Kim, Yong-Bum;Moon, Jooho;Kim, Joosun;Lee, Jong-Ho;Lee, Hae-Weon
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.42
no.6
s.277
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pp.425-431
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2005
Line Shaped Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) with multilayered structure has been fabricated via direct-writing process. The cell is electrolyte of Ni-YSZ cermet anode, YSZ electrolyte and LSM cathode. They were processed into pastes for the direct writing process. Syringe filled with each electrode and electrolyte paste was loaded into the computer-controlled robe-dispensing machine and the paste was dispensed through cylindrical nozzle of 0.21 mm in diameter under the air pressure of 0.1 tow onto a moving plate with 1.22 mm/s. First of all, the anode paste was dispensed on the PSZ porous substrate, and then the electrolyte paste was dispensed. The anode/electrolyte and the PSZ substrate were co-fired at $1350^{\circ}C$ in air atmosphere for 3 h. The cathode layer was similarly dispensed and sintered at $1200^{\circ}C$ for 1 h. All the electrode/electrolyte lines were visually aligned during the direct writing process. The effective reaction area of fabricated SOFC was $0.03 cm^2$, and the thickness of anode, electrolyte and cathode was 20 $\mu$m, 15 $\mu$m, and 10 $\mu$m, respectively. The single line-shaped SOFC fabricated by direct-writing process exhibited OCV of 0.95 V and maximum power density of $0.35W/cm^2$ at $810^{\circ}C$.
Physical properties of sputtered YSZ thin film electrolytes on anode thin film by spray pyrolisis has been investigated to realize the porous electrode and dense electrolyte multilayer structure for micro solid oxide fuel cells. It is shown that for better crystallinity and density, YSZ need to be deposited at an elevated temperature. However, if pure NiO anode was used for high temperature deposition, massive defects such as spalling and delamination were induced due to high thermal expansion mismatch. By changing anode to NiOCGO composite, defects were significantly reduced even at high deposition temperature. Further research on realization of full cells by processing hybridization and cell performance characterization will be performed in near future.
An, Yong-Tae;Ji, Mi-Jung;Park, Sun-Min;Shin, Sang-Ho;Hwang, Hae-Jin;Choi, Byung-Hyun
Korean Journal of Materials Research
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v.23
no.3
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pp.206-210
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2013
In the segmented-in-series solid-oxide fuel cells (SIS-SOFCs), fabrication techniques which use decalcomania paper have many advantages, i.e., an increased active area of the electrode; better interfacial adhesion property between the anode, electrolyte and cathode; and improved layer thickness uniformity. In this work, a cell-stack was fabricated on porous ceramic flattened tube supports using decalcomania paper, which consists of an anode, electrolyte, and a cathode. The anode layer was $40{\mu}m$ thick, and was porous. The electrolyte layers exhibited a uniform thickness of about $20{\mu}m$ with a dense structure. Interfacial adhesion was improved due to the dense structure. The cathode layers was $30{\mu}m$ thick with porous structure, good adhesion to the electrolyte. The ohmic resistance levels at 800, 750 and $700^{\circ}C$ were measured, showing values of 1.49, 1.58 and $1.65{\Omega}{\cdot}cm^2$, respectively. The polarization resistances at 800, 750 and $700^{\circ}C$ were measured to be 1.63, 2.61 and $4.17cm^2$, respectively. These lower resistance values originated from the excellent interfacial adhesion between the anode, electrolyte and cathode. In a two-cell-stack SOFC, open-circuit voltages(OCVs) of 1.915, 1.942 and 1.957 V and maximum power densities(MPD) of 289.9, 276.1 and $220.4mW/cm^2$ were measured at 800, 750 and $700^{\circ}C$, respectively. The proposed fabrication technique using decalcomania paper was shown to be feasible for the easy fabrication of segmented-in-series flattened tube SOFCs.
We controlled the amount of Y$_2$O$_3$additives, 8 mol% and 10 mol%, and the type of carbon pore former, activated carbon and carbon black, to improve the strength of porous NiO-YSZ anode materials for solid oxide fuel ceil. The 3-point flexural strength, porosity and electrical conductivity were evaluated. As a result, the strength of anode materials with the addition of carbon black was markedly improved. The strength of NiO-10 mol%YSZ sintered at relatively higher temperature was higher than that of NiO-8 mol%YSZ materials. The electrical conductivity of NiO-10 mol%YSZ with carbon black was evaluated as much as 10$^2$∼10$^3$S/cm at 700$^{\circ}C$∼1000$^{\circ}C$ in reducing atmosphere.
In general, SOFCs mainly use Ni-YSZ cermet, a mixture of Ni and YSZ, as an anode material, which is stable in a high-temperature reducing atmosphere. However, when SOFCs have operated at a high temperature for a long time, the structural change of Ni occurs and it results in the problem of reducing durability and efficiency. Accordingly, a development of a new anode material that can replace existing nickel and exhibits similar performance is in progress. In this study, SrTiO3, which is a perovskite-based mixed conductor and one of the candidate materials, was used. In order to increase the electrical conduction properties, Y0.08Sr0.92Fe0.3Ti0.7O3, doped with 0.08 mol of Y3+ in Sr-site and 0.03 mol of transition metal Fe3+ in Ti-site, was synthesized and its chemical diffusion coefficient and reaction constant were measured. Its electrical conductivity changes were also observed while changing the oxygen partial pressure at a constant temperature. The performance as a candidate electrode material was verified by predicting the defect area through the electrical conductivity pattern according to the oxygen partial pressure.
Kim, Sung-Wook;Choi, Eun-Young;Park, Wooshin;Im, Hun Suk;Hur, Jin-Mok
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.13
no.3
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pp.229-233
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2015
Developing novel anode materials to replace the Pt anode currently used in electrolytic reduction is an important issue on pyroprocessing. In this study, the electrochemical behavior of TiN was investigated as the conductive ceramic anode which evolves O2 gas during the reaction. The feasibility and stability of the TiN anode was examined during the electrolytic reduction of UO2. The TiN anode could electrochemically convert UO2 to metallic U in a LiCl–Li2O molten salt electrolyte. No oxidation of TiN was observed during the reaction; however, the formation of voids in the bulk section appeared to limit the lifetime of the TiN anode.
This study amis to investigate the functional analysis of anode and cathode materials in Anode supported Solid Oxide Fuel Cell. The concentration polarization of single cell was investigated with CFD (Computational Fluid Dynamics) method for the case of the different morphology by using four types of unit cell and discussed to reduce the concentration polarization. The concentration polarization at anode side effected the voltage loss in Anode supported Solid Oxide Fuel Cell and increased contact areas between fuel gas and anode side could reduce the concentration polarization. For intermediate temperature operation, Anode-supported single cells with thin electrolyte layer of YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia) were fabricated and short stacks were built and evaluated. We also developed diesel and methane autothermal reforming (ATR) reactors in order to provide fuels to SOFC stacks. Influences of the $H_2O/C$ (steam to carbon ratio), $O_2/C$ (oxygen to carbon ratio) and GHSV (Gas Hourly Space Velocity) on performances of stacks have been investigated. Performance of the stack operated with a diesel reformer was lower than with using hydrogen as a fuel due to lower Nernst voltage and carbon formation at anode side. The stack operated with a natural gas reformer showed similar performances as with using hydrogen. Effects of various reformer parameters such as $H_2O/C$ and $O_2/C$ were carefully investigated. It is found that $O_2/C$ is a sensitive parameter to control stack performance.
Decalcomania is a new method for SOFCs (solid oxide fuel cells) unit cell fabrication. A tight and dense $5{\mu}m$ Yttria-stabilized zirconia (8YSZ) electrolyte layer on anode substrate was fabricated by the decalcomania method. After 8YSZ as the electrolyte starting material was calcined at $1200^{\circ}C$, the particle size was controlled by the attrition mill. The median particle size (D50) of each 8YSZ was $39.6{\mu}m$, $9.30{\mu}m$, $6.35{\mu}m$, and $3.16{\mu}m$, respectively. The anode substrate was coated with decalcomania papers which were made by using 8YSZ with different median particle sizes. In order to investigate the effect of median particle sizes and sintering conditions on the electrolyte density, each sample was sintered for 2, 5 and 10 h, respectively. 8YSZ with a median particle size of $3.16{\mu}m$ which was sintered at $1400^{\circ}C$ for 10 had the highest density. With this 8YSZ, a SOFCs unit cell was manufactured with a $5{\mu}m$ layer by the decalcomania method. Then the unit cell was run at $800^{\circ}C$. The Open Circuit Voltage (OCV) and Maximum power density (MPD) was 1.12 V and $650mW/cm^2$, respectively.
Microstructural characterization of Ni-yttria-stabilized zirconia (YSZ) anodes using secondary electron images has been limited by a lack of contrast between Ni and YSZ phases. This paper reports a sample preparation method for obtaining secondary electron images that allow the detection of Ni, YSZ, and pore phases together. Ni-YSZ anode samples were obtained by reducing NiO-YSZ samples prepared by using the mixed oxide method. Colloidal silica polishing and electrolytic etching were performed on the Ni-YSZ samples. The morphological change of the sample surface after each polishing process is examined.
An, Yong-Tae;Ji, Mi-Jung;Gu, Ja-Bin;Choi, Jin-Hoon;Hwang, Hae-Jin;Choi, Byung-Hyun
Korean Journal of Materials Research
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v.22
no.11
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pp.626-630
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2012
The properties of SOFC unit cells manufactured using the decalcomania method were investigated. SOFC unit cell manufacturing using the decalcomania method is a very simple process. In order to minimize the ohmic loss of flattened tube type anode supports of solid oxide fuel cells(SOFC), the cells were fabricated by producing an anode function layer, YSZ electrolyte, LSM electrode, etc., on the supports and laminating them. The influence of these materials on the power output characteristics was studied when laminating the components and laminating the anode function layer between the anode and the electrolyte to improve the output characteristics. Regarding the performance of the SOFC unit cell, the output was 246 $mW/cm^2$ at a temperature of $800^{\circ}C$ in the case of not laminating the anode function layer; however, this value was improved by a factor of two to 574 $mW/cm^2$ due to the decrease of the ohmic resistance and polarization resistance of the cell in the case of laminating the anode function layer. The outputs appeared to be as high as 574 and 246 $mW/cm^2$ at a temperature of $800^{\circ}C$ in the case of using decalcomania paper when laminating the electrolyte layer using the in dip-coating method; however, the reason for this is that interfacial adhesion was improved due to the dense structure, which leads to a thin thickness of the electrolyte layer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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