Entwicklung und Validierung von Chrom-Getters für Festoxid-Brennstoffzellen-Leistungssysteme

Summary

Kathodenvergiftungen durch Luftverunreinigungen in Spurenmengen sind nach wie vor ein großes Problem für die langfristige Stabilität elektrochemischer Hochtemperatursysteme. Wir bieten eine neuartige Methode, um die Kathodendegradationen mit Gettern zu mildern, die Luftschadstoffe bei hoher Temperatur erfassen, bevor sie in den elektrochemisch aktiven Stapelbereich gelangen.

Abstract

Der Abbau der Kathode in Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) ist nach wie vor ein wichtiges Anliegen für die langfristige Leistungsstabilität und Betriebssicherheit. Das Vorhandensein von Gasphasenchromarten in der Luft hat eine signifikante Leistungsminderung der Kathodenleistung bei langzeitiger Exposition aufgrund unerwünschter Zusammengesetztenbildung an der Kathode- und Elektrolytschnittstelle gezeigt, die die Sauerstoffreduktionsreaktion verzögert ( ORR). Wir haben eine neuartige Methode demonstriert, um den Kathodenabbau mit Chrom-Getter zu mildern, die die Gasphasenchromart fangen, bevor sie in der Kathodenkammer aufgenommen wird. Low-Cost-Getter-Materialien, die aus Erdalkali und Übergangsmetalloxiden synthetisiert werden, werden auf dem Cordierit-Wabensubstrat für den Einsatz in den SOFC-Stromsystemen beschichtet. As-fabriced Getter wurden durch Chromtranspirationstests für 500 h in befeuchteter Luftatmosphäre in Gegenwart von Chromdampf abgeschirmt. Ausgewählte Getter wurden unter Verwendung elektrochemischer Tests weiter validiert. Typischerweise wurde die elektrochemische Leistung von SOFCs (Lanthanstrontiummanganit (LSM) yttria stabilisierte Zirkonia (YSZ) - Pt) bei 850 °C in Gegenwart und Abwesenheit von Cr getter gemessen. Bei den 100-h-Zelltests mit Getter wurde die stabile elektrochemische Leistung beibehalten, während die Zellleistung in Abwesenheit von Cr Getters in 10 h rapide abnahm. Analysen von Nyquist-Plots deuteten auf eine signifikante Zunahme der Polarisation hin. Widerstand innerhalb der ersten 10 h der Zelloperation. Charakterisierungsergebnisse von Posttest-SOFCs und Getter haben die hohe Effizienz der Chromaufnahme zur Abschwächung des Zellabbaus demonstriert.

Introduction

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) Power-System, eine Hochtemperatur-Direkte elektrochemische Energieumwandlungsvorrichtung, bietet einen umweltfreundlichen Weg, um Strom aus einer Vielzahl von fossilen und erneuerbaren Brennstoffen zu erzeugen. Die SOFC-Technologie findet ihre Anwendungen in zentralen sowie verteilten Stromerzeugungsgebieten¹. Diese Technologie beruht auf der elektrochemischen Umwandlung chemischer Energie, die in den Brennstoffen gespeichert ist, in Strom. SOFCs bieten zahlreiche Vorteile in Bezug auf hohe Energieeffizienz, hohe Wärmequalität, einfache Modularität und keine oder keine vernachlässigbaren CO2-Fußabdrücke

Protocol

1. Synthese von Chrom-Getter

1. Synthetisieren Sie Vorläuferpulver mit Erdalkali und Übergangsmetalloxidsalzen über konventionelle Kozipitationssyntheseroute, wie in Abbildung 1¹⁶dargestellt.
   1. Bereiten Sie eine Stammlösung mit 50,33 g Strontiumnitrat Sr(NO₃)₂ und 43,97 g Nickelnitrathexahydrat Ni(NO₃)₂.6H₂O vor, um 2,4 M Lösungen in 100 ml enionisiertem Wasser vorzubereiten.
   2. Verwenden Sie 9 ml von 2,4 M Sr(NO₃)₂ und fügen Sie mit 7 ml von 2,4 M Lösung von Ni(NO₃)₂.6H₂O, gefolgt von ....

Results

Ein Cr-Transpirationsexperiment ist ein Screening-Test für die Auswahl von Cr Getters. Cr Transpiration Setup wurde verwendet, um die Leistung von Chrom Getter unter den SOFC-Betriebsbedingungen zu validieren. Die Experimente wurden in Gegenwart eines Chromgetters durchgeführt, der bei 850 °C in befeuchteter (3% H₂O) Luft für 500 h betrieben wurde. Visuelle Beobachtungen während der Cr-Transpirationstests zeigten eine signifikante Verfärbung des Auslassbogens während 500 h in E.......

Discussion

Die experimentellen Ergebnisse zeigen deutlich die Wirksamkeit von Chromgetern bei Langzeit-Chromtranspirationstests und elektrochemischen Tests. Die Anwesenheit von Getters mildert erfolgreich die Kontamination der Elektrode, was sonst zu einer schnellen Erhöhung der Polarisationsbeständigkeit und elektrochemischen Leistungseinbußen führen würde.

Die Bildung von Gasphasenchromarten aus Chrom wird begünstigt und mit einer Erhöhung der Wasserdampfkonzentration (Feuchtigkeit)^16.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sr(NO3)2	Sigma-Aldrich	243426	Getter-Vorläufermaterial
Ni(NO3)2-6H2O	Alfa Aesar A15540		Getter-Vorläufermaterial
NH4 OH	Alfa Aesar	L13168	Getter Vorläufermaterial
Pt Tinte	ESL ElectroScience	5051	Stromabnehmerpaste
Pt Draht	Alfa Aesar	10288	Stromabnehmer Draht
Pt Gause	Alfa Aesar	40935	Stromabnehmer
Cr2O3 pulver	Alfa Aesar	12286	Chromquelle
Salpetersäure (HNO3)	Sigma-Aldrich	438073	Chromextraktion
Kaliumpermanganat (KMnO4)	Alfa Aesar	A12170	Chrom-Extraktion
LSM Paste	Fuelcellmaterials	18007	Kathoden
YSZ Elektrolyt	Brennstoffzellenmaterialien	211102	Elektrolyt
Aluminiumoxidfaserplatte	Zircar	GJ0014	Getter Substrat
Ceramabond Paste	AREMCO	552-VFG	Zur Versiegelung von Zellen
ICP-MS (7700s)	Agilent	NA	Für die Cr-Analyse
Potentiostat (VMP3)	Biologic	NA	Für EIS/I-t-Messung
FIB (Helios Nanolab 460F1)	FEI	NA	Für die Vorbereitung von Nanoproben
TEM (Talos F200X S/TEM)	FEI	NA	Für die Analyse der Zusammensetzung