4장 연료전지 전하이동 충북대학교 11주차 Chapter 4

4장 연료전지 전하이동 충북대학교 11주차

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport Introduction 서론 √ 전하이동 : 전자와 이온이 생성된 전극으로부터 소비되는 전극까지 전하 를 이동시킴으로써 회로를 완성, 전하를 띤 화학 종 - 전해질로 이온 전달 - 도선으로 전자 전달 √ 일반적으로 이온전하의 이동은 전자보다 어렵다(질량차이) √ 전하이동에 대한 저항 → 연료전지 전압손실(IR, ohmic loss) 연료전지 옴 손실 최소화 1. 전해질을 가능한 한 얇게 만듦 2. 높은 이온 전도 성을 가지는 물질 사용

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 1. 전하는 힘에 의해 움직인다. 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년 √ 플럭스(Flux, J) : 단위 면적당, 단위 시간당 물질을 통하여 흐른 양 (mol/(cm 2 *s) : C/(cm 2 *s), A/cm 2 ), 운반자의 전하수(Na+= 1, O 2 -= -2) 전하플럭스(j) = zi. F × 몰플럭스(J) (4. 1) √ 이동현상의 지배방정식은 다음과 같이 일반화 된다. (4. 2)

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 1. 전하는 힘에 의해 움직인다. √ Ji 는 i종의 플럭스, Fk는 i에 작용하는 k번째 힘, Mik는 힘과 플럭스 사이 에 결합계수(전하, 열, 질량 이동에도 유효한 지배식) √ 연료전지에는 전기적 구동력(전기 퍼텐셜 구배, d. V/dx), 화학적 구동력( 화학 퍼텐셜 구배, dμ/dx), 기계적 구동력(압력구배, d. P/dx) √ PEMFC에서 수소가 반응하면 양성자와 전자가 산화극에 축적되고, 환 원 극에서 소모된다. 두 전극에서 전자의 축적과 소모는 산화 극에서 환원 극으로 전자의 이동을 추진하는 전압구배를 발생 √ 전해질에서 양성자의 축적과 소모는 전압구배와 농도구배 발생 √ 금속 전극에서 전압구배만이 전하이동 시킴 √ 전해질에서 전하의 이동 : 농도효과 < 전기적 효과 중요

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 1. Charges Move In Response To Forces 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 1. Charges Move In Response To Forces 금속 전극 : 전위 차이 → 전자 이동 전해질 : 농도 + 전위 차이 → 양성자 이동 (4. 3)

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 2. Charge Transport Results In A Voltage Loss

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 2. 전하이동은 전압손실을 수반한다. √ 전하이동 과정에 마찰 발생 → 전하이동 손실 → 전압손실 √ 단면적 A와 길이 L을 갖고 있는 도체에서 (4. 4) (4. 5) √ 이 방정식은 Ohm’s 법칙과 유사 : V= i. R √ 전하 플럭스(전류 밀도) 와 전류의 관계( i = j. A) V = i (L/Aσ) = i. R (4. 6) √ 전압손실이 옴의 법칙을 따르기 때문 : “저항” 손실 ηohmic = i. Rohmic = i(Relec + Rionic) (4. 7)

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 2. Charge Transport Results In A Voltage Loss √ 전체 연료전지의 전압은 산화극 → 환원극으로 증가(전해질에서 전하이동 의 구동력을 주기 위해서 산화극 쪽 → 환원극 쪽 전압은 감소) 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 2. 전하이동은 전압손실을 수반한다. 예제 4. 1. PEMFC : 면적 10 cm 2, 전도도 0. 1 Ω-1 cm-1, Relec=0. 005 Ω, 1 A/cm 2의 전 류밀도에서 연료전지의 저항전압손실? (a) 전해질 막 두께 100 μm, (b) 50 μm 풀이 : 전류 i = j A=1 A/cm 2× 10 cm 2=10 A (a) Rionic=L/σA=0. 01 cm/(0. 1 Ω-1 cm-1)(10 cm 2)=0. 01 Ω (b) Rionic=L/σA=0. 005 cm/(0. 1 Ω-1 cm-1)(10 cm 2)=0. 005 Ω 전압손실 (a) ηohmic=i(Relec+Rionic)=10 A(0. 005 Ω +0. 01 Ω)=0. 15 V (b) ηohmic=i(Relec+Rionic)=10 A(0. 005 Ω +0. 005 Ω)=0. 10 V 조건이 동일하다면, 막을 얇게 만들수록 저항손실 감소

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 3. 연료전지 전하 이동 저항의 특성 √ 전하이동은 전류가 증가함에 따라 작동전압을 선형적으로 감소 √ 저항은 기하학적 형상에 의존→ 4. 6 식에서 명확 (4. 6) √ 연료전지 저항은 면적에 비례: 면적 비저항(area–specific resistance) 사용 √ 연료전지 저항은 두께 에 비례 : 연료전지 전해질 가능한 한 얇게 √ 연료전지 다른 부분에서 발생하는 저항손실들은 직렬로 합산 √ 연료전지 저항중 이온(전해질) 요소가 지배적

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 3. Characteristics of Fuel Cell Charge Transport Resistance 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 3. 1. 면적에 따라 변하는 저항 √ 연료전지 : 전류 → 전류 밀도 사용(단위면적기준 비교), 저항손실 → 보통 면적에 대해 표준화된 저항 값 사용 √ 면적 비저항(area specific resistance , ASR) 단위( ) ASR를 사용 저항손실은 전류밀도로부터 계산 (4. 11) √ 은 연료전지 전체 ASR로 연료전지 저항에 면적을 곱하여 계산 (4. 12) √ 저항에 대한 4. 6식의 원래 정의를 생각하면 저항이 면적에 반 비례하기 때 문에 면적에 독립적인 저항을 구하는 것이 필요

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 3. 1. Resistance Scales With Area 예제 4. 2. 전류밀도 1 A/cm 2 일 때 두 연료전지의 저항 전압손실을 구하라 풀이 1: 두 연료전지 ASR ASR 1=R 1 A 1=(0. 1 Ω)(1 cm 2)=0. 1 Ω ∙ cm 2 ASR 2=R 2 A 2=(0. 02 Ω)(10 cm 2)=0. 2 Ω ∙ cm 2 전압손실 η 1 ohmic=j(ASR 1)=(1 A/ cm 2)(0. 1 Ω ∙ cm 2)=0. 1 V η 2 ohmic=j(ASR 2)=(1 A/ cm 2)(0. 2 Ω ∙ cm 2)=0. 2 V 풀이 2: 두 연료전지 전류 밀도 i 1=j. A 1=(1 A/ cm 2) (1 cm 2) = 1 A i 2=j. A 2=(1 A/ cm 2) (10 cm 2) = 10 A 전압손실 η 1 ohmic=i 1 R 1=(1 A)(0. 1 Ω)=0. 1 V η 2 ohmic=i 2 R 2=(10 A)(0. 02 Ω)=0. 2 V

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 3. 2. Resistance Scales With Thickness √ ASR을 표준화 하면 (4. 18) √ 도체의 길이가 짧을수록 작은 저항을 갖는다. √ 이온전도도/전자 전도도= 10 -6→ 전해질 저항 최소화 필요 √ 전해질을 얇게 만드는데 실제적이 문제점들 - 기계적 강도: 고체전해질 파손 - 불 균일 성: 두께 일정 약점 - 전기적 단락: 전해질 두께와 전극의 거칠기 비슷한 크기 일 때 - 연료 투과: 반응물 투과 - 접촉 저항 - 절연 파괴

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 3. 3. Fuel Cell Resistances Are Additive √ 연료전지의 전체 전기적 저항은 각각의 다른 구성요소들에서 발생하는 저 항들의 합이다. √ 전기적 상호 연결부, 산화전극, 환원전극, 산화극 촉매층, 환원극 촉매층, 전해질등 √ 연료전지의 다양한 층 간의 접촉저항(유로/전극접촉저항) √ 다양한 출처의 모든 저항 손실을 구별하기가 실험적으로 어려움 √ 연료전지의 각 구성요소들의 저항을 실험적으로 측정하여 전체저항을 반 영하는 것도 어려움 √ 이러한 요소들로 인해 연료전지 성능평가 어려움→연료전지 동작 중(in situ) 성능 평가 필요 √ 대부분의 연료전지 전해질에서 가장 큰 저항손실

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 3. 3. Fuel Cell Resistances Are Additive 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 3. 4. 이온(전해질) 저항이 일반적으로 지배적이다 √ 연료전지에서 가장 좋은 전해질 이온 전도도( ) 매우 얇은 정도의 전해질에서 ASR( ) √ 반면 50μm 다공성 탄소섬유 전극(carbon cloth) ASR(< ) √ 잘 설계된 연료전지 전체 ASR( ) 전해질 저항이 대분분 차지 √ 전해질 두께 줄이기 힘들면, 높은 이온 전도체를 찾는 것이 대안이나 만족스러운 이온전도체 개발 어렵다. √ 주요 전해질 종류(수용성, 고분자, 세라믹 전해질) : 이온전도 방법과 물질속성 매우 다름

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 4. 전도의 물리적 의미 √ 전도도 : 전기장하의 전하를 흐르게 하는 능력을 정량화, 한 물질이 전하이동 을 얼마나 잘 수용하는 가의 척도 √ 물질의 전도도는 두 가지 주요 요인에 영향 받음 : 1. 전하이동에 필요한 운반자 수 2. 물질내의 운반자의 이동도 (4. 19) ci : 전하 운반자 몰 농도, ui : 전하 운반자 이동도 zi : 운반자의 전하수, F : Faraday 상수 √ 물질의 전도도 : 운반자의 농도(ci), 운반자의 이동도(ui)

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 4. 1. 전자 전도체와 이온전도체 √ 전자와 이온의 본질의 차이는 전자와 이온 전도 방법의 차이 유발 ⇒ 그림 4. 8 √ 4. 8(a) 금속 전도체 자유전자 모델: 금속원자격자들과 떨어져 자유롭게 이동 4. 8(b) 이온 전도체는 공동이나 원자 침입등의 호핑(hopping)으로 이동 √ 운반자 농도: 금속에서 자유전자 많음, 고체 전해질에서 운반자 희박

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 4. 1. Electronic Versus Ionic Conductors 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 4. 2. Electron Conductivity In A Metal √ 금속과 같은 간단한 전도체 에서, Drude 모델은 자유전자의 이동도가 산란( 음향양자, 격자결함, 불순물)에 의해 제한 √ 자유전자의 이동도: (4. 20) τ : 산란발생 간 평균 자유시간 m : 전자의 질량 ( ) q : 기본전자 전하 (q= ) √ 구한 전자의 이동도(4. 20식) 4. 19식에 대입하면 : (4. 21) √ 금속의 일반 전도도 : 106 – 108 Ω-1 m-1

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 4. 3. 결정질 고체 전해질의 이온전도도 √ 이온의 이동도: 격자내 한 위치→다른 위치로 건너 뛰는 호핑속도에 의존 호핑속도: 확산도 의존(지수함수적 활성화) (4. 22) D 0 : 호핑과정을 얼마나 시도하는가 빈도 ∆Gact : 호핑과정의 활성화 장벽 R : 기체상수 √ 고체전해질에서 이온의 전체적인 이동도 (4. 23) : 이온의 전하수 F : Faraday 상수

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 4. 3. 결정질 고체 전해질의 이온 전도도 √ 이온의 이동도 (4. 23 식) 전도식 (4. 19식)에 대입하면 다음과 같다: √ 액체 전해질에서 이온 확산도 : 폴리머 전해질 이온의 확산도 : 700 -1000 에서 세라믹 전해질의 확산도 : √ 일반적인 이온 운반자 농도 액체 전해질 : 고분자 전해질 : 세라믹 전해질 : √ (4. 24식)에 대입하면 이온 전도도는 ) √ 연료전지에서 연구의 초점은 더 나은 전해질 개발 (4. 24)

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. Review of Fuel Cell Electrolyte Classes √ 연료전지의 이용 가능한 세가지 주요 전해질 물질: 수용성, 고분자, 세라믹 전해질 √ 연료전지 전해질의 갖추어야 될 특성 ㆍ높은 이온 전도도 ㆍ낮은 전자 전도도 ㆍ(산화 및 환원 분위기 에서) 높은 안정성 ㆍ낮은 연료 투과(crossover) ㆍ(고체의 경우) 적당한 기계적 강도 ㆍ제작의 편의성

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 1. 수용성 전해질/이온 성 액체의 이온 전 도 √ 수용성 전해질은 전하를 이동할 수 있는 이온이 용해된 수용액이다. √ 이온성 액체는 그 자체 액체이며, 동시에 이온성인 물질 -물에 용해된 Na. Cl → 수용성, 높은 온도에서 용융 Na. Cl → 이온성 √ 모든 수용성/액체 전해질 연료전지는 고정화 하거나 지지하는 메트릭스 물 질을 사용, 메트릭스는 다음과 같은 역할 수행 : 1. 전해질의 기계적 강도 제공 2. 전기적 단락을 막으면서 전극 간의 거리 최소화 3. 전해질을 통한 반응물의 투과 방지 √ 지지되지 않는 액체 전해질은 반응물 기체 투과 심각, 압력이 균형 없거나, 고압일 경우 연료전지 동작 불가능. 매트릭스 사용 → 매우 얇은 전해질(0. 11 mm)을 사용 기계적 강도 및 투과문제 보완 할 수 있음

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 1. 수용성 전해질/이온 성 액체의 이온 전 도 √ 알칼리 연료전지 : 농축된 수용성 수산화 칼륨 전해질 사용 √ 인산형 연료전지 : 농축된 인산 수용액이나 순수한 인산 전해질 사용 √ 용융탄산염 연료전지 : 매트릭스 지지체에 고착된 용융 (K/Li)2 CO 3 사용 - (K/Li)2 CO 3 는 450도 이상에서 액체전해질 √ 수용성/액체 환경의 이온전도도 → 구동력/마찰력 평형모델로 접근 √ 액체에서 이온 → 전기장 가속/마찰항력 저항 → 이온의 최종속도 평형

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 1. Ionic Conduction In Aqueous Electrolytes/Ionic Liquids √ 전기장력 F : : 이온의 전하수 q : 기본 전자 전하 √ 마찰 항력 F는 Stokes's 법칙으로 부터 유도 μ : 액체의 점도 r : 이온의 반경 v : 이온의 속도 (4. 25) (4. 26)

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 1. Ionic Conduction In Aqueous Electrolytes/Ionic Liquids √ 두 힘을 같게 하면서 이동도를 결정할 수 있고, 이동도는 적용된 전기장과 그 로 인한 이온의 속도 간의 비로 정의 : (4. 27) √ 이동도는 이온의 크기와 액체의 점성에 의해 결정 √ 표 4. 2는 수용액에서 다양한 이온의 이동도. √ 프로톤(H+)은 물분자에 의해 수화→양성자수(수화된 물 분자 수) √ 전도도에 관한 (4. 19 식) 확인 (4. 28) √ 표 4. 2의 이온이동도 값을 이 식에 대입하면 수용성 전해질의 이온 전도도를 계산할 수 있음.

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 1. Ionic Conduction In Aqueous Electrolytes/Ionic Liquids √ 낮은 묽은 수용액에서 정확 - 높은 이온 농도 → 이온들 강한 전기적 상호 작용→전도도 계산 어려움 - 높은 농도에서 실제 전도도 < (4. 28식) 구한 값 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 1. 수용성 전해질/이온성 액체의 이온전도 예제 4. 3. ). 1 M의 KOH 수용액의 전도도를 구하라 풀이 : 식 4. 28 참고, 용액 완전히 분해, K+, OH- 는 각각 0. 1 M c. K+ =(0. 1 mol/L)(1 L/1000 cm 3)=1× 10 -4 mol/cm 3 c. OH- =(0. 1 mol/L)(1 L/1000 cm 3)=1× 10 -4 mol/cm 3 표 4. 2의 이동도를 4. 28식에 대입 σK+ =(1)(96400)(1× 10 -4 mol/cm 3)(7. 62× 10 -4 cm 2/V∙s)=0. 0073Ω-1 cm-1 σOH- =(1)(96400)(1× 10 -4 mol/cm 3)(2. 05× 10 -3 cm 2/V∙s)= 0. 0198Ω-1 cm-1 σ total= σK+ + σOH- =0. 0271 Ω-1 cm-1 실제 0. 1 M의 용액의 전도도는 이 값보다 낮을 것이다. 전도도는 이온의 이동도가 높은 것에 더 의존한다.

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. 고분자 전해질의 이온 전도 √ 고분자 전해질에서 이온 전달 (4. 32) ☞ 온도 증가 → 전도도 지수함수적으로 증가 √ 고분자가 좋은 이온 전도체? - 고정대전 지점(fixed charge site) 존재 1. 고정대전 지점은 움직이는 이온과 반대 전하 2. 움직이는 이온을 받아들이거나 내보내는 일시적 중심 - 자유 체적(free volume )“열린 공간”의 존재 1. 고분자를 통한 이온의 움직이는 능력을 향상 √ 고분자 자유 체적 메커니즘: “매체(Vehicle) 메커니즘” - 어떤 자유로운 종(Vehicle species) : 자유체적에 의한 높은 전도도. 1. 물분자가 고분자 막의 자유체적을 통해 이동 2. 나피온 : Persulfonated poly tetrafluoroethylene (PTFE) @ Nafion (FEMFC 전해질) : 테프론과 비슷한 기반

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. Ionic Conduction In Polymer Electrolytes 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. Ionic Conduction In Polymer Electrolytes √ 고분자 전해질에서 이온 전달 - 나피온은 술폰산 작용기 포함( ) : 양성자이동 위한 대전지점 제공 - 테프론 기반: 기계적 강성 제공 - 물(양성자→옥소늄복합체), 술폰산 곁사슬로 부터 분리 →수용액상태 이동 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. Ionic Conduction In Polymer Electrolytes √ Nafion 자유체적 : 나노크기의 기공으로 서로 연결된 작은 기공 - 나피온의 벽은 작용기로 둘러쌓임 - 기공에서, H+ + H 2 O H 3 O+ 형성, 곁사슬로부터 분리 - 충분한 물 존재: H 3 O+ 수용액 상태 전달, 이온전도는 수용성 전해질에서 전도와 유사 - 테프론 기반 소수적(Hydrophobic) 물의 반발로 물의 이동을 가속 - 나피온 고분자 전해질에서 양성자 전도도는 수용성 전해질과 같은 크기 - 완전히 수화되었을 때 높은 전도도 가짐

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. Ionic Conduction In Polymer Electrolytes √ Nafion 충분한 양의 물을 흡수한다. - Nafion은 완전히 수하되면 부피가 22% 까지 팽창한다 - 나피온에서 물의 양 λ : 물분자 수 와 ( ) 대전된 사이트 수의 비 - 실험적으로: 0 < λ< 22 · 0 : 완전히 탈수된 nafion · 22 : 정해진 조건에서 수분으로 포화된 nafion - 물의 수증기 활동도 (aw) : 상대습도와 같은 의미 (4. 33)

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. Ionic Conduction In Polymer Electrolytes √ 나피온에서 물의 양 λ (4. 34) √ 80 C 부근에서 정상적으로 작동하는 PEMFC에서 충분히 정확 √ Nafion 전도도는 물의 함량과 밀접한 관계 - 전도도와 온도 또한 강하게 의존 - 전도도는 물의 함량에 따라 선형적으로 증가 온도에 따라 지수함수적으로 증가 (4. 38) (4. 39)

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. Ionic Conduction In Polymer Electrolytes 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. Ionic Conduction In Polymer Electrolytes √ 나피온의 전도도는 물의 함량에 따란 부분적으로 변할 수 있다. √ 막의 총 저항은 부분 저항을 막 두께로 적분하여 구함 (4. 40) √ 양성자(Proton)은 물을 끌고 이동한다 - 나피온 막을 통한 물의 분포를 아는 것이 필수적 - 나피온 막에서 잘 알려진 물의 전달 현상 “전기 삼투 견인(electro osmotic drag)” - 전기 삼투 견인 계수 ndrag : 물분자 수로 정의 - proton 하나당 얼마나 많은 물이 끌려가는 가( ndrag=n. H 20/H+) - 완전히 수화된 나피온 (λ=22)에서 : ndrag= 2. 5 ± 0. 2(30 -50 C) - at λ=11, ndrag= ~0. 9

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. Ionic Conduction In Polymer Electrolytes - 나피온 막에서 ndrag 는 λ에 따라 선형적으로 변한다 가정 (4. 41) 여기서 =2. 5 - 전체 전류 j가 PEMFC에서 흐를 때, 전기삼투견인 계수를 알면 (산화극→환원극)로 물의 전기 삼투 견인 플럭스를 구할 수 있다. (4. 42) J : 물의 물질 플럭스 j : 연료전지의 흐르는 전류밀도 2 F : 전류밀도를 수소 플럭스로 변환하기 위한 양 2 : 수소 플럭스를 양성자 플럭스로 변환하기 위한 양

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. Ionic Conduction In Polymer Electrolytes √ 물의 역 확산(전기삼투 견인: 물의 이동(산화극→환원극)) - 이것이 축적되면 : 물의 양( anode < cathode) → 물의 역 확산 - 역 확산 플럭스는 다음과 같이 구한다 (4. 43) √ 전체적인 나피온에서 물 플럭스 (전기삼투견인-역확산) (4. 44) √ 나피온에서 확산계수 (4. 51)

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 2. Ionic Conduction In Polymer Electrolytes 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 3. Ionic Conduction In Ceramic Electrolytes √ 가장 많이 사용되는 SOFC 전해질은 이트라 안정화 지르코니아(YSZ). √ YSZ 전해질은 8% 이트리아가 지르코니아와 혼합되어 있다. √ Zirconia는 zirconium의 산화물, yttria는 yttrium의 산화물이다. √ Zirconia 화학조성(Zr. O 2 ). yttria 화학 조성 ( ). √ 높은 산소 공동 농도는 YSZ의 높은 이온 전도도를 갖게 함. √ yttria를 zirconia첨가하면 총전하량을 유지하려는 전하 보상효과 때문에 산 소공동이 생성. ( 순수한 Zr. O 2 Zr 4+ 와 O 2 - 로 구성 ) √ 이트리아 첨가하면, 2 Y 3+ 2 Zr 4+ 와 1개의 산소 공동 형성. (지르코니아에 8% 이트리아를 첨가 4% 산소 공동 형성) √ 높은 온도에서, 이러한 산소 공동은 격자내의 산소 이온의 이동을 쉽게 함.

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 4. 5. 3. Ionic Conduction In Ceramic Electrolytes 차원석 『 연료전지개론』한티미디어, 2008년

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 단원 요약 • 연료전지의 전하 이동은 전압 구배에 의한 전하 이동이 지배적 • 저항 과전압으로 알려진 이 손실은 일반적으로 옴의 법칙을 따름 • 전기 저항은 전극, 전해질, 상호 연결 부 등의 저항을 포함 • 저항은 전도체의 면적 A, 두께 L, 전도도 σ에따라 달라짐 • 다른 크기의 연료전지들을 서로 비교 하기 위해 계산 (ASR=A*R) • 연료전지 전해질은 가능한 얇게 만들어 진다. • 높은 전도도의 전극과 전해질 물질을 개발 하는 것이 중요

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 단원 요약 • 전도도는 운반자 농도와 운반자 이동도에 의해 결정 • 금속과 이온 전도체는 다른 전도도를 이끌어 낸다 • 전해질의 이온 전도도는 금속의 전자 전도도보다 매우 낮다 • 전해질은 높은 전도도, 높은 환원 분위기, 높은 산화 분위기에 안정 • 연료전지의 전해질 종류 : (1) 액체, (2)고분자, (3)세라믹 전해질 • 수용성 전해질에서 이동도는 전기장 내에서 이온의 가속과 유체의 점 성에 의한 마찰 항력 사이의 균형에 의해 결정

Chapter 4. Fuel Cell Charge Transport 단원 요약 • Nafion의 전도도는 물 함량에 의해 좌우 된다. • 세라믹 전해질의 전도도는 결정 격자 내 결함(‘실수’)들에 의해 조절 • 확산도는 물질 내 원자 이동의 고유한 속도를 나타냄 • 확산도와 전도도를 연관시킬 수 있다 : σ=c(z. F)2 D/(RT) • 전압 구동력(즉 전도)이 전하 이동에서 지배적