פיתוח ותיקוף של כרום הגטרס עבור מערכות חשמל של תחמוצת הדלק מוצק
Summary
הרעלת קתודה של מזהמים באוויר ברמות מעקב נותרה דאגה גדולה ליציבות ארוכת טווח של מערכות אלקטרוכימי בטמפרטורות גבוהות. אנו מספקים שיטה מקורית להפחתת degradations הקתודה באמצעות הגטות, אשר לוכדים מזהמים מוטס בטמפרטורה גבוהה לפני הכניסה לאזור המחסנית הפעילה אלקטרוכימית.
Abstract
השפלה של קתודה בתאי דלק תחמוצת מוצק (SOFC) נותרה דאגה מרכזית ליציבות ביצועים ארוכי טווח ואמינות תפעולית. הנוכחות של גז מינים כרום באוויר הפגינו השפלה ביצועים משמעותיים של קתודה במהלך חשיפה ארוכת טווח עקב היווצרות מתחם לא רצוי בממשק הקתודה והאלקטרוליט אשר מפגרים תגובת החמצן ( אור). הדגמנו שיטה הרומן לרכך את השפלה הקתודה באמצעות מגטות כרום אשר ללכוד את מינים כרום של שלב הגז לפני שהוא בלע בחדר הקתודה. חומרים מושך בעלות נמוכה, מסונתז מ כדור הארץ, תחמוצות מתכת מעבר, מצופים על מצע החלת הדבש ליישום במערכות כוח SOFC. כפי-מפוברק יצועיסטים הוקרן על ידי דיות כרום בדיקות עבור 500 h בתוך מחולל אוויר באווירה בנוכחות של אדי כרום. הגטרים נבחרים מאומתים יותר באמצעות בדיקות אלקטרוכימי. בדרך כלל, ביצועים אלקטרוכימי של SOFCs (לנתן סטרונציום manganite (LSM) ǁ yttria מיוצב זירקונים (YSZ) ǁ Pt) נמדד ב 850 ° c בנוכחות והעדר של מושך Cr. עבור בדיקות תא 100 h המכיל הגטות, ביצועים אלקטרוכימי יציב נשמר, בעוד ביצועי התא בהעדר הגטרס Cr במהירות ירד 10 h. ניתוח של מגרשים נייקוויסט הצביע על עלייה משמעותית בקיטוב התנגדות בתוך 10 המטר הראשון של המבצע הסלולרי. אפיון תוצאות מתוך הבדיקה sofcs ו יצועיסטים הפגינו יעילות גבוהה של לכידת כרום להקלה על השפלה התא.
Introduction
תא דלק תחמוצת מוצק (SOFC) מערכת כוח, טמפרטורה גבוהה ישירה אלקטרוכימי המרה המכשיר, מציע מסלול ידידותי לסביבה כדי ליצור חשמל ממגוון רחב של דלקים מאובנים ומתחדשים. טכנולוגיית SOFC מאתרת את יישומיה בתחומים מרכזיים, כמו גם בתחומי ייצור חשמל מבוזרים1. טכנולוגיה זו נשענת על המרה אלקטרוכימית של אנרגיה כימית המאוחסנת בדלקים לחשמל. יתרונות רבים מוצעים על-ידי SOFCs במונחים של יעילות אנרגיה גבוהה, חום באיכות גבוהה, קלות של מודולריות, ו-או לא זניח הפחמן עקבות2. מספר תאים SOFC בודדים מחוברים בסדרה או בצורה מקבילה (כלומר ערימות SOFC) כדי להשיג מתח הפלט הרצוי. ערימות sofc מורכבות של רכיבים כגון אלקטרוליט צפוף, נקבובי אלקטרודות, קישוריות (IC) ו חותמות3,4. אנאודה וקתודה של תאים סמוכים מחוברים באמצעות IC, אשר לא רק משמש מפריד כדי למנוע כל ערבוב של חמצון עם דלק, אבל גם מספק חיבור חשמלי בין אנודת הסמוך לבין5.
שיפורים לאורך עשורים של מחקר ופיתוח בהנדסת חומרים הובילו להפחתת טמפרטורת התפעול של SOFCs, המאפשר תחליפים של חומרי קרמיקה עם סגסוגות נירוסטה זולה לייצור של אלקטרו כימית ורכיבים מחסנית, מאזן מפעל (בופ) מערכות משנה. פלדת אל-חלד מסחרית זמינה וaustenitic מנוצלים לייצור רכיבי מערכת בשל העלות הנמוכה שלהם, מקדם בהתאמה של התרחבות תרמית (CTE) ועמידות חמצון וקורוזיה בטמפרטורות הפעלה גבוהה 6. היווצרות של Cr2O3 בקנה מידה של תחמוצת העין על משטח הסגסוגת מעשים כשכבת המכשול נגד דיפוזיה פנימה של חמצן מהאוויר או החוצה דיפוזיה של הבליטות מסגסוגת בתפזורת7.
בנוכחות מחולל אוויר, Cr2O3 עוברת שינוי כימי משמעותי המוביל אדי כרום רטוב היווצרות מינים בטמפרטורות הפעלה sofc. אדי כרום גזי מתבצעת לאחר מכן באמצעות זרם האוויר אל הקתודה המובילה אל פני השטח ותגובות ממשק עם חומרים הקתודה. התנסויות כאלה של הקתודה הן מגדילה ובלתי-ohmic בירידה בביצועי החשמל והקיטוב. פרטים על מנגנוני הירידה של קתודה מומחשים במקומות אחרים8,9,10.
השיטות החדיש ביותר להפחתת או לסילוק תהליכי השפלה של קתודה לעיל, מורכבות משינויים בכימיה מסגסוגת, יישום ציפוי פני השטח ושימוש בעמידות כרום cathodes11,12. למרות טכניקות אלה הפגינו הפחתה של השפלה הקתודה בשל אינטראקציות אדי cr (כלומר הרעלת cr) לטווח קצר, יעילות ארוכת טווח עבור יציבות הביצועים נשאר דאגה, בעיקר בשל סדיקה והספלציה בתוך ה ציפוי ודיפוזיה של הקטשות.
הדגמנו שיטה הרומן להמתיק את הבעיה של הרעלת כרום על ידי לכידת אדי כרום נכנסות לפני שהוא מגיב עם חומרים הקתודה13. הגטרס כבר מסונתז מתוך כדור הארץ אלקליין בעלות נמוכה תחמוצות מתכת מעבר באמצעות טכניקות העיבוד הקונבנציונלי קרמיקה. היתרון העלות של גישה זו הוא שימוש בחומרים לא-אציליים ולא אסטרטגיים וכן בשיטות עיבוד קונבנציונליות לייצור מזהמים להקלה על השפלה של קתודה הנובעים ממזהמים באוויר. ניתן להתאים את מיקום ה-גטר ללכידת אדי כרום הנובעים מרכיבי בופ או שניתן גם להתאים אותו להצבה בתוך רכיבי המחסנית הפעילים האלקטרוכימית14,15. כאן אנו מציגים שיטות לאימות הגרוטות כרום בדיות ובדיקות אלקטרוכימי. התקנה ניסויית ותוצאות האפיון יהיה גם להדגים כדי להראות את האפקטיביות מושך ואת המנגנונים של Cr ללכוד על מושך תחת תנאי הפעלה טיפוסית SOFC.
Protocol
Representative Results
Discussion
התוצאות הנסיוניות להפגין בבירור את האפקטיביות של כרום במהלך בדיקות דיות כרום לטווח ארוך בדיקות אלקטרוכימי. נוכחות של הגטרס בהצלחה מפחית את הזיהום של האלקטרודה אשר אחרת תוביל לעלייה מהירה בהתנגדות פולריזציה והשפלה ביצועים אלקטרוכימי.
היווצרות של מינים כרום בשלב של גז מ chrom…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחברים לקבל תמיכה כספית מהמחלקה האמריקנית לאנרגיה (ארה ב) תחת המענק הפדרלי דה-FE-0023385. שיחה טכנית עם ד”ר רין בורק ושאילש ואורה (המעבדה הטכנולוגית של האנרגיה הלאומית) מוכרת בהכרת תודה. ד ר עמית Pandey (LG בתאי דלק, קנטון הו), ג ‘ ף סטיבנסון ו מאט צ’ו (פסיפיק הלאומי המעבדה הלאומית, Richland WA) מודעים לעזרתם עם אימות לטווח ארוך של הביצועים של הגטרס. המחברים מכירים באוניברסיטת קונטיקט על מתן תמיכה במעבדה. ד ר ליצ’ון ג’אנג וגברת צ’ייינג ליאנג מודעים לדיון טכני ולעזרה בניסויים.
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).
