To improve the conventional cathode-supported tubular solid oxide fuel cell (SOFC) from the viewpoint of low cell power density, expensive fabrication process and high operation temperature, the anode-supported tubular solid oxide fuel cell was investigated. The anode tube of Ni-8mol% $Y_2$O$_3$-stabilized $ZrO_2$ (8YSZ) was manufactured by extrusion process, and, the electrolyte of 8YSZ and the multi-layered cathode of $LaSrMnO_3$(LSM)ILSM-YSZ composite/$LaSrCoFeO_3$ were coated on the surface of the anode tube by slurry dip coating process, subsequently. Their cell performances were examined under gases of humidified hydrogen with 3% water and air. In the thermal cycle condition of heating and cooling rates with $3.33^{\circ}C$/min, the anode-supported tubular cell showed an excellent resistance as compared with the electrolyte-supported planar cell. The optimum hydrogen flow rate was evaluated and the air preheating increased the cell performance due to the increased gas temperature inside the cell. In long-term stability test, the single cell indicated a stable performance of 300 mA/$\textrm{cm}^2$ at 0.85 V for 255 hr.
[ $La_{0.8}Sr_{0.2}Co_{1-x}Mn_xO_3$ ] cathode as a high performance cathode on YSZ electrolyte was studied by analyzing impedance spectra. It was shown that cathode property of $La_{0.8}Sr_{0.2}Co_{1-x}Mn_xO_3$ is bet ter than that of$La_{0.8}Sr_{0.2}CoO_3$. At $700^{\circ}C$ in air environment, $La_{0.8}Sr_{0.2}Co_{0.4}Mn_{0.6}O_3$ cathode on CGO- layered YSZ electrolyte showed very low area specific resistance of $0.14{\Omega}cm^2$, which is low enough for intermediate-temperature sol id oxide fuel cells. This is because material properties of ionic conductivity and thermal expansion compatibility with electrolyte were optimized. Judging from activation energy and oxygen part i al pressure dependance of cathode property, it was noted that oxygen surface exchange kinetics is dominantly influential on cathode property in higher temperature region than $700^{\circ}C$ and oxygen self-diffusion in cathode material is more influential in lower temperature region.
The family of (Sr,Mg)-doped $LaGaO_3$ compounds, which exhibit high ionic conductivity at $600-800^{\circ}C$ over a wide range of oxygen partial pressure, appears to be promising as the electrolyte for intermediate temperature solid oxide fuel cells. Conventional synthesis routes of (Sr,Mg)-doped $LaGaO_3$ compounds based on solid state reaction have some problems such as the formation of impurity phases, long sintering time and Ga loss during high temperature sintering. Phase stability problem especially, the formation of additional phases at the grain boundary is detrimental to the electrical properties of the electrolyte. From this point of view, we focused to synthesize single phase (Sr,Mg)-doped $LaGaO_3$ electrolyte at the stage of powder synthesis and to apply relatively low heat-treatment temperature using novel synthesis route based on combustion method. The synthesized powder and sintered bulk electrolytes were characterized by XRD, TG-DTA, FT-IR and SEM. AC impedance spectroscopy was used to characterize the electrical transport properties of the electrolyte with the consideration of the contribution of the bulk lattice and grain boundary to the total conductivity. Finally, relationship between synthesis condition and electrical properties of the (Sr, Mg)-doped $LaGaO_3$ electrolytes was discussed with the consideration of phase analysis results.
An, Jihwan;Kim, Hyong June;Yu, Jin Geun;Oh, Seongkook
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.23
no.3
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pp.31-35
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2016
This paper demonstrates the successful application of yttria-stabilized zirconia thin films deposited by atomic layer deposition to the anode-side interlayer for cerium oxide electrolyte based solid oxide fuel cell. At the operating temperature over $500^{\circ}C$, the electrical conductivity of cerium oxide electrolyte is known to dramatically increase and, therefore, the open circuit voltage of the cell decreases leading to the decrease of the performance. Ultra-thin (60 nm) atomic layer deposited yttria-stabilized zirconia thin film in this study conformally coated the anode-side surface of the cerium oxide electrolyte and efficiently blocked the electrical conduction through the electrolyte. Accordingly, the open circuit voltage increased by up to 20%, and the maximum power density increased by 52% at $500^{\circ}C$
Park, Jeong Hwa;Kim, Doyeub;Kim, Kyeong Joon;Bae, Kyung Taek;Lee, Kang Taek
Ceramist
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v.23
no.2
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pp.184-199
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2020
The solid oxide fuel cells (SOFCs) are the one of the most promising energy conversion devices which can directly convert chemical energy into electric power with high efficiency and low emission. The lowering operating temperature below 800 ℃ has been considered as the mostly considerable research and development for commercialization. The major issue is to maintain reasonably high performance of SOFCs at reduced temperatures due to increment of polarization resistance of electrodes and electrolyte. Thus, the alternative materials with high catalytic activities and fast oxygen ion conductivity are required. For recent advances in electrolyte materials and technology, newly designed, highly conductive electrolyte materials and structural engineering of them provide a new path for further reduction in ohmic polarization resistance from electrolytes. Here, a powerful strategy of the bilayer concept with various oxide electrolytes of SOFCs are briefly reviewed. These recent developments also highlight the need for electrolytes with greater conductivity to achieve a high performance, thus providing a useful guidance for the rational design of cell structures for SOFCs. Moreover, cell design, materials compatibility, processing methods, are discussed, along with their role in determining cell performance. Results from state-of-the-art SOFCs are presented, and future prospects are discussed.
A modified two-point impedance spectroscopy technique exploits the geometric constriction between an electrolyte and a cathode with an emphasis on semispherical-shaped electrolytes. The spatial limitation in the electrolyte/electrode interface leads to local amplification of the electrochemical reaction occurring in the corresponding electrolyte/electrode region. The modified impedance spectroscopy was applied to electrical monitoring of a YSZ ($Y_2O_3$-stabilized $ZrO_2$)/SSC ($Sm_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3$) system. The resolved bulk and interfacial component was numerically analyzed in combination with an equivalent circuit model. The effectiveness of the "spreading resistance" concept is validated by analysis of the electrode polarization in the cathode materials of solid oxide fuel cells.
Solid oxide fuel cell(SOFC) is an electrochemical energy device which converts the free energy of fuel gas directly to electric energy. SOFC has several diratinct advantages over other types of fuel cells: no use of noble metals, no requirement of a reformer, no problem of liquid electrolyte management, and no problem of corrosion by liquid electrolyte. In this study, we have investigated the cell components and the single cell of the planar SOFC fabricated by composite plate process, in which green films of electrolyte, anode and cathode were co-fired. The planar SOFCs were tested and the cell performance characteristics wag evaluated by using electrochemical methods.
Recently, the use of stable lithium nanostructures as substrates and electrodes for secondary batteries can be a fundamental alternative to the development of next-generation system semiconductor devices. However, lithium structures pose safety concerns by severely limiting battery life due to the growth of Li dendrites during rapid charge/discharge cycles. Also, enabling long cyclability of high-voltage oxide cathodes is a persistent challenge for all-solid-state batteries, largely because of their poor interfacial stabilities against oxide solid electrolytes. For the development of next-generation system semiconductor devices, solid electrolyte nanostructures, which are used in high-density micro-energy storage devices and avoid the instability of liquid electrolytes, can be promising alternatives for next-generation batteries. Nevertheless, poor lithium ion conductivity and structural defects at room temperature have been pointed out as limitations. In this study, a low-dimensional Graphene Oxide (GO) structure was applied to demonstrate stable operation characteristics based on Li+ ion conductivity and excellent electrochemical performance. The low-dimensional structure of GO-based solid electrolytes can provide an important strategy for stable scalable solid-state power system semiconductor applications at room temperature. The device using uncoated bare NCA delivers a low capacity of 89 mA h g-1, while the cell using GO-coated NCA delivers a high capacity of 158 mA h g−1 and a low polarization. A full Li GO-based device was fabricated to demonstrate the practicality of the modified Li structure using the Li-GO heterointerface. This study promises that the lowdimensional structure of Li-GO can be an effective approach for the stabilization of solid-state power system semiconductor architectures.
Advanced structure of metal-supported solid oxide fuel cells was devised to overcome sealing problem and mechanical instability in ceramic-supported solid oxide fuel cells. STS430 whose dimensions were 26mm diameter, 1mm thickness and 0.4mm channel width was used as metal support. Thin ceramic layer composed of anode(Ni/YSZ) and electrolyte(YSZ) was joined with STS430 metal support by using a cermet adhesive. $La_{0.8}Sr_{0.2}Co_{0.4}Mn_{0.6}O_{3}$ perovskite oxide was used as cathode material. It was noted that oxygen reduction reaction of cathode governed the overall cell performance from oxygen partial pressure dependance.
The Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is an electrochemical device to convert chemical energy of a fuel into electricity at temperatures from about 600 to $1000^{\circ}C$. The SOFC offers certain advantages over lower temperature fuel cells, notably its ability to use CO as a fuel rather than being poisoned by it, and high grade exhaust heat for combined heat and power, or combined cycle gas turbine applications. This paper reviews the operating principle, materials for different cell and stack components, cell designs, and applications of SOFCs. Among all designs of Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs), the most progress has been achieved with the tubular design. However, the electrical resistance of tubular SOFCs is high, and specific power output $(W/cm^2)$ and volumetric power density $(W/cm^3)$ low. Planar SOFCs, in contrast, are capable of achieving very high power densities.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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