High Power, Low Cost SOFC Stacks For Robust And Reliable - PowerPoint PPT Presentation

High ¡Power, ¡Low ¡Cost ¡SOFC ¡ Stacks ¡For ¡Robust ¡And ¡Reliable ¡ Distributed ¡Genera?on ¡ Redox ¡Cube ¡ • 25 ¡kW, ¡natural ¡gas, ¡ Award ¡No. ¡DE-­‑FE0026189 ¡ sta6onary ¡power ¡system ¡ • > ¡50% ¡efficiency ¡ PI: ¡Bryan ¡Blackburn, ¡Ph.D. ¡ • Compact ¡(~1 ¡m 3 ) ¡ • Lightweight ¡(< ¡1000 ¡lbs) ¡ Redox ¡Power ¡Systems, ¡LLC ¡ ¡ For ¡more ¡info: ¡ ¡ Project ¡Kickoff ¡12/02/2015 ¡ www.redoxenergy.com ¡ NETL ¡Project ¡Partners ¡ Commercial ¡Partners: ¡ • Univ. ¡of ¡Maryland ¡Energy ¡Research ¡Center ¡ ¡ • Trans-­‑Tech ¡Inc. ¡ (UMERC) ¡ ¡ • Strategic ¡Analysis ¡Inc. ¡ • Center ¡for ¡Advanced ¡Life ¡Cycle ¡Engineering ¡(CALCE) ¡ at ¡the ¡Univ. ¡of ¡Maryland ¡ 12/02/15 ¡ REDOX ¡POWER ¡SYSTEMS, ¡LLC ¡ 1 ¡

Introduction to Redox • Redox ¡Power ¡Systems ¡founded ¡in ¡2012, ¡ ¡ located ¡in ¡College ¡Park, ¡MD ¡ ¡ • Over ¡25 ¡years ¡of ¡Solid ¡Oxide ¡Fuel ¡Cell ¡(SOFC) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ development ¡to ¡achieve: ¡ – 10x ¡higher ¡power ¡density ¡than ¡compe6ng ¡SOFCs ¡ ¡ – At ¡100s ¡of ¡degrees ¡lower ¡opera6ng ¡temperature ¡ – Using ¡natural ¡gas ¡fuel ¡ – To ¡result ¡in ¡a ¡more ¡compact ¡and ¡lower ¡cost ¡system ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡with ¡improved ¡load ¡following ¡capabili6es ¡ – Using ¡a ¡proprietary ¡bilayer ¡cell ¡structure ¡ • Private ¡+ ¡gov’t ¡funding: ¡DoE ¡(ARPAE, ¡EERE, ¡NETL) ¡& ¡DoD ¡ • SOFC ¡cells ¡are ¡manufactured ¡with ¡our ¡ISO ¡9001 ¡partner ¡ Trans-­‑Tech ¡Inc, ¡a ¡division ¡of ¡Skyworks ¡Solu6ons ¡ 12/02/15 ¡ REDOX ¡POWER ¡SYSTEMS, ¡LLC ¡ 2 ¡

Redox Product Manufacturing Overview Balance ¡Of ¡ Plant ¡ 1 ¡to ¡10 ¡kW e ¡ 25 ¡kW e ¡ Cube ¡System ¡ SOFC ¡ Stacks ¡ ~100W ¡ Bilayer ¡ SOFC ¡Cells ¡ Raw ¡ Oxide ¡ Powders ¡ Common ¡high ¡volume ¡appliance ¡ Specialized ¡manufacturing, ¡ and ¡electronics ¡manufacturing, ¡ custom ¡components ¡ COTs ¡components ¡ 12/02/15 ¡ REDOX ¡POWER ¡SYSTEMS, ¡LLC ¡ 3 ¡

Introduction to Partner Organizations • UMERC ¡(under ¡direc6on ¡of ¡Prof. ¡Eric ¡Wachsman) ¡ – mul6disciplinary ¡ini6a6ve ¡dedicated ¡to ¡advancing ¡the ¡fron6ers ¡of ¡energy ¡science ¡and ¡ technology, ¡with ¡a ¡special ¡focus ¡on ¡forward-­‑looking ¡approaches ¡for ¡alterna6ve ¡energy ¡ genera6on ¡and ¡storage ¡ – heavily ¡involved ¡in ¡NETL ¡SOFC ¡degrada6on ¡inves6ga6ons ¡for ¡more ¡than ¡a ¡decade ¡ – developed ¡unique ¡techniques ¡for ¡inves6ga6ng ¡degrada6on ¡of ¡cathode ¡materials ¡using ¡ isotope ¡exchange ¡ – pioneered ¡the ¡use ¡of ¡FIB-­‑SEM ¡reconstruc6on ¡to ¡to ¡quan6fy ¡porous ¡cathode ¡microstructure ¡at ¡ the ¡sub-­‑micron ¡level ¡and ¡ul6mately ¡to ¡develop ¡higher ¡performance ¡cathodes ¡ • CALCE ¡(under ¡direc6on ¡of ¡Prof. ¡Michael ¡Pecht) ¡ – founder ¡and ¡driving ¡force ¡behind ¡the ¡development ¡and ¡implementa6on ¡of ¡physics-­‑of-­‑failure ¡ (PoF) ¡approaches ¡to ¡reliability ¡ – world ¡leader ¡in ¡accelerated ¡tes6ng, ¡electronic ¡parts ¡selec6on ¡and ¡management, ¡and ¡supply-­‑ chain ¡management ¡ – first ¡academic ¡research ¡facility ¡in ¡the ¡world ¡to ¡be ¡ISO ¡9001 ¡cer6fied ¡ – funded ¡by ¡over ¡150 ¡of ¡the ¡worlds ¡leading ¡electronics ¡companies ¡at ¡more ¡than ¡US$6M/year ¡ – Experience ¡developing ¡techniques ¡for ¡extending ¡the ¡life6me ¡of ¡electrochemical ¡devices, ¡such ¡ as ¡lithium ¡ion ¡baheries, ¡under ¡real ¡world ¡opera6ng ¡condi6ons ¡ 12/02/15 ¡ REDOX ¡POWER ¡SYSTEMS, ¡LLC ¡ 4 ¡

NETL Project Objectives • Purpose: ¡ To ¡further ¡develop ¡high ¡power ¡density, ¡low ¡cost ¡SOFC ¡ stacks ¡for ¡robust ¡and ¡reliable ¡distributed ¡genera6on. ¡ • The ¡objec6ve ¡of ¡the ¡overall ¡project ¡is ¡to ¡improve ¡performance/ durability ¡of ¡Redox ¡stacks ¡while ¡reducing ¡costs ¡through: ¡ ¡ – the ¡scale-­‑up ¡of ¡current ¡stack ¡module ¡designs ¡to ¡5-­‑10 ¡kW ¡ ¡ – the ¡determina6on ¡of ¡cell ¡and ¡stack ¡degrada6on ¡mechanisms ¡between ¡ 500-­‑650°C ¡through ¡accelerated ¡tes6ng ¡and ¡subsequent ¡cell ¡and ¡stack ¡ op6miza6on ¡to ¡improve ¡long-­‑term ¡stability ¡ – the ¡development ¡and ¡tes6ng ¡of ¡a ¡robust ¡5-­‑10 ¡kW ¡stack ¡design ¡that ¡can ¡ support ¡electrical ¡load ¡and ¡thermal ¡cycling ¡requirements ¡ – detailed ¡cost ¡analysis ¡to ¡show ¡a ¡20% ¡manufacturing ¡cost ¡improvement ¡for ¡ the ¡stack ¡over ¡current ¡2020 ¡DOE ¡cost ¡targets ¡ 12/02/15 ¡ REDOX ¡POWER ¡SYSTEMS, ¡LLC ¡ 5 ¡

Approach Summary: IT-SOFC Stack • Increased Efficiency - Er stabilized Bi 2 O 3 (ESB): * 60X conductivity of YSZ @ 600°C * unstable at low PO 2 (fuel conditions) - Gd doped CeO 2 (GDC): * > 5X conductivity of YSZ @ at 600°C * electronic leakage in fuel conditions, lowers efficiency - Solution : a bilayer of GDC (fuel side) and ESB, stops ceria electronic leakage & Bi 2 O 3 decomposition - Goal : Optimize bilayer for best compromise between stability and performance in stack up to 10 kW ¡ 12/02/15 ¡ REDOX ¡POWER ¡SYSTEMS, ¡LLC ¡ 6 ¡

Approach Summary: IT-SOFC Stack The ¡Cell ¡ • – Bilayer ¡electrolyte ¡+high ¡performance ¡cathode ¡yield ¡ultra ¡high ¡power ¡density ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ (> ¡2 ¡W/cm 2 ¡in ¡lab ¡tes6ng) ¡ – Lower ¡opera6ng ¡temperatures ¡(down ¡to ¡< ¡400 ¡°C, ¡or ¡700 ¡°F) ¡ – Current ¡anodes ¡can ¡run ¡on ¡wide ¡range ¡of ¡hydrocarbon ¡fuels ¡with ¡high ¡efficiency ¡ – New ¡ceramic ¡anodes ¡can ¡also ¡be ¡thermally ¡cycled ¡for ¡enhanced ¡load ¡following ¡ The ¡Stack ¡ • – Lower ¡opera6ng ¡temperatures ¡= ¡lower ¡cost ¡metal ¡interconnects, ¡less ¡insula6on ¡ – Conven6onal ¡sealing ¡materials ¡like ¡those ¡used ¡in ¡automo6ve ¡industry ¡ • Optimized designs for 5-10 kW stacks and IT operation – 500-650°C operating temperatures – Use proprietary Redox multi-physics bilayer model to optimize stack design for up to 10 kW – Support modeling with elevated temperature mechanical testing (stress concentrations and creep) – Improve assembly techniques (e.g., alignment and compression load) • 5-10 kW stack demo – Bilayer cell performance maps for up to 10 kW stack, feed results back to model for design optimization – Long term testing > 1,000 hours – Fully instrumented test setup for evaluation of fuel utilization, degradation, and performance 12/02/15 ¡ REDOX ¡POWER ¡SYSTEMS, ¡LLC ¡ 7 ¡

High Power, Robust Stack 650°C ¡ • Large ¡format ¡cells ¡with ¡high ¡ (single ¡GDC ¡electrolyte) ¡ power ¡have ¡been ¡scaled ¡in ¡ manufacturing ¡ – 10 ¡cm ¡by ¡10 ¡cm ¡cell ¡performance ¡ matches ¡buhon ¡cell ¡results ¡in ¡100% ¡slip ¡ condi6on ¡(21% ¡CH 4 , ¡39% ¡H 2 , ¡4.4% ¡CO) ¡ • ¡1 ¡kW ¡stack ¡size ¡to ¡be ¡scaled ¡ to ¡5-­‑10 ¡kW ¡size ¡ – Single ¡stack, ¡ or ¡ – Stack ¡module ¡(no ¡less ¡than ¡2.5 ¡kW ¡ each) ¡ 12/02/15 ¡ REDOX ¡POWER ¡SYSTEMS, ¡LLC ¡ 8 ¡

Project Task Summary • Task ¡1: ¡Project ¡Management ¡and ¡Planning ¡ ¡ • Task ¡2: ¡Develop ¡High ¡Power, ¡Robust, ¡Low ¡Cost ¡ ¡IT-­‑SOFC ¡ ¡Stacks ¡ • Task ¡3: ¡Improve ¡Long-­‑Term ¡Stability ¡and ¡Reliability ¡of ¡High ¡ ¡Power, ¡IT-­‑SOFC ¡Stacks ¡ • Task ¡4: ¡Demonstrate ¡a ¡Robust ¡5-­‑10 ¡kW ¡Stack ¡or ¡Stack ¡ ¡Module ¡for ¡Distributed ¡Genera6on ¡ • Task ¡5: ¡Perform ¡a ¡Detailed ¡Cost ¡Analysis ¡of ¡High ¡Power, ¡IT-­‑ ¡SOFC ¡Stacks ¡ 12/02/15 ¡ REDOX ¡POWER ¡SYSTEMS, ¡LLC ¡ 9 ¡