SOFC 는 높은 운영 효율, 연료 확장성, 최소 배출량 및 비교적 저렴한 비용으로 인해 실행 활용 가능한 대체 에너지원이다. 그럼에도 불구하고, SOFC 연구에 많은 중요한 해결점들이 있다. 가스 채널에서의 물질전달 및 전극 표면에서의 확산의 영향에 대해서는 소수의 정보가 알려져 있다. 이는 SOFC 의 물질전달에 대한 대부분의 연구가 채널 내 전달에 대한 수치적 연구가 거의 없는 상태에서, 기공을 통한 확산만을 고려하기 때문이다. 이에 따라 지난 수년간 이 분야의 다른 연구자들에 의해 일관성이 없는 자료와 설명이 제시되어 왔다. 따라서 SOFC 의 기본 메커니즘을 보다 잘 이해하기 위해서는 전극 표면 및 가스 채널에서의 물질전달 효과에 대한 실험적 검토가 필요하다. 본 연구에서는 100 cm² 급 평판 연료극 지지 셀을 사용하여 서로 다른 반응물 하에서의 전극 반응 메커니즘뿐만 아니라 기상 물질전달의 영향을 다루었다.
고체산화물 연료전지(SOFC)의 반응 메커니즘과 성능 향상은 이 분야의 주요 연구 분야이다. 이 분야의 연구자들에 의해 제안된 모순된 이론으로 인해 SOFC 의 메커니즘과 관련된 몇 가지 불일치가 있다. 우선 본 연구진이 제안한 불활성 가스계단형 첨가(ISA)법을 이용하여 다양한 전극에서의 기상 질량 전달 저항 및 가능한 전극 반응 특성에 따른 과전압을 규명하는 것을 목적으로 한다. ISA 방법은 각 전극에서의 물질전달 저항으로 인한 과전압을 정량적으로 측정할 수 있다. ISA 방법은 경계층 이론에 따라 과전압과 반응물 가스 유량의 제곱근 사이의 역관계를 보여준다. 기상 물질전달 저항에 의한 과전압은 공기극보다 연료극에서 훨씬 높은 것이 확인되어 연료극에서 상당한 기상 질량 전달 저항이 존재함을 알 수 있다.
둘째, 상용화된 YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia) 전해액의 전자전도도가 고체산화물 연료전지 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 상업적으로 제조되고 작동되는 단일 셀에서 YSZ 의 전자 전도도를 측정하는 실험 방법이 처음으로 사용되었다. ISA 방법은 개회로 상태에서 전압 변화 형태의 전자 전도도를 측정하기 위해 사용된다. 전자 전도성으로 인해 연료극에서 O2- 이온 전달 및 물 발생이 가능하므로 물 분압 상승으로 인한 개회로 전압(EOCV)의 감소가 발생한다. ISA 에서 연료극 유량의 단계적 증가는 물 분압을 감소시키고 EOCV 를 상승시킨다. 그런 다음 EOCV 변화는 내부 누출 전류와 전자 저항으로 변환된다. 본 연구에서 얻은 YSZ 의 전자 저항률은 Hebb-Wagner 편광 기법 및 산소 투과 방법을 사용하여 얻은 결과와 유사하다.
셋째, SOFC 의 저전류에서의 과전압은 다른 수분 함량, H₂ 및 O₂ 분압, 반응물 유량에서 측정되었다. 전류-전압 곡선에서는 건조한 H₂ 가스에 대한 저전류 영역에서 매우 가파른 전압 강하와 큰 과전압이 관찰되었다. 반면, 3% H₂O 와 H₂ 가스를 공급한 결과, 동일한 저전류 영역에서 과전압이 크게 감소하였다. 이론적으로나 실험적으로나 연료극에서 전하 이동 저항이 얻어지는데, 이는 연료극 키네틱스가 저전류에서 큰 과전압의 원인이 아님을 나타낸다. H₂ 및 O₂ 분압의 변화는 전류-전압 곡선에 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있었고, 낮은 전류에서의 과전압은 물 성분의 물질전달저항에 기인한다고 결론지을 수 있었다. 공기극 과전압의 이론적 계산도 실험 결과를 뒷받침하는 것을 알 수 있었다.
마지막으로 과전압 분석을 통해 SOFC 연료극과 공기극의 반응 특성에 대한 연구를 수행하였다. 전극에 반응물을 첨가할 때 과전압이 변화하기 때문에 반응물 가스 유량 및 분압을 파라미터로 사용할 수 있으며, 과전압을 분석하기 위해 반응물 가스 첨가(RA) 법을 사용하였다. 연료극 과전압은 H₂ 와 H₂O 의 물질전달 유발 과전압으로 구성된 것으로 확인되었다. H₂O 은 연료극 과전압의 대부분을 차지하는 것을 알 수 있었다. 따라서, 연료극 반응은 측정된 전류 범위, 즉 0 - 15 A 에서 H₂ 에 비해 극심한 H₂O 유발 물질전달 저항 하에 있다고 할 수 있다. RA 방법은 공기극 과전압이 주로 고체상이 아닌 기체상을 통한 물질전달에서 O₂ 종의 결핍에 기인한다는 것을 보여주었다. 또한 공기극 과전압과 연료극 과전압은 모두 가스 유량 및 이용률에 의존하여 상당한 기상 물질전달 효과가 있음을 나타내었다.