Udvikling og validering af Chromgettere til brændselscelle kraftsystemer med fast oxid
Summary
Katode forgiftning fra luftbårne forurenende stoffer i sporniveauer er fortsat et stort problem for langsigtet stabilitet af højtemperaturs elektrokemiske systemer. Vi leverer en ny metode til at afbøde katode nedbrydelser ved hjælp af getters, som fanger luftbårne forurenende stoffer ved høj temperatur, før de kommer ind i elektrokemisk aktive stak område.
Abstract
Nedbrydning af katode i faste oxid brændselsceller (SOFC) er fortsat et stort problem for den langsigtede ydeevne stabilitet og driftsmæssig pålidelighed. Tilstedeværelsen af gas fase chrom arter i luft har påvist signifikant katode ydeevne forringelse under langvarig eksponering på grund af uønsket sammensatte dannelse ved katode og elektrolyt grænseflade, som hæmmer iltreduktion reaktion ( ORR). Vi har demonstreret en ny metode til at afbøde katode nedbrydningen ved hjælp af chromgettere, der fanger gasfasens krom arter, før den indtages i katodekammeret. Lavpris getter materialer, syntetiseret fra alkalisk jord og overgang metaloxider, er belagt på cordierit Honeycomb substrat for anvendelse i SOFC Power Systems. AS-fabrikerede getters er blevet screenet af chrom transpirations tests for 500 h i befuret luft atmosfære i tilstedeværelse af chrom dampe. Udvalgte getters er blevet yderligere valideret ved hjælp af elektrokemiske tests. Typisk, elektrokemisk ydeevne af sofcs (lanthanum strontium manganite (LSM) ǁ f stabiliseret zirkoner (ysz) ǁ PT) blev målt ved 850 °c i tilstedeværelse og fravær af CR getter. For de 100 h celle tests, der indeholder getters, stabil elektrokemisk ydeevne blev opretholdt, mens cellens ydeevne i fravær af CR getters hurtigt faldt i 10 h. analyser af Nyquist plots indikerede signifikant stigning i polariseringen modstand inden for de første 10 h af celle operationen. Karakterisering resultater fra post test SOFCs og getters har vist den høje effektivitet af chrom Capture til afbødning af cellenedbrydning.
Introduction
Fast oxid brændselscelle (SOFC) Power system, en høj temperatur direkte elektrokemisk energi konvertering enhed, tilbyder en miljøvenlig vej til at generere elektricitet fra en bred vifte af fossile og fornyelige brændstoffer. SOFC-teknologien finder sine applikationer i både centraliserede og distribuerede strøm produktionsområder1. Denne teknologi er afhængig af elektrokemisk omdannelse af kemisk energi lagret i brændstofferne til elektricitet. Mange fordele tilbydes af SOFCs i form af høj energieffektivitet, høj kvalitet varme, nem modularitet, og ingen eller ubetydelige Carbon fodspor2. Flere individuelle SOFC celler er forbundet i serie eller parallel mode (nemlig SOFC stakke) for at opnå den ønskede udgangsspænding. SOFC stakke består af komponenter såsom tætte elektrolyt, porøse elektroer, sammenkobling (IC) og sæler3,4. Anode og katode af tilstødende celler er forbundet ved hjælp af IC, som ikke kun fungerer som en separator for at forhindre enhver blanding af oxidant med brændstof, men også giver elektrisk forbindelse mellem den tilstødende anode og katode5.
Forbedringer i løbet af årtiers forskning og udvikling inden for Materialeteknik har ført til reduktion af driftstemperaturen for Sofc’er, hvilket muliggør udskiftninger af keramik materialer med billige legeringer af rustfrit stål til fremstilling af elektrokemisk aktive celler og stak komponenter og balance-of-Plant (BOP) sub-systemer. Kommercielt tilgængelige ferritiske og austenitiske rustfrit stål udnyttes til fremstilling af systemkomponenter på grund af deres lave omkostninger, matchede koefficient for termisk ekspansion (CTE) og modstandsdygtighed over for oxidation og korrosion ved høje driftstemperaturer 6. dannelse af CR2O3 type passiverende oxid skala på legerings overfladen fungerer som et barriere lag mod aktiv diffusion af ilt fra luft eller udadgående diffusion af kationer fra bulk-legering7.
I nærværelse af befuret luft, CR2O3 gennemgår signifikant kemisk omdannelse fører til hydreret chrom damp arter dannelse ved SOFC driftstemperaturer. Den gasformige krom damp transporteres efterfølgende gennem luftstrømmen ind i katoden, hvilket fører til overflade-og grænseflade reaktioner med katode materialerne. En sådan katode oplever både ohmiske og ikke-ohmiske stigninger i polariseringen og elektrisk ydeevne nedbrydning. Nærmere oplysninger om katode nedbrydnings mekanismerne er blevet illustreret andetsteds8,9,10.
De nyeste metoder til at reducere eller eliminere ovennævnte katode nedbrydningsprocesser består almindeligvis af modifikationer af legerings kemi, påføring af overfladebelægning og anvendelse af chrom-tolerante katoder11,12. Selv om disse teknikker har påvist reduktion af katode nedbrydning på grund af CR dampe interaktioner (nemlig CR forgiftning) for kortvarig, langsigtet effekt for ydeevne stabilitet er fortsat en bekymring, hovedsagelig på grund af revner og afskalning inden for overfladebehandling og interdiffusion af kationer.
Vi har demonstreret en ny metode til at afbøde problemet med chrom forgiftning ved at fange den indkommende chrom Vapor, før det reagerer med katode materialer13. De getters er blevet syntetiseret fra lavpris alkaliske jord og overgang metaloxider ved hjælp af konventionelle keramiske forarbejdningsteknikker. Omkostningsfordelen ved denne fremgangsmåde er brugen af ikke-ædle og ikke-strategiske materialer samt konventionelle forarbejdningsmetoder til at fabrikere getters til afbødning af katode nedbrydning som følge af luftbårne forurenende stoffer. Placeringen af getter kan skræddersys til at fange krom dampe, der opstår fra bop komponenter eller det kan også skræddersys til at blive placeret i de elektrokemisk aktive stak komponenter14,15. Her præsenterer vi metoder til validering af chrom getters ved hjælp af transpiration og elektrokemiske tests. Eksperimentel opsætning og karakterisering resultater vil også blive demonstreret for at vise getter effektivitet og mekanismerne i CR Capture på getter under typiske SOFC driftsbetingelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
De eksperimentelle resultater viser tydeligt effektiviteten af chromgettere under langvarige chromtranspirations tests og elektrokemiske tests. Tilstedeværelsen af getters med held mindsker forureningen af elektroden, som ellers ville føre til hurtig stigning i polariserings resistens og elektrokemisk forringelse af ydeevnen.
Dannelsen af gas fase chrom arter fra chromia er begunstiget og forstærket med en stigning i vanddamp koncentration (fugtighedsniveau)16. Vandi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender finansiel støtte fra U.S. Department of Energy (US DOE) under Federal Grant DE-FE-0023385. Den tekniske drøftelse med DRs. Rin Burke og Shailesh Vora (det nationale energiteknologiske laboratorium) anerkendes taknemmeligt. DRs. Amit Pandey (LG brændselsceller, Canton OH), Jeff Stevenson og Matt Chou (Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA) er anerkendt for deres hjælp med langsigtet test validering af ydeevnen af getters. Forfatterne anerkender University of Connecticut for at yde laboratorie støtte. Dr. Lichun Zhang og MS Chiying Liang er anerkendt for teknisk diskussion og hjælpe med eksperimenterne.
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).
