تطوير والتحقق من الحصول على الكروم لأنظمة الطاقة خلية الوقود أكسيد الصلبة
Summary
ولا يزال التسمم بالكاثود من الملوثات المحمولة جواً في مستويات النزر ة يشكل مصدر قلق كبير للاستقرار الطويل الأجل للنظم الكهروكيميائية ذات درجات الحرارة العالية. نحن نقدم طريقة جديدة للتخفيف من تدهور الكاثود باستخدام getters، التي تلتقط الملوثات المحمولة جوا في درجة حرارة عالية قبل دخول منطقة المكدس النشطة كهربائيا.
Abstract
ولا يزال تدهور الكاثود في خلايا وقود الأكسيد الصلب يشكل شاغلا رئيسيا لاستقرار الأداء على المدى الطويل والموثوقية التشغيلية. وقد أظهر وجود أنواع الكروم مرحلة الغاز في الهواء تدهور أداء الكاثود كبيرة خلال التعرض على المدى الطويل بسبب تشكيل مركب غير مرغوب فيه في الكاثود وواجهة الكهارل الذي يؤخر رد فعل الحد من الأكسجين ( ORR). لقد أظهرنا طريقة جديدة للتخفيف من تدهور الكاثود باستخدام ملقط الكروم الذي يلتقط أنواع الكروم مرحلة الغاز قبل أن يتم تناولها في غرفة الكاثود. المواد منخفضة التكلفة getter، توليفها من الأرض القلوية وأكاسيد المعادن الانتقالية، والمغلفة على الركيزة قرص العسل cordierite للتطبيق في أنظمة الطاقة SOFC. وقد تم فحص getters كما ملفقة من قبل اختبارات التنفس الكروم ل 500 ساعة في الغلاف الجوي الهواء المرطب في وجود بخار الكروم. وقد تم التحقق من صحة الجيترز المختارة باستخدام الاختبارات الكهروكيميائية. عادة، تم قياس الأداء الكهروكيميائي للSOFCs (اللانتانيوم السترونتيوم المنغنيز (LSM) وyttria استقرت الزركونيا (YSZ) – Pt) في 850 درجة مئوية في وجود وعدم وجود Cr getter. وفيما بالنسبة لاختبارات الخلايا التي تبلغ 100 ساعة والتي تحتوي على الجيتيرس، تم الحفاظ على الأداء الكهروكيميائي المستقر، في حين انخفض أداء الخلايا بسرعة في غياب الـ Cr getters في 10 ساعات. المقاومة في أول 10 ساعة من عملية الخلية. وقد أظهرت نتائج التوصيف من SOFCs ما بعد الاختبار وgetters كفاءة عالية من التقاط الكروم للتخفيف من تدهور الخلايا.
Introduction
يوفر نظام طاقة خلايا وقود أكسيد الصلب (SOFC)، وهو جهاز تحويل الطاقة الكهروكيميائية المباشر ذي درجة حرارة عالية، مسارًا صديقًا للبيئة لتوليد الكهرباء من مجموعة واسعة من أنواع الوقود الأحفوري والمتجدد. SOFC التكنولوجيا يجد تطبيقاتها في مناطق توليدالطاقة المركزية وكذلك موزعة 1. وتعتمد هذه التكنولوجيا على التحويل الكهروكيميائي للطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود إلى كهرباء. وتقدم العديد من المزايا من قبل SOFCs من حيث كفاءة الطاقة العالية، والحرارةعالية الجودة، وسهولة الوحدات، ولا أو آثار الكربون لا تذكر 2. يتم توصيل العديد من الخلايا SOFC الفردية في سلسلة أو أزياء موازية (وهي أكوام SOFC) للحصول على الجهد الناتج المطلوب. أكوام SOFC تتكون من مكونات مثل الكهارل الكثيفة، والأقطابالمسامية، والتوصيل البيني (IC) والأختام 3،4. يتم توصيل الأنود والكاثود من الخلايا المجاورة باستخدام IC، والتي لا تعمل فقط كفاصل لمنع أي خلط للمؤكسدة مع الوقود ولكن أيضا يوفر اتصال كهربائي بين الأنود المجاورة والكاثود5.
وقد أدت التحسينات على مدى عقود من البحث والتطوير في هندسة المواد إلى انخفاض في درجة حرارة التشغيل لSOFCs، مما مكن من استبدال مواد السيراميك مع سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ غير مكلفة لتصنيع مكونات الخلايا والأكوام النشطة كيميائياً والأنظمة الفرعية لتوازن النبات (BOP). وتستخدم الصلب غير القابل للصدأ الفيرتيك والأوستنيتي المتاحة تجاريا لتصنيع مكونات النظام بسبب انخفاض تكلفتها، ومعامل المتطابقة من التوسع الحراري (CTE) ومقاومة للأكسدة والتآكل في درجات حرارة التشغيل العالية 6.تشكيل Cr2O3 نوع مقياس أكسيد التخميل على سطح سبيكة بمثابة طبقة حاجز ضد الانتشار الداخلي للأكسجين من الهواء أو الانتشار الخارجي من الكاتيونات من سبائك السائبة7.
في وجود الهواء المرطب، Cr2O3 يخضع لتحويل كيميائي كبير مما يؤدي إلى تشكيل أنواع بخار الكروم رطب في درجات حرارة التشغيل SOFC. يتم نقل بخار الكروم الغازي في وقت لاحق من خلال تيار الهواء في الكاثود مما يؤدي إلى السطح وتفاعل مع مواد الكاثود. مثل هذه الكاثود تجارب كل من الزيادات ohmic وغير ohmic في الاستقطاب وتدهور الأداء الكهربائي. وقد تم توضيح تفاصيل آليات تدهور الكاثود في أماكن أخرى8و9و10.
الأساليب للدولة من بين الفن للحد من أو القضاء على عمليات تدهور الكاثود أعلاه تتكون عادة من تعديلات على كيمياء سبيكة، وتطبيق طلاء السطح واستخدام الكاثود الكروم متسامح11،12. على الرغم من أن هذه التقنيات قد أظهرت انخفاض تدهور الكاثود بسبب تفاعلات بخار Cr (وهي التسمم Cr) لفعالية قصيرة الأجل وطويلة الأجل لاستقرار الأداء لا يزال مصدر قلق، ويرجع ذلك أساسا إلى تكسير وspallation داخل طلاء وتداخل الموجبة.
لقد أظهرنا طريقة جديدة للتخفيف من مشكلة التسمم بالكروم عن طريق التقاط بخار الكروم الوارد قبل أن يتفاعل مع مواد الكاثود13. وقد تم تصنيع المجيترس من الأرض القلوية منخفضة التكلفة وأكاسيد المعادن الانتقالية باستخدام تقنيات معالجة السيراميك التقليدية. وتتمثل ميزة التكلفة لهذا النهج في استخدام المواد غير النبيلة وغير الاستراتيجية، فضلاً عن أساليب المعالجة التقليدية لتلفيق المنتصات للتخفيف من تدهور الكاثود الناجم عن الملوثات المحمولة جواً. وضع getter يمكن أن تكون مصممة لالتقاط بخار الكروم الناشئة عن مكونات BOP أو يمكن أيضا أن تكون مصممة لوضعها داخل مكونات المكدس النشطة كيميائيا14،15. هنا، نقدم طرق للتحقق من صحة جيترز الكروم باستخدام التناضح والاختبارات الكهروكيميائية. كما سيتم إثبات نتائج الإعداد التجريبي والتوصيف لإظهار فعالية getter وآليات التقاط Cr على getter في ظل ظروف التشغيل النموذجية SOFC.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتبين النتائج التجريبية بوضوح فعالية مجتر الكروم أثناء اختبارات التنفس الكرومي على المدى الطويل والاختبارات الكهروكيميائية. وجود getters يخفف بنجاح من تلوث القطب الكهربائي الذي سيؤدي خلاف ذلك إلى زيادة سريعة في مقاومة الاستقطاب وتدهور الأداء الكهروكيميائية.
ويفضل تشكيل أنو…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يقر المؤلفون بالدعم المالي المقدم من وزارة الطاقة الأمريكية بموجب المنحة الاتحادية DE-FE-0023385. ومن الامتنان المناقشة التقنية مع الدكتوررين بورك وشايليش فورا (المختبر الوطني لتكنولوجيا الطاقة). يتم الاعتراف الدكتور أميت باندي (خلايا الوقود LG، كانتون OH)، جيف ستيفنسون ومات تشو (مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني، ريتشلاند WA) لمساعدتهم في التحقق من صحة اختبار على المدى الطويل من أداء getters. يقر المؤلفون بجامعة كونيتيكت لتقديمها الدعم المختبري. ومن المسلم به أن الدكتور ليشون زانغ والسيدة شيينغ ليانغ ممن يُعترف بهم للمناقشة التقنية والمساعدة في التجارب.
Materials
| Sr(NO3)2 | Sigma-Aldrich | 243426 | Getter precursor material |
| Ni(NO3)2-6H2O | Alfa Aesar | A15540 | Getter precursor material |
| NH4OH | Alfa Aesar | L13168 | Getter precursor material |
| Pt ink | ESL ElectroScience | 5051 | Current collector paste |
| Pt wire | Alfa Aesar | 10288 | Current collector wire |
| Pt gause | Alfa Aesar | 40935 | Current collector |
| Cr2O3 powder | Alfa Aesar | 12286 | Chromium source |
| Nitric acid (HNO3) | Sigma-Aldrich | 438073 | Chromium extraction |
| Potassium permanganate (KMnO4) | Alfa Aesar | A12170 | Chromium extraction |
| LSM paste | Fuelcellmaterials | 18007 | Cathode |
| YSZ electrolyte | Fuelcellmaterials | 211102 | Electrolyte |
| Alumina fiber board | Zircar | GJ0014 | Getter substrate |
| Ceramabond paste | AREMCO | 552-VFG | For cell sealing |
| ICP-MS (7700s) | Agilent | NA | For Cr analysis |
| Potentiostat (VMP3) | Biologic | NA | For EIS/I-t measurement |
| FIB (Helios Nanolab 460F1) | FEI | NA | For Nano-sample preparation |
| TEM (Talos F200X S/TEM) | FEI | NA | For composition analysis |
References
- Singh, P., Minh, N. Q. Solid oxide fuel cells: Technology status. International Journal of Applied Ceramic Technology. 1, 5-15 (2005).
- Stambouli, A. B., Traversa, E. Solid oxide fuel cells (SOFCs): a review of an environmentally clean and efficient source of energy. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 6, 433-455 (2002).
- Mahato, N., Banerjee, A., Gupta, A., Omar, S., Balani, K. Progress in material selection for solid oxide fuel cell technology: A review. Progress in Materials Science. 72, 141-337 (2015).
- Brandon, N. P., Skinner, S., Steele, B. C. H. Recent advances in materials for fuel cells. Annual Review of Materials Research. 33, 183-213 (2003).
- Piccardo, P., Amendola, R. SOFC ’ s Interconnects Materials Development. Aisofc. , 189-194 (2009).
- Yang, Z., Xia, G. -. G., Maupin, G. D., Stevenson, J. W. Conductive protection layers on oxidation resistant alloys for SOFC interconnect applications. Surface and Coatings Technology. 201, 4476-4483 (2006).
- Aphale, A. N., Hu, B., Reisert, M., Pandey, A., Singh, P. Oxidation Behavior and Chromium Evaporation From Fe and Ni Base Alloys Under SOFC Systems Operation Conditions. JOM. , (2018).
- Matsuzaki, Y., Yasuda, I. Electrochemical properties of a SOFC cathode in contact with a chromium-containing alloy separator. Solid State Ionics. 132, 271-278 (2000).
- Hu, B., et al. Experimental and thermodynamic evaluation of La1−xSrx MnO3±δ and La1−xSrxCo1−yFeyO3−δ cathodes in Cr-containing humidified air. International Journal of Hydrogen Energy . 42, 10208-10216 (2017).
- Aphale, A. N., Liang, C., Hu, B., Singh, P., Brandon, N. . Solid Oxide Fuel Cells Lifetime and Reliability: Critical Challenges in Fuel Cells. , 102-114 (2017).
- Chen, K., et al. Highly chromium contaminant tolerant BaO infiltrated La 0.6 Sr 0.4Co 0.2 Fe 0.8 O 3−δ cathodes for solid oxide fuel cells. Physical Chemistry Chemical Physics. 17, 4870-4874 (2015).
- Zhen, Y. D., Tok, A. I. Y., Jiang, S. P., Boey, F. Y. C. La(Ni,Fe)O3 as a cathode material with high tolerance to chromium poisoning for solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources. 170, 61-66 (2007).
- Aphale, A., et al. Synthesis and stability of SrxNiyOz chromium getter for solid oxide fuel cells. Journal of the Electrochemical Society. 165, (2018).
- Aphale, A., Hu, B., Singh, P. Low-Cost Getters for Gaseous Chromium Removal in High-Temperature Electrochemical Systems. Jom. , 2-8 (2018).
- Heo, S. H., Hu, B., Aphale, A., Uddin, M. A., Singh, P. Low-temperature chromium poisoning of SOFC cathode. ECS Transactions. 78, (2017).
- Liang, C., et al. Mitigation of Chromium Assisted Degradation of LSM Cathode in SOFC. ECS Transactions. 75, 57-64 (2017).
- Ge, L., et al. Oxide Scale Morphology and Chromium Evaporation Characteristics of Alloys for Balance of Plant Applications in Solid Oxide Fuel Cells. Metallurgical and Materials Transactions A. 44, 193-206 (2013).
- Hu, B., Mahapatra, M. K., Keane, M., Zhang, H., Singh, P. Effect of CO2 on the stability of strontium doped lanthanum manganite cathode. Journal of Power Sources. 268, 404-413 (2014).
- Hu, B., Keane, M., Mahapatra, M. K., Singh, P. Stability of strontium-doped lanthanum manganite cathode in humidified air. Journal of Power Sources. 248, 196-204 (2014).
- Li, C., Habler, G., Baldwin, L. C., Abart, R. An improved FIB sample preparation technique for site-specific plan-view specimens: A new cutting geometry. Ultramicroscopy. 184, 310-317 (2018).
