음극지지형 고체산화물 연료전지의 전극성분은 연료전지 성능의 주된 감쇄요인으로 지적되고 있는 분극저항을 줄이기 위해 높은 전기전도도와 가스투과도등이 요구되어지고 있다. 본 연구에서는 SOFC음극의 성능에 영향을 주는 음극의 미세구조, 특히 음극의 기공구조를 다르게 형성시키기 위해 두 가지 서로 다른 과립형성 방법을 이용하여 음극을 제조하고 이에 따라 기판의 기공구조가 어떻게 바뀌는지 또 그로 인해 기판의 미세구조 및 전기전도도가 어떠한 영향을 받는지 관찰하였다 또한 미세구조에 대한 정량적인 화상분석을 통해 기판의 미세구조적인 인자들과 전극특성간의 상관관계를 분석하였다.
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.
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.
고체 산화물 연료전지(SOFC)는 크게 음극(anode), 양극(cathode), 전해질(electrolyte)로 구성되 있으며 연결자를 통해 직렬 또는 병렬로 연결된 형태로 발전장치 등에 활용되고 있다. 이중 연료의 산화반응을 담당하고 있는 연료전지의 음극으로 지금까지 Cobalt, Platinum, Palladium 등의 전이금속 또는 귀금속들이 사용되었지만 현재는 Nickel 또는 Nickel을 함유한 물질들 특히, Ni-YSZ 복합체가 주로 사용되고 있다. Ni-YSZ 복합체는 가격과 성능 등 여러가지 면에서 SOFC의 음극으로 사용하기에 가장 적합한 물질인데 특히 전지의 지지체 역할과 동시에 전극으로서의 역할도 병행해야하는 음극 지지형 SOFC의 경우 Ni-YSZ 복합체의 효용성을 더욱 커지게 된다. 본 연구에서는 SOFC의 음극물질로 가장 널리 쓰이고 있는 Ni-YSZ 복합체를 core shell 형태로 만들어 전도 path를 효율적으로 하고 그 특성을 최적화하기 위한 미세구조 및 소결 거동, 전기적 특성을 평가하였다.
본 연구는 독일 율리히 연구소에서 도입된 면적 200mm*200mm의 연료극 지지체 평판형 SOFC 셀 및 금속 분리판 5장을 적층하여 500W급 SOFC 스택을 제작하고, 이러한 스택의 운전특성을 분석한 연구이다. 도입된 500W급 SOFC 스택은 가스터빈-연료전지 하이브리드 시스템어에 사용되는 5kW급 SOFC 스택의 예비실험을 위한 것으로서, 본 연구의 목적은 상압 운전특성을 바탕으로 외국에서 시도된 적이 없는 평판형 SOFC 스택의 가압 운전기술을 확보하는 것이다. 이러한 목적을 위해 본 연구에서는 상압형 500W급 SOFC 발전시스템에 대한 구성과 설계, 전반적인 운전 특성평가 (5셀 스택 운전, 연료 전환 $(H_2{\rightarrow}pre-reformed\;gas)$, 500 시간 연속운전 등)가 이뤄졌다.
To improve the performance of the anode-supported Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) which can be operated at an intermediate temperature, the functional layer (FL) is introduced on a anode substrate. And the scandia-stabilized zirconia (ScSZ) and samaria-doped ceria (SDC) which have higher ionic conductivity and better chemical stability than yttria-stabilized zirconia (YSZ) are used as material for the anode FL with the Ni, The fabrication process of anode-supported single cell with the anode FL was established and the power density of those was evaluated. As a result, the sample with anode FL (Ni-YSZ) has higher power density than normal cell. The single cell which was composed of the FL (Ni-YSZ) and electrolyte (YSZ) showed about $550mW/cm^2$ of the maximum power density at $650^{\circ}C$ and $1430mW/cm^2$ at $750^{\circ}C$ respectively, In case of the single cell using the ScSZ and SDC as anode FL, the performance of samples decreased rapidly and those showed unstable voltage during long-term test. In case of using methane as a fuel, the cell performance with each FL decreased comparing with $H_2$ fuel. In the region of a high current density, there are large concentration polarizations.
Kerosene-driven solid oxide fuel cell (SOFC) system with reformer, desulfurizer and after-burner was mainly developed for this study. Originally the system was developed for 1kW class SOFC system for residential power generation (RPG) application. As a preliminary study of 1kW class SOFC system operation, a short stack was applied to the system. The short stack consists of 7 cells of $10cm{\times}10cm$ area and was operated at $720^{\circ}C$. The effect of anode inlet gas composition to stack performance was investigated. Firstly, I-V characteristics of SOFC with different fuel of kerosene and hydrogen were studied. Secondly $CH_4$ internal reforming was performed at various anode inlet gas compositions of $H_2$, $CH_4$ and $H_2O$. Through these experiments the effects of each anode inlet gas component to stack performance were analyzed and the significant operating parameters were iscussed.
The research and development for the solid oxide fuel cell have been promoted rapidly and extensively in recent years, because of their high efficiency and future potential. Therefore this paper describes the manufacturing method and characteristics of anode electrode for SOFC, by the way, Ni-YSZ materials are used as anode of SOFC widely. So in this experiments, we investigated the optimum content of Ni, by testing expansion coefficient, impedance characteristics, overvoltage. As a result, the performance of Ni-YSZ anode(40vol%) was better excellent than the others.
KEPRI has studied anode-supported planar SOFCs and kW class stacks operated at intermediate temperature for development of a combined heat and power unit. A single cell composed of Ni-YSZ/FL/ScSZ/LSCF showed the maximum power density of 0.55 W/$cm^2$ at $650^{\circ}C$ and 1.8 W/$cm^2$ at $750^{\circ}C$. With 37 cells of 10${\times}10cm^2$ and stainless steel interconnects, a 1kW class SOFC stack was manufactured. When a 1kW class SOFC system was operated at $750^{\circ}C$ with city gas, it showed the power output of 1.3 kWe at 50 A. It also recuperated heat of 0.57-1.2 kWth according to the loaded current through combustion of unreacted anode off-gas. Recently, KEPRI is developing a new kW class SOFC stack and system to increase efficiency and durability at intermediate temperature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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