An Ni-Fe/YSZ core-shell structured anode for uniform microstructure and catalytic activity was synthesized. Flat tubular segmented-in-series solid oxide fuel cell-stacks were prepared by decalcomania method using synthesized anode powder. The Ni-Fe/YSZ core-shell anode exhibited better electrical conductivity than a commercially available Ni-YSZ cermet anode. Also power output increased by 1.3 times with a higher open circuit voltage. These results can be attributed to the uniformly distributed Ni particles in the YSZ framework. The impedance spectra of a Ni-Fe/YSZ core-shell anode showed comparable reduced ohmic resistance similar to those of the commercially available Ni-YSZ cermet anodes.
To develop ceramic composite anodes of solid oxide fuel cells without metal catalysts, a small amount of barium carbonate was added to an $(La_{0.8}Sr_{0.2})(Cr_{0.5}Mn_{0.5})O_3(LSCM)$ - YSZ ceramic composite anode and its catalytic effects on the electrode performance were investigated. A barium precursor solution with citric acid was used to synthesize the barium carbonate during ignition, while a barium precursor solution without citric acid was used to create hydrated barium hydroxide. The addition of barium carbonate to the ceramic composite anode caused stable fuel cell performance at 1073 K; this performance was higher than that of a fuel cell with $CeO_2$ catalyst; however, the addition of hydrated barium hydroxide to the ceramic composite anode caused poor stability of the fuel cell performance.
The effects of particle size of Li-Si alloy and LiCl-KCl addition as a binder phase for raw material of anode were investigated on the formability of the thermal battery anode. The formability was evaluated with respect to filling density, tap density, compaction density, spring-back and compressive strength. With increasing particle size of Li-Si alloy powder, densities increased while spring-back and compressive strength decreased. Since the small spring-back is beneficial to avoiding breakage of pressed compacts, larger particles might be more suitable for anode forming. The increasing amount of LiCl-KCl binder phase contributed to reducing spring-back, improving the formability of anode powder too. The control of particle size also seems to be helpful to get double pressed pellets, which consisted of two layer of anode and electrolyte.
To prevent an interfacial reaction between the anode and the electrolyte layer during the conventional high-temperature co-firing process, an anode-supported type cell with a thin-film electrolyte was fabricated by low-temperature ceramic thick film coating process. Ni-GDC cermet composite was used as the anode material and YSZ was used as the electrolyte material. Open circuit voltage and maximum power density were found to strongly depend on the surface uniformity of the anode functional layer. By optimizing the microstructure of the anode functional layer, the open circuit voltage and maximum powder density of the cell increased to 1.11 V and $1.35W/cm^2$, respectively, at $750^{\circ}C$. When a GDC barrier layer was applied between the YSZ electrolyte and the LSCF cathode, the cell showed good stability, with almost no degradation up to 100 h. Anode-supported type SOFCs with high performance and good stability were fabricated using a coating process.
Optimization of the fabrication process of NiO-yttrium doped barium zirconate (BZY) composite anode substrates using tape-casting for high performance thin-film protonic ceramic fuel cells (PCFCs) is investigated. The anode substrate is composed of a tens of microns-thick anode functional layer laminated over a porous anode substrate. The macro-pore structure of the anode support is induced by micron-scale polymethyl methacrylate (PMMA) pore formers. Thermal gravity analysis (TGA) and a dilatometer are used to determine the polymeric additive burn-out and sintering temperatures. Crystallinity and microstructure of the tape-cast NiO-BZY anode are analyzed after the sintering.
An anode-supported SOFC single cell having $5{\mu}m$ thin electrolyte was fabricated cost-effectively by tape casting, laminating, and co-filing of anode (NiO-YSZ), cathode (LSM-YSZ), and electrolyte (YSZ) components. The optimal slurry compositions of the green tapes for SOFC components were determined by an analysis of the mean diameter, the slurry viscosity, the tensile strength/strain of the green tapes, and their green microstructures. The single cells with a dense electrolyte and porous electrodes could be co-fired successfully at $1325\sim1350^{\circ}C$ by controlling the contents of pore former and the ratio of coarse YSZ and fine YSZ in the anode and the cathode. The single cell co-fired at $1350^{\circ}C$ showed $100.2mWcm^{-2}$ of maximum power density at $800^{\circ}C$ but it was impossible to apply it to operate at low temperature because of low performance and high ASR, which were attributed to formation of the secondary phases in the cathode and the interface between the electrolyte and the cathode.
Lee, Yoon Joo;Ryu, Ji Yeon;Roh, Kwang Chul;Kim, Soo Ryong;Kwon, Woo Teck;Shin, Dong-Geun;Kim, Younghee
한국세라믹학회지
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제50권6호
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pp.480-484
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2013
Since SiOC was introduced as an anode material for lithium ion batteries, it has been studied with different chemical compositions and microstructures using various silicon based inorganic polymers. Poly(phenyl carbosilane) is a SiOC precursor with a high carbon supply in the form of the phenyl unit, and it has been investigated for film applications. Unlike any other siloxane-based polymers, oxygen atoms must be utilized in an oxidation process, and the amount of oxygen is controllable. In this study, SiOC anodes were prepared using poly(phenyl carbosilane) with different heat treatment conditions, and their electrochemical properties as an anode material for lithium ion batteries were studied. In detail, cyclic voltammetry and charge-discharge cycling behavior were evaluated using a half-cell. A SiOC anode which was prepared under a heat treatment condition at $1200^{\circ}C$ after an oxidation step showed stable cyclic performance with a reversible capacity of 360 mAh/g.
Platinum anodes are widely used for metal oxides reduction in LiCl-Li2O, however high-cost and low-corrosion resistance hinder their implementation. NiO-Li2O ceramics is an alternative corrosion resistant anode material. Anode processes on platinum and NiO-Li2O ceramics were studied in (80 mol.%) LiCl-(20mol.%)KCl and (80 mol.%)LiCl-(20 mol.%)KCl-Li2O melts by cyclic voltammetry, potentiostatic and galvanostatic electrolysis. Experiments performed in the LiCl-KCl melt without Li2O illustrate that a Pt anode dissolution causes the Pt2+ ions formation at 3.14 V and 550℃ and at 3.04 V and 650℃. A two-stage Pt oxidation was observed in the melts with the Li2O at 2.40 ÷ 2.43 V, which resulted in the Li2PtO3 formation. Oxygen current efficiency of the Pt anode at 2.8 V and 650℃ reached about 96%. The anode process on the NiO-Li2O electrode in the LiCl-KCl melt without Li2O proceeds at the potentials more positive than 3.1 V and results in the electrochemical decomposition of ceramic electrode to NiO and O2. Oxygen current efficiency on NiO-Li2O is close to 100%. The NiO-Li2O ceramic anode demonstrated good electrochemical characteristics during the galvanostatic electrolysis at 0.25 A/cm2 for 35 h and may be successfully used for pyrochemical treating of spent nuclear fuel.
To overcome the limitations of the conventional Ni anode-supported SOFCs, various types of ceramic anodes have been studied. However, these ceramic anodes are difficult to commercialize because of their low cell performances and difficulty in manufacturing anode-support typed SOFCs. Therefore, in this study, to use these ceramic anodes and take advantage of anode-supported SOFC, which can minimize ohmic loss from the thin electrolyte, we fabricated cathode support-typed SOFC. The cathode-support of LSCF-YSZ was prepared by the acid treatment of conventional Ni-YSZ (Yttria-stabilized Zirconia) anode-support, followed by the infiltration of LSCF to YSZ scaffold. The composite of $La(Sr)Ti(Ni)O_3$ and $Ce(Mn,Fe)O_2$ was used as the ceramic anode. The fabricated cathode-supported button cell showed a relatively low power density of $0.207Wcm^{-2}$ at $850^{\circ}C$; however, it is expected to show better performance through the optimization of the infiltration rate and thickness of LSCF-YSZ cathode-support layer.
Fuel processing systems which convert fuel into rich gas (such as stream reforming, partial oxidation, autothermal reforming) need high temperature environment ($600{\sim}1,000^{\circ}$). Generally, anode-off gas or mixture of anode-off gas and LNG is used as input gas of fuel reformer. In order to make efficient and low emission burner system for fuel reformer, it is necessary to elucidate the combustion and emission characteristic of fuel reformer burner. The purpose of this study is to develop a porous premixed flat ceramic burner that can be used for 1~5 kW fuel cell reformer. Ceramic burner experiments using natural gas, hydrogen gas, anode off gas, mixture of natural gas & anode off gas were carried out respectively to investigate the flame characteristics by heating capacity and equivalence ratio. Results show that the stable flat flames can be established for natural gas, hydrogen gas, anode off gas and mixture of natural gas & anode off gas as reformer fuel in the porous ceramic burner. For all of fuels, their burning velocities become smaller as the equivalence ratio goes to the lean mixture ratio, and a lift-off occurs at lean limit. Flame length in hydrogen and anode off gas became longer with increasing the heat capacity. In particular, the blue surface flame is found to be very stable at a very lean equivalence ratio at heat capacity and different fuels. The exhausted NOx and CO measurement shows that the blue surface flame represents the lowest NOx and CO emissions since it remains very stable at a lean equivalence ratio.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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