Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.2
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pp.139-148
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2013
In this study, an ejector was designed to recirculate the anodic off-gas of SOFC, and a parametric study of the system performance was conducted at various ejector entrainment ratios. Aspen Plus, a chemical engineering program, was used to calculate the operational conditions of the ejector. To minimize the calculation load of the CFD and to ensure the global optimum, a genetic algorithm and Kriging model were used for the optimization. The optimization results showed that the dominant design variables of the sonic ejector are the throat diameter and the first flow nozzle position. The designed ejector has enough flexibility for different operating conditions of a 1-kW SOFC system. When the ejector was applied to the SOFC, it reduced 56% of the steam and 8.4% of the fuel compared to the reference case.
The electrolyte is an important component in determining the performance of Fuel Cells. Especially, investigation of the conduction properties of electrolytes plays a key role in determining the performance of the electrolyte. The electrochemical properties of Yttrium stabilized zirconia (YSZ) were measured to allow the use of this material as an electrolyte for solid oxide fuel cells (SOFC) in the temperature range of $700-1000^{\circ}C$ and in $0.21{\leq}pO_2/atm{\leq}10^{-23}$. A Hebb-Wagner polarization experimental cell was optimally manufactured; here we discuss typical problems associated with making cells. The partial conductivities due to electrons and holes for 8YSZ, which is known as a superior oxygen conductor, were obtained using I-V characteristics based on the Hebb-Wagner polarization method. Activation energies for holes and electrons are $3.99{\pm}0.17eV$ and $1.70{\pm}0.06eV$ respectively. Further, we calculated the oxygen ion conductivity with electron, hole, and total conductivity, which was obtained by DC four probe conductivity measurements. The oxygen ion conductivity was dependent on the temperature; the activation energy was $0.80{\pm}0.10eV$. The electrolyte domain was determined from the top limit, bottom limit, and boundary (p=n) of the oxygen partial pressure. As a result, the electrolyte domain was widely presented in an extensive range of oxygen partial pressures and temperatures.
Gi Hoon Hong;Sunghyun Uhm;Hyungjune Jung;Sungwon Hwang
Journal of the Korean Institute of Gas
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v.28
no.1
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pp.1-10
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2024
In this study, we constructed a process simulation model for an agricultural by-products based Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) combined heat and power generation system as part of the introduction of technology for energy self-sufficiency in the agricultural sector. The aim was to reduce the burden of increasing fuel and electricity consumption due to rapid fluctuations in international oil prices and the expansion of smart farming in domestic farms, while contributing to the national greenhouse gas reduction goals. Based on the experimental results of 0.3 ton/day torrefied agricultural by-product gasification experiment, a model for an agricultural by-product-based SOFC cogeneration system was constructed, and optimization of the heat exchange network was conducted for SOFC capacities ranging from 4 to 20 kW. The results indicated that an 8 kW agricultural by-product-based SOFC cogeneration system was optimal under the current system conditions. It is anticipated that these research findings can serve as foundational data for future commercial facility design.
A super ionic conductor, $K^+$-beta-aluminas, which is known to be difficult to obtain in the form of dense sintered density under atmospheric pressure, was pulverized to 350 nm mean particle size using attrition mill. The sample were pressed into tablet form by uniaxial pressing. The specimen was sintered under atmospheric pressure in powder form. Sintering temperature range was $1400^{\circ}C$ to $1650^{\circ}C$ at $50^{\circ}C$ intervals. Additionally, zone sintering was carried out to control the growth grain at high temperature ($1600^{\circ}C$). The density of specimens that were sintered at $1600^{\circ}C$ and $1650^{\circ}C$, and sintered at $1600^{\circ}C$ by zone sintering were about 93% and 95%, respectively. In the case of the lengthened sintering time to 2 h, the density of specimen was reduced to lower than 90%, since the particles were grown to the duplex microstructure.
New cathode materials $LaNi_{1-x}{Cu_x}{O_3}$ (typically $LaNi_{0.8}Cu_{0.2}O_3$) were synthesized using a co-precipitation method. The structure and morphology of the powders were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The composite material [$Ce_{0.8}Sm_{0.2}O_{2-\ddot{a}}$(SDC) and carbonate (${Na_2}{CO_3},{Li_2}{CO_3}$)], NiO and $LaNi_{1-x}{Cu_x}{O_3}$ were used as the electrolyte, anode and cathode, respectively. The electrochemical performance of La-Ni-Cu-O perovskite oxide at low temperatures ($400{\sim}550^{\circ}C$) was studied. The results showed that $LaNi_{0.8}Cu_{0.2}O_3$ precursor powder prepared through a co-precipitation method and calcined at $860^{\circ}C$ for 2 h formed uniform grains with diameters in the range of $400{\sim}500\;nm$. The maximum power density and the short circuit current density of the single cell unit at $550^{\circ}C$ were found to be $390\;mW/cm^2$ and $968\;mA/cm^2$, respectively.
High temperature electrolysis is a promising technology to produce massively hydrogen using renewable and nuclear energy. Solid oxide fuel cell materials are candidates as the components of steam electrolysers. However, the polarization characteristics of the typical electrode materials during the electrolysis have not been intensively investigated. In this study, NiO electrode was deposited on YSZ electrolyte by spin coat process and firing at $1300^{\circ}C$. Pt electrode was applied on the other side of the electrolyte to compare the polarization characteristics with those by NiO during electrolysis. The $H_2$ evolution rate was also monitored by measuring the electromotive force of Lambda probe and calculated by thermodynamic consideration. At low current density, Pt showed lower cathodic polarization and thus higher current efficiency than Ni, but the oxidation of Ni into NiO caused the increase of anodic resistance with increasing current density. High overpotential induced high power consumption to produce hydrogen by electrolysis.
Park, Jae-Keun;Yang, Su-Yong;Lee, Tae-Hee;Oh, Je-Myung;Yoo, Young-Sung;Park, Jin-Woo
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.43
no.12
s.295
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pp.823-828
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2006
One of the main issues of Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) is to reduce the operating temperature to $750^{\circ}C$ or less. It has advantages of improving the life of component parts and the long-term stability of a system, so the production cost could be decreased. In order to achieve that, the ohmic and polarization loss of a single cell should be minimized first. This paper presents.to fabricate anode-supported single cells with controlling microstructure as a function of particle size and volume of graphite and NiO-YSZ weight ratio. By means of optimizing the manufactural condition through microstructure analysis and performance evaluation, the single cell which had NiO-YSZ=6:4, graphite volume of 24% and graphite size of $75{\mu}m$ as the anode composition showed a distinguished power density of $510mW/cm^2$ at $650^{\circ}C$ and $810mW/cm^2$ at $700^{\circ}C$, respectively.
Lanthanum-based transition metal cations containing perovskites have emerged as potential catalysts for the intermediate-temperature (600-800℃) oxygen reduction reaction (ORR). Here, we report a facile acetylacetone-assisted combustion route for the synthesis of nanostructured La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF6428) cathodes for intermediate-temperature solid-oxide fuel cells (IT-SOFCs). The as-prepared powder was analyzed by thermogravimetry analysis-differential scanning calorimetry. The powder calcined at 800℃ was characterized by X-ray diffraction, scanning electrode microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, and Brunauer-Emmett-Teller surface area measurements. It was found that the porosity of the air electrode significantly increased by utilizing the nanostructured LSCF6428 instead of commercial powder. The performance of a single cell fabricated with the nanostructured LSCF6428 cathode increased by 112%, from 0.4 to 0.85 W cm-2, at 700℃. Electrochemical impedance spectroscopy showed a considerable reduction in the area-specific resistance and activation energy from 133.5 to 61.5 kJ/mol, resulting in enhanced electrocatalytic activity toward ORR and overall cell performance.
Using Pechini method, we synthesized the $La_{0.6}Ca_{0.41}CrO_3$ (LCC41) and $La_{0.8}Sr_{0.05}Ca_{0.15}CrO_3$ (LSCC) powders for slurry dip coating, and $La_{0.75}Ca_{0.27}CrO_3$ (LCC27) powder for air plasma spray coating. The sintering property of the powders and their coating properties were investigated. The average particle sizes of the LCC41, LSCC, LCC27 were 0.6, 0.9, $1.5{\mu}m$, respectively. The relative density of LCC41 bulk was to be found about 98%. The LSCC coating on anode support prevented Ca migration of the coated LCC41 on the anode some or less, which was confirmed from EDS result. The air plasma spray-coated LCC27 with the dip-coated LCC41 were more dense and showed better electrical conductivity than those of the air plasma spray-coated LCC27 and the dip-coated LSCC and LSCC41. The LCC41 and LCC27 showed good electrical conductivities, but the LSCC had a poor electrical conductivity probably due to low sinterability
The LSCF cathode far Solid Oxide Fuel Cell was investigated to develop high performance unit cell at intermediate temperature by modified oxalate method with different electrolytes and different pH. The LSCF powders employed La, Sr, Co and Fe oxides, oxalic acid, ethanol and $NH_4OH$ solution were synthesized with pH controlled as 2, 6, 7, 8, 9 and 10 at $80^{\circ}C$ Single crystalline phase was obtained from pH $2{\sim}9$. on the other hand, $La_2O_3$ appeared from pH 10. Very fine powder with particle size of 50 nm was obtained at calcination temperature of $800^{\circ}C$ for 4 hours. LSCF cathode synthesized at pH 7 showed the highest electric conductivity in the temperature range of $600^{\circ}C$ to $900^{\circ}C$ its value was 950 S/cm at $900^{\circ}C$ Under same synthesis conditions, polarization resistance of each LSCF cathode was changed with different calcination temperatures. As-prepared powder presented 2.52, 1.54 and $2.58\;{\Omega}$ at $600^{\circ}C$ with ScSZ, 8Y-YSZ and GDC as its electrolyte respectively after calcination at $800^{\circ}C$ for 4 hours.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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