Opracowanie technologii cienkich, stałotlenkowych ogniw paliwowych na podłożu anodowym

• Autorzy: Kluczowski R. , Świeca A. , Kawalec M. , Krauz M.

Warianty tytułu

EN

Development of technology of thin, anode-supported solid oxide fuel cells

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W publikacji przedstawiono prace dotyczące wykonania stałotlenkowych ogniw paliwowych na podłożu anodowym o wymiarach 100 mm  100 mm oraz 50 mm  50 mm i grubości poniżej 1 mm. Zmniejszenie grubości ogniwa paliwowego ma na celu poprawę jego parametrów elektrycznych, optymalizację przepływu gazów do jak i z anody ogniwa paliwowego oraz dodatkowo obniżenie jednostkowego kosztu materiałowego pojedynczego ogniwa paliwowego. Podłoże anodowe o składzie NiO/8YSZ 66/34 (% mas.) wykonano metodą wtrysku wysokociśnieniowego materiałów ceramicznych (CIM). Dobrano spoiwa i plastyfikatory oraz wykonano masę ceramiczną do formowania metodą wtrysku wysokociśnieniowego podłoży anodowych. Zaprojektowano i wykonano formę do wtrysku wysokociśnieniowego podłoża o żądanej grubości. Zoptymalizowano również proces wstępnego wypalania w celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej, pozwalającej na nanoszenie warstw metodą sitodruku bez uszkodzenia podłoża anodowego. Na tak wykonanych podłożach anodowych wykonano pełne ogniwa paliwowe wg ustalonej konfiguracji opracowanej w CEREL. Na podłoże anodowe metodą sitodruku naniesiono warstwę anodową funkcjonalną o grubości 7 µm wykonaną z mieszaniny proszków tlenku niklu NiO (JT Baker)/8YSZ (TOSOH) 50:50 (% mas.), warstwę elektrolitową 8YSZ (TOSOH) o grubości 5 µm. Po wypaleniu tych warstw w temperaturze 1400 °C naniesiono warstwę barierową Gd0,1Ce0,9O2 (Praxair) o grubości 1,5 µm oraz warstwę katodową La0,6Sr0,4Fe0,8Co0,2O3–δ (Praxair) o grubość 30 µm, które następnie wypalono odpowiednio w temperaturze 1350 °C i 1100 °C. Wytworzono serię kompletnych ogniw paliwowych o grubości 0,55 mm o wymiarach 100 mm  100 mm i 50 mm  50 mm. Przeprowadzono badania elektrochemiczne ogniwa, uzyskując wysokie wartości właściwości elektrycznych OCV = 1,051 V i maksymalną gęstość mocy 0,604 W/cm2 przy obciążeniu prądowym 1 A/cm2.

EN

The publication presents works on the development of anode-supported solid oxide fuel cells (AS-SOFC) with base dimensions of 100 mm  100 mm and 50 mm  50 mm and overall thickness below 1 mm. The reduction of the thickness of the fuel cell aims at improving the electrical parameters, optimizing the gas flow to and from the fuel cell anode and further reducing the unit material cost of a single fuel cell. Anode support with the composition of NiO (JT Baker)/8YSZ (Tosoh) 66/34 (wt. %) were made using high-pressure injection moulding of ceramic materials (CIM). Binders and plasticizers were selected and a ceramic mass was prepared for high-pressure injection moulding of anode supports. A mould required for this operation was designed and made. The pre-sintering process has been optimized to increase the mechanical strength, allowing for direct screen printing without damaging the anode supports. Complete fuel cells on such anode supports were made, according to the established procedure developed in IEn CEREL. Two layers were deposited on sintered anode supports, using screen printing method: (i) an anode functional layer with a thickness of 7 μm made of a mixture of nickel oxide NiO (JT Baker)/8YSZ (TOSOH) 50/50 (wt. %), (ii) an electrolyte layer 8YSZ (TOSOH) with a thickness of 5 μm. After firing these layers at 1400 °C, the Gd0.1Ce0.9O2 (Praxair) barrier layer with a thickness of 1.5 μm and the La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3–δ (Praxair) cathode layer with thickness of 30 μm were deposited, and subsequently sintered at 1350 °C and 1100 °C, respectively. A series of complete fuel cells with a thickness of 0.55 mm and dimensions of both 100 mm  100 mm and 50 mm  50 mm were manufactured and subsequently tested, achieving high electrical parameters of OCV = 1.051 V and a maximum power density of 0.604 W/cm2 at a current load of 1 A/cm2.

Słowa kluczowe

PL

ogniwo paliwowe; SOFC; CIM

EN

fuel cell; SOFC; CIM

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 70, nr 2
• Strony: 152--160
• Opis fizyczny: Bibliogr. 5 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kluczowski R.

• Instytut Energetyki Oddział Ceramiki CEREL, ul. Techniczna 1, 36-040 Boguchwała

autor

Świeca A.

• Instytut Energetyki Oddział Ceramiki CEREL, ul. Techniczna 1, 36-040 Boguchwała

autor

Kawalec M.

• Instytut Energetyki Oddział Ceramiki CEREL, ul. Techniczna 1, 36-040 Boguchwała

autor

Krauz M.

• Instytut Energetyki Oddział Ceramiki CEREL, ul. Techniczna 1, 36-040 Boguchwała

Bibliografia

• [1] Jin, C., Mao Y., Zhang N., Sun K.: Fabrication and characterization of Ni-SSZ gradient anodes/SSZ electrolyte for anode-supported SOFCs by tape casting and co-sintering technique, Int. J. Hydrogen Energy, 40, (2015), 8433-8441.
• [2] Park, J. H., Han, S. M., Yoon, K. J., Kim H., Hong J., Kim B-K., Lee J-H., Son J-W.: Impact of nanostructured anode on low-temperature performance of thin-film-based anode-supported solid oxide fuel cells., J. Pow. Sour., 315, (2016), 324-330.
• [3] Golec, T., Miller, M., Antunes R., Jewulski, J., Klimov A., Stepien M., Krauz M., Kluczowski R., Krzastek K., Nowak R.: The Institute of Power Engineering Activity in the Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) technology, J. Fuel Cell Sci. Techn., 7, (2010), 011003 -1-5.
• [4] Rak, Z., Kluczowski, R., Krauz, M.: Ogniwa stałotlenkowe na suporcie anodowym, Ceramika, 96, (2006), 459-466.
• [5] Kluczowski, R., Krauz, M., Kawalec, M., Ouweltjes, J. P.: Near net shape manufacturing of planar anode supported solid oxide fuel cells by using ceramic injection molding and screen printing, J. Pow. Sour., 268, (2014), 752-757.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).