This study was conducted to develop insulation for solid oxide fuel cell (SOFC). The developed insulation is based on the lamination technology and the radiation shielding technology of the satellite insulation. The insulation material is consisting of insulation material for conduction resistance, spacer, and radiation shielding material. The experimental apparatus consisting vacuum bell jar, pump, heater and temperature recording device has developed to verify the performance of the insulation. The experimental values were used as reference data for the modeling development. In this paper, heat transfer is assumed to be one- dimensional phenomena for the prediction of insulation performance and internal temperature distribution in high temperature region of SOFC. The developed model was used to compare the performance difference of insulation types according to composition materials. The analysis result shows that the insulation including spacer and radiation shielding has better heat insulation performance than other cases. In this study, the thickness reduction effect of about 20% was shown compared to the insulation including only conductive material. It is noted that the radiant shielding material should be carefully selected for durability, because SOFC insulation should be used for a long time at high temperature.
This study presents a novel way to enhance uniformity of the gas flow inside the solid oxide fuel cell (SOFC), which is critically important to fuel cell performance, by using dimples. A pattern of dimple, which works as a flow distributor/collector, is designed at the inlet and outlet section of a straight channel gas separator. Size of the dimples and the gap between them were changed to optimize the flow uniformity, and any change in size or gap is considered as one design. The results show that some dimple patterns significantly enhance the uniformity compared to baseline, about 4%, while the others slightly reduce it, about 1%. Besides, the dimple pattern also affects to the pressure drop in the flow channel, however the pressure drop in all cases are negligible (less than 26.4 Pa).
Current collectors of SOFC play a significant role on the performance of power generation. In this study a single cell stacked SOFC was assembled using Ag-mesh as a cathode current collector, and evaluated its performance. No gas leakages of the single cell stack occurred in the tests of gas detection and OCV measurement. The OCV and initial power of the stack were 1.09V and $0.45W/cm^2$, respectively, under the flow rates of air at 2,500 cc/min and $H_2$ at 1,000 cc/min at the test temperature of $750^{\circ}C$. A degradation rate of 44.0% was measured during the prolonged time of 307 h. The relatively low durability of the tested single cell stack was found to be the evaporation of Ag-mesh at the current corrector.
연료전지는 전기화학반응을 이용한 발전 장치로서 기존 장치에 비하여 발전 효율이 높아 화석연료를 사용하면서 현재 당면 과제인 $CO_2$ 배출량 절감이 가능하고, 환경 보전성이 우수하여 미래의 전원으로 많은 연구개발이 진행되고 있다. 특히 제3세대 연료전지라 불리는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell이하 SOFC)는 고가의 외부 개질 장치 없이도 연료가 갖는 화학에너지를 연소과정 없이, 공기와 $H_2$, CO, $CH_4$와 같은 환원성 가스를 공급받아 $600{\sim}1000^{\circ}C$에서 전기화학적 반응을 통하여 직접 전기를 얻는 방식이며, 낮은 소음과 진동으로 인하여 온 사이트(On-site) 발전이 가능한 장점이 있는 연료전지이다. Decalcomanie는 전사용지에 Screen printing하여 건조 후 coating하는 방법으로 기존의 여러 coating 방법보다 다전지셀 제작이나 Buffer layer의 적용이 용이하고, 소재의 크기나 두께조절이 간편하며, 구성층의 표면조도나 굴곡에 대응이 용이한 방법이다. 새로운 Decalcomanie를 사용하여 평관형 다전지식 SOFC Cell 제작 및 각 Buffer layer에 적용, Screen printing법과 동일한 Cell 제조 후 MPD와 Impedance 분석을 통하여 Support 위에 전사지를 이용, 적층한 Cell의 전기화학적 특성에 관하여 분석하였다.
In order to reduce the costs and to improve the durability of solid oxide fuel cell (SOFC), the operating temperature should be decreased while the power density is maintained as much as possible. However, lowering the operating temperature increases the cathode interfacial polarization resistances dramatically, limiting the performance of low-temperature SOFC at especially purely electronic conducting cathode. To improve cathode performance at low temperature, the number of reaction sites for the oxygen reduction should be increased by using a mixed ionic and electronic conducting (MIEC) material. In this study, anode-supported fuel cells with two different thicknesses of the MIEC cathode were fabricated and tested at various operating temperatures. The anode supported cell with $32.5{\mu}m$-thick BSCFZn-LSCF cathode layer showed much lower polarization resistance than that with $3.2{\mu}m$ thick cahtode and higher power density especially at low temperature. The effects of cathode layer thickness on the electrochemical performance are discussed with analysis of impedance spectra.
Enhancing the oxygen surface exchange reaction by increasing the specific surface area of the electrode is a promising structural approach to lowering the operating temperature of solid oxide fuel cells (SOFCs). Nanowire structures, due to their high specific surface area and lower tortuosity of ion and electron conduction pathways, play a vital role in enhancing SOFC electrode performance. In this study, we synthesized La0.6Sr0.4CoO3-𝛿 (LSC) nanowires using a polycarbonate membrane filter as a nanotemplate and applied them to the cathode for intermediate-temperature SOFC fabrication. The fabricated cell exhibited a 10% increase in peak power density at 650℃, achieving 0.506 W·cm-2, compared to cell using only commercial LSC powder. Furthermore, distribution of relaxation times analysis revealed a 15% reduction in area-specific polarization resistance in the mid-frequency range. These findings demonstrated that the electrode with LSC nanowires fabricated through electrospray deposition can significantly improve electrochemical performance of intermediate-temperature SOFC.
Recently, eco-friendly sources of energy by fuel cells that use hydrogen as an energy source has emerged as the next generation of energy to solve the problem of environmental issues and exhaustion of energy. A solid oxide fuel cell(SOFC) classified based on the type of ion transfer mediator electrolyte has actively being researched. However, the reliability according to the thermal cycle is low during the operation of the fuel cell, and deformation problem comes from the difference in thermal expansion coefficient between the electrode material, the components made of ceramic material is also brittle, which means disadvantages in terms of the strength. Therefore, in this study, considering the states of the manufacturing and operating of SOFC single cells, the stress analyses in the each of the interfacial layer between the anode, electrolyte and the cathode were performed to get the basic data for reliability assessment of SOFC. The obtained results show that von Mises stress according to the thickness direction on operating state occurred maximum stress value in the electrolyte layer. And also the stresses inside the active area on a distance of 1 ${\mu}m$ from the electrode interface were estimated. Futhermore the evaluation was done for the variation of the stress according to the stage of the operation divided into three stages of manufacturing, stack, and operating.
고체 산화물 연료전지의 연료로 암모니아를 사용하는 것은 고효율, 환경 친화성, 보관 및 운송의 용이성으로 인해 주목받고 있다. 암모니아 활용 SOFC 시스템의 효율을 더욱 높이려면 시스템의 비효율적인 구성 요소를 이해해야 하며 이를 위해 엑서지 분석을 수행하였다.본 연구에서는 단순 연료전지 시스템(FC), 연료극 재순환 시스템(RC-FC) 및 수분 제거 재순환 시스템(RC-WR-FC)의 세 가지 시스템에 대해 엑서지 분석을 수행하였다. FC, RC-FC 및 RC-WR-FC의 엑서지 효율은 각각 48.7%, 51.6% 및 58.4%이었으며, 세 시스템 모두에서 SOFC 스택은 엑서지 파괴의 주요 원인이었다. 또한 버너, 공기 열 교환기 및 냉각기/응축기와 같이 낮은 효율을 가진 부품들을 재구성한다면 효율을 높일 수 있다.
Oxygen ionic conductors of YSZ electrolyte in SOFC unit cell are applied to anode and cathode as well as electrolyte to have triple-phase-boundaries(TPB) of electrochemical reaction, and it is required to decrease the sintering temperature of anode-supported electrolyte by the nanoscale of YSZ powder.In this report, nanoscale YSZ powder was synthesized by the chemical co-precipitation method. The particle size, surface area and morphology of the powder were observed by SEM and BET. Thin film electrolyte of under 10㎛ was fabricated by tape casting using the synthesized YSZ powder, and ionic conductivity and gas permiability 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. Electrochemical evauations of the SOFC unit cell, including measurements such as power density and impedance, were performed and analyzed.
Direct Carbon Fuel Cells (DCFCs) generates electricity directly converting the chemical energy in coal. In the present study, effects of anode and current collector materials on the power density of DCFC are investigated experimentally. The adopted DCFC system is combined type of solid oxide fuel cells (SOFC) and molten carbonate fuel cells (MCFC) with the use of a liquid-molten salt anode and a solid oxide electrolyte, proposed by SRI. Power densities of 25 mm button cells with various combination of anode materials and current collector materials are measured.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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