An anode-supported SOFC single cell having $5{\mu}m$ thin electrolyte was fabricated cost-effectively by tape casting, laminating, and co-filing of anode (NiO-YSZ), cathode (LSM-YSZ), and electrolyte (YSZ) components. The optimal slurry compositions of the green tapes for SOFC components were determined by an analysis of the mean diameter, the slurry viscosity, the tensile strength/strain of the green tapes, and their green microstructures. The single cells with a dense electrolyte and porous electrodes could be co-fired successfully at $1325\sim1350^{\circ}C$ by controlling the contents of pore former and the ratio of coarse YSZ and fine YSZ in the anode and the cathode. The single cell co-fired at $1350^{\circ}C$ showed $100.2mWcm^{-2}$ of maximum power density at $800^{\circ}C$ but it was impossible to apply it to operate at low temperature because of low performance and high ASR, which were attributed to formation of the secondary phases in the cathode and the interface between the electrolyte and the cathode.
Anode-supported flat tubular solid oxide fuel cell (SOFC) was investigated to increase the cell power density. The anode-supported flat tube was fabricated by extrusion process. The porosity and pore size of Ni/YSZ ($8mol\%$ yttria-stabilized zirconia) cermet anode were $50.6\%\;and\;0.23{\mu}m$, respectively. The Ni particles in the anode were distributed uniformly and connected well to each other particles in the cermet anode. YSZ electrolyte layer and multilayered cathode composed of $LSM(La_{0.85}Sr_{0.15})_{0.9}MnO_3)/YSZ$ composite, LSM, and $LSCF(La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.7}O_3)$ were coated onto the anode substrate by slurry dip coating, subsequently. The anode-supported flat tubular cell showed a performance of $300mW/cm^2 (0.6V,\; 500 mA/cm^2)\;at\;500^{\circ}C$. The electrochemical characteristics of the flat tubular cell were examined by ac impedance method and the humidified fuel enhanced the cell performance. Areal specific resistance of the LSM-coated SUS430 by slurry dipping process as metallic interconnect was $148m{\Omega}cm^2\;at\;750^{\circ}C$ and then decreased to $148m{\Omega}cm^2$ after 450hr. On the other hand, the LSM-coated Fecralloy by slurry dipping process showed a high area specific resistance.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.34
no.3
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pp.317-324
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2010
Metal-supported solid oxide fuel cells (SOFCs) have been developed to commercialize SOFCs. This new type of SOFC has high mechanical strength, but its mass transfer rate may be low due to the presence of a contact layer. In this study, the mass transfer characteristics of an anode-supported SOFC and a metal-supported SOFC are studied by performing numerical simulation. Governing equations, electrochemical reactions, and ceramic physical-property models are determined simultaneously; molecular diffusion and Knudsen diffusion are considered in mass transport analysis of porous media. The experimental results are compared with simulation data to validate the results of numerical simulation. The average current density of the metal-supported SOFC is 23% lower than that of the anode-supported SOFC. However, because of the presence of the contact layer, the metal-supported SOFC has a more uniform distribution than the anode-supported SOFC.
Hwang, Kuk-Jin;Kim, Min Kyu;Kim, Hanbit;Shin, Tae Ho
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.32
no.6
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pp.501-506
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2019
To overcome the limitations of the conventional Ni anode-supported SOFCs, various types of ceramic anodes have been studied. However, these ceramic anodes are difficult to commercialize because of their low cell performances and difficulty in manufacturing anode-support typed SOFCs. Therefore, in this study, to use these ceramic anodes and take advantage of anode-supported SOFC, which can minimize ohmic loss from the thin electrolyte, we fabricated cathode support-typed SOFC. The cathode-support of LSCF-YSZ was prepared by the acid treatment of conventional Ni-YSZ (Yttria-stabilized Zirconia) anode-support, followed by the infiltration of LSCF to YSZ scaffold. The composite of $La(Sr)Ti(Ni)O_3$ and $Ce(Mn,Fe)O_2$ was used as the ceramic anode. The fabricated cathode-supported button cell showed a relatively low power density of $0.207Wcm^{-2}$ at $850^{\circ}C$; however, it is expected to show better performance through the optimization of the infiltration rate and thickness of LSCF-YSZ cathode-support layer.
Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) have received considerable attention because of the advantages of high effiiciency, low pollution, cogeneration application and excellent integration with simplified reformer In this paper, we reported development of anode-tubular SOFC by wet process. For making tubular cell, Ni-cermet YSZ anode tube was fabricated using extrusion process, and YSZ electrolyte layer and LSM-YSZ composite, LSM, LSCF cathode layer were coated onto the anode supported tube using slurry dipping process and sintered by co-firing process. By using this tubular cell, we fabricated single cell consisted of the various cathode layers and 4 cell stack with an effective area of $75 cm^2$ per single cell, and evaluated their performance characteristics.
KEPRI has studied anode-supported planar SOFCs and kW class stacks operated at intermediate temperature for development of a combined heat and power unit. A single cell composed of Ni-YSZ/FL/ScSZ/LSCF showed the maximum power density of 0.55 W/$cm^2$ at $650^{\circ}C$ and 1.8 W/$cm^2$ at $750^{\circ}C$. With 37 cells of 10${\times}10cm^2$ and stainless steel interconnects, a 1kW class SOFC stack was manufactured. When a 1kW class SOFC system was operated at $750^{\circ}C$ with city gas, it showed the power output of 1.3 kWe at 50 A. It also recuperated heat of 0.57-1.2 kWth according to the loaded current through combustion of unreacted anode off-gas. Recently, KEPRI is developing a new kW class SOFC stack and system to increase efficiency and durability at intermediate temperature.
Park, Eon-Woo;Moon, Hwan;Lee, Jong-Jin;Hyun, Sang-Hoon
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.45
no.12
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pp.807-814
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2008
The Cu-Ni-YSZ cermet anodes for direct use of methane in solid oxide fuel cells have been fabricated by electroplating Cu into the porous Ni-YSZ cermet anode. The uniform distribution of Cu in the Ni-YSZ anode could be obtained via pulse electroplating in the aqueous solution mixture of $CuSO_4{\cdot}5H_{2}O$ and ${H_2}{SO_4}$ for 30 min with 0.05 A of average applied current. The power density ($0.17\;Wcm^{-2}$) of a single cell with a Cu-Ni-YSZ anode was shown to be slightly lower in methane at $700^{\circ}C$, compared with the power density ($0.28\;Wcm^{-2}$) of a single cell with a Ni-YSZ anode. However, the performance of the Ni-YSZ anode-supported single cell was abruptly degraded over 21 h because of carbon deposition, whereas the Cu-Ni-YSZ anode-supported single cell showed the enhanced durability upto 52 h.
Mechanical and electrical performance of anode-supported SOFC single cells were analyzed after thermal cyclic operation. The experiments of thermal cyclic cell-operation were carried out four times and performance of each cell was measured at different temperatures of 650, 700, and $750^{\circ}C$, respectively. As increasing the number of thermal cycle test, single cells showed poor I-V characteristics and lower 4-point bending strength. The anode polarization was also measured by AC-impedance analysis. The observation of the microstructure of the anodes in single cells proved that the average particle size of Ni decreased and the porosity of anode increased. It is thought that the thermal cycle caused the degradation of performance of single cells by reducing the density of three-phase boundary region.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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