고체 산화물 연료 전지 전력 시스템을 위한 크롬 게터 개발 및 검증
Summary
미량 수준의 공기 중 오염 물질로 인한 음극 중독은 고온 전기 화학 시스템의 장기적인 안정성에 대한 주요 관심사로 남아 있습니다. 당사는 전기화학적 활성 스택 영역에 진입하기 전에 고온에서 공기 중 오염 물질을 포착하는 게터를 사용하여 음극 분해를 완화하는 새로운 방법을 제공합니다.
Abstract
고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 음극 분해는 장기적인 성능 안정성 및 작동 신뢰성에 대한 주요 관심사로 남아 있습니다. 공기 중의 가스 상 크롬 종의 존재는 산소 감소 반응을 지연시키는 음극 및 전해질 계면에서 원치 않는 화합물 형성으로 인해 장기간 노출되는 동안 상당한 음극 성능 저하를 입증했습니다. ORR)을 참조하십시오. 우리는 음극 챔버에서 섭취되기 전에 가스 상 크롬 종을 포착하는 크롬 게터를 사용하여 음극 분해를 완화하는 새로운 방법을 입증했습니다. 알칼리성 접지 및 전이 금속 산화물에서 합성된 저비용 게터 재료는 SOFC 전력 시스템에 적용하기 위해 코르디에라이트 허니콤 기판에 코팅됩니다. 가공 된 게터는 크롬 증기가있는 가습 공기 분위기에서 500 시간 동안 크롬 증발 테스트에 의해 선별되었습니다. 선택된 게터는 전기 화학 적 테스트를 활용하여 추가 검증되었습니다. 전형적으로, SOFCs(란탄스트론튬 망간나이트(LSM)의 전기화학적 성능은 cr getter의 존재 및 부재 에서 850°C에서 측정되었다. 게터를 포함하는 100 h 세포 시험을 위해, 안정된 전기화학적인 성과는 유지되었습니다, 반면 Cr getters의 부재에 있는 세포 성과는 10 시간에서 급속하게 감소했습니다. 세포 작동의 처음 10 시간 내저항. 포스트테스트 SOFC 및 게터의 특성화 결과는 세포 분해 완화를 위한 크롬 포획의 고효율을 입증했습니다.
Introduction
고온 직접 전기 화학 에너지 변환 장치인 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 전력 시스템은 다양한 화석 및 재생 연료에서 전기를 생산하는 환경 친화적 인 경로를 제공합니다. SOFC 기술은 중앙 집중식 및 분산 발전 영역1에서 응용 프로그램을 찾습니다. 이 기술은 연료에 저장된 화학 에너지를 전기로 전기로 전기화학적 변환에 의존합니다. SOFC는 높은 에너지 효율, 고품질 열, 모듈화의 용이성 및 탄소 발자국이 없거나무시할 수 없는 2. 여러 개별 SOFC 셀이 원하는 출력 전압을 얻기 위해 직렬 또는 병렬 방식으로 연결됩니다(즉, SOFC 스택). SOFC 스택은 조밀한 전해질, 다공성 전극, 상호 연결 (IC) 및 씰3,4와같은 구성 요소로 구성됩니다. 인접 전지의 양극과 음극은 IC를 사용하여 연결되며, 이는 연료와 산화제의 혼합을 방지하는 분리기 역할을 할뿐만 아니라 인접한 양극과 음극5사이의 전기 적 연결을 제공합니다.
재료 공학의 수십 년 동안의 연구 및 개발의 개선은 SOFC의 작동 온도 감소를 주도하고, 제조를위한 저렴한 스테인레스 스틸 합금 세라믹 재료의 교체를 가능하게 전기 화학적 활성 셀 및 스택 구성 요소 및 식물 균형 (BOP) 하위 시스템. 시판되는 페야및 오스테니티성 스테인리스 스틸은 저렴한 비용, 높은 작동 온도에서의 열 팽창 계수(CTE) 및 산화 및 부식에 대한 내성으로 인해 시스템 구성 요소의 제조에 활용됩니다. 6.합금표면에 Cr2 O3 형 패시베이팅 옥사이드 스케일의 형성은 공기로부터의 산소의 내부 확산 또는 벌크 합금7에서의 양이온의 외부 확산에 대한 장벽 층으로서 작용한다.
가습 공기가 있는 경우Cr2O3는 SOFC 작동 온도에서 수화 크롬 증기 종 형성으로 이어지는 중요한 화학 적 변형을 겪습니다. 기체 크롬 증기는 이후에 음극 물질과의 표면 및 인터페이스 반응으로 이어지는 음극으로 공기 흐름을 통해 전달됩니다. 이러한 음극은 오믹 및 비오믹 모두의 양극화 및 전기적 성능 저하의 증가를 경험한다. 음극 분해 메커니즘의 세부 사항은 다른 곳에서설명된 8,9,10.
상기 음극 분해 공정을 감소 또는 제거하는 최첨단 방법은 일반적으로 합금 화학의 변형, 표면 코팅의 적용 및 크롬 내성 음극의 사용으로 구성된다11,12. 이러한 기술은 Cr 증기 상호작용(즉, Cr 중독)으로 인한 음극 열화의 감소를 단기적으로 입증했지만, 성능 안정성을 위한 장기적인 효능은 주로 내부의 균열 및 스폴레이션으로 인한 우려로 남아 있다. 코팅 및 양이온의 융합.
우리는 음극 물질(13)과 반응하기 전에 들어오는 크롬 증기를 포착함으로써 크롬 중독의 문제를 완화하는새로운 방법을 입증하였다. 게터는 기존의 세라믹 가공 기술을 사용하여 저비용 알칼리성 접지 및 전환 금속 산화물에서 합성되었습니다. 이 방법의 비용 이점은 공기 중 오염 물질로 인한 음극 열화를 완화하기 위해 게터를 제조하기 위해 비고귀 및 비 전략적 재료뿐만 아니라 기존의 가공 방법을 사용하는 것입니다. 상기 게터의 배치는 BOP 성분으로부터 발생하는 크롬 증기를 포착하도록 맞춤화될 수 있거나 또한 전기화학적 활성 스택성분(14,15)내에 배치될 수 있도록 맞춤화될 수 있다. 여기서, 우리는 증발 및 전기 화학 시험을 사용하여 크롬 게터를 검증하는 방법을 제시한다. 실험 설정 및 특성화 결과는 또한 일반적인 SOFC 작동 조건하에서 게터의 Cr 캡처 메커니즘과 게터 의 효과를 입증할 것입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
실험 결과는 장기 크롬 증발 테스트 및 전기 화학 테스트 동안 크롬 게터의 효과를 명확하게 보여줍니다. 게터의 존재는 그렇지 않으면 편광 저항 및 전기 화학 적 성능 저하의 급속한 증가로 이어질 전극의 오염을 성공적으로 완화.
크로미아로부터의 기스상 크롬 종의 형성은 수증기 농도(습도 수준)(16)의증가로 선호되고 강화된다. 음극 공기의 수분 함량은…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 연방 보조금 DE-FE-0023385에 따라 미국 에너지부 (미국 DOE)의 재정 지원을 인정합니다. 린 버크 박사와 셰일시 보라(국가 에너지 기술 연구소)와의 기술 적 논의는 감사하게도 인정받고 있습니다. 아미트 판디 박사(LG 연료전지, 캔톤 OH), 제프 스티븐슨, 맷 추(퍼시픽 노스웨스트 국립연구소, 리치랜드 WA)는 게터의 성능에 대한 장기적인 테스트 검증에 도움을 준 것으로 인정받고 있습니다. 저자는 실험실 지원을 제공하는 코네티컷 대학을 인정합니다. 리쿤 장 박사와 치잉 량 박사는 기술 적인 토론과 실험에 도움을 인정받고 있습니다.
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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