Method Article

고체 산화물 연료 전지 전력 시스템을 위한 크롬 게터 개발 및 검증

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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미량 수준의 공기 중 오염 물질로 인한 음극 중독은 고온 전기 화학 시스템의 장기적인 안정성에 대한 주요 관심사로 남아 있습니다. 당사는 전기화학적 활성 스택 영역에 진입하기 전에 고온에서 공기 중 오염 물질을 포착하는 게터를 사용하여 음극 분해를 완화하는 새로운 방법을 제공합니다.

Abstract

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고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 음극 분해는 장기적인 성능 안정성 및 작동 신뢰성에 대한 주요 관심사로 남아 있습니다. 공기 중의 가스 상 크롬 종의 존재는 산소 감소 반응을 지연시키는 음극 및 전해질 계면에서 원치 않는 화합물 형성으로 인해 장기간 노출되는 동안 상당한 음극 성능 저하를 입증했습니다. ORR)을 참조하십시오. 우리는 음극 챔버에서 섭취되기 전에 가스 상 크롬 종을 포착하는 크롬 게터를 사용하여 음극 분해를 완화하는 새로운 방법을 입증했습니다. 알칼리성 접지 및 전이 금속 산화물에서 합성된 저비용 게터 재료는 SOFC 전력 시스템에 적용하기 위해 코르디에라이트 허니콤 기판에 코팅됩니다. 가공 된 게터는 크롬 증기가있는 가습 공기 분위기에서 500 시간 동안 크롬 증발 테스트에 의해 선별되었습니다. 선택된 게터는 전기 화학 적 테스트를 활용하여 추가 검증되었습니다. 전형적으로, SOFCs(란탄스트론튬 망간나이트(LSM)의 전기화학적 성능은 cr getter의 존재 및 부재 에서 850°C에서 측정되었다. 게터를 포함하는 100 h 세포 시험을 위해, 안정된 전기화학적인 성과는 유지되었습니다, 반면 Cr getters의 부재에 있는 세포 성과는 10 시간에서 급속하게 감소했습니다. 세포 작동의 처음 10 시간 내저항. 포스트테스트 SOFC 및 게터의 특성화 결과는 세포 분해 완화를 위한 크롬 포획의 고효율을 입증했습니다.

Introduction

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고온 직접 전기 화학 에너지 변환 장치인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 전력 시스템은 다양한 화석 및 재생 연료에서 전기를 생산하는 환경 친화적 인 경로를 제공합니다. SOFC 기술은 중앙 집중식 및 분산 발전 영역1에서 응용 프로그램을 찾습니다. 이 기술은 연료에 저장된 화학 에너지를 전기로 전기로 전기화학적 변환에 의존합니다. SOFC는 높은 에너지 효율, 고품질 열, 모듈화의 용이성 및 탄소 발자국이 없거나무시할 수 없는 2. 여러 개별 SOFC 셀이 원하는 출력 전압을 얻기 위해 직렬 또는 병렬 방식으로 연결됩니다(즉, SOFC 스택). SOFC 스택은 조밀한 전해질, 다공성 전극, 상호 연결 (IC) 및 씰3,4와같은 구성 요소로 구성됩니다. 인접 전지의 양극과 음극은 IC를 사용하여 연결되며, 이는 연료와 산화제의 혼합을 방지하는 분리기 역할을 할뿐만 아니라 인접한 양극과 음극5사이의 전기 적 연결을 제공합니다.

재료 공학의 수십 년 동안의 연구 및 개발의 개선은 SOFC의 작동 온도 감소를 주도하....

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Protocol

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1. 크롬 게터의 합성

  1. 도 116에도시된 바와 같이 종래의 응축 합성 경로를 통해 알칼리성 접지 및 전이 금속 산화물 염을 이용한 전구체 분말합성.
    1. 100 mL의 이온화 수로 2.4M 용액을 준비하기 위해 질산 니켈 헥사하이드레이트 Ni(NO 3)2.6H2O의 스트론튬 질산염 Sr(NO3)2 및 43.97 g를 사용하여 스톡 솔루션을 준비합니다.
    2. 2.4 MR(NO 3)2의9 mL를 사용하고 Ni(NO3)2.6H2O의 7 mL용 액을 첨가한 다음 혼합 용액을 교반하고 최대 80°C까지 가열합니다.
    3. 30 mL의 5 M NH4OH를 추가하여 침전을 위해 pH를 8.5로 증가시킨 다음, 마른 오븐에서 용액을 건조시키고 파란색 왁시 화합물이 관찰 될 때까지 모든 물이 증발하도록합니다. 잔류 질산암모늄이 여과에 의해 제거되도록 DI 물에 분말을 헹구십시오. 마지막으로, 분말을 120°C에서 2시간 동안 건조시다.
      참고 ....

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Results

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Cr 증발 실험은 Cr getters의 선택을 위한 선별 검사입니다. Cr 증발 설정은 SOFC 작동 조건하에서 크롬 게터의 성능을 검증하기 위해 사용되었습니다. 실험은 가습 (3% H2O) 공기에서 850 °C에서 작동 크롬 게터의 존재에서 실시되었다 500 시간 동안 시각적 관찰 은 Cr transpiration 테스트 동안 시각적 관찰은 500 시간 동안 출구 팔꿈치의 상당한 변색을 나타냈다 500 시간의 부재 Getter. 그러나 크롬 소스 옆에 게터를 배치하면 출구 팔꿈치의 변색이 없음을 알 수 있습니다. 이것은 게터가 공칭 SOFC 작동 조건 하에서 들어오는 모든 크롬 증기 종을 효과적으로 포획할 수 있음을 나타냈다. 크롬 포획을 검증하고 게터링 메커니즘을 이해하기 위해, 포스트 테스트 게터는 SEM. 상세한 EDS 분석하에 해부및 관찰되었으며, 중앙 채널을 따라 크롬(wt.%)의 원소 분포를 측정하기 위해 수행되었습니다. 게터(그림

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Discussion

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실험 결과는 장기 크롬 증발 테스트 및 전기 화학 테스트 동안 크롬 게터의 효과를 명확하게 보여줍니다. 게터의 존재는 그렇지 않으면 편광 저항 및 전기 화학 적 성능 저하의 급속한 증가로 이어질 전극의 오염을 성공적으로 완화.

크로미아로부터의 기스상 크롬 종의 형성은 수증기 농도(습도 수준)(16)의증가로 선호되고 강화된다. 음극 공기의 수분 함량은 실온 가습 및 포화를 나타내는 3%로 유지됩니다. 본 연구에서 제조된 크롬 게터의 효과를 입증하기 위해 850°C의 고온 세포 노출 조건이 선택되었다.

Cr getters의 합리적인 설계를 위해 첫 번째 단계는 습한 공기 환경에 존재하는 다양한 크롬 종을 식별하는 것입니다. 열역학 계산은 건조하고 가습된 공기에서 크롬 증기 종의 현저하게 다른 평형 부분 압력을 나타냈다. CrO 3은 건조한 공기의 높은 온도에서 우세한 기체.......

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Disclosures

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저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgements

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저자는 연방 보조금 DE-FE-0023385에 따라 미국 에너지부 (미국 DOE)의 재정 지원을 인정합니다. 린 버크 박사와 셰일시 보라(국가 에너지 기술 연구소)와의 기술 적 논의는 감사하게도 인정받고 있습니다. 아미트 판디 박사(LG 연료전지, 캔톤 OH), 제프 스티븐슨, 맷 추(퍼시픽 노스웨스트 국립연구소, 리치랜드 WA)는 게터의 성능에 대한 장기적인 테스트 검증에 도움을 준 것으로 인정받고 있습니다. 저자는 실험실 지원을 제공하는 코네티컷 대학을 인정합니다. 리쿤 장 박사와 치잉 량 박사는 기술 적인 토론과 실험에 도움을 인정받고 있습니다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Sr(NO3)2Sigma-Aldrich243426Getter 전구체 재료
Ni(NO3)2-6H2OAlfa AesarA15540Getter 전구체 재료
NH4 OHAlfa AesarL13168Getter 전구체 재료
Pt inkESL ElectroScience5051집전체 페이스트
Pt wireAlfa Aesar10288집전체 와이어
Pt gauseAlfa Aesar40935집전체
Cr2O3 분말Alfa Aesar12286크롬 source
Nitric acid (HNO3)Sigma-Aldrich438073Chromium extraction
Potassium permanganate(KMnO4)Alfa AesarA12170크롬 추출
LSM pasteFuelcellmaterials18007Cathode
YSZ 전해질Fuelcell재료211102Electrolyte
Alumina fiber boardZircarGJ0014Getter substrate
Ceramabond pasteAREMCO552-VFG셀 씰링용
ICP-MS (7700s)AgilentNACr 분석용
Potentiostat (VMP3)BiologicNAEIS/I-t 측정
용FIB (Helios Nanolab 460F1)FEINA나노 시료 준비용
TEM (Talos F200X S/TEM)FEINA조성 분석용

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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