Method Article

固体氧化物燃料电池动力系统的铬获取器的开发和验证

DOI:

10.3791/59623

⸱

May 26th, 2019

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1Department of Materials Science and Engineering, University of Connecticut, 2Center for Clean Energy Engineering, University of Connecticut

In This Article

Summary

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空气中污染物的阴极中毒仍然是高温电化学系统长期稳定性的一个主要问题。我们提供一种新方法,使用 getter 来缓解阴极退化,在进入电化学活性堆栈区域之前,在高温下捕获空气中的污染物。

Abstract

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固体氧化物燃料电池 (SOFC) 中阴极的降解仍然是长期性能稳定性和运行可靠性的一个主要问题。空气中存在气相铬种,由于阴极和电解质界面上不需要的化合物形成,导致减氧反应((ORR)。我们已经演示了一种新方法,利用铬去拿器来缓解阴极降解,在阴极室中摄取气相铬品种之前捕获它。由碱性接地和过渡金属氧化物合成的低成本获得材料涂在软玉蜂窝基板上,用于 SOFC 电源系统。在含有铬蒸气的加湿空气环境中,铬蒸腾试验对制造物进行了500小时的筛选。通过电化学测试,已进一步验证了选定的 getter。通常,在存在和不存在铬时,在850°C下测量SOFC的电化学性能(锰石(LSM)和亚特里亚稳定氧化硅(YSZ)和Pt)。对于含有getter的100小时细胞测试,保持了稳定的电化学性能,而没有Cr getter的细胞性能在10小时内迅速下降。细胞操作的前 10 小时内的电阻。后测试SOFC和getter的表征结果证明了铬捕获的高效率,以减轻细胞降解。

Introduction

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固体氧化物燃料电池 (SOFC) 动力系统是一种高温直接电化学能转换装置,为各种化石燃料和可再生燃料发电提供了环保途径。SOFC 技术在集中式和分布式发电领域 1 中应用。该技术依赖于将储存在燃料中的化学能电化学转化为电能。SOFC在高能效、高质量热量、易于模块化以及无或可忽略的碳足迹方面提供了许多优势。几个单独的 SOFC 电池以串联或并联方式连接(即 SOFC 堆栈),以获得所需的输出电压。SOFC 堆栈由致密电解质、多孔电极、互连 (IC) 和密封件3、4 等组件组成。相邻电池的阳极和阴极使用IC连接,IC不仅用作分离器,防止氧化剂与燃料的任何混合,而且还提供相邻阳极和阴极5之间的电气连接。

数十年来材料工程研发的改进,使SOFC的工作温度降低,使得用廉价的不锈钢合金替代陶瓷材料,从而制造电化学活性电池和堆栈组件和工厂平衡 (BOP) 子系统。商用铁氧体和奥田不锈钢用于制造系统部件,因为它们成本低,热膨胀系数 (CTE) 匹配,在高工作温度下耐氧化和耐腐蚀6.在合金表面形成Cr2O3型钝化氧化物秤,作为屏障层,防止氧气从空....

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Protocol

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1. 铬的合成

  1. 合成前体粉末使用碱性土和过渡金属氧化物盐通过传统的共沉淀合成路线,如图1 16所示。
    1. 使用 50.33 g 硝酸二铵 Sr(NO3)2和 43.97 g 硝酸镍六氢合物 Ni(NO3)2.6H2O 制备库存溶液,以便在 100 mL 的去电化水中制备 2.4 M 溶液。
    2. 使用 9 mL 的 2.4 M Sr(NO3)2,加入 7 mL 的 2.4 M 溶液的 Ni(NO3)2.6H2O,然后搅拌混合溶液并加热至 80°C。
    3. 加入30 mL的5M NH4OH,将pHH增加到8.5,然后,在干烤箱中干燥溶液,并确保所有水蒸发,直到观察到蓝色蜡状化合物。在 DI 水中冲洗粉末,以确保通过过滤去除残留的硝酸铵。最后,在120°C干燥粉末2小时。
      注意:这将产生前体粉末,用于氧化氢(SNO)的脱氧管。
  2. 将粉末溶解在水中以制备浆料。
  3. 将软玉基质浸入浆料中,进行浸渍,随后在±120°C下在空气中干燥至少2小时,斜坡速率为5°C。

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Results

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Cr 蒸腾实验是选择 Cr getter 的筛选测试。利用C辐射装置验证了铬收银机在SOFC操作条件下的性能。在加湿(3% H2O)空气中850°C下运行铬机进行实验,在500小时条件下进行。 Cr蒸腾试验期间的视觉观察显示,在没有吸气。但是,在铬源旁边放置一个 getter 表明出口弯头没有变色。这表明,在标称的SOFC操作条件下,采集器可以有效地捕获所有传入的铬蒸气品种。为了验证铬捕获并了解滴答机机制,在SEM下对后测试获取器进行了解剖和观察。getter(如图2b所示)。铬的EDS元素分布表明,大多数铬(wt.%)是在距进入口的前4000μm范围内捕获的。SEM-EDS数据进一步表明,在蒸腾试验期间,getter的中间和出口不含或可以忽略的铬。

久经考验的 Cr getter 已用于电化学验证测试。图3b显.......

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Discussion

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实验结果在长期铬蒸腾试验和电化学试验中,清楚地证明了铬获得器的有效性。getter 的存在成功地减轻了电极的污染,否则会导致极化电阻迅速增加和电化学性能下降。

铬气相铬种的形成受到优异,水蒸气浓度(湿度)增加16.阴极空气中的含水量维持在3%,代表室温加湿和饱和度。本研究选取了850°C的高温细胞暴露条件,以证明制备的铬获得器的有效性。

为了合理设计铬,第一步是识别潮湿空气环境中存在的各种铬种。热力学计算表明,干湿空气中铬蒸气品种的平衡部分压力明显不同。CrO3在干燥空气中的高温下被确定为主要气态物种,而像CrO 2(OH)和CrO2(OH)2这样的水合氧化物被确定为在高温下潮湿空气中的流行物种。.在所有铬蒸气种类中,CrO2(OH)2的部分压力在整个温度范围内保持相对较高(

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Disclosures

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作者没有任何要披露的。

Acknowledgements

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作者感谢美国能源部(US DOE)在联邦拨款DE-FE-0023385下提供财政支持。感谢与林·伯克博士和谢莱什·沃拉博士(国家能源技术实验室)进行的技术讨论。阿米特·潘迪博士(LG燃料电池,广州OH),杰夫·史蒂文森和马特·周(太平洋西北国家实验室,里奇兰华盛顿州)因帮助长期测试验证获得者的性能而得到认可。作者感谢康涅狄格大学提供实验室支持。张立春博士和梁志英女士因技术讨论和实验帮助而得到认可。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Sr（NO3）2Sigma-Aldrich243426吸气剂前驱体材料
Ni（NO3）2-6H2OAlfaAesar A15540吸气剂前驱体材料
NH4OHAlfa AesarL13168吸气剂前驱体材料
Pt 墨水ESL ElectroScience5051集流体浆料
Pt 线Alfa Aesar10288集流器线
Pt gauseAlfa Aesar40935集流器
<强>Cr2O3粉末Alfa Aesar12286铬源
硝酸（HNO3）Sigma-Aldrich438073铬萃取
高锰酸钾（KMnO4）Alfa AesarA12170铬萃取
LSM 浆料燃料电池材料18007阴极
YSZ 电解液燃料电池材料211102液
氧化铝纤维板ZircarGJ0014吸气剂基板
Ceramabond 浆料AREMCO552-VFG用于电池密封
ICP-MS （7700s）AgilentNA用于Cr分析
恒电位仪（VMP3）生物NA用于EIS/I-t测量
FIB （Helios Nanolab 460F1）FEINA用于纳米样品制备
TEM （Talos F200X S/TEM）FEINA用于成分分析
电解

References

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  1. Singh, P., Minh, N. Q. Solid oxide fuel cells: Technology status. International Journal of Applied Ceramic Technology. 1, 5-15 (2005).
  2. Stambouli, A. B., Traversa, E. Solid oxide fuel cells (SOFCs): a re....

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