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.
Composites of LSCF($La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_{3-\delta}$ and CGO(gadolinium doped ceria) is an efficient candidate cathode material with CGO electrolytes. In this study, LSCF with exact perovskite structure was synthesized by using solid state reaction(SSR) method. The optimized temperature to synthesize $La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_{3-\delta}$ with rhombohedral structure. was $1100^{\circ}C$. The polarization resistance of the LSCF/CGO(50:50 wt.%) was smaller than those of other composite cathodes. The analysis of the EIS data of LSCF/CGO suggests that the diffusion and adsorption-desorption of oxygen can be the key process in the cathodic reaction of SOFC using LSCF/CGO as cathode material.
A new process to fabricate a composite LSCF-Ag cathode material for SOFCs by electron beam (e-beam) irradiation process has been suggested for operation under intermediate temperature range of $600-700^{\circ}C$. A composite LSCF-Ag cathode with uniformly coated Ag nanoparticles on the surface of the LSCF material was prepared by a facile e-beam irradiation method at room temperature. The morphology of the composite LSCF-Ag material was analyzed using a TEM, FE-SEM, and EDS. The prepared composite LSCF-Ag material can play a significant role in increasing the electro-catalytic activities and reducing the operating temperature of SOFCs. The performance of a tubular single cell prepared using the composite LSCF-Ag cathode, YSZ electrolyte and a Ni/YSZ anode was evaluated at reduced operating temperature of $600-700^{\circ}C$. The micro-structure and chemical composition of the single cell were investigated using a FE-SEM and EDS.
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.
혼합전도체 산화물, LSCF의 전극반응점 분포에 따른 분극현상을 관찰하기 위해 다공성 양극의 기공률을 변화시켜가며 분극특성을 관찰하였다. 전극의 기공률을 달리하기 위해 크기가 다른 두 종류의 LSCF 분말들을 혼합비를 달리하여 사용하였으며 GDC 전해질 기판에 스크린 인쇄법을 통해 전극을 구성한 후 반쪽전지 실험을 수행하였다. 제조된 후막전극의 기공률은 화상 분석법을 통해 측정하였으며 전극의 전체 비표면적을 유추하기 위해 2차원 이미지에서의 기공의 둘레 길이를 측정하였다. 교류 임피던스법을 이용해 분극 특성을 관찰한 결과 혼합전도체인 LSCF 양극에서의 전극반응은 i) 양극표면에서 이온화된 산소이온이 전해질과의 삼상계면까지 이동해 오는 단계, ii) 이동해온 산소이온이 양극으로부터 전해질로 전달되는 반응단계에 의해 제어됨을 알 수 있었다. 이러한 양극에서의 분극은 기공률의 증가에 따라 전극 반응에 필요한 활성 표면이 증가됨으로써 줄어드는 것을 알 수 있었다.
STS444 with or without $La_{0.9}Sr_{0.1}MnO_3$ (LSM)-coating was contacted to $La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_3$ (LSCF) cathode on various electrolyte materials and the polarization resistance $(R_p)$ was measured by impedance spectroscopy. By making a symmetric half-cell and contacting only one side of the cathode with the interconnect, the effect of chromium (Cr) poisoning was separated from the aging effects. When the LSCF cathode was contacted with LSM-coated STS (stainless steel), $R_p$ of LSCF was lower than that contacted with the uncoated STS. Impedance patterns measured for the working electrode (W.E.), the counter electrode (C.E.) at $600^{\circ}C$ in air were analyzed. Normalized data of net Cr effect showed that $Ce_{0.9}Gd_{0.1}O_2$ (GDC) electrolyte is more tolerant to the chromium poisoning than $La_{0.9}Sr_{0.1}Ga_{0.8}Mg_{0.2}$ (LSGM) or 8 mol% $Y_2O_3-doped$$ZrO_2$ (YSZ) electrolytes.
$Gd_2O_3$-doped $CeO_2$ (GDC) and $La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_3$ (LSCF) composite cathode materials were prepared in order to be applied to intermediate-temperature solid oxide fuel cells. The electrochemical polarization was evaluated using ac impedance spectroscopy involving geometric restriction at the interface between an ionic electrolyte and a mixed-conducting cathode. In order to optimize the cathode composites applicable to a GDC electrolyte, the cathode composites were evaluated in terms of polarization losses with regard to a given electrolyte, i.e., GDC electrolyte. The polarization increased significantly with decreasing temperature and was critically dependent on the compositions of the composite cathodes. The optimized cathode composite was found to consist of GDC 50 wt% and LSCF 50 wt%; the corresponding normalized polarization loss was calculated to be 0.64 at $650^{\circ}C$.
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.
Nie, Lifang;Liu, Ze;Liu, Mingfei;Yang, Lei;Zhang, Yujun;Liu, Meilin
Journal of Electrochemical Science and Technology
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제1권1호
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pp.50-56
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2010
$La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_{3-\delta}$ (LSCF) powders with different particle sizes, synthesized through a citrate complexation method and a gel-casting technique, are used to fabricate porous LSCF cathodes with graded microstructures via tape casting. To create porous electrodes with desired porosity and pore structures, graphite and starch are used as pore former for different layers of the graded cathode. Examination of the microstructures of the as-prepared LSCF cathode using an SEM revealed that both grain size and porosity changed gradually from the catalytically active layer (near the electrodeelectrolyte interface) to the current collection layer (near the electrode-interconnect interface). Impedance analysis showed that a 3-layer LSCF cathode with graded microstructures exhibited much-improved performance compared to that of a single-layer LSCF cathode, corresponding to interfacial resistance of 0.053, 0.11, and 0.27 $\Omega{\cdot}cm^2$ at 800, 750, and $700^{\circ}C$ respectively.
Electrochemical measurement using a LSCF6428 electrode was performed to estimate the oxygen potential gradient in the electrode layer and a long time stability test was performed by applied potential to learn the overpotential effect on the LSCF6428 electrode. By fitting the observed impedance spectra, it was obtained that the amount of faradic current decreased with distance from cathode/electrolyte interface. Oxygen potential gradient was estimated to occur within 1 um region from the cathode/electrolyte interface at an oxygen partial pressure of 10-1 bar. The segregation of cation rich phases in the LSCF6428 electrode suggests that kinetic decomposition took place. However, impedance response after applying the potential showed no changes in the electrode compared with before applying potential. The obtained results suggest that segregation of a secondary phase in a LSCF6428 cathode is not related to performance degradation for solid oxide fuel cells (SOFCs).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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