can be produced from electricity in electrolysis mode as a storage device, solid oxide electrolysis cells (SOECs)). Such a high operating tempera-ture (> 800 °C) of SOFCs is a key barrier to its wide commercialization because of slow startup, and perfor-mance degradation with mechanical and chemical stabilities. However, at reduced temperatures, the sluggish oxygen reduction reactions (ORRs) of the oxygen electrode critically afftect the cell performance. This remains the greatest obstacle for the development of high-performance and durable SOFCs. Therefore, numerous studies have focused on the development of a highly active and durable oxygen electrode for SOFC applications in the intermediated temperature (IT) regime.
Perovskite-based mixed ionic and electronic conductors (MIECs) such as La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-𝛿 (LSCF6428) and La0.8Sr0.2MnO3-𝛿 (LSM) are the state-of-art materials for oxygen electrode. In general, LSCF6428 shows a relatively high conductivity and good electrochemical performance at reduced operating temperature, but suffers from chemical instability over the long-term operation. On the other hand, LSM elec-trodes exhibit good chemical compatibility with conventional electrolyte materials such as yttria-stabilized zirconium (YSZ), gadolinium-doped cerium oxides (GDC), and bismuth-oxides. However, at reduced temperatures, LSM displays a significant drop in performance for ORR activities due to its poor ionic conductivity. Therefore, more work needs to be studied to understand degradation behavior and to enhance the performance and durability of oxygen electrodes for SOFC applications in the IT regime.
The formation of Sr segregation at the surface of LSCF6428 is detrimental to the electrochemical performance and durability. However, a quantitative correlation between the degradation of the oxygen surface exchange kinetics and formation of Sr precipitation at the LSCF6428 surface is not yet clearly understood. Herein, the in-situ monitored surface exchange coefficient (kchem) was found to significantly drop by 86% over the 800 h. The estimated coverage of Sr segregation on the LSCF surface was observed to be 15% even after 800 h of aging time, a significant deviation from the kchem degradation rate (∼86%). To further investigate surface chemistry, the clean surface area, which is believed to be electrochemically active, was further analyzed on the nanoscale. The quantified results showed that the Sr elemental fraction of the A-site at the outermost surface of the LSCF6428 samples decreased from 4.0 at 0 h to 0.27 at 800 h of annealing. Interestingly, the time-dependent relationship between kchem degradation and surface Sr fractional changes were highly analogous. Thus, our results suggest that the Sr deficiency on the clean surface region has a greater impact on the degradation process than the electrochemical activity passivation by SrOx precipitation, which has been shown to be a major degradation mechanism of LSCF6428 performance.
To improve the stability and performance of La1-xSrxCo1-yFeyO3-𝛿 (LSCF) electrodes, we investigated a new composition of La0.2Sr0.8Co0.8Fe0.2O3-𝛿 (LSCF2882) material as a novel oxygen electrode for reversible solid oxide cells (SOCs) in the IT regime. Unlike the widely used LSCF6428 with a rhombohedrally distort-ed perovskite structure, LSCF2882 possesses a simple cubic perovskite structure with a symmetric BO6 octahedron network. This suggests the possible existence of additional interstitial oxygen transport pathways. The kchem and Dchem values of LSCF2882 as determined by electrical conductivity relaxation (ECR) method were consistently higher by > 2 and 20 times, respectively, compared to those of LSCF6428 at 700 °C, respectively. This result is further supported by a 43% reduction in oxygen vacancy formation energy of LSCF2882 using density functional theory (DFT) calculations. The reversible SOCs with LSCF2882 oxygen electrodes significantly outperforemd in both fuel cell (2.55 W/cm2) and electrolysis modes (2.09 A/cm2 at 1.3 V) at 800 °C, with excellent reversible-cyclic stability. Our findings strongly suggest that the LSCF2882 is a promising candidate as a bifunctional oxygen electrode for high performance reversible SOCs at intermediate temperatures.
For the composite oxygen electrodes, the utilization of stabilized-bismuth oxides as the ionic conducting phase is to improve the performance of LSM-based oxygen electrodes at reduced operating temperatures. An approach of using the composite materials to enhace the ORR activity and durability of LSM-ESB, instead of single-phase LSCF as an oxygen electrode, was further investigated using a surface decorated with nano-oxides. The decorated nano-cobalt oxides were able to decrease the polarization resistance by 50% (0.09 Ω-cm2 at 650 °C) compared to bare LSM-ESB (0.19 Ω-cm2 at 650 °C), but had a poor stability for 200 h of operation at 650 °C with particle agglomerations (0.09 Ω-cm2 at 0 h vs. 1.27 Ω-cm2 at 200 h). In contrast, the surface decorated lanthanum-cobalt oxides of LSM-ESB (La-Co/LSM-ESB) increased ORR activity by 40% (0.12 Ω-cm2 at 650 °C) and superior stability for 700 h at 650 °C. The La-Co/LSM-ESB cell consistently yielded high performance (1.65 W/cm2 at 650 °C) without any marked degradation during 100 h of operation at 650 °C.
To further improve the performance of the oxygen electrode for SOFC applications at reduced temperatures, the nano-tailoring of the oxygen electrode is designed consisting of LSM and the Hf-doped ESB (HESB) which has superior ionic conductivity (0.14 S/cm at 600 °C) with high stability for 1200 operation at 600 °C. The LSM-HESB mixture exhibited high stability for 200 h at 600 °C without observable degradation under typical SOFC operation conditions. Furthermore, HESB@LSM manufactured nano-LSM infiltrated into porous scaffolds of HESB was fabricated. The HESB@LSM oxygen electrode showed a significantly 70% reduction in polarization resistances (0.02 Ω-cm2 for HESB@LSM vs. 0.07 Ω-cm2, for LSM-HESB, respectively at 700 °C). The HESB@LSM cell yielded 2.78 W/cm2 of maximum power density (MPD). This electrochemical performance is superior to any SOFC cell configurations using YSZ-electrolyte to date. Our results demonstrate that the nano-engineered HESB@LSM material is a promising material with high-performance and durable oxygen electrocatalyst for SOFC applications at intermediate temperatures.
In this dissertation, the basic properties, degradation mechanism, and nano-engineering of the oxygen electrode are investigated to assist in the development of high-performance SOFCs at reduced operating temperatures and to provide new insights into designing oxygen electrodes for SOFC applications.
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dc.description.statementofresponsibility N -
dc.description.tableofcontents I. Introduction
1.1 Motivation 1
1.2 Objective 2
II. Background
2.1 Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) 5
2.1.1 Operating principles 5
2.1.2 Voltages losses 7
2.1.3 Current state-of-the-art materials 8
2.1.3.1 Fluorite electrolyte materials 8
2.1.3.1.1 Zirconium (Zr)-based oxides 8
2.1.3.1.2 Cerium (Ce)-based oxides 9
2.1.3.1.3 Bismuth (Bi)-based Oxides 9
2.1.3.2 Perovskite oxygen electrode materials 10
2.1.3.2.1 La1-xSrxCo1-yFeyO3-𝛿 (LSCF) 10
2.1.3.2.2 La1-xSrxMnO3-𝛿 (LSM) 11
2.2 The features of oxygen electrodes 12
2.3 Degradation of oxygen electrodes 14
2.3.1 Formation of secondary phases 14
2.3.2 Strontium (Sr) segregation 14
2.3.3 Microstructural change 15
2.4 Nano-structural engineering 15
2.4.1 Nano-scaled structure by infiltration 15
2.5 SOFC applications 16
2.5.1 Solid oxide electrolysis cells (SOECs) 16
III. Correlation of Time-Dependent Oxygen Surface Exchange Kinetics with Surface Chemistry of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-𝛿 Catalysts
3.1 Introduction 28
3.2 Experimental 30
3.2.1 Sample preparation 30
3.2.2 Electrochemical measurement 31
3.2.3 Surface chemistry characterization 32
3.3 Results and Discussion 33
3.3.1 Time-dependent oxygen transport kinetics 33
3.3.2 Surface-chemical composition analysis 33
3.3.3 Quantification of Sr segregation at the surface 34
3.3.4 Comparison between oxygen surface exchange kinetics
and Sr-precipitate coverage 35
3.3.5 Localized chemical composition analysis at the clean surface 36
3.3.6 Comparison between the clean surface chemistry
and oxygen surface exchange kinetics 38
3.4. Conclusions 40
IV. A Highly Active Bifunctional Perovskite La0.2Sr0.8Co0.8Fe0.2O3-𝛿 Catalysts as an Ox-ygen Electrodes for Reversible Solid Oxide Cells
4.1 Introduction 54
4.2 Experimental 56
4.2.1 Sample preparation 56
4.2.2 Cell fabrication 57
4.2.3 Characterization 58
4.2.3.1 Structural analysis 58
4.2.3.2 Bond valence sum maps 59
4.2.3.3 Computational details 59
4.2.3.4 Electrochemical measurement 60
4.3 Results and Discussion 61
4.3.1 Crystallographic analysis 61
4.3.2 High-temperature XRD analysis with 3D BVS calculation 62
4.3.3 Oxygen transport kinetics 63
4.3.4 First-principles study of oxygen vacancy formation 64
4.3.5 Oxygen reduction reaction 65
4.3.6 Cell performances 67
4.4 Conclusions 71
V. Enhancement of Catalytic Activity of LSM-ESB Oxygen Electrode via Surface Deco-rated Nano-dual Oxides for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells
5.1 Introduction 101
5.2 Experimental 102
5.2.1 Materials synthesis 102
5.2.2 Characterization 104
5.3 Results and Discussion 104
5.3.1 Phase analysis 104
5.3.2 Microstructure analysis of oxygen electrodes 105
5.3.3 Oxygen reduction reactions 106
5.3.4 Microstructure analysis after long-term test 108
5.3.5 Electrochemical performances 108
5.4 Conclusions 109
VI. Nano-tailoring of LSM-HESB Oxygen Elector for High-Performance Solid Oxide Fuel Cells at Intermediate Temperature
6.1 Introduction 118
6.2 Experimental 119
6.2.1 Sample preparations 119
6.2.2 Characterization 121
6.3 Results and Discussion 121
6.3.1 Oxygen ion transfer characteristics of HESB 121
6.3.2 Features of LSM-HESB mixture oxygen electrode 122
6.3.3 Dependence of microstructure on different LSM concentration of
HESB@LSM oxygen electrode 123
6.3.4 Dependence of ASRs on different LSM concentration of
HESB@LSM oxygen electrode 123
6.3.5 Oxygen reduction redactions of HESB@LSM oxygen electrode 124
6.3.6 Microstructure of HESB@LSM single cell 124
6.3.7 Electrochemical performance of HESB@LSM single Cell 125
6.4 Conclusions 125
VII. Summary 134
VIII. References 136
Summary (in Korea)
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dc.format.extent 165 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.title Fundamental Understanding and Nano-Engineering of Oxygen Electrodes for Solid Oxide Fuel Cells Applications -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.200000333033 -
dc.description.alternativeAbstract 수소는 높은 에너지 밀도와 환경 친화적 특성으로 탄화수소계 연료에 의한 환경 및 대기오염을 획기적으로 줄일 수 있어 에너지원으로 각광받고 있다. 고체산화물 연료전지 (solid oxide fuel cells, SOFCs)는 이러한 수소 에너지원을 매개로서, 전기 화학 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 가장 유망한 청정 에너지 변환 장치로 알려져 있으며, 높은 에너지 효율과, 다양한 연료 선택성의 큰 장점을 가지고 있다. 하지만, SOFC의 높은 작동 온도는 긴 초기 작동 시간과 기계적 및 화학적 안정성에 의한 성능 및 내구성 저하 문제를 일으키기 때문에, SOFC의 작동 온도를 낮추는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 또한, 작동 온도를 낮출 경우 재료 선택성의 폭이 넓어지고 저렴한 비용으로 구성 요소 및 부품을 사용할 수있어 경제적인 측면에서 높은 이점을 가질 수 있다. 그러나, 구동 온도가 낮아지게 되면, 특히, 산소 전극의 열 활성화 특성이 감소하여, 산소 환원 반응이 급격하게 줄어들고 이에 따라, SOFC의 전기화학적 성능이 크게 감소하게 된다. 따라서, SOFC의 시장성 증대와 고성능 SOFC를 개발하기 위해, 고성능/고내구성 산소 전극 개발이 중요하다. 이 논문에서는, SOFC 응용을 위한 La1-xSrxCo1-yFeyO3-𝛿 (LSCF) 및 La0.8Sr0.2MnO3-𝛿 (LSM) 산소 전극의 기본적인 이해와 열화 거동에 대한 메커니즘을 연구하였으며, 조성 조절과 나노 구조 제어 전략을 통해 중저온 구동 온도에서 높은 성능과 내구성을 가지는 산소 전극을 개발하였다.
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-𝛿 (LSCF6428) 산소 전극은 낮은 구동 온도에서 상대적으로 높은 전도성을 나타내지만, 장기 구동 시 화학적 불안정성에 의해 안정성 문제가 발생한다. 표면에서 형성되는 스트론튬 (Sr) 편석으로 산소 전극의 성능이 감소되는 현상은 널리 연구 되었으나, 시간에 따른 열화 거동 메커니즘의 상관 관계는 아직 불분명하다. 따라서, 본 연구에서는, LSCF6428 산소 전극의 시간에 따른 산소 동역학 계수 (표면 교환 계수 (kchem), 확산 계수 (Dchem)) 변화와 표면 화학의 정량적 분석으로, 두 열화 인자에 대한 상관 관계를 실시간 전기전도도 감쇄법과 나노 스케일 표면 분석을 결합하여, 산소 전달 특성과 화학적 조성 변화 연구를 실시하였다. 800시간 동안 kchem 은 86% 만큼 급격하게 감소하는 반면, Sr 편석은 오직 15% 만큼 표면에서 형성되었다. 이는 kchem 감소율과 상당한 편차를 나타냈으며, 추가적으로 Sr 편석이 형성되지 않은 표면의 조성 분석을 진행하였고, 구동 시간이 길수록 표면에서의 더 큰 Sr 결핍 현상을 관찰하였다. 따라서, LSCF6428 산소 전극의 주요 열화 메커니즘으로 알려져있던 SrOx 석출물에 의한 성능 감소보다는, 표면에서의 Sr 결핍에 의한 열화 거동이 더 지배적으로 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다.
LSCF6428 산소 전극의 성능을 향상시키기 위해, 조성 조절 전략을 이용하여 새로운 조성의 La1-xSrxCo1-yFeyO3-𝛿 (LSCF) 계열의 LSCF2882 산소 전극을 새롭게 개발하였다. LSCF2882 물질을 X선 회절과 리트벨트 미세조정 (reitvelt refinement) 분석을 통해, 기존 LSCF6428과는 다른 대칭형 BO6 8면체를 가지는 입방형 페로브스카이트 구조를 관찰하였으며, 3차원 BVS 모델 (3D bond valence sum, 3D BVS)을 이용하여, 격자내에서의 추가적인 산소이온 전달 경로 (interstitial pathway)를 발견하였다. LSCF2882 전극의 산소 동역학 계수, kchem 및 Dchem 은 LSCF6428에 비해 700도에서 약 2배, 20배 가량 높은 값을 가지며, 이는 밀도 범함수이론 (density func-tional theory, DFT)으로 계산된 LSCF2882의 43% 가량 낮은 산소 빈자리 형성 에너지에 의해서 추가로 뒷받침 되었다. LSCF2882 산소 전극의 분극 저항은 기존 LSCF6428 전극 대비, 75% 만큼 낮은 저항을 나타내었으며, 이를 산소 전극으로서 적용한 가역 고체산화물전지 (reversible solid oxide cells)는 800도에서 2.55 W/cm2 (연료전지 모드), 2.09 A/cm2 (수전해전지 모드, 1.3 V)의 우수한 성능과 가역 안정성을 나타냈다.
La0.8Sr0.2MnO3-𝛿 (LSM) 산소 전극은 높은 화학적 안정성을 가지지만, 이온전도성이 거의 없는 전자전도체이기 때문에 낮은 구동 온도에서 성능이 급격하게 감소되는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해, 본 연구에서는 안정화 비스무트 산화물 (erbium-stabilized bismuth oxide (ESB), Hf-dopoed ESB (HESB)) 을 이온 전도체로서 LSM과의 복합화 (composite) 전략을 도입하였다. LSM-ESB 복합 전극 표면의 ORR 반응을 가속화시키기 위해, 나노 형태의 다양한 산화물을 촉매 함침법 (infiltration)이 적용된 새로운 LSM-ESB 복합 전극을 개발하였다. 나노 cobalt-oxide가 함침된 Co/LSM-ESB 산소 전극의 경우, 650도에서 기존 LSM-ESB 대비, 분극 저항을 50% 가량 감소시켰으나, 200시간 동안 저항이 0.09 Ω-cm2 에서 1.27 Ω-cm2 으로 14배 가량 크게 증가하여 낮은 안정성을 나타냈다. 미세구조 분석으로부터 나노 코발트 산화물의 입자 조대화 및 성장이 관찰 되었기에, 코발트 산화물의 열적 내구성을 향상시키기 위한 lanthaum-cobalt 산화물 촉매가 함침된 La-Co/LSM-ESB 산소 전극을 추가로 개발하였다. 기존 LSM-ESB 전극 대비 42% 가량 성능이 향상되었으며, 특히 700시간 동안 성능 저하가 발생되지 않는 안정한 La-Co/LSM-ESB 산소 전극을 성공적으로 개발하였다. 또한, La-Co/LSM-ESB 산소 전극이 적용된 셀은 650도에서 1.65 W/cm2의 우수한 성능과, 100시간 가량 현저한 열화 없이 성능이 유지되어 SOFC 구동 조건에서 안정한 산소 전극임을 입증하였다.
HESB는 높은 산소이온 전도성 (0.14 S/cm at 600 ℃)과 낮은 구동 온도에서 (600도) 1200시간 가량 안정한 산소 이온전도체로서, 본 연구를 통해 처음으로 LSM-HESB 복합 전극 개발에 적용하였다. LSM-HESB 산소 전극의 분극 저항은 0.51 Ω-cm2 으로 LSM-ESB 전극과 유사한 성능을 나타내었으며, 특히 600도에서 200시간 동안 매우 안정한 성능을 나타냈다. 본 연구에서는 기존의 일반적인 복합 전극과는 다른 전략으로, 다공성 형태의 이온전도체 지지체 위에 개선된 함침법을 개발하여 나노스케일 산화물 촉매를 고르게 도포한 HESB@LSM 산소 전극을 개발하였다. 700 도에서 HESB@LSM 산소 전극은 0.02 Ω-cm2 의 낮은 분극 저항이 관찰되었고, 이는 기존 LSM-HESB 산소 전극 대비 70% 가량 감소된 결과를 나타냈다 (0.07 Ω-cm2). HESB@LSM 산소 전극이 적용된 SOFC 셀은2.78 W/cm2 의 매우 높은 성능을 기록 하였으며, 이는 현재까지 보고된 YSZ 전해질 기반의 SOFC 셀 구성에서 최고의 성능을 나타냈다.
본 논문을 통해 제시되는 산소 전극의 기본 특성과 열화 거동 메커니즘, 그리고 나노 산화물 촉매 공정은 중저온 영역에서 구동하는 고성능 SOFC를 개발에 적용될 뿐만 아니라, SOFC 응용을 위한 산소 전극의 새로운 연구방향을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
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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.EM김25F 202008 -
dc.date.accepted 7/23/20 -
dc.contributor.alternativeDepartment 에너지공학전공 -
dc.embargo.liftdate 8/31/25 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Doyeub -
dc.contributor.affiliatedAuthor Hong, Seung-Tae -
dc.contributor.affiliatedAuthor Lee, kang Ta다 -
dc.contributor.alternativeName 김도엽 -
dc.contributor.alternativeName Hong, Seung-Tae -
dc.contributor.alternativeName 이강택 -
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Department of Energy Science and Engineering Theses Ph.D.

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