Desenvolvimento e validação de cromo getters para sistemas de energia de células de combustível de óxido sólido
Summary
O envenenamento por cátodos de contaminantes aéreos em níveis de traço continua sendo uma grande preocupação para a estabilidade a longo prazo de sistemas eletroquímicos de alta temperatura. Nós fornecemos um método novo para mitigar as degradações do cátodos que usam getters, que capturam contaminadores aerotransportados na alta temperatura antes de incorporar a área eletroquimicamente ativa da pilha.
Abstract
A degradação de cátodos em células combustíveis de óxido sólido (SOFC) continua a ser uma grande preocupação para a estabilidade de desempenho a longo prazo e confiabilidade operacional. A presença de espécies de cromo de fase gasosa no ar demonstrou degradação significativa do desempenho de cátodos durante a exposição a longo prazo devido à formação de compostos indesejados na interface de cátodos e eletrólitos que retarda a reação de redução de oxigênio ( ORR). Nós demonstramos um método novo para mitigar a degradação do cátodos usando os getters do cromo que capturam as espécies da fase de gás do cromo antes que esteja ingerido na câmara do cátodos. Os materiais de baixo custo, sintetizados a partir da terra alcalina e óxidos metálicos de transição, são revestidos no substrato de favo de mel cordierite para aplicação nos sistemas de potência SOFC. Os getters como-fabricados foram selecionados por testes do transpiração do cromo para 500 h na atmosfera umidificada do ar na presença do vapor do cromo. Getters selecionados foram validados mais utilizando testes eletroquímicos. Tipicamente, o desempenho eletroquímico de sofcs (lantânio de estrôncio (LSM) Kx ítria estabilizado zircônio (YSZ) Kx pt) foi medido a 850 ° c na presença e ausência de CR getter. Para os testes da pilha de 100 h que contêm getters, o desempenho eletroquímica estável foi mantido, visto que o desempenho da pilha na ausência de CR getters diminuiu ràpida em 10 h. as análises de parcelas de Nyquist indicaram um aumento significativo na polarização resistência dentro dos primeiros 10 h da operação celular. Os resultados de caracterização de SOFCs pós-teste e getters demonstraram a alta eficiência da captação de cromo para a mitigação da degradação celular.
Introduction
O sistema de energia de célula de combustível de óxido sólido (SOFC), um dispositivo de conversão de energia eletroquímica direta de alta temperatura, oferece um caminho ambientalmente amigável para gerar eletricidade a partir de uma ampla variedade de combustíveis fósseis e renováveis. A tecnologia de SOFC encontra suas aplicações em áreas centralizadas assim como distribuídas da geração de energia1. Esta tecnologia assenta na conversão eletroquímica da energia química armazenada nos combustíveis na eletricidade. Inúmeras vantagens são oferecidas por SOFCs em termos de alta eficiência energética, calor de alta qualidade, facilidade de modularidade, e não ou insignificante pegadas de carbono2. Diversas pilhas individuais de SOFC são conectadas na forma da série ou da paralela (a saber pilhas de SOFC) para obter a tensão desejada da saída. As pilhas de SOFC consistem em componentes tais como o eletrólito denso, os elétrodos porosos, a interconexão (CI) e os selos3,4. O ânodo e o cátodo de pilhas adjacentes são conectados usando o CI, que serve não somente como um separador para impedir toda a mistura do oxidante com combustível mas igualmente fornece a conexão elétrica entre o ânodo adjacente e o cátodo5.
Melhorias ao longo de décadas de pesquisa e desenvolvimento em engenharia de materiais levaram à redução da temperatura de operação para SOFCs, permitindo substituições de materiais cerâmicos com ligas de aço inoxidável de baixo custo para a fabricação de componentes de célula e pilha eletroquimicamente ativos e subsistemas de equilíbrio de planta (BOP). Aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos disponíveis comercialmente são utilizados para a fabricação de componentes do sistema devido ao seu baixo custo, coeficiente combinado de expansão térmica (CTE) e resistência à oxidação e corrosão em altas temperaturas de operação 6. Formation da escala do óxido de passivating do tipo3 do CR2na superfície da liga actua como uma camada da barreira de encontro à difusão interna do oxigênio do ar ou da difusão exterior dos cátions da liga de maioria7.
Na presença de ar humidificado, CR2O3 sofre transformação química significativa levando à formação de espécies de vapor de cromo hidratado em temperaturas de operação do SOFC. O vapor de cromo gasoso é posteriormente transportado através do fluxo de ar para o cátodos, levando a reações de superfície e interface com os materiais de cátodos. Tal cátão experimenta aumentos Ôhmico e não-Ôhmico no polarização e na degradação elétrica do desempenho. Detalhes dos mecanismos de degradação do cátodos foram ilustrados emoutros lugares8,9,10.
Os métodos de ponta para reduzir ou eliminar os processos de degradação de cátodos acima comumente consistem em modificações da química da liga, aplicação do revestimento superficial e uso de cátodos tolerantes ao cromo11,12. Embora estas técnicas tenham demonstrado a redução da degradação do cátodos devido às interações do vapor do CR (a saber envenenamento do CR) para a eficácia a curto prazo, a longo prazo para a estabilidade do desempenho permanece uma preocupação, principalmente devido ao rachamento e ao espalação dentro do revestimento e interdifusão de cátions.
Nós demonstramos um método novo para mitigar o problema do envenenamento do cromo capturando o vapor de cromo entrante antes que reage com os materiais de cátodos13. Os getters foram sintetizados a partir de baixo custo de terra alcalina e óxidos metálicos de transição usando técnicas convencionais de processamento de cerâmica. A vantagem de custo desta abordagem é o uso de materiais não-nobres e não-estratégicos, bem como métodos de processamento convencionais para fabricar getters para a mitigação da degradação de cátodos decorrente de contaminantes aéreos. A colocação do getter pode ser costurada para capturar o vapor do cromo que levanta-se dos componentes do BOP ou pode igualmente ser costurado para ser coloc dentro dos componentes electroquimicamente ativos da pilha14,15. Aqui, nós apresentamos métodos para validar os getters do cromo usando a transpiração e testes eletroquímica. Os resultados experimentais da instalação e da caracterização serão demonstrados igualmente para mostrar a eficácia do getter e os mecanismos da captação do CR no getter circunstâncias de funcionamento típicas de SOFC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os resultados experimentais demonstram claramente a eficácia de getters do cromo durante testes a longo prazo do transpiração do cromo e testes eletroquímica. A presença de getters atenua com sucesso a contaminação do elétrodo que de outra maneira conduziria ao aumento rápido na resistência da polarização e na degradação eletroquímica do desempenho.
A formação de espécies de cromo de fase gasosa da cromia é favorecida e reforçada com um aumento da concentração de vapor de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores reconhecem o apoio financeiro do departamento de energia dos EUA (e.u. DOE) o federal Grant DE-FE-0023385. A discussão técnica com Drs. rin Burke e shailesh Vora (laboratório nacional de tecnologia de energia) é reconhecida com gratidão. Drs. Amit Pandey (células de combustível LG, Canton OH), Jeff Stevenson e Matt Chou (Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA) são reconhecidos por sua ajuda com validação de teste de longo prazo do desempenho dos getters. Os autores reconhecem a Universidade de Connecticut para fornecer o apoio do laboratório. Dr. Lichun Zhang e Sra. Chiying Liang é reconhecida por discussão técnica e ajuda com os experimentos.
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 |
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