ट्रेस स्तर में हवाई contaminants से कैथोड विषाक्तता उच्च तापमान इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम की दीर्घकालिक स्थिरता के लिए एक प्रमुख चिंता का विषय बनी हुई है। हम getters का उपयोग कर कैथोड अवक्रमण को कम करने के लिए एक उपन्यास विधि प्रदान करते हैं, जो विद्युत रासायनिक रूप से सक्रिय स्टैक क्षेत्र में प्रवेश करने से पहले उच्च तापमान पर हवाई contaminants पर कब्जा.
ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं (SOFC) में कैथोड की गिरावट दीर्घकालिक प्रदर्शन स्थिरता और परिचालन विश्वसनीयता के लिए एक प्रमुख चिंता का विषय बनी हुई है। हवा में गैस चरण क्रोमियम प्रजातियों की उपस्थिति कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस जो ऑक्सीजन में कमी प्रतिक्रिया retards पर अवांछित यौगिक गठन के कारण दीर्घकालिक जोखिम के दौरान महत्वपूर्ण कैथोड प्रदर्शन गिरावट का प्रदर्शन किया है ( ओआरआर)। हमने क्रोमियम गेटर्स का उपयोग करके कैथोड अवक्रमण को कम करने के लिए एक उपन्यास विधि का प्रदर्शन किया है जो कैथोड कक्ष में इंगेस्ट होने से पहले गैस चरण क्रोमियम प्रजातियों को कैप्चर करता है। कम लागत गेटर सामग्री, क्षारीय पृथ्वी और संक्रमण धातु ऑक्साइड से संश्लेषित, Cordierite मधुकोश सब्सट्रेट पर SOFC बिजली प्रणालियों में आवेदन के लिए लेपित हैं. क्रोमियम वाष्प की उपस्थिति में आर्द्र वायु वातावरण में 500 एच के लिए क्रोमियम ट्रांसपिरेशन परीक्षणों द्वारा निर्मित गेटर्स की जांच की गई है। चयनित getters आगे इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षण का उपयोग मान्य किया गया है. आमतौर पर, SOFCs के इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन (lanthanum strontium manganite (LSM) [ yttria स्थिर zirconia (YS$) ] पीटी) की उपस्थिति और सीआर गेटर की अनुपस्थिति में 850 डिग्री सेल्सियस पर मापा गया था। गेटर्स युक्त 100 एच सेल परीक्षणों के लिए, स्थिर इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन बनाए रखा गया था, जबकि सीआर गेटर्स के अभाव में सेल प्रदर्शन में तेजी से 10 ज में कमी आई। निक्विस्ट भूखंडों के विश्लेषणों ने ध्रुवण में उल्लेखनीय वृद्धि का संकेत दिया। सेल ऑपरेशन के पहले 10 एच के भीतर प्रतिरोध। posttest SOFCs और getters से विशेषता परिणाम सेल गिरावट के शमन के लिए क्रोमियम पर कब्जा की उच्च दक्षता का प्रदर्शन किया है.
ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल (SOFC) बिजली प्रणाली, एक उच्च तापमान प्रत्यक्ष विद्युत रासायनिक ऊर्जा रूपांतरण डिवाइस, जीवाश्म और नवीकरणीय ईंधन की एक विस्तृत विविधता से बिजली उत्पन्न करने के लिए एक पर्यावरण के अनुकूल मार्ग प्रदान करता है. SOFC प्रौद्योगिकी केंद्रीकृत के रूप में के रूप में अच्छी तरह से वितरित बिजली उत्पादन क्षेत्रों1में अपने अनुप्रयोगों पाता है . यह प्रौद्योगिकी ईंधन में संग्रहीत रासायनिक ऊर्जा के विद्युत रासायनिक रूपांतरण पर निर्भर करती है। कई लाभ उच्च ऊर्जा दक्षता, उच्च गुणवत्ता गर्मी, प्रतिरूपकता में आसानी, और कोई या नगण्य कार्बन पदचिह्न2के मामले में SOFCs द्वारा की पेशकश कर रहे हैं. कई व्यक्तिगत SOFC कोशिकाओं श्रृंखला या समानांतर फैशन में जुड़े हुए हैं (नामSC ढेर) वांछित उत्पादन वोल्टेज प्राप्त करने के लिए. SOFC स्टैक में सघन इलेक्ट्रोलाइट, छिद्रयुक्त इलेक्ट्रोड, अंतर्संयोजन (आईसी)तथा मुहरों 3,4जैसे घटक होते हैं। आसन्न कोशिकाओं के Anode और कैथोड आईसी का उपयोग कर जुड़े हुए हैं, जो न केवल ईंधन के साथ ऑक्सीडेंट के किसी भी मिश्रण को रोकने के लिए एक विभाजक के रूप में कार्य करता है, लेकिन यह भी आसन्न एनोड और कैथोड5के बीच बिजली के संबंध प्रदान करता है।
सामग्री इंजीनियरिंग में अनुसंधान और विकास के दशकों में सुधार SOFCs के लिए ऑपरेटिंग तापमान में कमी करने के लिए नेतृत्व किया है, के निर्माण के लिए सस्ती स्टेनलेस स्टील मिश्र के साथ चीनी मिट्टी के बरतन सामग्री के प्रतिस्थापन को सक्षम करने विद्युत रासायनिक रूप से सक्रिय सेल और स्टैक घटक और संतुलन के संयंत्र (बीओपी) उप-प्रणाली। वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध फेरिटिक और ऑस्टेनाइटी स्टेनलेस स्टील्स उनकी कम लागत के कारण प्रणाली घटकों के निर्माण के लिए उपयोग किया जाता है, थर्मल विस्तार के मिलान गुणांक (सीटीई) और उच्च ऑपरेटिंग तापमान पर ऑक्सीकरण और जंग के लिए प्रतिरोध 6. मिश्र धातु की सतह पर क्र2व्3 प्रकार के पेसिविंग ऑक्साइड स्केल का निर्माण वायु से ऑक्सीजन की आवक विसरण अथवा थोक मिश्र धातु7से cations के बाह्य विसरण के विरुद्ध अवरोध परत के रूप में कार्य करता है .
आर्द्र वायु की उपस्थिति में, क्र2हे3 में महत्वपूर्ण रासायनिक परिवर्तन होता है जिससे एसओएफसी ऑपरेटिंग तापमान पर हाइड्रेटेड क्रोमियम वाष्प प्रजातियां बन जाती हैं। गैसीय क्रोमियम वाष्प बाद में कैथोड में हवा की धारा के माध्यम से किया जाता है जिससे कैथोड सामग्री के साथ सतह और इंटरफेस प्रतिक्रियाओं को जाता है। इस तरह के कैथोड ध्रुवीकरण और बिजली के प्रदर्शन गिरावट में ओमिक और गैर-ओमिक वृद्धि दोनों का अनुभव करता है। कैथोड अवक्रमण तंत्र का विवरण कहीं और8,9,10में स्पष्ट किया गया है .
उपरोक्त कैथोड अवक्रमण प्रक्रियाओं को कम करने या समाप्त करने के लिए अत्याधुनिक विधियों में आमतौर पर मिश्र धातु रसायन विज्ञान के संशोधन, सतह कोटिंग के आवेदन और क्रोमियम सहिष्णु कैथोड11,12के उपयोग से मिलकर बनता है। हालांकि इन तकनीकों के कारण कैथोड गिरावट की कमी का प्रदर्शन किया है Cr वाष्प बातचीत के कारण (अर्थात सीआर विषाक्तता) अल्पकालिक के लिए, प्रदर्शन स्थिरता के लिए दीर्घकालिक प्रभावकारिता एक चिंता का विषय बना हुआ है, मुख्य रूप से खुर और spallation के भीतर के कारण कोटिंग और cations के interdiffusion.
हमने क्रोमियम विषाक्तता की समस्या को कम करने के लिए एक नवीन विधि का प्रदर्शन किया है , इससे पहले कि यह कैथोड सामग्री13के साथ प्रतिक्रिया करता है , आने वाली क्रोमियम वाष्प पर कब्जा कर के द्वारा . getters कम लागत क्षारीय पृथ्वी और संक्रमण धातु ऑक्साइड पारंपरिक सिरेमिक प्रसंस्करण तकनीक का उपयोग कर से संश्लेषित किया गया है. इस दृष्टिकोण की लागत लाभ गैर-नोबल और गैर-रणनीतिक सामग्री के साथ-साथ पारंपरिक प्रसंस्करण विधियों का उपयोग है जो हवाई संदूषकों से उत्पन्न होने वाले कैथोड अवक्रमण के शमन के लिए गेटर्स बनाने के लिए है। बीओपी घटकों से उत्पन्न क्रोमियम वाष्प को पकड़ने के लिए गेटर की नियुक्ति को अनुकूलित किया जा सकता है या इसे विद्युत रासायनिक रूप से सक्रिय स्टैक घटकों14,15के भीतर रखने के लिए भी तैयार किया जा सकता है . यहाँ, हम ट्रांसपिरेशन और इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षणों का उपयोग करके क्रोमियम गेटर को मान्य करने के लिए विधियाँ प्रस्तुत करते हैं। प्रायोगिक सेटअप और विशेषता परिणाम भी गेटर प्रभावशीलता और ठेठ SOFC ऑपरेटिंग स्थितियों के तहत गेटर पर सीआर कब्जा के तंत्र को दिखाने के लिए प्रदर्शन किया जाएगा.
प्रयोगात्मक परिणाम स्पष्ट रूप से लंबी अवधि के क्रोमियम ट्रांसपिरेशन परीक्षण और इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षणों के दौरान क्रोमियम गेटर्स की प्रभावशीलता को प्रदर्शित करते हैं। getters की उपस्थिति सफलतापूर्व…
The authors have nothing to disclose.
लेखक संघीय अनुदान डे-FE-0023385 के तहत अमेरिकी ऊर्जा विभाग (यूएस डो) से वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं। Drs. Rin Burke और Shailesh Vora (राष्ट्रीय ऊर्जा प्रौद्योगिकी प्रयोगशाला) के साथ तकनीकी चर्चा का आभार व्यक्त किया है. Drs. अमित पांडे (एलजी ईंधन सेल, कैंटन OH), जेफ Stevenson और मैट चाउ (प्रशांत नॉर्थवेस्ट राष्ट्रीय प्रयोगशाला, रिचलैंड WA) getters के प्रदर्शन के दीर्घकालिक परीक्षण सत्यापन के साथ उनकी मदद के लिए स्वीकार कर रहे हैं. लेखक प्रयोगशाला सहायता प्रदान करने के लिए कनेक्टिकट विश्वविद्यालय स्वीकार करते हैं. डॉ लीचून झांग और सुश्री चियिंग लियांग तकनीकी चर्चा और प्रयोगों के साथ मदद के लिए स्वीकार किया है।
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 |