Разработка и валидация хрома Геттеров для твердых оксидных топливных элементов power Systems
Summary
Отравление катодными веществами, загрязняющими веществами в воздухе, в следовых уровнях остается серьезной проблемой для долгосрочной стабильности высокотемпературных электрохимических систем. Мы предоставляем новый метод для смягчения деградации катода с помощью геттеров, которые захватывают загрязняющие вещества в воздухе при высокой температуре перед входом в электрохимически активную область стека.
Abstract
Деградация катода в твердом оксидном топливных элементах (SOFC) по-прежнему является серьезной проблемой для долгосрочной стабильности и эксплуатационной надежности. Присутствие газовых фазовых видов хрома в воздухе продемонстрировало значительное ухудшение производительности катода во время длительного воздействия из-за нежелательного образования соединений на катоде и электролитном интерфейсе, который тормозит реакцию снижения кислорода ( ORR). Мы продемонстрировали новый метод смягчения деградации катода с помощью хромовых геттеров, которые захватывают газ фазы хрома видов, прежде чем он попадает в катодной камере. Низкозатратные материалы для получения, синтезированные из щелочной земли и переходных оксидов металла, покрыты кордиетитовым сотовым субстратом для применения в энергетических системах SOFC. Как изготовленные геттеры были проверены хромом транспирации испытаний на 500 ч в увлажненных атмосфере воздуха в присутствии пара хрома. Выбранные геттеры были дополнительно проверены с использованием электрохимических тестов. Как правило, электрохимические характеристики SOFCs (lanthanum strontium manganite (LSM) и yttria стабилизировали цирконию (YS) и Pt) измерялись на 850 градусов по Цельсию в присутствии и отсутствии Cr getter. Для 100-яклеточных тестов, содержащих геттеры, сохранялась стабильная электрохимическая производительность, в то время как производительность клеток в отсутствие Cr getters быстро снижалась на 10 ч. Анализы участков Nyquist показали значительное увеличение поляризации сопротивление в течение первых 10 ч операции клетки. Результаты характеристик посттестных SOFCs и геттеров продемонстрировали высокую эффективность улавливания хрома для смягчения деградации клеток.
Introduction
Твердотопливный элемент оксида (SOFC) энергетическая система, высокая температура прямого электрохимического преобразования энергии устройство, предлагает экологически чистый путь для получения электроэнергии из широкого спектра ископаемых и возобновляемых видов топлива. Технология SOFC находит свое применение в централизованных, а также распределенных областях выработки электроэнергии1. Эта технология опирается на электрохимическое преобразование химической энергии, хранящейся в топливе, в электричество. Многочисленные преимущества предлагаются SOFCs с точки зрения высокой энергоэффективности, высокого качества тепла, легкости модульности, и нет или незначительные углеродные следы2. Несколько отдельных ячеек SOFC соединены в серии или параллельной моды (а именно sOFC стеки) для получения желаемого производительного напряжения. Стеки SOFC состоят из таких компонентов, как плотный электролит, пористые электроды, взаимосвязи (IC) и уплотнения3,4. Анод и катод соседних клеток соединены с помощью IC, который не только служит в качестве сепаратора для предотвращения любогосмешивания окислителя с топливом, но и обеспечивает электрическую связь между соседним анодом и катодом 5.
Улучшения на протяжении десятилетий исследований и разработок в области материалостроения привели к снижению рабочей температуры для SOFCs, что позволило заменить керамические материалы с недорогими сплавами из нержавеющей стали для изготовления электрохимически активные компоненты клеток и стеков и подсистемы баланса растений (BOP). Коммерчески доступные ферритные и астенитические нержавеющие стали используются для изготовления компонентов системы из-за их низкой стоимости, сопоставленного коэффициента теплового расширения (CtE) и устойчивости к окислению и коррозии при высоких эксплуатационных температурах 6. Формирование Cr2O3 типа пассивационного оксида шкалы на поверхности сплава действует как барьерный слой против внутренней диффузии кислорода из воздуха или внешнего диффузии катионов из навоза7.
В присутствии увлажненного воздуха Cr2O3 претерпевает значительные химические преобразования, ведущие к образованию гидратированных видов паров хрома при эксплуатационных температурах SOFC. Газообразный пар хрома впоследствии переносится по воздушному потоку в катод, ведущий к поверхностным и интерфейсным реакциям с катодными материалами. Такой катод испытывает как ohmic, так и неохмический рост поляризации и ухудшения электрической производительности. Подробная информация о механизмах деградации катода была проиллюстрирована в другом месте8,9,10.
Современные методы сокращения или устранения вышеуказанных процессов деградации катода обычно состоят из модификаций химии сплава, нанесения поверхностного покрытия и использования хрома толерантных катодов11,12. Хотя эти методы продемонстрировали снижение деградации катода из-за взаимодействия паров Cr (а именно Cr отравления) для краткосрочной, долгосрочной эффективности для стабильности производительности остается проблемой, в основном из-за трещин и распыления в пределах покрытие и интердифузирование катионов.
Мы продемонстрировали новый метод для смягчения проблемы отравления хромом путем захвата входящих паров хрома, прежде чем он реагирует с катодными материалами13. Геттеры были синтезированы из недорогих щелочных земляных и переходных оксидов металла с использованием обычных методов керамической обработки. Преимуществом этого подхода является использование неблагородных и нестратегических материалов, а также традиционных методов обработки для изготовления геттеров для смягчения деградации катодов, возникающих в результате загрязнения в воздухе. Размещение геттера может быть адаптирована для захвата пара хрома, вытекающих из компонентов BOP или он также может быть адаптирован, чтобы быть помещены в электрохимически активных компонентов стека14,15. Здесь мы представляем методы проверки хромовых геттеров с помощью транспирации и электрохимических тестов. Экспериментальные результаты настройки и характеристики также будут продемонстрированы, чтобы показать эффективность геттера и механизмы захвата Cr на геттере при типичных условиях работы SOFC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Экспериментальные результаты наглядно демонстрируют эффективность хромовых геттеров во время длительных испытаний транспирации хрома и электрохимических тестов. Наличие геттеров успешно смягчает загрязнение электрода, что в противном случае приведет к быстрому увеличению устойчи…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают финансовую поддержку министерства энергетики США (US DOE) в рамках федерального гранта DE-FE-0023385. Техническая дискуссия с докторами Рин Берк и Шайлеш Вора (Национальная лаборатория энергетических технологий) с благодарностью признается. Д-р Амит Pandey (LG топливных ячеек, Кантон OH), Джефф Стивенсон и Мэтт Чоу (Тихоокеанский Северо-Западной национальной лаборатории, Ричленд WA) признаются за их помощь с долгосрочной проверки теста производительности getters. Авторы признают Университет Коннектикута за оказание лабораторной поддержки. Д-р Личун Чжан и г-жа Чиин Лян признаны для технического обсуждения и помощи в экспериментах.
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).
