Shin, Hyeong Cheol;Yu, Ji Haeng;Lim, Kyoung Tae;Lee, Hee Lak;Baik, Kyeong Ho
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.53
no.5
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pp.500-505
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2016
Scandia-stabilized zirconia co-doped with $CeO_2$ is a promising electrolyte for intermediate temperature SOFC, but still shows rapid degradation during a long-term operation. In this study, $CeO_2$ (1 mol%) as a stabilizer is partially substituted with lanthanum oxides ($M_2O_3$, M=Yb, Gd, Sm) to stabilize a cubic phase and thus durability in reducing atmosphere. 0.5M0.5Ce10ScSZ electrolytes were prepared by solid state reaction and sintered at $1450^{\circ}C$ for 10 h to produce dense ceramic specimens. With addition of the lanthanum oxide, 0.5M0.5Ce10ScSZ showed lower degradation rates than 1Ce10ScSZ. Since $Gd_2O_3$ showed the highest ionic conductivity among the co-dopants, an electrolyte-supported cell with 0.5Gd0.5Ce10ScSZ was prepared to compare its long-term performance with that of 1Ce10ScSZ-based cell. Maximum power density of 0.5Gd0.5Ce10ScSZ-based cell was degraded by about 2.3% after 250 h, which was much lower than 1Ce10ScSZ-based cell (4.2%).
Oxygen ionic conductors of CeScSZ electrolyte in SOFC unit cell are applied to anode and cathode as well as electrolyte to have the triple-phase-boundaries of electrochemical reaction, and it is required to decrease the sintering temperature of anode-supported electrolyte by the nanoscale of CeScSZ electrolyte powder. In this report, nanoscale CeScSZ electrolyte powder was synthesized by chemical synthesis method. The particle size, surface area and morphology of the powder were observed by SEM and BET. Thin film electrolyte of under $10{\mu}m$ was fabricated by tape casting using the synthesized CeScSZ electrolyte powder, and ionic conductivity and gas permeability of electrolyte film were evaluated. Finally the SOFC unit cell was fabricated using the anode-supported electrolyte prepared by a tape casting method and co-sintering, in which the active layer, measuring $20{\mu}m$, was introduced in the anode layer to provide a more efficient reaction. Electrochemical evaluations of the SOFC unit cell, including measurements such as power density and impedance, were performed and analyzed.
A symmetrical LSCF $(La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_{3-\delta})\;ScSZ(89ZrO_2-10Sc_2O_3-1CeO_2)/LSCF$ electrochemical cell with a GDC (Gadolinium-Doped Ceria, $90CeO_2-10Gd_2O_3$) interlayer that was inserted between the LSCF cathode and ScSZ electrolyte was fabricated, and the electrochemical performance of these cells was evaluated. The GDC interlayer was deposited on a ScSZ electrolyte using a screen-printing technique. The GDC interlayer prevented the unfavorable solid-state reactions at the LSCF/ScSZ interfaces. The LSCF cathode on the GDC interlayer had excellent electrocatalytic performance even at $650^{\circ}C$. The Area Specific Resistance (ASR) was strongly dependent on the thickness and heat-treatment temperature of the GDC interlayer. The impedance spectra showed that the cell with a $15\~27{\mu}m$ thick GDC interlayer heat-treated at $1200^{\circ}C$ had the lowest ASR.
In this study, the effects of small amounts (${\leq}3\;mol%$) of Li doping on the sintering characteristics and electrochemical performance of $(ZrO_2)_{0.89}(ScO_{1.5})_{0.1}(CeO_2)_{0.01}$ (ScSZ) were investigated. By adding 3 mol% lithium, the densification temperature of ScSZ was reduced from the conventional temperature of $1400^{\circ}C$ to $1200^{\circ}C$. It was found that Li doping also led to changes in the Zr:Sc ratio at the grain boundaries. Correspondingly, the dispersion of lithium zirconia at the grain boundaries accelerated the growth of ScSZ grains and increased the grain boundary resistance at temperatures below $450^{\circ}C$. At elevated temperatures of $450{\sim}750^{\circ}C$, the electrical conductivity of the ScSZ after doping remained almost unchanged under air and reducing atmospheres. These results suggest that the addition of lithium is promising for use in low temperature co-firing of ScSZ-based components for intermediate temperature solid oxide fuel cells.
The optimal fabrication conditions for $Gd_{0.1}Ce_{0.9}O_{2-{\delta}}$(GDC) buffer layer and $La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_{3-{\delta}}$ (LSCF) cathode on 1mol% $CeO_2-10mol%\;Sc_2O_3$ stabilized $ZrO_2$ (CeScSZ) electrolyte were investigated for application of IT-SOFCs. GDC buffer layer was used in order to prevent undesired chemical reactions between LSCF and CeScSZ. These experiments were carried out with $5{\times}5cm^2$ anode supported unit cells to investigate the tendencies of electrochemical performance, Microstructure development and interface reaction between LSCF/GDC/CeScSZ along with the variations of GDC buffer layer thickness, sintering temperatures of GDC and LSCF were checked, respectively. Electrochemical performance was analyzed by DC current-voltage measurement and AC impedance spectroscopy. Microstructure and interface reaction were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). Although the interfacial reaction between these materials could not be perfectly inhibited, We found that the cell, in which $6{\mu}m$ GDC interlayer sintered at $1200^{\circ}C$ and LSCF sintered at $1000^{\circ}C$ were applied, showed good interfacial adhesions and effective suppression of Sr, thereby resulting in fairly good performance with power density of $0.71W/cm^2$ at $800^{\circ}C$ and 0.7V.
[ $(Ba_{0.5}Sr_{0.5})_{0.99}Co_{x}Fe_{1-x}O_{3-{\delta}}$ ] [x=0.8, 0.2](BSCF) powders were synthesized by a Glycine-Nitrate Process (GNP) and the electrochemical performance of the BSCF cathode on a scandia stabilized zirconia, $[(Sc_{2}O_3)_{0.11}(ZrO_2)_{0.89}]-1Al_{2}O_3$ was investigated. In order to prevent unfavorable solid-state reactions between the cathode and zirconia electrolyte, a GDC ($Gd_{0.1}Ce_{0.9}O_{2-{delta}}$) buffer layer was applied on ScSZ. The BSCF (x = 0.8) cathode formed on GDC(Buffer)/ScSZ(Disk) showed poor electrochemical property, because the BSCF cathode layer peeled off after the heat-treatment. On the other hand, there were no delamination or peel off between the BSCF and GDC buffer layer, and the BSCF (x = 0.2) cathode exhibited fairly good electrochemical performances. It was considered that the observed phenomenon was associated with the thermal expansion mismatch between the cathode and buffer layer. The ohmic resistance of the double layer cathode was slightly lower than that of the single layer BSCF cathode due to the incorporation of platinum particle into the BSCF second layer.
[ $Bi_xCe_{l-x}O_{2-x/2}$ ](BD C : Bismuth Doped Ceria) powders with x = 0.1, 0.2, and 0.3 were synthesized using the Glycine Nitrate Process (GNP). They were then calcined at $500^{\circ}C$ for 2 hand sintered in a pellet or rod form at 900, 1000 or $1100^{\circ}C$ for 4 h for characterization as the alternative electrolyte material for intermediate temperature solid oxide fuel cells. The BDC powder consisted of a single phase of $CeO_2-Bi_2O_3$ solid solution in the as-synthesized state as well as in the as-calcined state with a mean powder size of 4.5nm in the former state and 6.5 - 10.1nm in the latter. On the contrary, the second phase of $\alpha-Bi_2O_3$ was observed to have been formed in the sinter with its amount increasing roughly with increasing temperature or $Bi_2O_3$ content. The BOC powder was superior in sinterability to other alternative electrolyte materials such as GDC, ScSZ, and LSGM with the minimum sintering temperature for a relative density of $95\%$ or larger as low as $1100^{\circ}C$. The ionic conductivity of BOC increased with $Bi_2O_3$ content and the maximum value of 0.119 S/cm was obtained at $800^{\circ}C$ for $Bi_{0.3}Ce_{0.7}O_{1.85}$.
Solid oxide fuel cells are clean, pollution-free technology for the electrochemical generation of electricity at high efficiency. Specially, the polarization resistance between electrolyte and electrode of SOFC unit cell is of importance, because it is desirable to develop SOFC operating at intermediate temperature below $800^{\circ}C$. The LSCF cathode prepared using modified oxalate method was investigated with different electrolyte. A precursor was prepared with oxalic acid, ethanol and $NH_4OH$ solution. The LSCF precursor was prepared at $80^{\circ}C$, and pH control was 2, 6, 8, 9 and 10. The precursor powder was calcined at $800^{\circ}C$, $1000^{\circ}C$ and $1200^{\circ}C$ for 4hrs. The crystal of LSCF powders show single phase at pH 2, 6, 8 and 9, and the average particle size was about $3{\mu}m$. The LSCF cathode with heat treatment at $1200^{\circ}C$ showed a plot of electric conductivity versus temperature. Unit cell prepared from the LSCF cathode, buffer layer between cathode and electrolyte and the LSGM, YSZ, ScSZ and CeSZ electrolyte. Also interface reaction between LSCF, buffer layer and electrolyte were measured by EPMA and the polarization resistance for unit cell with cycle measure using a Solatron 1260 analyzer.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2006.06a
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pp.30-31
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2006
The LSCF cathode for Solid Oxide Fuel Cell was investigated to develop high performance unit cell at intermediate temperature by modified oxalate method with different electrolyte. The LSCF precursors using oxalic acid, ethanol and $NH_4OH$ solution were prepared at $80^{\circ}C$, and pH was controlled as 2, 6, 7, 8, 9 and 10. The synthesis precursor powders were calcined at $800^{\circ}C$, $1000^{\circ}C$ and $1200^{\circ}C$ for 4hrs. Unit cells were prepared with the calcined LSCF cathode, buffer layer between cathode and each electrolyte that is the LSGM, YSZ, ScSZ and CeSZ. The synthesis LSCF powders by modified oxalate method were measured by scanning electron microscope and X-ray diffraction. The interfacial polarization resistance of cell was characterized by Solatron 1260 analyzer. The crystal of LSCF powders show single phase at pH 2, 6, 7, 8 and 9, and the average particle size was about $3{\mu}m$. The electric conductivity of synthesis LSCF cathode which was calcined at $1200^{\circ}C$ shows the highest value at pH 7. The cell consist of GDC had the lowest interfacial resistance (about 950 S/cm@650) of the cathode electrode. The polarization resistance of synthesis LSCF cathode by modified oxalate method has the value from 4.02 to 7.46ohm at $650^{\circ}C$. GDC among the electrolytes, shows the lowest polarization resistance.
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