Method Article

固体酸化物燃料電池動力システム用クロムゲッターの開発と検証

DOI:

10.3791/59623

⸱

May 26th, 2019

 ,  ,  , 
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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微量レベルの空気中の汚染物質によるカソード中毒は、高温電気化学システムの長期安定性に対する主要な懸念事項です。電気化学的に活性なスタック領域に入る前に、高温で空気中の汚染物質を捕捉するゲッターを用いて陰極の劣化を緩和する新しい方法を提供します。

Abstract

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固体酸化物燃料電池(SOFC)におけるカソードの劣化は、長期的な性能安定性と動作信頼性に対する大きな懸念事項です。空気中のガス相クロム種の存在は、酸素還元反応を遅らす陰極および電解質界面での不要な化合物形成による長期暴露時の顕著な陰極性能低下を実証した(ORR)。我々は、カソード室に摂取する前にガス相クロム種を捕捉するクロムゲッターを用いて陰極分解を緩和する新しい方法を実証した。アルカリ性土と遷移金属酸化物から合成された低コストのゲッター材料は、SOFCパワーシステムに適用するためのコーディエライトハニカム基板にコーティングされています。製造されたゲッターは、クロム蒸気の存在下で加湿空気雰囲気の中で500時間のクロム蒸散試験によってスクリーニングされた。選択されたゲッターは電気化学的試験を利用してさらに検証された。典型的には、SOFC(ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)の電気化学的性能は、Crゲッターの有無において850°Cで測定した。ゲッターを含む100h細胞試験では、安定した電気化学的性能が維持されたのに対し、Crゲッターが存在しない場合の細胞性能は10時間で急速に低下した。細胞操作の最初の10時間以内の抵抗。後のSOFCおよびゲッターからの特徴付けの結果は細胞の劣化の軽減のためのクロム捕獲の高効率を実証した。

Introduction

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固体酸化物燃料電池(SOFC)パワーシステムは、高温直接電気化学エネルギー変換装置であり、多種多様な化石燃料や再生可能燃料から発電する環境に優しい経路を提供します。SOFCテクノロジーは、分散型発電エリア1と同様に、一元化されたアプリケーションを見つけます。この技術は、燃料に蓄えられた化学エネルギーを電気に電気的に変換する技術に依存しています。高エネルギー効率、高品質の熱、モジュール性の容易さ、およびカーボンフットプリント2の点でSOFCによって多数の利点が提供されます。いくつかの個々のSOFCセルは、所望の出力電圧を得るために直列または並列方法(すなわちSOFCスタック)で接続されています。SOFCスタックは、緻密な電解質、多孔質電極、相互接続(IC)およびシール3、4などのコンポーネントで構成されています。隣接する細胞のアノードと陰極はICを使用して接続され、これは酸化剤と燃料の混合を防止するセパレータとして機能するだけでなく、隣接する陽極と陰極5との間の電気的接続を提供する。

材料工学の研究開発の数十年にわたる改善は、SOFCの動作温度の低下につながり、セラミックス材料を安価なステンレス合金で製造することができま....

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Protocol

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1. クロムゲッターの合成

  1. 図116に示すように、従来の共沈合成経路を介してアルカリ性土および遷移金属酸化物塩を用いて前駆体粉末を合成する。
    1. 硝酸ストロンチウムSr(NO3)2および43.97gの硝酸ニッケルヘキサハイドレートNi(NO3)2.6H2Oを用いてストック溶液を調製し、脱イオン水の100mLで2.4M溶液を調製する。
    2. 2.4M Sr(NO3)2の9 mLを使用し、Ni(NO3)2.6H2Oの2.4M溶液の7mLを加え、続いて混合溶液を攪拌し、80°Cまで加熱する。
    3. 5 M NH4OH の 30 mL を追加して pH を 8.5 に増やし、次に、乾燥オーブンで溶液を乾燥させ、青いワックス状化合物が観察されるまですべての水が蒸発することを確認します。DI水中で粉末をすすいで、残りの硝酸アンモニウムが濾過によって除去されることを確認します。最後に、粉末を120°Cで2時間乾燥させます。
      注:これはストロンチウムニッケル酸化物(SNO)ゲッターのための前駆体粉末を生成します。

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Results

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Cr蒸散実験は、Crゲッターの選択のためのスクリーニング試験である。Cr蒸散セットアップは、SOFC動作条件下でクロムゲッターの性能を検証するために利用されました。実験は、加湿(3%H2O)空気中で850°Cで作動したクロムゲッタの存在下で500時間のCr蒸散試験中の目視観察は、500時間の間に出口肘の著しい変色を示した。ゲッター。しかし、クロム源の横にゲッターを置くことは、出口肘の変色を示さなかった。これは、ゲッターが公称SOFC動作条件下ですべての入ってくるクロム蒸気種を効果的に捕捉できることを示した。クロム捕捉を検証し、ゲッタリング機構を理解するために、テスト後ゲッターをSEMの下で解剖し、観察した。ゲッター(図2bに示す)。クロムのEDS元素分布は、Cr(wt.%)の大部分がゲッター入り入り管からの距離の最初の4000 μm以内に捕捉されたことを示す。SEM-EDSデータはさらに、ゲッターの中央および出口が蒸散試験中にクロムを含んでいらないか、またはごくわずかなクロムを含んでいること.......

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Discussion

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実験結果は、長期クロム蒸散試験および電気化学試験におけるクロムゲッターの有効性を明確に示す。ゲッターの存在は、それ以外の場合は偏光抵抗と電気化学的性能の劣化の急速な増加につながる電極の汚染を軽減することに成功しました。

クロミアからのガス相クロム種の形成は、水蒸気濃度(湿度レベル)16の増加に伴って好まれ、増強される。陰極空気中の水分含有量は、室温加湿および飽和を表す3%で維持される。本研究では、850°Cの高温細胞暴露条件を選択し、調製したクロムゲッターの有効性を実証した。

Crゲッターの合理的な設計のために、最初のステップは、湿気の多い空気環境に存在する様々なクロム種を同定することです。熱力学的計算は、乾燥した加湿空気中のクロム蒸気種の有意に異なる平衡部分圧力を示した。CrO3は乾燥空気中の高温で優勢な気体種として見出されたが、CrO2(OH)やCrO2(OH)2などの水和酸化物は、高温15で湿気中の空気中で流行している種として同定.......

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Disclosures

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著者は開示するものが何も持っていません。

Acknowledgements

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著者は、連邦補助金DE-FE-0023385の下で米国エネルギー省(US DOE)からの財政支援を認めます。リン・バーク博士とシャイレシュ・ヴォーラ博士(国立エネルギー技術研究所)との技術的な議論は、感謝の気持ちを込めています。アミット・パンディー博士(LGフューエルセルズ、カントンOH)、ジェフ・スティーブンソン、マット・チョウ(パシフィック・ノースウェスト国立研究所、リッチランド・ワシントン州)は、ゲッターの性能の長期試験検証に協力したことを認めています。著者は、研究室のサポートを提供するためにコネチカット大学を認めます.リチュン・ジャン博士とチイン・リャン氏は、技術的な議論と実験の手伝いを行っています。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
<ストロング>Sr(NO<サブ>3)<サブ>2シグマ・アルドリッチ243426ゲッター前駆体材料
<ストロング>Ni(NO<サブ>3)<サブ>2-6H<サブ>2Oアルファ エーザーA15540ゲッター前駆体
材料<ストロング>NH<サブ>4OHAlfa AesarL13168ゲッター前駆体材料
Pt インクESL ElectroScience5051集電体ペースト
Pt wire>Alfa Aesar10288集電体 wire
Pt gauseAlfa Aesar40935集電
体Cr2O3 粉末Alfa Aesar12286クロム源
硝酸 (HNO3)Sigma-Aldrich438073クロム抽出
過マンガン酸カリウム (KMnO4)Alfa AesarA12170クロム抽出
<ストロング>LSMペースト燃料電池材料18007カソード
<ストロング>YSZ電解質燃料電池材料211102電解質
<ストロング>アルミナ繊維板ジルカーGJ0014ゲッター基板
<ストロング>セラマボンドペーストアレムコ552-VFGセルシール用
ICP-MS (7700s)>AgilentNACr分析用
Potentiostat (VMP3)>BiologicNAEIS/I-t測定用
FIB (Helios Nanolab 460F1)FEINAナノサンプル調製用
TEM (Talos F200X S/TEM)FEINA組成分析用

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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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