QUACH, THAI-QUYEN;GIAP, VAN-TIEN;LEE, DONG KEUN;LEE, SUNYOUP;BAE, YONGGYUN;AHN, KOOK YOUNG;KIM, YOUNG SANG
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.33
no.5
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pp.557-565
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2022
The effect of flow configuration in ammonia-fed solid oxide fuel cell are investigated by using a three-dimensional numerical model. Typical flow configurations including co-flow and counter-flow are considered. The ammonia is directly fed into the stack without any external reforming process, resulting in an internal decomposition of NH3 in the anode electrode of the stack. The result showed that temperature profile in the case of counter-flow is more uniform than the co-flow configuration. The counter-flow cell, the temperature is highest at the middle of the channel while in the case of co-flow, the temperature is continuously increased and reached maximum value at the outlet area. This leads to a higher averaged current density in counter-flow compared to that of co-flow, about 5%.
The anode may inevitably undergo a number of reduction.oxidation (redox) cycles during solid oxide fuel cells (SOFCs) operation. The re-oxidation of Ni to NiO causes significant mechanical stress to be developed across the anode, which may destroy the integrity of the whole cell. In this study, the redox behavior of Ni-YSZ composite was examined at $800^{\circ}C$ using various characterization techniques.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.9
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pp.2353-2364
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1995
The ignition phenomena of a solid fuel plate of polymethyl-methacrylate(PMMA), which is vertically positioned and exposed to a thermal radiation source, is numerically studied here. A two-dimensional transient model includes such various aspects as thermal decomposition of PMMA, gas phase radiation absorption, gas phase chemical reaction and air entrainment by natural convection. Whereas the previous studies considers the problem approximately in a one-dimensional form by neglecting the natural convection, the present model takes account of the two-dimensional effect of radiation and air entrainment. The inert heating of the solid fuel is also taken into consideration. Radiative heat transfer is incorporated by th Discrete Ordinates Method(DOM) with the absorption coefficient evaluated using gas species concentration. The thermal history of the solid fuel plate shows a good agreement compared with experimental results. Despite of induced natural convective flow that induces heat loss from the fuel surface, the locally absorbed radiant energy, which is converted to the internal energy, is found to play an important role in the onset of gas phase ignition. The ignition is considered to occur when the rate of variation of gas phase reaction rate reaches its maximum value. Once the ignition takes place, the flame propagates downward.
In order to fabricate a highly performing cathode for low-temperature type solid oxide fuel cells working at below $700^{\circ}C$, electrode microstructure control and electrode polarization measurement were performed with an electronic conductor, $La_{0.8}Sr_{0.2}MnO_3$ (LSM) and a mixed conductor, $La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_3$(LSCF). For both cathode materials, when $Sm_{0.2}Ce_{0.8}O_2$ (SDC) buffer layer was formed between the cathode and yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte, interfacial reaction products were effectively prevented at the high temperature of cathode sintering and the electrode polarization was also reduced. Moreover, cathode polarization was greatly reduced by applying the SDC sol-gel coating on the cathode pore surface, which can increase triple phase boundary from the electrolyte interface to the electrode surface. For the LSCF cathode with the SDC buffer layer and modified by the SDC sol-gel coating on the cathode pore surface, the cathode resistance was as low as 0.11 ${\Omega}{\cdot}cm^2$ measured at $700^{\circ}C$ in air atmosphere.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.7
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pp.963-972
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2003
Performance characteristics of the planar-type solid oxide fuel cell (SOFC) are investigated by the analysis of flow fields coupled with heat and mass transfer phenomena in anode and cathode channels. For these purposes, performance analysis of the SOFC is conducted based on electrochemical reaction phenomena in electrodes and electrolyte coupled with flow fields in anode and cathode channels. In the present study, the isothermal model adopted in the previous paper prepared by the same authors is extended to the non-isothermal model by solving energy equation additionally with momentum and mass transfer equations using CFD technique. It is found that the difference between isothermal and non-isothermal models come from non-uniform temperature distribution along anode and cathode electrodes by solving energy equation in non-isothermal model. Non-uniform temperature distribution in non-isothermal model contributes to the increase of average temperature of the fuel cell and influences its performance characteristics.
Much research into fuel cells operating at a temperature below $800^{\circ}C$. is being performed. There are significant efforts to replace the yttria-stabilized zirconia electrolyte with a doped ceria electrolyte that has high ionic conductivity even at a lower temperature. Even if the doped ceria electrolyte has high ionic conductivity, it also shows high electronic conductivity in a reducing environment, therefore, when used as a solid electrolyte of a fuel cell, the powergeneration efficiency and mechanical properties of the fuel cell may be degraded. In this study, gadolinium-doped ceria nanopowder with $Al_2O_3$ and $Mn_2O_3$ as a reinforcing and electron trapping agents were synthesized by ultrasonic pyrolysis process. After firing, their microstructure and mechanical and electrical properties were investigated and compared with those of pure gadolinium-doped ceria specimen.
A low temperature anode-supported tubular solid oxide fuel cell was developed. The anode-supported tube was fabricated using extrusion process. Then the electrolyte layer and the cathode layer were coated onto the anode tube by slurry dipping process, subsequently. The anode tube and electrolyte were co-fired at $140^{\circ}C$, and the cathode was sintered at $1200^{\circ}C$. The thickness and gas permeability of the electrolyte depended on the number of coating and the slurry concentration. Anode-supported tube was satisfied with SOFC requirements, related to electrical conductivity, pore structure, and gas diffusion limitations. At operating temperature of $800^{\circ}C$, open circuit voltage of the cell with gastight and dense electrolyte layer was 1.1 V and the cell showed a good performance of 450 mW/$\textrm{cm}^2$.
Anode supported solid oxide fuel cells (SOFCs), consisting of Ni+YSZ anode, YSZ electrolyte, and LSM+YSZ cathode, were fabricated and constant current tested with direct internal reforming of methane (steam to carbon ratio ~ 2) as well as hydrogen fuel at $800^{\circ}C$. The cell, operated under direct internal reforming conditions, showed relatively rapid degradation (~ 1.6 % voltage drop) for 95 h; the cells with hydrogen fuel operated stably for 170 h. Power density and impedance spectra were also measured before and after the tests, and post-test analyses were conducted on the anode parts using SEM / EDS. The results indicate that the performance degradation of the cell operated with internal reforming can be attributed to carbon depositions on the anode, which increase the resistance against anode gas transport and deactivate the Ni catalyst. Thus, the present study shows that direct internal reforming SOFCs cannot be stably operated even under the condition of S/C ratio of ~ 2, probably due to non-uniform mixture (methane and steam) gas flow.
Continuous solid circulation test at high temperature and high pressure conditions and batch type reduction-oxidation tests were performed to check feasibility of a 0.5 MWth chemical looping combustion system. Pressure drop profiles were maintained stable during continuous solid circulation up to 16 hours. Therefore, we could conclude that the solid circulation between an air reactor and a fuel reactor could be smooth and stable. The measured fuel conversion and $CO_2$ selectivity were high enough even at high capacity and even after cyclic tests. Therefore, we could expect high reactivity of oxygen carrier at real operation condition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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