Solid oksit yakıt hücresi güç sistemleri için Chromium Getterlerin geliştirilmesi ve doğrulanması
Summary
İzleme seviyelerinde havadan gelen kirleticilerin katot zehirlenmesi, yüksek sıcaklıklı elektrokimyasal sistemlerin uzun vadeli stabilitesi için önemli bir önem taşımaktadır. Elektrokimyasal olarak aktif yığın alanına girmeden önce hava kirleticileri yüksek sıcaklıkta yakalayan alıcı kullanarak katot degradasyonları hafifletmek için yeni bir yöntem sağlıyoruz.
Abstract
Katı oksit yakıt hücrelerinde katot bozulması (SOFC) uzun vadeli performans stabilitesi ve operasyonel güvenilirlik için önemli bir önem taşımaktadır. Hava gaz faz krom türlerinin varlığı, oksijen azaltma reaksiyonu geciktiren katot ve elektrolit arayüzünde istenmeyen bileşik oluşumu nedeniyle uzun süreli maruz kalma sırasında önemli katot performans bozulması göstermiştir ( ORR). Biz, katot odasında yutulur önce gaz faz krom türlerini yakalamak krom alıcı kullanarak katot bozulması azaltmak için bir roman yöntemi göstermiştir. Alkalin toprak ve geçiş metal oksitlerden sentezlenen düşük maliyetli alıcı malzemeleri, SOFC güç sistemlerinde uygulama için cordierit petek substrat üzerine kaplıdır. As-fabrikasyon alıcılar krom buharı varlığında nemlendirilmiş hava atmosferinde 500 h için krom transpirasyonu testleri ile ekranlaştırılmış edilmiştir. Seçilen alıcı daha fazla elektrokimyasal testler kullanılarak doğrulandı. Genellikle, sofcs (Lanthanum Stronsiyum manganit (LSM) ǁ yitriya stabilize zirkon (YSZ) ǁ PT) elektrokimyasal performansı, CR getter varlığı ve yokluğunda 850 °c ‘ de ölçülmüştür. 100 h hücre testleri için alıcı içeren, istikrarlı elektrokimyasal performans korunur, CR alıcı yokluğunda hücre performansı hızla azaldı ise 10 h. Nyquist arazilerin analizleri kutuplaşma önemli bir artış göstermiştir hücre operasyonun ilk 10 h içinde direnç. Sontest sofcs ve alıcı karakterizasyonu sonuçları hücre bozulmasının azaltılması için krom yakalama yüksek verimlilik göstermiştir.
Introduction
Katı oksit yakıt hücresi (SOFC) güç sistemi, yüksek sıcaklık doğrudan elektrokimyasal enerji dönüşüm cihazı, fosil ve yenilenebilir yakıtların çok çeşitli elektrik üretmek için çevre dostu bir yol sunuyor. SOFC teknolojisi, uygulamaları merkezi ve Dağıtılmış güç oluşturma alanları1‘ de bulur. Bu teknoloji elektriğe yakıtlarda saklanan kimyasal enerjinin elektrokimyasal dönüşümüne dayanır. Yüksek enerji verimliliği, yüksek kaliteli ısı, modülerlik kolaylığı ve Hayır veya ihmal edilebilir karbon ayak izleri2‘ de sofcs tarafından sayısız avantaj sunulmaktadır. İstenilen çıkış gerilimi elde etmek için birkaç ayrı SOFC hücresi seri veya paralel moda (yani SOFC yığınları) bağlanır. SOFC yığınları yoğun elektrolit, gözenekli elektrotlar, arabağlantı (IC) ve Seals3,4gibi bileşenlerden oluşur. Bitişik hücrelerin anot ve katot, sadece yakıt ile oksidan karıştırma önlemek için bir ayırıcı olarak hizmet değil, aynı zamanda bitişik anot ve katot5arasında elektrik BAĞLANTıSı sağlar IC kullanarak bağlanır.
Malzeme mühendisliğinde onlarca yıl süren araştırma ve geliştirme gelişmeleri, SOFCs için çalışma sıcaklığındaki azalmaya yol açmıştır, seramik materyallerin üretim için ucuz paslanmaz çelik alaşımlarla değiştirilmesi sağlar Elektrokimyasal olarak aktif hücre ve yığın bileşenleri ve denge-of-Plant (BOP) alt sistemleri. Ticari olarak kullanılabilen ferritik ve Östenitik paslanmaz çelikler, düşük maliyetli, uyumlu termal genleşme katsayısı (CTE) ve yüksek çalışma sıcaklıklarında oksidasyona ve korozyona karşı direnç nedeniyle sistem bileşenlerinin imalatı için kullanılmaktadır. 6. CR2O3 türü oluşumu alaşım yüzeyi üzerindeki oksit ölçeği pasivating hava veya toplu alaşım7gelen özellikler dışa difüzyon oksijen içe difüzyon karşı bir bariyer tabakası olarak davranır.
Nemlendirilmiş havanın varlığında, CR2O3 , yumuşak çalışma sıcaklıklarında nemlendirilmiş krom buharı türü oluşumuna yol açan önemli kimyasal dönüşümden geçer. Gazlı krom buharı daha sonra hava akışı ile yüzey ve arayüz reaksiyonları katot malzemeleri ile önde gelen katot içine taşınır. Bu tür katot, kutuplaşma ve elektriksel performans bozulmasının hem ohm hem de ohm dışı artışları ile karşılaşır. Katot bozulma mekanizmalarının detayları başka yerde8,9,10olarak gösterilmiştir.
Yukarıdaki katot bozulma süreçlerini azaltmak veya ortadan kaldırmak için son teknoloji yöntemler genellikle alaşım kimyası, yüzey kaplama uygulaması ve Chromium toleranslı katotlar11,12kullanımını içerir. Bu teknikler, CR buharı etkileşimleri (yani CR zehirlenmesi) nedeniyle, performans istikrarı için uzun vadeli etkinliği için katot bozulması azalma göstermiştir olsa da, özellikle içinde çatlama ve spallation nedeniyle bir endişe kalır kaplama ve cations interdiffusion.
Krom zehirlenmesi sorununu azaltmak için yeni bir yöntem gösterdik, çünkü gelen krom buharı, katot malzemeleri13ile tepki vermeden önce yakalanır. Alıcı, geleneksel seramik işleme tekniklerini kullanarak düşük maliyetli alkalin toprak ve geçiş metal oksitlerden sentezlenmiş. Bu yaklaşımın maliyet avantajı, havasız ve stratejik olmayan malzemelerin yanı sıra hava kirleticilerin kaynaklanan katot bozulmasının azaltılması için alıcı üretebilmek için geleneksel işleme yöntemlerinin kullanımı. Alıcı yerleştirme bop bileşenlerinden kaynaklanan krom buharı yakalamak için uyarlanmış olabilir veya aynı zamanda elektrochemically aktif yığın bileşenleri içinde yerleştirilmesi için uyarlanmış olabilir14,15. Burada, transpirasyon ve elektrokimyasal testleri kullanarak krom alıcı doğrulamak için yöntemler sunuyoruz. Deneysel kurulum ve karakterizasyon sonuçları da alıcı etkinliğini ve tipik SOFC çalışma koşullarında alıcı üzerinde CR yakalama mekanizmaları göstermek için gösterilecektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deneysel sonuçlar, uzun süreli krom transpirasyon testleri ve elektrokimyasal testler sırasında krom alıcı etkinliğini açıkça göstermektedir. Alıcı varlığı, aksi takdirde polarizasyon direnci ve elektrokimyasal performans düşüşüne hızlı bir artış yol açacak elektrot kontaminasyonunu başarıyla azaltır.
Kromandan gelen gaz faz krom türlerinin oluşumu, su buharı konsantrasyonu (nem seviyesi)16‘ nın artması ile tercih edilir ve geliştirilm…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Federal Grant DE-FE-0023385 altında ABD Enerji Bakanlığı (ABD DOE) mali destek kabul eder. DRS. Rin Burke ve hüseyin Vora (ulusal enerji teknolojisi Laboratuvarı) ile teknik tartışma minnetle kabul edilir. DRS. Amit Pandey (LG yakıt hücreleri, Kanton OH), Jeff Stevenson ve Matt Chou (Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı, Richland WA) alıcı performansının uzun vadeli test doğrulama ile yardım için kabul edilir. Yazarlar, Connecticut Üniversitesi ‘Nde laboratuar desteği sağlamak için kabul etmiştir. Dr. Lichun Zhang ve Bayan Chiying Liang teknik tartışma ve deneyler için yardım kabul edilir.
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).
