For the development of low temperature anode-supported planar solid oxide fuel cell, the planar anode supports with the thickness of 0.8 to 1 mm and the area of 25, 100 and $150\;cm^2$ were fabricated by the tape casting method. The strength, porosity, gas permeability and electrical conductivity of the planar anode support were measured. The porosity of anode supports sintered at $1400^{\circ}C$ and then reduced in$H_2$ atmosphere was increased from $45.8\%\;to\;53.9\%$. The electrical conductivity of the anode support was $900 S/cm\;at\; 850^{\circ}C$ and its gas permeability was 6l/min at 1 atm in air atmosphere. The electrolyte layer and cathode layer were fabricated by slurry dip coating method and then had examined the thickness of $10{\mu}m$ and the gas permeability of 2.5 ml/min at 3 atm in air atmosphere. As preliminary experiment, cathode multi-layered structure consists of LSM-YSZ/LSM/LSCF. At single cell test using the electrolyte layer with thickness of 20 to $30{\mu}m$, we achieved $300\;mA/cm^2$ and 0.6V at $750^{\circ}C$
Lee, Yu-Gi;Kim, Jeong-Yeol;Lee, Yeong-Gi;Park, Dong-Gu;Jo, Beom-Rae;Park, Jong-Wan;Visco, Steven J.
Korean Journal of Materials Research
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v.9
no.11
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pp.1075-1082
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1999
Composite air electrodes of 50/50 vol% LSM- YSZ where LSM =$\textrm{La}_{1-x}\textrm{Sr}_{x}\textrm{MnO}_{3}$(0$\leq$x$\leq$0.5) were prepared by colloidal deposition technique. The electrodes were then examined by scanning electron microscopy (SEM) and studied by ac impedance spectroscopy in order to improve the performance of a solid oxide fuel cell (SOFC). Reproducible impedance spectra were confirmed by using the improved cell, consisting of LSM- YSZ/YSZ/LSM-YSZ. These spectra were a strong function of operating temperature and the stable conditions for the cells were typically reached at $900^{\circ}C$. The typical spectra measured for an air//air cell at $900^{\circ}C$ were composed of two arcs. Addition of YSZ to the LSM electrode led to a pronounced decrease in cathodic resistivity of LSM-YSZ composite electrodes. Polishing the electrolyte surface to eliminate the influences of surface impurities could further reduce cathode resistivity. The cathodic resistivity of the LSM-YSZ electrodes with catalytic interlayer (Ni or Sr) was much smaller than that of LSM-YSZ electrodes without catalytic interlayer. In addition, the cathodic resistivity of the LSM-YSZ electrodes was a strong function of composition of electrode materials, the electrolyte geometry, and applied current.
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.
고체산화물 연료전지의 삼상 계면의 길이를 증가시키기 위해 Glycine-Nitrate Process(GNP)를 이용하여 환원극 재료인 L $a_{0.5}$S $r_{0.5}$Mn $O_3$(LSM)과 전해질 재료인 C $e_{0.8}$G $d_{0.2}$$O_{1.9}$(CGO)를 합성하였다. 적당한 합성조건을 찾기 위하여 글리신의 양을 달리하여 분말을 합성한 결과 LSM의 경우 글리신이 양이온 몰수의 2배일 때 perovskite상이 얻어졌으며 비표면적은 34$m^2$/g 이었다. 합성된 LSM과 CGO 분말을 50:50 wt%로 혼합하여 제작된 환원극을 screen-printing법으로 코팅한 후 각각 1200, 1300, 1350 및 140$0^{\circ}C$에서 4시간 동안 소결한 후 80$0^{\circ}C$에서 power density와 양극과전압 등을 측정한 결과 130$0^{\circ}C$에서 소결한 단위전지에서 최대 309 mW/$ extrm{cm}^2$의 power density를 얻을 수 있었다.다.
Electron Beam Physical Vapor Deposition (EB-PVD) is a typical technology for thermal barrier coating with Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) on aero gas turbine engine. In this study EB-PVD method was used to fabricate dense YSZ film on NiO-YSZ as a electrolyte of Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Dense YSZ films of -10 $\mu$m thickness showed nano surface structure depending on deposition temperature. Electrical conductivities of YSZ film and electric power density of the single cell were evaluated after screen- printing $LaSrCoO_3$ as a cathode.
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.
The performance and stability of solid oxide fuel cells (SOFCs) depend on the microstructure of the electrode and electrolyte. In anode, porosity and pore distribution affect the active site and fuel gas transfer. In an electrolyte, density and thickness determine the ohmic resistance. To optimizing these conditions, using costly method cannot be a suitable research plan for aiming at commercialization. To solve these drawbacks, we made high performance unit cells with low cost and highly efficient ceramic processes. We selected the NiO-YSZ cermet that is a commercial anode material and used facile methods like die pressing and dip coating process. The porosity of anode was controlled by the amount of carbon black (CB) pore former from 10 wt% to 20 wt% and final sintering temperature from $1350^{\circ}C$ to $1450^{\circ}C$. To achieve a dense thin film electrolyte, the thickness and microstructure of electrolyte were controlled by changing the YSZ loading (vol%) of the slurry from 1 vol% to 5 vol. From results, we achieved the 40% porosity that is well known as an optimum value in Ni-YSZ anode, by adding 15wt% of CB and sintering at $1350^{\circ}C$. YSZ electrolyte thickness was controllable from $2{\mu}m$ to $28{\mu}m$ and dense microstructure is formed at 3vol% of YSZ loading via dip coating process. Finally, a unit cell composed of Ni-YSZ anode with 40% porosity, YSZ electrolyte with a $22{\mu}m$ thickness and LSM-YSZ cathode had a maximum power density of $1.426Wcm^{-2}$ at $800^{\circ}C$.
The 8mol.%Y$_2$$O_3$-$ZrO_2$mainly employed as an electrolyte of solid oxide fuel cells(SOFCs) shows excellent electrical properties but has a weakness in the mechanical properties. Since the electrolyte of SOFCs requires both good electrical and mechanical properties, this study was conducted to meet both requirements. The electrolyte thin films were produced on the LSM(cathode material) substrate of a cell and Si wafer. Four electrolyte film types of single layer and the multiple layer, consisting of 3-YSZ(3mol.%$Y_2$$O_3$) with excellent mechanical properties and 8-YSZ with the excellent electric conduction, were produced by electron beam coating technology. Ther crystal structure and the mechanical properties were also analysed. As the results of the study, the 3-YSZ thin film turned out to be in the tetragonal, partially monoclinic phase, while the 8-YSZ thin film showed the cubic phase. The residual stress in the multiple layer was lower than that of the single layer. The microhardness of the multiple layer was similar to that of the existing 8-YSZ single layer both before and after annealing treatment.
Park, Kwang-Jin;Lee, Chang-Bo;Kim, Jung-Hyun;Baek, Seung-Wook;Bae, Joong-Myeon
Journal of the Korean Electrochemical Society
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v.10
no.3
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pp.207-212
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2007
[ $PSCF3737(Pr_{0.3}Sr_{0.7}Co_{0.3}Fe_{0.7}O_3)$ ] is a good candidate cathode material for IT-SOFC(intermediate temperature solid oxide fuel cell) because of high MIEC(mixed ionic electronic conductor) conductivity. In this study, the characteristics of PSCF3737 was investigated and optimizations of sintering temperature and thickness for $PSCF3737(Pr_{0.3}Sr_{0.7}Co_{0.3}Fe_{0.7}O_3)$ was carried out. Impedance responses were divided into two parts by frequency region. Middle frequency part (${\sim}10^2\;Hz$) was concerned with oxygen reduction reaction on surface and low frequency part (${\sim}10^{-1}\;Hz$) was related with oxygen diffusion. The reasonable sintering temperature and thickness of cathode were $1200^{\circ}C$ and about $27\;{\mu}m$ with regard to EIS(electrochemical impedance spectroscopy). ASR(areas specific resistance) of optimized cathode is $0.115\;{\Omega}\;cm^2$ at $700^{\circ}C$.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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