固体酸化物燃料電池動力システム用クロムゲッターの開発と検証
Summary
微量レベルの空気中の汚染物質によるカソード中毒は、高温電気化学システムの長期安定性に対する主要な懸念事項です。電気化学的に活性なスタック領域に入る前に、高温で空気中の汚染物質を捕捉するゲッターを用いて陰極の劣化を緩和する新しい方法を提供します。
Abstract
固体酸化物燃料電池(SOFC)におけるカソードの劣化は、長期的な性能安定性と動作信頼性に対する大きな懸念事項です。空気中のガス相クロム種の存在は、酸素還元反応を遅らす陰極および電解質界面での不要な化合物形成による長期暴露時の顕著な陰極性能低下を実証した(ORR)。我々は、カソード室に摂取する前にガス相クロム種を捕捉するクロムゲッターを用いて陰極分解を緩和する新しい方法を実証した。アルカリ性土と遷移金属酸化物から合成された低コストのゲッター材料は、SOFCパワーシステムに適用するためのコーディエライトハニカム基板にコーティングされています。製造されたゲッターは、クロム蒸気の存在下で加湿空気雰囲気の中で500時間のクロム蒸散試験によってスクリーニングされた。選択されたゲッターは電気化学的試験を利用してさらに検証された。典型的には、SOFC(ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)の電気化学的性能は、Crゲッターの有無において850°Cで測定した。ゲッターを含む100h細胞試験では、安定した電気化学的性能が維持されたのに対し、Crゲッターが存在しない場合の細胞性能は10時間で急速に低下した。細胞操作の最初の10時間以内の抵抗。後のSOFCおよびゲッターからの特徴付けの結果は細胞の劣化の軽減のためのクロム捕獲の高効率を実証した。
Introduction
固体酸化物燃料電池(SOFC)パワーシステムは、高温直接電気化学エネルギー変換装置であり、多種多様な化石燃料や再生可能燃料から発電する環境に優しい経路を提供します。SOFCテクノロジーは、分散型発電エリア1と同様に、一元化されたアプリケーションを見つけます。この技術は、燃料に蓄えられた化学エネルギーを電気に電気的に変換する技術に依存しています。高エネルギー効率、高品質の熱、モジュール性の容易さ、およびカーボンフットプリント2の点でSOFCによって多数の利点が提供されます。いくつかの個々のSOFCセルは、所望の出力電圧を得るために直列または並列方法(すなわちSOFCスタック)で接続されています。SOFCスタックは、緻密な電解質、多孔質電極、相互接続(IC)およびシール3、4などのコンポーネントで構成されています。隣接する細胞のアノードと陰極はICを使用して接続され、これは酸化剤と燃料の混合を防止するセパレータとして機能するだけでなく、隣接する陽極と陰極5との間の電気的接続を提供する。
材料工学の研究開発の数十年にわたる改善は、SOFCの動作温度の低下につながり、セラミックス材料を安価なステンレス合金で製造することができます。電気化学的に活性な細胞およびスタックコンポーネントおよびプラントバランス(BOP)サブシステム。市販の鉄製およびオーステナイト製ステンレス鋼は、低コスト、一致した熱膨張係数(CTE)、高い動作温度での酸化および腐食に対する耐性のためにシステムコンポーネントの製造に利用されています。6.合金表面上のCr2O3型パッシ化酸化物スケールの形成は、バルク合金7からの空気からの酸素の内側拡散または外側の拡散に対するバリア層として作用する。
加湿空気の存在下で、Cr2O3は、SOFC動作温度で水和クロム蒸気種形成につながる重要な化学的変換を受ける。気体クロム蒸気は、その後、カソード材料との表面および界面反応につながる陰極に空気流を介して運ばれる。このような陰極は、偏光および電気性能の低下のオームと非オームの両方の増加を経験する。陰極分解機構の詳細は、他の場所で8、9、10に例示されている。
上記の陰極分解プロセスを低減または排除する最先端の方法は、一般的に合金化学の改変、表面コーティングの適用およびクロム耐性陰極11、12の使用からなる。これらの技術は、短期的にCr蒸気相互作用(すなわちCr中毒)による陰極分解の減少を実証しているが、性能安定性に対する長期的な有効性は、主に内のひび割れおよびスファレーションに起因する懸念のままである。カチオンのコーティングと注入。
我々は、カソード材料13と反応する前に入ってくるクロム蒸気を捕捉することによってクロム中毒の問題を緩和する新しい方法を実証した。ゲッターは、従来のセラミック加工技術を用いて、低コストのアルカリ性土と遷移金属酸化物から合成されています。このアプローチのコスト優位性は、非高貴および非戦略的な材料の使用だけでなく、空気中の汚染物質から生じる陰極劣化の軽減のためのゲッターを製造するための従来の処理方法を使用することです。ゲッターの配置は、BOP成分から生じるクロム蒸気を捕捉するように調整することも、電気化学的に活性なスタックコンポーネント14、15内に配置するように調整することもできる。ここでは、蒸散と電気化学試験を用いてクロムゲッターを検証する方法を紹介する。実験的なセットアップと特性分類の結果は、典型的なSOFC動作条件下でゲッター上のゲッターの有効性とCrキャプチャのメカニズムを示すためにも実証されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
実験結果は、長期クロム蒸散試験および電気化学試験におけるクロムゲッターの有効性を明確に示す。ゲッターの存在は、それ以外の場合は偏光抵抗と電気化学的性能の劣化の急速な増加につながる電極の汚染を軽減することに成功しました。
クロミアからのガス相クロム種の形成は、水蒸気濃度(湿度レベル)16の増加に伴って好まれ、増強される。陰?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、連邦補助金DE-FE-0023385の下で米国エネルギー省(US DOE)からの財政支援を認めます。リン・バーク博士とシャイレシュ・ヴォーラ博士(国立エネルギー技術研究所)との技術的な議論は、感謝の気持ちを込めています。アミット・パンディー博士(LGフューエルセルズ、カントンOH)、ジェフ・スティーブンソン、マット・チョウ(パシフィック・ノースウェスト国立研究所、リッチランド・ワシントン州)は、ゲッターの性能の長期試験検証に協力したことを認めています。著者は、研究室のサポートを提供するためにコネチカット大学を認めます.リチュン・ジャン博士とチイン・リャン氏は、技術的な議論と実験の手伝いを行っています。
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
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