Utvikling og validering av Chromium getters for solid oksid brenselcelle kraft systemer
Summary
Bilde forgiftning fra luftbårne forurensninger i spor nivåer er fortsatt en stor bekymring for langtidsstabilitet ved høy temperatur elektrokjemiske systemer. Vi gir en ny metode for å dempe bilde degradations ved hjelp av getters, som fanger opp luftbårne forurensninger ved høy temperatur før du går inn elektrokjemisk aktive stabelen området.
Abstract
Nedbrytning av bilde stoff i faste oksid brenselceller (SOFC) er fortsatt en stor bekymring for den langsiktige ytelses stabiliteten og driftssikkerheten. Tilstedeværelsen av gass fase krom arter i luft har vist signifikant bilde reduksjon ytelse under lang tids eksponering på grunn av uønsket sammensatte formasjon ved bilderør og elektrolytt grensesnitt som forsinker oksygen reduksjons reaksjonen ( ORR). Vi har vist en ny metode for å redusere bilderør degradering bruker krom getters som fange gassen fase krom arter før det er inntatt i bildet. Rimelige Fang materialer, syntetisert fra alkalisk jord og overgangs metalloksider, er belagt på kordieritt honeycomb substrat for påføring i SOFC kraft systemer. Som fabrikkert getters har blitt vist av krom transpirasjon tester for 500 h i fuktet luft atmosfære i nærvær av krom damp. Valgte getters har blitt ytterligere validert utnytte elektrokjemiske tester. Vanligvis ble elektrokjemiske ytelse av SOFCs (lantan strontium manganite (LSM) ǁ yttria stabilisert zirconia (YSZ) ǁ PT) målt ved 850 ° c i nærvær og fravær av CR-Fang. For 100 h celle tester som inneholder getters, stabil elektrokjemiske ytelse ble opprettholdt, mens cellen ytelse i fravær av CR getters raskt redusert i 10 h. analyser av Nyquist tomter indikerte betydelig økning i polarisering innenfor de første 10 h av celle operasjonen. Karakterisering resultater fra posttest SOFCs og getters har vist den høye effektiviteten av krom fangst for reduksjon av celle degradering.
Introduction
Solid oksid brenselcelle (SOFC) kraftsystem, en høy temperatur direkte elektrokjemiske energi konvertering enhet, tilbyr en miljøvennlig vei å generere elektrisitet fra et bredt utvalg av fossilt og fornybar brensel. SOFC-teknologien finner sine applikasjoner i sentraliserte og distribuerte kraft genererings områder1. Denne teknologien er avhengig av elektrokjemiske konvertering av kjemisk energi lagret i brensel til elektrisitet. Mange fordeler tilbys av SOFCs i form av høy energieffektivitet, høy kvalitet varme, enkel modulære, og ingen eller ubetydelig Carbon fotavtrykk2. Flere individuelle SOFC celler er koblet i serie eller parallell mote (nemlig SOFC stabler) for å oppnå ønsket utgangsspenning. SOFC stabler består av komponenter som tett elektrolytt, porøse elektroder, sammenkobling (IC) og sel3,4. Anode og bilde av tilstøtende celler er koblet ved hjelp av IC, som ikke bare fungerer som en separator for å hindre enhver blanding av oksiderende med drivstoff, men også gir elektrisk tilkobling mellom tilstøtende anode og bilderør5.
Forbedringer over flere ti år med forskning og utvikling i materialer engineering har ført til reduksjon i driftstemperatur for SOFCs, slik at utskifting av keramikk materialer med billig rustfritt stållegeringer for fabrikasjon av elektrokjemisk aktiv celle og Stack komponenter og balanse-av-anlegget (BOP) sub-systemer. Kommersielt tilgjengelige ferritisk og austenittisk rustfritt stål benyttes for fabrikasjon av systemkomponenter på grunn av deres lave kostnader, matchet koeffisient av termisk ekspansjon (CTE) og motstand mot oksidasjon og korrosjon ved høye driftstemperaturer 6. dannelse av CR2O3 type passiverende oksid skala på legering overflaten fungerer som et barriere lag mot innover diffusjon av oksygen fra luft eller ytre spredning av spesifikasjoner fra bulk legering7.
I nærvær av fuktet luft, CR2O3 gjennomgår betydelig kjemisk transformasjon fører til hydrert krom damp arter dannelse ved SOFC driftstemperaturer. Gass krom dampen er senere gjennomført gjennom luftstrømmen i bilderør som fører til overflate og grensesnitt reaksjoner med bildemateriale. Slike bilderør erfaringer både ohmsk og ikke-ohmsk øker i polarisering og elektrisk ytelse degradering. Detaljer om de bilde-og ned brytnings mekanismene har blitt illustrert andre steder8,9,10.
Den State-of-the-art metoder for å redusere eller eliminere de ovennevnte bilderør degradering prosesser vanligvis består av modifikasjoner av legering kjemi, anvendelse av overflatebelegg og bruk av krom tolerant katoder. Selv om disse teknikkene har vist reduksjon av bilde brytningen på grunn av CR damp interaksjoner (nemlig CR forgiftning) for kortsiktig, langsiktig effekt for ytelse stabilitet er fortsatt et problem, hovedsakelig på grunn av sprekker og spallation i belegg og interdiffusion.
Vi har vist en ny metode for å redusere problemet med krom forgiftning ved å fange innkommende krom damp før den reagerer med bilderør13. Getters har blitt syntetisert fra lave kostnader alkalisk jord og overgangen metalloksider ved hjelp av konvensjonelle keramiske prosesserings teknikker. Kostnadsfordelen med denne tilnærmingen er bruk av ikke-edle og ikke-strategiske materialer, samt konvensjonelle prosesserings metoder for å dikte getters for reduksjonen av bilde brytning som oppstår fra luftbårne forurensninger. Plasseringen av Fang kan skreddersys for å fange krom damp som følge av BOP komponenter, eller det kan også skreddersys til å bli plassert innenfor elektrokjemisk Active stack komponenter14,15. Her presenterer vi metoder for å validere krom getters bruker transpirasjon og elektrokjemiske tester. Eksperimentelle oppsett og karakterisering resultater vil også bli demonstrert for å vise Fang effektiviteten og mekanismene til CR fangst på Fang under typiske SOFC driftsforhold.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den eksperimentelle resultater tydelig demonstrere effektiviteten av krom getters under langsiktige krom transpirasjon tester og elektrokjemiske tester. Tilstedeværelsen av getters med hell begrenser forurensning av elektroden som ellers ville føre til rask økning i polarisering motstand og elektrokjemiske ytelse degradering.
Dannelsen av gass fase krom arter fra chromia er favorisert og forbedret med en økning av vanndamp konsentrasjon (fuktighet nivå)16. Vanninnh…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfattere erkjenner økonomisk støtte fra US Department of Energy (US DOE) under Federal Grant DE-FE-0023385. Teknisk diskusjon med DRS. Rin Burke og Shailesh Vora (National Energy Technology Laboratory) er takknemlig erkjent. DRS. Amit Pandey (LG brenselceller, Canton OH), Jeff Stevenson og Matt Chou (Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA) er anerkjent for deres hjelp med lang sikt test validering av ytelsen til getters. Forfattere erkjenner University of Connecticut for å gi laboratorie støtte. Dr. Lichun Zhang og MS Chiying Liang er anerkjent for teknisk diskusjon og hjelp med eksperimenter.
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).
