Method Article

Opracowanie i walidacja getterów chromu do systemów zasilania ogniwami paliwowymi ze stałym tlenkiem

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

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

Zatrucie katodą spowodowanymi śladowymi poziomami zanieczyszczeń w powietrzu pozostaje głównym problemem dla długoterminowej stabilności wysokotemperaturowych systemów elektrochemicznych. Zapewniamy nowatorską metodę łagodzenia degradacji katody za pomocą getterów, które wychwytują zanieczyszczenia unoszące się w powietrzu w wysokiej temperaturze przed wejściem do elektrochemicznie aktywnego obszaru komina.

Abstract

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

Degradacja katody w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC) pozostaje głównym problemem dla długoterminowej stabilności działania i niezawodności działania. Obecność form chromu w fazie gazowej w powietrzu wykazała znaczne pogorszenie wydajności katody podczas długotrwałej ekspozycji z powodu niepożądanego tworzenia się związków na granicy faz katody i elektrolitu, co opóźnia reakcję redukcji tlenu (ORR). Pokazaliśmy nową metodę łagodzenia degradacji katody za pomocą getterów chromu, które wychwytują gatunki chromu w fazie gazowej przed jego spożyciem w komorze katody. Niskokosztowe materiały getterowe, syntetyzowane z ziem alkalicznych i tlenków metali przejściowych, są powlekane na podłożu o strukturze plastra miodu kordierytowego do stosowania w systemach zasilania SOFC. Gettery pofabryczne zostały przebadane testami transpiracji chromu przez 500 godzin w wilgotnej atmosferze powietrza w obecności par chromu. Wybrane gettery zostały poddane dalszej walidacji za pomocą testów elektrochemicznych. Zazwyczaj wydajność elektrochemiczną SOFC (lantan, stront, manganit, (LSM) ǁ, tlenek cyrkonu stabilizowany tlenkiem itru (YSZ) ǁ Pt) mierzono w temperaturze 850 °C w obecności i bez gettera Cr. W przypadku 100-godzinnych testów ogniw zawierających gettery utrzymano stabilną wydajność elektrochemiczną, podczas gdy wydajność ogniwa przy braku getterów Cr gwałtownie spadła w ciągu 10 godzin. Analizy wykresów Nyquista wykazały istotny wzrost rezystancji polaryzacji w ciągu pierwszych 10 godzin pracy ogniwa. Wyniki charakterystyki posttestowych SOFC i getterów wykazały wysoką skuteczność wychwytywania chromu w łagodzeniu degradacji komórek.

Introduction

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

System zasilania ogniwami paliwowymi ze stałym tlenkiem (SOFC), wysokotemperaturowe urządzenie do bezpośredniej elektrochemicznej konwersji energii, oferuje przyjazną dla środowiska ścieżkę wytwarzania energii elektrycznej z szerokiej gamy paliw kopalnych i odnawialnych. Technologia SOFC znajduje swoje zastosowanie zarówno w scentralizowanych, jak i rozproszonych obszarach wytwarzania energii1. Technologia ta opiera się na elektrochemicznej konwersji energii chemicznej zgromadzonej w paliwach na energię elektryczną. Ogniwa SOFC oferują wiele zalet w zakresie wysokiej efektywności energetycznej, wysokiej jakości ciepła, łatwości modułowości oraz....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Synteza gettera chromu

  1. Zsyntetyzuj proszek prekursorowy przy użyciu ziem alkalicznych i soli tlenków metali przejściowych za pomocą konwencjonalnej ścieżki syntezy współstrącania, jak pokazano w Rysunek 116.
    1. Przygotować roztwór podstawowy, używając 50,33 g azotanu strontu Sr(NO3)2 i 43,97 g sześciowodnego azotanu niklu Ni(NO3)2,6H2 O, w celu przygotowania roztworów 2,4 M w100 ml wody dejonizowanej.
    2. Użyć 9 ml 2,4 M Sr(NO3)2 i dodać 7 ml 2,4 M roztworu Ni(NO3)2,6H2 O, a następnie wymieszać zm....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Eksperyment z transpiracją Cr to test przesiewowy dla selekcji getterów Cr. Konfiguracja transpiracji Cr została wykorzystana do walidacji wydajności gettera chromu w warunkach pracy SOFC. Doświadczenia prowadzono w obecności gettera chromu pracującego w temperaturze 850 °C w wilgotnym (3%H2O) powietrzu przez 500 godzin. Obserwacje wizualne podczas badań transpiracji Cr wykazały znaczne przebarwienie kolanka wylotowego w ciągu 500 h przy braku gettera. Jednak umieszczenie gette.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Wyniki eksperymentów jednoznacznie wskazują na skuteczność getterów chromu podczas długotrwałych testów transpiracji chromu i testów elektrochemicznych. Obecność getterów skutecznie łagodzi zanieczyszczenie elektrody, które w przeciwnym razie doprowadziłoby do szybkiego wzrostu rezystancji polaryzacji i pogorszenia wydajności elektrochemicznej.

Tworzenie się form chromu w fazie gazowej z chromu jest korzystne i wzmacniane wraz ze wzrostem stężenia pary wodnej (poziomu wilgotności)

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

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

Autorzy dziękują za wsparcie finansowe od Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (US DOE) w ramach federalnego grantu DE-FE-0023385. Z wdzięcznością przyjmujemy dyskusję techniczną z dr Rinem Burke i dr Shaileshem Vorą (National Energy Technology Laboratory). Doktorzy Amit Pandey (LG Fuel Cells, Canton OH), Jeff Stevenson i Matt Chou (Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA) zostali docenieni za pomoc w długoterminowej walidacji wydajności getterów. Autorzy dziękują Uniwersytetowi Connecticut za zapewnienie wsparcia laboratoryjnego. Dr Lichun Zhang i pani Chiying Liang są wdzięczni za dyskusję techniczną i pomoc w eksperymentach.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Sr(NO3)2Sigma-Aldrich243426prekursorowy Getter
Ni(NO3)2-6H2OAlfaAesar A15540Materiał prekursora Getter
NH4 OHAlfa AesarL13168Materiał prekursora gettera
Pt atramentESL ElectroScience5051Pasta odbieraka prądu
Drut PtAlfa Aesar10288Przewód odbieraka prądu
Pt gauseAlfa Aesar40935Odbierak
prąduCr2O3 proszekAlfa Aesar12286Źródło chromu
Kwas azotowy (HNO3)Sigma-Aldrich438073Ekstrakcja chromu
Nadmanganian potasu (KMnO4)Alfa AesarA12170Ekstrakcja chromu
Pasta LSMFuelcellmaterials18007Katoda
YSZ elektrolitMateriały ogniw paliwowych211102Elektrolit
Płyta pilśniowa z tlenku glinuZircarGJ0014Podłoże getterowe
Pasta CeramabondAREMCO552-VFGDo uszczelniania komórek
ICP-MS (7700s)AgilentNADo analizy Cr
Potencjostat (VMP3)BiologicNADo pomiaru EIS/I-t
FIB (Helios Nanolab 460F1)FEINADo przygotowania nanopróbek
TEM (Talos F200X S/TEM)FEINADo analizy składu
materiał

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....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Chromium GetterSolid Oxide Fuel CellCathode DegradationChromium Vapor CaptureElectrochemical TestingCordierite HoneycombAlkaline Earth OxidesTransition Metal OxidesChromium Transpiration TestImpedance Spectroscopy

Related Articles