The electrolyte in the solid oxide fuel cell must be dense enough to avoid gas leakage and thin enough to reduce the ohmic resistance. In order to manufacture the thin and dense electrolyte layer, 8 mol% $Y_2O_3$ stabilized-$ZrO_2$ (8YSZ) electrolyte layers were coated on the porous tubular substrate by the novel vacuum slurry dip-coating process. The effects of the slurry concentration, presintering temperature, and vacuum pressure on the thickness and the gas permeability of the coated electrolyte layers have been examined in the vacuum slurry coating process. The vacuum-coated electrolyte layers showed very low gas permeabilities and had thin thicknesses. The single cell with the vacuum-coated electrolyte layer indicated a good performance of $495\;mW/cm^2$, 0.7 V at $700^{\circ}C$. The experimental results show that the vacuum dip-coating process is an effective method to fabricate dense thin film on the porous tubular substrate.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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제15권4호
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pp.189-192
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2014
Yttria-stablized zirconia (YSZ) is the most commonly used electrolyte material, but the reduction in working temperature leads to insufficient ionic conductivity. Ceria based electrolytes (GDC) are more attractive in terms of conductivity at low temperature, but these materials are well known to be reducible at very low oxygen partial pressure. The reduction of electrolyte resistivity is necessary to overcome cell performance losses. So, thin YSZ/GDC bilayer technology seems suitable for decreasing the electrolyte resistance at lower operating temperatures. Bilayer electrolytes composed of a galdolinium-doped $CeO_2$ ($Ce_{0.9}Gd_{0.1}O_{1.95}$, GDC) layer and yttria-stabilized $ZrO_2$ (YSZ) layer with various thicknesses were deposited by RF sputtering and E-beam evaporation. The bilayer electrolytes were deposited between porous Ni-GDC anode and LSM cathode for anode-supported single cells. Thin film structure and surface morphology were investigated by X-ray diffraction (XRD), using $CuK{\alpha}$-radiation in the range of 2ce morphol$^{\circ}C$. The XRD patterns exhibit a well-formed cubic fluorite structure, and sharp lines of XRD peaks can be observed, which indicate a single solid solution. The morphology and size of the prepared particles were investigated by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The performance of the cells was evaluated over $500{\sim}800^{\circ}C$, using humidified hydrogen as fuel, and air as oxidant.
The microstructure and electrical conductivity characteristics were examined for the Yttria Stablized Zirconia that were added Titania with the concentration of 0.02wt%, 0.05wt% and 0.1wt%. The stabilized cubic phase had not been changed. The obtained density of the sintered body was higher than 97% of the theoretical density as the grain growth and proe removal. And the highest density of 5.91g/cm**3 was obtained for 0.02wt% addition of TiO2. When 0.02 wt% TiO2 was added to YSZ, the electrical conductivity was 0.293.(\ulcorner.cm)**-1 and the limit of electrolyte regime Pn was 4x10**-28 atm. at 1, 100\ulcorner, respectively. Those were improved value compared with the electrical conductivity 0.107 (\ulcorner.cm)**-1 and Pn 1.5x10**-27atm. without adding TiO2.
The effect of mcirostructure on the electrical properties of yttria stabilized zirconia (YSZ) was analyzed by modeling layer arrangements and mixed phase structure. The YSZ thin films were deposited by RF magnetron sputtering using 30mol% YSZ and 8 mol% YSZ targets with yttrium pellets on porous alumina substrates. The structure, composition and electricla properties of the YSZ films were investigated as functions of sputtering conditons and layer arrangements by XRD, TEM, XPS and acimpedance spectroscopy. The results showed that the triple palyered YSZ films had highermicrohardness, lower compressive stress state and higher ionic conductivity by one order than single and double layered YSZ films. However, sputtered YSZ films have low conductivity compared to YSZ pellets or doctor bladed YSZ thin plates. These results were probably due to the influence of insulating alumina substrates, impractical for most stacking geometries and inductance induced by relatively long platinum, lead wire on YSZ conductivity.
Unite cell of soid oxide fuel cell (SOFC) that consists of a dense yttria-stabilized zirconia(YSZ) electrolyte a porous nickel-YSZ cermet anode and a porous strontium- doped lanthanum manganate(LSM) cathod was fabricated from using pore former through co-firing technique. Initial sintering shrinkage rates of each layer were identified for fabricating SOFC. Heterogenous sintering was very effective in tailoring shrinkage rate for three layers. The powder tailoring necessary for shrinkage rate matching are as follows ; electrolyte of 60% TZ8YS/ 40% TZ8Y mixture anode of 51wt% NiO/49 wt% (70wt% TZ8YS/30 wt% UT ZrO2) mixture and cathode of 80% LSM/20% UT ZrO2 mixture . The overall sintering shrinkage rate differences of three layers using these compositions were maintained in a few percent.
Monolith aperture-type oxygen sensors with simple structure of YSZ(pin-hole)/Pt/ YSZ(solid electrolyte)/Pt were fabricated by co-firing technique. To enhance the yield of productivity, a couple of YSZ green sheets for diffused barrier and solid electrolyte were prepared by tape-casting and co-firing method. The limit current characteristics of the oxygen sensors were measured between 500 and $650^{\circ}C$ The heating temperature of $600^{\circ}C$ was optimum as a portable oxygen sensor in the range of oxygen concentration from 0 to 75 vol%. Linear proficiency of limit current behavior as a function of oxygen concentration was controlled by the variation of aperture dimension. The fabricated oxygen sensors showed the stable sensing output for 30 days. Gas leakage in bonding area due to warping, cracking and thermal cycling was not found in the period.
Grain-boundary conduction in the fluorite-structure solid oxide electrolytes such as acceptor-doped zirconia and ceria were reviewed. The siliceous impurity, even several hundreds ppm, affects the ionic conduction across grain boundary to a great extent. Various approaches to improve grain-boundary conduction in fluorite-structure oxide electrolytes have been investigated, which include (1) the scavenging of siliceous phase by the reaction with second phase, (2) the gathering of intergranular siliceous phase into a discrete configuration and (3) the dewetting of intergranular liquid phase by post-sintering heat treatment.
Submicron thick solid electrolyte membrane is essential to the implementation of low temperature solid oxide fuel cell, and, therefore, development of new electrode structures is necessary for the submicron thick solid electrolyte deposition while providing functions as current collector and fuel transport channel. In this research, a nickel membrane with multi-stage nano hole array has been produced via modified two step replication process. The obtained membrane has practical size of 12mm diameter and $50{\mu}m$ thickness. The multi-stage nature provides 20nm pores on one side and 200nm on the other side. The 20nm side provides catalyst layer and $30\~40\%$ planar porosity was measured. The successful deposition of submicron thick yttria stabilized zirconia membrane on the substrate shows the possibility of achieving a low temperature solid oxide fuel cell.
Electrochemical promotion of the reaction rate was investigated for CO oxidation in a solid electrolyte catalytic reactor where a thin film of Pt was deposited on the yttria stabilized zirconia as an electrode as well as a catalyst. It was shown under open circuit condition that potential was a mixed potential of $O_2$exchange reaction and electrochemical reaction induced by CO. The effect of electrochemical modification on the CO oxidation rate was studied at various overpotentials and $P_{CO}$$P_{O2}$.
In-situ micro-channeled multi tubular solid oxide fuel cell(SOFC) was fabricated using multi-pass extrusion process with out side diameter of 2.7 mm and active length of 5 mm that contained 61 individual cells. Cell materials used in this work were NiO-YSZ (50 : 50 vol.%), 8 mol% yttria-stabilized zirconia(8YSZ), $La_{0.8}Sr_{0.2}MnO_3(LSM)$ as anode, electrolyte, and cathode, respectively. The arrangement of each electrode and electrolyte layer in green bodies showed uniformity and integrity after extrusion and sintering. The XRD analysis confirmed that no reaction phases appeared and the microstructure of the electrolyte was fairly dense (relative density > 96%) after sintering.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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