Utveckling och validering av krom Getters för fast oxid bränsle cell kraftsystem
Summary
Katodförgiftning från luftburna föroreningar i spårnivåer är fortfarande ett stort problem för långsiktig stabilitet i hög temperatur elektrokemiska system. Vi tillhandahåller en ny metod för att mildra katoddegraderingar med Getters, som fångar luftburna föroreningar vid hög temperatur innan de går in elektrokemiskt aktiv stack område.
Abstract
Nedbrytning av katod i fasta oxid bränsleceller (SOFC) är fortfarande ett stort problem för långsiktig prestanda stabilitet och driftsäkerhet. Förekomst av gasfas-krom i luft har visat signifikant försämring av katodprestandan under långvarig exponering på grund av oönskad sammansatt bildning vid katoden och elektrolytgränssnittet som hämmar syre reducerings reaktionen ( ORR). Vi har visat en ny metod för att mildra katoddegraderingen med hjälp av krom getter som fångar gasfas-krom arter innan den intas i katodkammaren. Låg kostnad getter material, syntetiserade från alkaliska jordartsmetaller och övergång metalloxider, är belagda på Cordierite Honeycomb substrat för applicering i SOFC kraftsystem. Som fabricerade Getters har screenats av krom transpiration tester för 500 h i fuktad luft atmosfär i närvaro av krom ånga. Utvalda Getters har ytterligare validerats använder elektrokemiska tester. Typiskt, elektrokemisk prestanda av sofcs (lanthanum strontium manganite (LSM) ǁ en stabiliserad zirconia (ySz) ǁ PT) mättes vid 850 ° c i närvaro och avsaknad av CR getter. För 100 h-celltester som innehåller Getters, upprätthölls stabila elektrokemiska prestanda, medan cell prestandan i avsaknad av CR Getters snabbt minskade i 10 h. analyser av Nyquisttomter indikerade en signifikant ökning av polarisation motståndet inom den första 10 h av cell operationen. Karakterisering resultat från PostTest SOFCs och Getters har visat den höga effektiviteten av krom fångst för lindring av cell nedbrytning.
Introduction
Solid oxid Fuel cell (SOFC) kraftsystem, en hög temperatur direkt elektrokemisk energiomvandling enhet, erbjuder en miljövänlig väg att generera el från en mängd olika fossila och förnybara bränslen. SOFC Technology hittar sina applikationer i centraliserade och distribuerade kraftgenerering områden1. Denna teknik bygger på elektrokemisk omvandling av kemisk energi lagrad i bränslet till elektricitet. Många fördelar erbjuds av SOFCs i form av högenergieffektivitet, hög kvalitet värme, enkel modularitet, och ingen eller försumbar carbon footprints2. Flera enskilda SOFC celler är anslutna i serie eller parallella sätt (nämligen SOFC stackar) för att få önskad utspänning. SOFC stackar består av komponenter såsom tät elektrolyt, porösa elektroder, samtrafik (IC) och tätningar3,4. Anod och katod av angränsande celler är anslutna med IC, som inte bara fungerar som en separator för att förhindra blandning av antioxidant med bränsle, men också ger elektrisk anslutning mellan angränsande anod och katod5.
Förbättringar under årtionden av forskning och utveckling inom materialteknik har lett till minskad driftstemperatur för SOFCs, vilket möjliggör utbyte av keramiska material med billiga legeringar av rostfrittstål för tillverkning av elektrokemiskt aktiva cell-och stack komponenter och delsystem för balans mellan anläggningar (BOP). Kommersiellt tillgängliga ferritiska och austenitiska rostfria stål utnyttjas för tillverkning av system komponenter på grund av deras låga kostnader, matchade koefficienten för termisk expansion (CTE) och beständighet mot oxidation och korrosion vid höga driftstemperaturer 6. bildandet av CR2O3 typ passivering oxid skala på legeringsytan fungerar som ett barriärskikt mot aktiv diffusion av syre från luft eller yttre diffusion av katjoner från bulk legering7.
I närvaro av befuktad luft genomgår CR2O3 betydande kemisk omvandling som leder till hydratiserad krom ång artbildning vid SOFC driftstemperaturer. Den gasformiga krom ångan transporteras sedan genom luftströmmen in i katoden som leder till yt-och gränssnitts reaktioner med katodmaterialen. Sådan katod erfarenheter både ohmsk och icke-ohmsk ökningar i polarisering och elektrisk prestandaförsämring. Detaljer om katoddegraderingsmekanismerna har illustrerats på annat håll8,9,10.
De State-of-the-art metoder för att minska eller eliminera ovanstående katoddegraderingsprocesser vanligen består av modifieringar av legeringskemi, applicering av ytbeläggning och användning av krom toleranta katoder11,12. Även om dessa tekniker har visat reduktion av katoddegraderingen på grund av CR-ånginteraktioner (nämligen CR-förgiftning) för kortsiktiga, långsiktiga effekt för prestanda stabilitet är fortfarande ett problem, främst på grund av sprickbildning och Spallation Source inom beläggning och korrespondenskurs av katjoner.
Vi har visat en ny metod för att mildra problemet med krom förgiftning genom att fånga den inkommande krom ånga innan den reagerar med katod material13. Getters har syntetiserats från låg kostnad alkaliska jordartsmetaller och övergång metalloxider med hjälp av konventionella keramiska bearbetningstekniker. Den kostnadsfördel av detta tillvägagångssätt är användning av icke-ädla och icke-strategiska material samt konventionella bearbetningsmetoder för att tillverka Getters för att mildra katoddegradering som härrör från luftburna föroreningar. Placeringen av getter kan skräddarsys för att fånga krom ånga som härrör från Bop komponenter eller det kan också skräddarsys för att placeras inom den elektrokemiskt aktiva stacken komponenter14,15. Här presenterar vi metoder för att validera krom Getters med transpiration och elektrokemiska tester. Experimentella inställningar och karaktärisering resultat kommer också att visas för att Visa getter effektivitet och mekanismerna för CR Capture på getter under typiska SOFC driftsförhållanden.
Protocol
Representative Results
Discussion
De experimentella resultaten visar tydligt effektiviteten av krom Getters under långvarig krom transpiration tester och elektrokemiska tester. Förekomst av Getters framgångsrikt lindrar kontaminering av elektroden som annars skulle leda till snabb ökning av polarisering motstånd och elektrokemisk prestandaförsämring.
Bildandet av gas fas krom arter från chromia gynnas och förbättras med en ökning av vattenånga koncentration (fuktighetsnivå)16. Vatteninnehå…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner ekonomiskt stöd från USA: s energidepartement (US DOE) under Federal Grant DE-FE-0023385. Teknisk diskussion med DRS. Rin Burke och Shailesh Vora (nationella energiteknik laboratoriet) är tacksamt erkänt. DRS. Amit Pandey (LG bränsleceller, Canton OH), Jeff Stevenson och Matt Chou (Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA) är erkända för deras hjälp med långtidstest validering av utförandet av Getters. Författarna erkänner University of Connecticut för att tillhandahålla laboratorie stöd. Dr Lichun Zhang och MS Chiying Liang är erkänd för teknisk diskussion och hjälp med experimenten.
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).
