Electrochemical properties of $Gd_{0.8}Ca_{0.2}Co_{1-x}Fe_xO_3$ cathodes for medium-temperature SOFC

중간온도형 고체산화물 연료전지의 양극재료로서 $Gd_{0.8}Ca_{0.2}Co_{1-x}Fe_xO_3$의 전기화학특성

For the purpose of finding new cathode materials for medium-temperature $(700\~800^{\circ}C)$ solid oxide fuel cells, $Gd_{0.8}Ca_{0.2}Co_{1-x}Fe_xO_3,\;(x=0.0\~0.5)$ are prepared, and their thermal stability and conductivity characteristics are investigated. Also, the cathodic activities are measured after the cathode layer being attached on CGO (cerium-gadolinium oxide) electrolyte disk. The X-ray analyses indicate that the materials prepared by calcining the citrate-gels at $800^{\circ}C$ have the orthorhombic perovskite structure without discernible impurities. The thermal stability of the undoped Co perovskite is so poor that it is decomposed to the individual binary oxide even at $1300^{\circ}C$. But the partially Fe-doped cobaltates exhibit a better thermal stability to retain their structural integrity up to $1400^{\circ}C$. The observation whereby both the undoped and Fe-doped cobaltates melt at ca. $1300^{\circ}C$ leads us to perform the electrode adhesion at <$1300^{\circ}C$. The cathodic activity of $Gd_{0.8}Ca_{0.2}Co_{1-x}Fe_xO_3,\;(x=0.0\~0.5)$, electrodes is superior to $La_{0.9}Sr_{0.1}MnO_3$, among the samples of $x=0.0\~0.5$, the x=0.2 cathode shows the best activity for the oxygen reduction reaction. It is likely that the Fe-doping provides a better thermal stability to the materials but in turn imparts an inferior cathodic activity, such that the optimum trade-off is made at x=0.2 between the two factors. The total electrical conductivity and ion conductivity of $Gd_{0.8}Ca_{0.2}Co_{1-x}Fe_xO_3$, are measured to be 51 S/cm and $6.0\times10^{-4}S/cm\;at\;800^{\circ}C$, respectively. The conductivity values illustrate that the materials are a mixed conductor and the reaction sites can be expanded to the overall electrode surface, thereby providing a better cathodic activity than $La_{0.9}Sr_{0.1}MnO_3$.

중간온도$(700\~800^{\circ}C)$형 고체산화물 연료전지(solid oxide filet cells)의 양극재료로 이용을 목표로 $Gd_{0.8}Ca_{0.2}Co_{1-x}Fe_xO_3,\;(x=0.0\~0.5)$ 분말을 합성하고 이의 열적 안정성, 전도특성을 조사하였다. 또한 이를 CGO(Cerium-Gadolinium Oxide) 전해질 디스크에 부착하여 양극특성을 조사하였다. 양극재료를 구연산 법에 의하여 $800^{\circ}C$에서 하소하여 분말을 합성하였을 때, Fe의 함량에 상관없이 모두 페롭스카이트 단일상을 얻을 수 있었다. 합성분말의 열적 안정성을 측정하였는데, Fe의 함량이 적을수록 열적 안정성이 열악하여 x=0.0인 시료는 $1300^{\circ}C$에서 분해되었다 그러나 Fe이 치환된 재료의 경우에는 $1400^{\circ}C$까지 분해현상은 없었으나 $1300^{\circ}C$ 근처에서 용응되는 현상이 관찰되어 양극층의 접착온도를 $1300^{\circ}C$ 이하로 설정해야 함을 알았다. $Gd_{0.8}Ca_{0.2}Co_{1-x}Fe_xO_3,\;(x=0.0\~0.5)$로 반쪽전지를 제작하여 $800^{\circ}C$ 공기중에서 전지를 가동하며 양극의 산소환원 반응에 대한 활성을 조사한 결과 조성에 상관없이 $La_{0.9}Sr_{0.1}MnO_3$보다 우수한 활성을 가졌고, $x=0.0\~0.5$인 전극중에서는 x=0.2일 때 가장 좋은 양극특성을 보였다. 이와 같이 x=0.2인 경우에 가장 우수한 활성을 갖는 이유를, Fe의 함량이 많은 경우는 열적 안정성이 우수하나산소환원 반응에 대한 활성은 감소하므로 x=0.2에서 열적 안정성과 활성 사이에 최적의 trade-off가 나타남으로 설명하였다. x=0.2인 시료의 전기 전도도를 직류 4단자법에 의하여 측정하였을 때 $800^{\circ}C$에서 51 S/cm의 값을 나타내었고, 교류 2단자법으로 측정한 이온 전도도는$800^{\circ}C$에서 $6.0\times10^{-4}S/cm$의 값을 나타내었다. 즉 이 물질은 혼합 전도체로서 전극의 전 표면이 반응의 활성점으로 작용할 가능성이 있고, 이로부터 이들이 $La_{0.9}Sr_{0.1}MnO_3$보다 우수한 양극활성을 갖는 이유를 설명할 수 있었다.