Kim, Young-Jin;Park, Sang-Kyun;Roh, Gill-Tae;Kim, Mann-Eung
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.35
no.4
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pp.414-420
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2011
Thermal stress analysis of a planar anode-supported SOFC considering electrochemical reactions has been performed under operating conditions where average current density varies from 0 to 2000 $A/m^2$. For the case of the 2000 $A/m^2$ operating condition, Structural stress analysis based on the temperature distributions obtained from the CFD analysis of the unit cell has also been done. From this one way Fluid-Structure Interaction(FSI) analysis, Maximum Von-Mises stress under negligible temperature gradient fields occurs when cell components are perfectly bonded. The maximum stress of the electrolyte, cathode and anode in a unit cell SOFC is 262.58MPa, 28.55MPa and 15.1MPa respectively. The maximum thermal stress is critically dependent on static friction coefficient.
In the present work, the operating parameters were optimized using Box Behnken Design (BBD) in response surface methodology (RSM) to maximize the hydrogen production rate (R1) and hydrogen production rate per unit watt consumed (R2) of a proton exchange membrane electrolysis cell (PEMEC), a third response (R3) which was the sum of the scaled values of R1 and R2 were selected to be maximized so that both hydrogen production rate and hydrogen production rate per unit watt consumed could be maximized. The major parameters which were influencing the experiment for enhancing the output responses were oxygen electrode/anode electrocatalyst loading (A), current supplied (B) and water inlet temperature (C). The commercial proton exchange membrane Nafion® was used as the electrolyte. The acetylene black carbon (CAB) supported IrO2 was used as the electrocatalyst for preparing oxygen electrode/anode whereas commercial Pt (40 wt%)/CHSA was used as the H2 electrode/cathode electrocatalyst. The quadratic model was developed to predict the output/ responses and their proximity to the experimental output values. The developed model was found to be significant as the P values for both the responses were < 0.0001 and F values were greater than 1. The optimum condition for both the responses were O2 electrode/anode electrocatalyst loading of 1.78 mg/cm2, supplied current of 0.33 A and water inlet temperature of 54℃. The predicted values for hydrogen production rate (R1) and hydrogen production rate per unit watt consumed (R2) were 2.921 mL/min and 2.562 mL/(min·W), respectively obtained from the quadratic model. The error % between the predicted response values and experimental values were 1.47% and 3.08% for R1 and R2, respectively. This model predicted the optimum conditions reasonably in good agreement with the experimental conditions for the enhancement of the output responses of the developed PEM based electrolyser.
In this research, $5\times5cm^2$ unit cells were fabricated via liquid condensation process and uniaxial pressing followed by the screen printing of electrolyte and cathode layer. The SOFC stack was assembled with unit cells, gasket-type sealant and metal interconnect. The stack was designed to have a single column with internal-manifold and cross-flow type gas-channels. The SOFC stack produced 15 W, which is $50\%$ of the maximum power being expected from the maximum power density of the unit cell. Controlling factors for the proper operation of the SOFC stack and other designing factors of stack manifold and gas channels were discussed.
The solid oxide fuel cell (SOFC) has attracted great deal of attention due to its high electrical efficiency, high waste-heat utilization, fuel flexibility, and application versatility. However, SOFC technology is still not matured enough to fulfill the practical requirements for commercialization. Therefore, all the research and development activities are mainly focused on a development of practically viable SOFCs with higher performance and better reliability. We were successful in fabricating high-performance anode-supported unit cells by employing hierarchically controlled multi-layered electrodes for both structural reliability and high performance. In addition, a novel composite sealing gasket made it possible to achieve excellent sealing integrity even with considerable surface irregularities in a multi-cell planar arrayed stack.
A 3-cell stacked anode-supported solid oxide fuel cell was designed and fabricated to achieve a complete gas seal and the facile stacking of components. The stack was assembled with a unit cell with $10{\times}10cm^2$ area, and each cell was interconnected by a stainless steel 430 separator using a proprietary sealant sheet. The stack performance was examined at various gas flow rates of $H_2+3.5vol%\;H_2O$, and air at a fixed temperature of $800^{\circ}C$. No gas leakage was found from the sealing between cells and inter-connects within a measurement system in this research during a prolonged time of 500 h in operation. The test resulted in an open circuit voltage of 3.12 V, a peak power of 149 W, and a power density of $0.61W/cm^2$, while the long term durability of the power showed 19.1% degradation during the prolonged time of 500 h when tested at $800^{\circ}C$.
Kim, Hyoung-Chul;Park, Jong-Ku;Jung, Hwa-Young;Son, Ji-Won;Kim, Joo-Sun;Lee, Hae-Weon;Lee, Jong-Ho
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.43
no.5
s.288
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pp.299-303
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2006
In this paper, anode supported SOFC with columnar structured YSZ electrolyte was fabricated via Electron Beam Physical Vapor Deposition (EBPVD) method. Liquid condensation process was employed for the preparation of NiO-YSZ substrate and the high power electron beam deposition method was used for the deposition of YSZ electrolyte film. Double layered cathode with LSM-YSZ and LSM was printed on electrolyte via screen-printing method and fired at $1150^{\circ}C$ in air atmosphere for 3 h. The electrochemical performance and the long-term stability of $5{\times}5cm^2$ single cell were investigated with DC current-voltage characteristics and AC-impedance spectroscopy. According to the investigation, $5{\times}5cm^2$ sized unit cell showed the maximum power density of around $0.76W/cm^2$ at $800^{\circ}C$ and maintained the stable performance over 400 h.
It has been considered to apply GDC ($Gd_{0.1}Ce_{0.9}O_{1-X}$) for low-temperature SOFC electrolytes because it has higher ionic conductivity than YSZ at low temperature. However, open circuit voltage with using GDC ($Gd_{0.1}Ce_{0.9}O_{1-X}$) electrolyte in SOFCs, becomes lower than using YSZ (8 mol% Yttria stabilized Zirconia) electrolyte because GDC has electronic conductivity. In this work, the effect of changing GDC electrolyte thickness on the open circuit voltage has been investigated. Ni-GDC anode-supported unit cells were fabricated as follows. Mixed NiO-GDC powders were pressed and pre-sintered at $1200^{\circ}C$. And then, GDC electrolyte material was dip-coated on the anode and sintered at $1400^{\circ}C$. Finally the LSCF-GDC cathode material was screen-printed on the electrolyte and sintered at $1000^{\circ}C$. Electrolyte thickness was controlled by the number of dip-coating times. Open circuit voltage was measured depending on electrolyte thickness at $650^{\circ}C$ and found that the thicker GDC electrolyte was, the better OCV was.
One of the most critical issues in sol id oxide fuel cell (SOFC)running on hydrocarbon fuels is the risk of carbon formation from the fuel gas. The simple method to reduce the risk of carbon formation from the reactions is to add steam to the fuel stream, leading to the carbon gasification react ion. However, the addition of steam to fuel is not appropriate for the auxiliary power unit (APU) and potable power generation (PPG) systems due to an increase of complexity and bulkiness. In this regard, many researchers have focused on so-called 'direct methane' operation of SOFC, which works with dry methane without coking. However, coking can be suppressed only by the operation with a high current density, which may be a drawback especially for the APU and PPG systems. The single chamber fuel cell (SC-SOFC) is a novel simplification of the conventional SOFC into which a premixed fuel/air mixture is introduced. It relies on the selectivity of the anode and cathode catalysts to generate a chemical potential gradient across the cell. Moreover it allows compact and seal-free stack design. In this study, we fabricated honeycomb type mixed-gas fuel cell (MGFC) which has advantages of stacking to the axial direction and increasing volume power density. Honeycomb-structured SOFC with four channels was prepared by dry pressing method. Two alternative channels were coated with electrolyte and cathode slurry in order to make cathodic reaction sites. We will discuss that the anode supported honeycomb type cell running on mixed gas condition.
We analyzed the unit cell performance against the cathode porosity, which is supposed to be closely related with active sites for the cathode reaction. In order to fabricate the unit cells with different porosity in the cathode layer we changed the mixing ratio of fine and coarse LSCF cathode powders. The final porosity of each cathode layer was 14, 23, 27, $39\%$ respectively. According to the electrochemical analysis of unit cell performance via DC current interruption and AC impedance method, the electrodic polarization resistance was diminished as the cathode porosity increased. The decrease of polarization resistance was attributed due to the increase of active reaction sites and the enhancement of overall unit cell performance could be explained in the same line.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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