재료공학실험 | 재료의 전기화학적 성질

 

 

 

연료전지는 전기화학 셀로서 산화전극｜전해질｜환원전극으로 구성되고, 산화전극과 환원전극에 각각 환원제와 산화제를 공급하여 전기를 생산하는 장치이다. 고체산화물 연료전지는 전해질이 세라믹 재료인 고체산화물로 구성된 연료전지를 말한다. 열 병합 발전시 효율이 80% 이상으로 높으며 수소를 얻기 위한 개질이 불필요하고 다양한 크기의 발전 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있으나, 작동온도가 높고, 열충격에 약하다는 단점이 있다.

 

전해질로는 Stabilized-Zirconia나 Doped-Ceria 등이 주로 사용되고 훤원 전극으로는 Perovskite계 산화물, 산화 전극으로는 Nickel, Ruthenium 등의 전이금속과 전해질 재료의 cermet이 사용된다. 전해질을 통해 산소이온이 움직이며, 환원전극(cathode)에서 생성된 산소이온이 전해질을 통해 이동하고, 산화전극(anode)에서 수소와 반응하여 물을 생성하며 전기를 생산하게 된다.

 

두 전극의 형성되는 전위차는 각 전극에서 일어나는 산화·환원 반응의 Gibbs free energy 차이에 의해 전위차가 형성되기 때문에 자발적으로 형성된다. 실제 연료전지의 Open Circuit Voltage(개방회로전압)는 온도, 압력, 농도에 따라 달라지며 Nernst 식을 통해 개방회로전압을 구할 수 있다.

 

E: 개방회로전압, E₀ : reversible voltage,

a_product, a_reactants : 반응물과 생성물의 activity, v_i : i성분의 stoichiometric coefficient

 

본 실험에서는

 

 

와 같으며 수소 3기압, 공기 5기압, 상온에서 E=1.244V 이다. 외부에서 전압을 가하지 않을 경우, 두 전극의 산화환원반응은 평형상태를 유지하며 전류가 흐르지 않는데, 이때의 평형상태에서의 전압을 개방회로 전압이라고 한다. 전류가 흐르려면 전압을 가하여 평형이 깨져야 하는데 이 때 인가된 전압을 overpotential(η)이라고 한다.

 

 

η>0이면 전극에서는 산화반응이, η<0이면 환원반응이 일어나며 overpotential이 가해지고 평형이 깨지면 새로운 potential이 생기는데 이를 cell potential이라 한다. I=0에서 전류가 흐르게 해줄수록 potential drop이 발생하게 되는데, 이 drop이 평형을 깨주기 위한 overpotential을 뜻 하고, overpotential을 포함한 전극 저항을 줄여야 효율이 높아진다.

 

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 준비한 powder 5g을 mold에 넣고 일축가압성형하여 pellet을 만든다. 안정한 상태를 만들기 위해 소결한다.

 

2) 소결을 마친 pellet에 screen printing을 하고 이를 말린다.

 

 

 

[재료공학실험]재료의 전기화학적 성질 레포트