A two-dimensional model for anode-supported IT-SOFCs is proposed in order to accurately consider the heat and mass transport processes with a fully-developed axial velocity profile in channel flow. A comprehensive micro model is employed to describe the electrochemical reaction in anode and cathode of SOFCs. This paper investigates the effects of operational parameters (inlet temperature, the amount of flow rate, and air flow rate) including flow configurations (co-flow and counter-flow) on the current density and temperature distributions in the IT-SOFCs.
Solid oxide fuel cell (SOFC) operates at high temperatures in range of 600-800℃. Since layers of SOFC are composed of different substances, different thermal expansion in SOFC can result in defects under high temperature conditions. For understanding relation between temperature field and the thermal deformation in SOFC, temperature and strain field were simultaneously estimated using thermographic phosphors by optical measurement. Temperature fields were obtained by the life-time method, and the temperature differences of one specimen was checked with thermocouple. The thermal deformation was estimated by digital image correlation (DIC) method with extracted phosphorescence images. To investigate the deformation accuracy of DIC measurement, thermographic phosphors were coated with and without grid pattern on aluminum surface. Simultaneous measurement of temperature fields and thermal deformation were carried out for YSZ. This study will be helpful to multi-sensing of temperature field and thermal deformation on SOFC cells.
Thin films of yttria-stabilized zirconia (YSZ) nanoparticles were prepared using a low-temperature deposition and crystallization process involving successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) or SILAR-Air spray Plus (SILAR-A+) methods, coupled with hydrothermal (175 ℃) and furnace (500 ℃) post-annealing. The annealed YSZ films resulted in crystalline products, and their phases of monoclinic, tetragonal, and cubic were categorized through X-ray diffraction analysis. The morphologies of the as-prepared films, fabricated by SILAR and SILAR-A+ processes, including hydrothermal dehydration and annealing, were characterized by the degree of surface cracking using scanning electron microscopy images. Additionally, the thicknesses of the YSZ thin films were compared by removing diffusion layers such as spectator anions and water accumulated during the air spray plus process. Crack-free YSZ thin films were successfully fabricated on glass substrates using the SILAR-A+ method, followed by hydrothermal and furnace annealing, making them suitable for application in solid oxide fuel cells.
TUANANH BUI;YOUNG SANG KIM;DONG KEUN LEE;KOOK YOUNG AHN;YONGGYUN BAE;SANG MIN LEE
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.33
no.6
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pp.707-714
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2022
Hydrogen production using solid oxide electrolysis cells (SOEC) is a promising technology because of its efficiency, cleanness, and scalability. Especially, high-power SOEC system has received a lot of attention from researchers. This study compared and analyzed the low-power and high-power SOEC system in term of economic. By using revenue requirement method, levelized cost of hydrogen (LCOH) was calculated for comparison. In addition, the sensitivity analysis was performed to determine the dependence of hydrogen cost on input variables. The results indicated that high-power SOEC system is superior to a low-power SOEC system. In the capital cost, the stack cost is dominant in both systems, but the electricity cost is the most contributed factor to the hydrogen cost. If the high-power SOEC system combines with a nuclear power plant, the hydrogen cost can reach 3.65 $/kg when the electricity cost is 3.28 ¢/kWh and the stack cost is assumed to be 574 $/kW.
Due to global decarbonization movement and tightening of maritime emissions restrictions, the shipping industry is going to switch to alternative fuels. Among candidates of alternative fuel, methanol is promising for decreasing SOx and CO2 emissions, resulting in minimum climate change and meeting the goal of green shipping. In this study, a novel combined system of direct methanol solid oxide fuel cells (SOFC), proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), gas turbine (GT), and organic Rankine cycle (ORC) targeted for marine vessels was proposed. The SOFC is the main power generator of the system, whereas the GT and PEMFC could recover waste heat from the SOFC to generate useful power and increase waste heat utilizing efficiency of the system. Thermodynamics model of the combined system and each component were established and analyzed. Energy and exergy efficiencies of subsystems and the entire system were estimated with participation of the first and second laws of thermodynamics. The energy and exergy efficiencies of the overall multigeneration system were estimated to be 76.2% and 30.3%, respectively. The combination of GT and PEMFC increased the energy efficiency by 18.91% compared to the SOFC stand-alone system. By changing the methanol distribution ratio from 0.05 to 0.4, energy and exergy efficiencies decreased by 15.49% and 5.41%, respectively. During the starting up and maneuvering period of vessels, a quick response from the power supply system and propulsion plant is necessary. Utilization of PEMFC coupled with SOFC has remarkable meaning and benefits.
Yoo Hee-Jun;Moon Ji-Woong;Oh You Keun;Moon Jooho;Hwang Hae Jin
Journal of Powder Materials
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v.12
no.6
s.53
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pp.413-421
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2005
Copper is able to work as a current collector under wide range of hydrocarbon fuels without coking in Solid oxide fuel cells (SOFCs). The application of copper in SOFC is limited due to its low melting point, which result in coarsening the copper particle. This work focuses on the sintering of copper powder with ceria coating layer. Ceria-coated powder was prepared by thermal decomposition of urea in $Ce(NO_3)_3\cdot6H_2O$ solution, which containing CuO core particles. The ceria-coated powder was characterized by XRD, ICP, and SEM. The thermal stability of the ceria-coated copper in fuel atmosphere $(H_2)$ was observed by SEM. It was found that the ceria coating layer could effectively hinder the grain growth of the copper particles.
Perovskite type ceramic membranes which exhibit dual ion conduction (proton and oxygen ion conduction) can permeate water and can aid solving operational problems such as temperature gradient and carbon deposition associated with a working solid oxide fuel cell. From this point of view, it is crucial to reveal water transport mechanism and especially the nature of the surface sites that is necessary for water incorporation and evolution. $BaCe_{0.8}Y_{0.2}O_{3-{\alpha}}$ (BCY20) was used as a model proton and oxygen ion conducting membrane in this work. Four different catalytically modified membrane configurations were used for the investigations and water flux was measured as a function of temperature. In addition, CO was introduced to the permeate side in order to test the stability of membrane against water and $CO/CO_2$ and post operation analysis of used membranes were carried out. The results revealed that water incorporation occurs on any exposed electrolyte surface. However, the magnitude of water permeation changes depending on which membrane surface is catalytically modified. The platinum increases the water flux on the feed side whilst it decreases the flux on the permeate side. Water flux measurements suggest that platinum can block water permeation on the permeate side by reducing the access to the lattice oxygen in the surface layer.
Electrochemical measurement using a LSCF6428 electrode was performed to estimate the oxygen potential gradient in the electrode layer and a long time stability test was performed by applied potential to learn the overpotential effect on the LSCF6428 electrode. By fitting the observed impedance spectra, it was obtained that the amount of faradic current decreased with distance from cathode/electrolyte interface. Oxygen potential gradient was estimated to occur within 1 um region from the cathode/electrolyte interface at an oxygen partial pressure of 10-1 bar. The segregation of cation rich phases in the LSCF6428 electrode suggests that kinetic decomposition took place. However, impedance response after applying the potential showed no changes in the electrode compared with before applying potential. The obtained results suggest that segregation of a secondary phase in a LSCF6428 cathode is not related to performance degradation for solid oxide fuel cells (SOFCs).
The perovskites with nominal compositions $La_{0.8}Sr_{0.2}Fe_{1-x}M_xO_3$ (M=Co, Mn, Ni, x=0.1-0.3) were fabricated by a solid-state reaction method as cathode materials of low-temperature operating Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs). X-ray diffraction analysis and microstructure observation for the sintered samples were performed. The ac complex impedance were measured in the temperature range $600-900^{\circ}C$ in air and fitted with a Solatron ZView program. The electrical conductivity and polarization resistance of $La_{0.8}Sr_{0.2}Fe_{1-x}M_xO_3$ (M=Co, Mn, Ni, x=0.1-0.3) were characterized systematically. The porosities of the sintered samples were in the range of 25% to 38%. The polarization resistance of $La_{0.8}Sr_{0.2}Fe_{0.7}M_{0.3}O_3$ was $0.291{\Omega}cm^2\;at\;700^{\circ}C$.
Due to high ionic conductivity and favorable oxygen electrocatalysis, doped $Bi_2O_3$ systems are promising candidates as solid oxide fuel cell cathode materials. Recently, several researchers reported reasonably low cathode polarization resistance by adding electronically conducting materials such as (La,Sr)$MnO_3$ (LSM) or Ag to doped $Bi_2O_3$ compositions. Despite extensive research efforts toward maximizing cathode performance, however, the inherent catalytic activity and electrochemical reaction pathways of these promising materials remain largely unknown. Here, we prepare a symmetrical structure with identically sized $Y_{0.5}Bi_{1.5}O_3$/LSM composite electrodes on both sides of a YSZ electrolyte substrate. AC impedance spectroscopy (ACIS) measurements of electrochemical cells with varied cathode compositions reveal the important role of bismuth oxide phase for oxygen electrocatalysis. These observations aid in directing future research into the reaction pathways and the site-specific electrocatalytic activity as well as giving improved guidance for optimizing SOFC cathode structures with doped $Bi_2O_3$ compositions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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