An interconnect in solid oxide fuel cells (SOFCs) electrically connects unit cells and separates fuel from oxidant in the adjoining cells. The present work involves conductive and stable ceramic materials and coatings for solid oxide fuel cell interconnects.
Chapter 3 is concerned with a ceramic interconnect based on perovskite oxides for SOFCs. We report a dual-layer interconnect film for segmented-in-series (SIS) SOFCs comprising perovskite-type oxides, $Sr_{0.7}La_{0.2}TiO_3$ and $La_{0.8}Sr_{0.2}FeO_3$ . The interconnect film fabricated by a co-sintering process is not only dense but also highly conductive and stable under SOFC operating conditions. A flat-tubular SIS-SOFC fabricated using these interconnect films exhibits a power density of $340 mW cm^{-2}$ , which proves the feasibility of the dual-layer interconnect design.
Chapter 4 deals with protective coatings based on spinel oxides for metallic interconnects. $Mn_{1.5}Co_{1.5}O_4$ (MCO) spinel oxides doped with Cu and Ni are synthesized and applied as protective coatings on a metallic interconnect. Doping of Cu and Ni into MCO improves sintering characteristics as well as electrical conductivity and thermal expansion match with the interconnect. The dense layers of Cu- and Ni-doped MCOs are fabricated on the interconnects by a slurry coating process. The Cu-doped MCO coating acts as an effective barrier to evaporation and migration of Cr-containing species from the interconnect.
Chapter 5 is devoted to protective coatings based on perovskite-type rare-earth oxides for metallic interconnects. Perovskite-type $LaCoO_3$ , $La_{0.9}Ca_{0.1}CoO_3$ , and $LaMnO_3$ films are fabricated on the SOFC interconnects through “chemically assisted electrodeposition” of hydroxide coupled with thermal conversion of hydroxide to oxide. The electrodeposition parameters, such as solution pH, applied potential, solution composition, and deposition time, have a dominant influence on the composition, microstructure and adhesion of the perovskite oxide films. The fabricated films exhibit outstanding performance as a conductive protection coating for SOFC interconnects and current？collectors, and high stability during both continuous operation and repeated thermal cycling.
고체산화물 연료전지용 연결재는 단전지들을 전기적으로 연결하는 동시에 셀들 사이에서 연료와 공기를 분리하는 역할을 수행한다. 그러나 세라믹 연결재는 치밀하게 소결되기 어렵고 산화/환원 동시 분위기에서 전도성이 낮으며, 금속 연결재는 산화 분위기에서 계면 저항이 증가하고 공기극의 성능 저하를 초래한다. 따라서, 본 연구는 이러한 연결재들을 위한 세라믹 산화물 소재의 전도성 및 내구성 향상에 대하여 진행되었다.
스트론튬 란탄 티타늄 산화물과 란탄 스트론튬 철 산화물로 구성된 이중층 구조의 세라믹 연결재 박막은 공소결 공정을 통해 연료극 상에 치밀하게 구현되었다. 형성된 연결재는 고온에서 우수한 전도성과 안정성을 보였다. 더불어 이 연결재가 적용된 세그먼트형 고체산화물 연료전지는 높은 성능과 장기 안정성을 보였다.
금속 연결재는 스피넬 및 페로브스카이트 구조의 산화물들을 이용하여 보호되었다. 구리와 니켈이 도핑된 망간 코발트 산화물은 향상된 소결력과 전도도를 보이며, 슬러리 코팅법을 이용하여 연결재 상에 치밀한 박막으로 구현되었다. 구리가 도핑된 망간 코발트 박막은 고온에서 연결재의 산화와 연결재로부터의 크롬 휘발을 효과적으로 억제하였다. 페로브스카이트 구조의 란탄 코발트 및 란탄 망간 산화물은 전기도금 및 열변환을 이용하여 연결재 상에 박막으로 형성되었다. 상기 박막들로 보호된 금속 연결재들은 고온에서 우수한 전도성 및 안정성을 보였다.
