고온수증기전기분해(HTSE) 장치의 수소생산 및 열 화학적 특성을 파악하고자 COMSOL $^Multiphysics^{(R)}$를 사용해 2차원 정상상태 수치해석을 실시하였다. 계산을 위한 주요 파라메터로는 작동전압, ASR(Area-specific Resistance) 및 유입가스의 온도와 압력 등이다. 해석결과 1.2454 V에서 Thermal-neutral Voltage가 나타나고, 작동 전압이 증가함에 따라 Cell의 내부 온도가 단조 증가하는 것이 아니라 Thermal-neutral Voltage를 기준으로 낮은 전압에서는 Cell의 온도가 감소하고, 높은 전압에서는 Cell의 온도가 증가하였다. 또한, ASR 값이 증가함에 따라 Cell 내부의 온도는 하강하고, 수소생산율도 낮아지는 경향을 보였다.
For this paper, we investigated the area specific resistance (ASR) of commercially available ferritic stainless steels with different chemical compositions for use as solid oxide fuel cells (SOFC) interconnect. After 430h of oxidation, the STS446M alloy demonstrated excellent oxidation resistance and low ASR, of approximately 40 $m{\Omega}cm^2$, of the thermally grown oxide scale, compared to those of other stainless steels. The reason for the low ASR is that the contact resistance between the Pt paste and the oxide scale is reduced due to the plate-like shape of the $Cr_2O_3$(s). However, the acceptable ASR level is considered to be below 100 $m{\Omega}cm^2$ after 40,000 h of use. To further improve the electrical conductivity of the thermally grown oxide on stainless steels, the Co layer was deposited on the stainless steel by means of an electroless deposition method; it was then thermally oxidized to obtain the $Co_3O_4$ layer, which is a highly conductive layer. With the increase of the Co coating thickness, the ASR value decreased. For Co deposited STS444 with 2 ${\mu}m$hickness, the measured ASR at $800^{\circ}$ after 300 h oxidation is around 10 $m{\Omega}cm^2$, which is lower than that of the STS446M, which alloy has a lower ASR value than that of the non-coated STS. The reason for this improved high temperature conductivity seems to be that the Mn is efficiently diffused into the coating layer, which diffusion formed the highly conductive (Mn,Co)$_3O_4$ spinel phases and the thickness of the $Cr_2O_3$(S), which is the rate controlling layer of the electrical conductivity in the SOFC environment and is very thin
The decrease of polarization resistance in cathode is the key point for intermediate temperature SOFC(Solid Oxide Fuel Cell). In this study, the Influence of Co substitution in B-site at perovskite PSCM (Pr0.3Sr0.7CoxMn(1-x)) was investigated. The PSCM series exhibits excellent MIEC(Mixed ionic Electronic Conductor) properties. The ASR(Area Specific Resistance) of PSCM3773 was $0.174{\Omega}cm^2\;at\;700^{\circ}C$. The activation energy of PSCM3773 was also lower than other compositions of PSCM. The ASR values were increased gradually during the thermal cycling test of PSCM37773 due to the delamination between electrolyte and cathode materials.
Optimization of cathode properties for intermediate temperature-operating SOFC (IT-SOFC) is carried out by using composite-type electrode structure in this study. Composite cathode may lower cathode overpotential by enhancing mixed ionic-electronic conductivity. In this study, particularly, LSM/YSZ, LSF/YSZ, LSCF/CGO, and PSC/CGO were selected as cathode materials. LSM/YSZ composite cathode showed the best performance of about 0.9${\Omega}cm^2$ at $700^{\circ}C$. It is inferred that the resistance is mainly affected by the reactivity between cathode and electrolyte which can cause the formation of resistive phases. Area specific resistance (ASR) characteristics were not changed significantly with decreasing sintering temperature of cathode, because reaction sites were increased even with worse adhesion of cathode on electrolytes.
The decrease of polarization resistance in cathode is the key point for operating at intermediate temperature SOFC (solid oxide fuel cell). In this study, the influence of Co substitution in B-site at complex perovskite on the electronic conductivity of PSCM ($Pr_{0.3}Sr_{0.7}Co_xMn_{(1-x)}$) was investigated. The PSCM series exhibits excellent MIEC (mixed ionic electronic conductor) properties. The ASR (area specific resistance) of PSCM3773 was $0.174{\Omega}{\cdot}cm^2\;at\;700^{\circ}C$. The activation energy of PSCM3773 was also lower than other compositions of PSCM. The TEC(thermal expansion coefficient) was decreased by addition of Mn. The ASR values were increased gradually during the thermal cycling test of PSCM37773 due to the delamination between electrolyte and cathode materials. The delamination was caused by the difference of TEC.
The influence of Co substitution in B-site at perovskite PSCF($Pr_{0.3}Sr_{0.7}CO_{x}Fe_{(1-x)}O_{3}$) was investigated in this study. The PSCF series exhibits excellent MIEC(mixed ionic electronic conductor) properties. ASR(area specific resistance) of PSCF3737 was 0.137 ${\Omega}{\cdot}cm^{2}$ at $700^{\circ}C$. The activation energy of PSCF3737 was also lower than other compositions of PSCF. ASR of PSCF3737 was analysed as two parts at different part of frequency region. Responses at middle frequency part (${\sim}10^2$ Hz) were concerned with oxygen reduction reaction and those at low frequency part (${\sim}10^{-1}$ Hz) were related with oxygen diffusion.
평판형 고체산화물 연료전지(planar SOFC : Solid oxide Fuelcell)는 높은 전류 효율 및 출력밀도를 가지는 중,대형 발전용 전기소자이다. SOFC 스택을 600~800도에서 작동할 경우, 금속 분리판에서 휘발된 크롬에 의한 열화현상과 금속의 산화에 의한 표면 저항의 증가가 큰 문제점으로 알려져 있으며, 이를 개선하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 금속 분리판의 열화를 억제하기 위한 여러 보호코팅의 특성을 밝히고, 특성차이의 원인을 분석하고자 하였다. 모재는 상용 STS444합금 (Nisshin steel 생산) 2.0mmt 박판을 사용하였으며, 표면 상태를 균일하게 하기 위하여 표면은 동일한 #1200 번 사포로 연마후 코팅하였다. 적용한 코팅은 전기도금 Ni 코팅, (MnCo)3O4 wet powder spray 코팅, (MnCo)3O4 ADM코팅 3종이었으며, 코팅층의 두께는 최적 공정조건에 따라 달리 하였다. 산화후 형성되는 표면 산화물의 전기적 특성을 평가하기 위하여 시험편의 비면적 저항 (ASR : area specific resistance)을 장시간 측정하였다. 측정편의 크기는 가로 4cm ${\times}$ 세로 4cm였으며, 100시간 공기중 산화후 측정하였다. 표면 접촉을 높이기 위하여 Pt paste를 40~50um도포하였으며, 1~0.1A인가된 전류에 대한 저항을 4전극법 (4-probe)으로 측정하였다. 표면 코팅층이 크롬 휘발을 억제하는 정도를 평가하기 위하여 크롬 휘발량을 측정하였다. 시편은 가로 1.5cm ${\times}$ 세로 1cm 였으며, 공급된 공기와 수분의 혼합가스와 응축기 표면에 흡착된 크롬의 양을 ICP-MASS법으로 측정하였다.
스택 체결압에 의해 접촉되는 분리판(BP)과 탄소펠트전극(CFE) 사이의 전기적 접촉저항은 상대적으로 낮은 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB) 스택의 체결압 때문에 스택 효율에 큰 여향을 미친다. 본 연구에서는 이러한 접촉저항을 줄이고 셀 성능을 향상시키기 위해 국부 가열 접합 공정을 통해 폴리에틸렌(PE) 복합재료-CFE 하이브리드 BP 구조를 개발하였다. 탄소섬유 복합재료 BP의 PE 매트릭스를 국부적으로 녹여 CFE의 탄소 섬유와 BP의 탄소 섬유의 직접 접촉 구조를 만들어 전기 접촉 저항을 감소시겼다. PE 복합재료-CFE 하이브리드 BP의 성능을 평가하기 위해 면적비저항(ASR)과 기체투과도를 측정하였다. 또한 스택 신뢰성을 측정하기 위해 내산성 시험을 수행하였다. 최종적으로, 개발된 PE 복합재료-CFE 하이브리드 BP와 기존의 BP의 성능을 비교 분석하기 위하여 VFRB 단위셀 충/방전 시험을 수행하였다.
Perovskite-structured samarium strontium cobaltite (SSC), which is mixed ionic electronic conductor (MIEC), is considered as a promising cathode material for intermediate temperature-operating solid oxide fuel cell (SOFC) due to its high electrocatalytic property. Cathode material containing cobalt (Co) is unstable at high temperature and has a relatively high thermal expansion property. In this paper, Sm-Sr-(Co,Fe,Ni)-O system with perovskite and spinel structures was investigated in terms of electrochemical property and thermal expansion property, respectively. Area specific resistance (ASR) was measured by ac impedance spectroscopy to investigate the electrochemical property of cathode, and thermal expansion coefficient (TEC) was measured by using dilatometer. Micro structure of cathode was observed by scanning electron microscopy. Perovskite-structured $Sm_{0.5}Sr_{0.5}CoO_{3-\delta}$ showed the ASR of $0.87{\Omega}/cm^{2}$, and $Sm_{0.5}Sr_{0.5}NiO_{3-\delta}$, which actually has a spinel structure, showed the lowest TEC value of $13.3{\times}10^{-6}/K$.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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