Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Utvikling og validering av Chromium getters for solid oksid brenselcelle kraft systemer

Published: May 26, 2019 doi: 10.3791/59623
Automatic Translation
1, 1, 1,2, 1
1Department of Materials Science and Engineering, University of Connecticut, 2Center for Clean Energy Engineering, University of Connecticut

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. syntese av krom Fang

  1. Syntetisere forløperen pulver ved hjelp av alkalisk jord og overgangen metalloksid salter via konvensjonell coprecipitation syntese rute som avbildet i figur 116.
    1. Forbered en lagerløsning med 50,33 g strontium nitrat SR (NO3)2 og 43,97 g av nikkel NITRAT heksa hydrat ni (no3)2. 6h2O for å forberede 2,4 M løsninger i 100 ml av de-ionisert vann.
    2. Bruk 9 mL 2,4 M SR (NO3)2 og tilsett med 7 ml 2,4 M oppløsning av ni (nr3)2. 6h2O, etterfulgt av omrøring av blandet oppløsning og oppvarming opp til 80 ° c.
    3. Tilsett 30 mL 5 M NH4oh å øke pH til 8,5 for nedbør, da, tørk løsningen i en tørr ovn og sikre at alt vannet fordamper til en blå voksaktig sammensatte er observert. Skyll pulveret i DI vann for å sikre at resterende ammonium nitrat fjernes ved filtrering. Til slutt tørker du pulveret ved 120 ° c for 2 timer.
      Merk: Dette vil produsere forløperen pulver for strontium nikkel oksid (SNO) Fang.
  2. Oppløse pulveret i vann for å forberede en slurry.
  3. Dypp kordieritt underlaget i slurry for DIP-belegg, etterfulgt av tørking i luft ved ~ 120 ° c i minst 2 timer med en rampe hastighet på 5 ° c.
  4. Calcinar underlaget i luft ved temperaturer på 650 ° c i 12 timer med en rampe hastighet på 5 ° c for å produsere SNO-Fang.

2. screening av krom Fang med CR transpirasjon test

  1. Sett opp eksperimentet etter illustrasjonen av figur 2a for validering av CR getters.
    1. Plasser 2 gram Sintered krom oksid pellet (1 200 ° c, 2 h) som en krom kilde i et kvarts rør.
      Merk: kvarts røret er spesielt utformet med en diffuser inne (vist i figur 2) for å hindre noen tilbake diffusjon av krom damp under drift. Dimensjonene av fabrikkert Fang kassetten samsvarer med innsiden diameter av kvarts røret. Fang kassetten plasseres mellom krom kilden og utløp albue (vist i figur 2).
    2. Flow trykkluft med en strømningshastighet på 300 SCCM gjennom en masse flow Controller (MFC). Bubble luften ved romtemperatur vann for å sikre at fuktigheten er 3% H2O. Denne fuktet luften passerer gjennom chromia pellets, fordamper krom damp og strømme gjennom Fang.
      Merk: chiller og kondensatoren er plassert ved utløpet av transpirasjon oppsett for å muliggjøre kondens av krom som inneholder damp som avleiringer ved utløpet albue (ved lav temperatur sone).
    3. Plasser ekstra vaske flasker før ventilasjon gassen ved utløpet for å sikre at fordampet krom er fanget.
    4. Etter å ha fullført oppsettet, rense røret med luft i minst 1 time for å sikre at det ikke er lekkasjer eller forurensninger.
    5. Start ovnen for å varme opp til ønsket temperatur (for eksempel 850 ° c i dette tilfellet) og hold den der for 500 h.
    6. Overvåk fargeendring av utløp albue og rekord for eventuelle misfarging på grunn av avsatt krom forbindelser.
    7. Senk ovnstemperaturen tilbake til romtemperatur (RT) etter ferdigstillelse av testen. Slå av luftstrømmen til ovnstemperaturen når RT.
    8. Fjern prøven for analyse og karakterisering etter test.
  2. Kvantitativ analyse av krom arter av Induktivt kombinert plasma masse spektroskopi (ICP-MS)
    Merk: ICP-MS prøve utarbeidelse av post CR transpirasjon test17.
    1. Vask avsatt krom fra glass albue, kondensator, vaske flasker og kvarts rør med 20% nitrogen syre å trekke ut krom etter gjennomfører transpirasjon test for 500 h.
    2. Pakk ut avsatt krom ved å oppløse den i 20% nitrogen syre (HNO3) for 12 h.
    3. Videre fjerne eventuelle uoppløste krom arter fra glassveggen ved oppløsning i alkalisk kalium kaliumpermanganat løsning ved oppvarming ved 80 ° c.
      Merk: Konverter alle delvise ureagerte CR3 + arter til CR6 + arter i dette trinnet.
    4. Analysere DI vann og nitrogen syre blank prøve av ICP-MS.
    5. Del hver prøve i tre deler for ICP-MS analyse og rapportere gjennomsnittlig verdi.

3. elektrokjemiske validering av krom-Fang ved hjelp av SOFC-celler med og uten Fang

  1. Celle fabrikasjon og in-operando elektrokjemiske testing av CR getters18,19
    1. Dikte SOFCs av skjermen utskrift LSM lim på overflaten av YSZ elektrolytt (Figur 3a).
    2. Sinter det brukte LSM-blekket ved 1 200 ° c for 2 t, oppvarmet med en rampe hastighet på 3 ° c/min.
    3. Bruk PT-elektroden som anode. Fest en PT på YSZ-platen (anode IDen) som referanse elektrode, og fest PT gasbind og PT-ledninger til YSZ-elektrolytt platen med PT-blekk, og deretter kurere SOFC ved 850 ° c for 2 timer ved en rampe hastighet på 3 ° c/min.
    4. Gjennomføre tre forskjellige eksperimenter ved hjelp av tre identiske SOFCs (nemlig Cell a, b og c) for å validere effekten av getters og demonstrere krom forgiftning uten en Fang.
      Merk: Pass på at du bruker de identiske testbetingelsene for å simulere nominelle SOFC driftsforhold på 850 ° c og opprettholde den anode luften (tørr) for alle testene ved 150 SCCM.
    5. Montering av Cell-a i røret reaktoren i fravær av krom kilde ved hjelp av lim for tetting. Varm opp ovnen med en rampe hastighet på 5 ° c/min opp til en beregnet temperatur (for eksempel: 850 ° c i denne studien). Deretter kan du strømme 3% H2O/luft (for eksempel 300-500 SCCM) til LSM bilderør.
    6. Mål elektrokjemiske ytelsen til SOFC ved hjelp av en flerkanals potentiostat9.
    7. Registrer celle strømmen hvert minutt med en skjevhet på 0,5 V påføres mellom bilderør og referanse elektroden.
    8. Utfør elektrokjemiske impedans spektroskopi (EIS) analyser mellom bilde-og referanse elektrode ved hjelp av tre elektrode modus i frekvensområdet 0,5 Hz til 200 KHz med 10 mV sinus amplitude med et intervall på 1 time. Etter en 100-timers test, kjøle ned ovnen til romtemperatur og ta Cell-a for karakterisering.
    9. Plasser 2 gram krom oksid (CR2O3) pellets (kilde til krom damp) i en porøs container ved konstant oppvarming sonen av aluminium rør. Montering av Cell-b i røret reaktoren ved hjelp av lim for tetting.  Varm opp ovnen med en rampe hastighet på 5 ° c/min opp til 850 ° c. Deretter flyte fuktet luft (for eksempel 300-500 SCCM) gjennom chromia pellets og sikre en konstant generering av krom damp arter9.
    10. Gjenta trinn 3.1.6-3.1.8. Etter en 100-timers test, kjøle ned ovnen til romtemperatur og ta Cell-b for karakterisering.
    11. Plasser 2 gram krom oksid (CR2O3) pellets (kilde til krom damp) i en porøs container ved konstant oppvarming sonen av aluminium rør. Plasser et krom-Fang over krom kilden. Montering Cell-c på toppen av røret reaktoren ved hjelp av lim for tetting. Varm opp ovnen med en rampe hastighet på 5 ° c/min opp til en konstruert temperatur (for eksempel: 850 ° c i denne studien). Deretter kan du strømme 3% H2O/luft (for eksempel 300-500 SCCM) til LSM bilderør.
    12. Gjenta trinn 3.1.6-3.1.8. Etter en 100-timers test, kjøle ned ovnen til romtemperatur og ta Cell-c for karakterisering.
  2. Posttest Fang morfologiske og kjemisk karakterisering
    Merk: posttest karakterisering er utført ved hjelp av skanning elektron mikroskopi kombinert med energi dispersive spektroskopi og skanning overføring elektron mikroskopi (STEM) kombinert med EDS analyser. Fokusert elektron og Ion-Beam teknologi (LØGN) har benyttet for utarbeidelse av nanoskala prøver.
    1. Analyser mikrostrukturen av celle komponenten ved oppsprekking etter elektrokjemiske testen.  Bruk SEM-instrument for morfologiske analyse. Sikre at både morfologier og kjemiske komposisjoner av LSM bilderør og LSM/YSZ grensesnitt analyseres13,14
      1. Før gjennomfører SEM analyse, forberede prøver av frese belegg av gull (au) filmer for å sikre at prøven overflaten er ledende (unngå kostnader på prøven overflaten). Belegget kammeret var under et vakuum (< 50 mm torr). Den anvendte strømmen var på 40 mA og belegget tiden var 1 min.
      2. Gjennomfør kvantitativ element fordeling ved hjelp av energi dispersive X-ray-spektroskopi (EDS) teknikk. Avstanden mellom prøven og det nedre Pol stykket i SEM-systemet ble satt til 10 mm. En spenning på 20 KV ble brukt for SEM og EDS analyse.
    2. Gjennomføre kjemiske, strukturelle og morfologiske analyser av krom Fang ved hjelp av SEM-EDS teknikk for å få krom fangst profil over Fang kanaler.
      1. Klargjør posttest med dissekere i halvparten ved hjelp av en kniv.
      2. Gjenta trinn 3.1.1.1 til pels ledende gull filmer på Fang flaten.
      3. Gjenta trinn-3.2.1.2. Sørg for at detaljerte EDS-analyser ble utført fra inntaket av Fang mot utløpet langs den sentrale kanalen som vist i figur 2b. Bruk vekt (WT.)% av total krom målt mot kanalen lengde for å plotte den krom profil.
    3. Gjennomføre grundige kjemiske, strukturelle og morfologiske analyser av Chromium Fang ved hjelp av løgn-Stem-EDS-teknikk17,20.
      1. Gjenta trinn 3.1.1.1 til pels ledende gull filmer på Fang flaten.
      2. Legg prøven i liten LØGN-STEM instrument, Velg regionen av interesse (ROI) for prøveutvinning, innskudd fire lag med PT å merke og beskytte prøven (et typisk område på 30 μm lengde × 15 μm bredde).
      3. Mill kanalene rundt over AVKASTNINGEN ved hjelp av LØGN bjelke til en "Bridge-lignende" stripe er igjen. Deretter gjør kiler på begge sider av stripen for å sikre at dybden er nok for din analyse (en typisk dybde er 10-20 μm).
      4. Monter til micromanipulator nålen og skjær LØGN prøven ved fresing ved hjelp av en ion bjelke med 15 nA strøm. Deretter løfter LØGN prøven fra bulk Fang prøven til liten LØGN-STEM Grid holderen, som er vinkelrett på elektron strålen. Etter at prøven berører rutenettet i riktig posisjon, er PT avsatt ved hjelp av en ion stråle strøm på 0,5 nA for å koble prøven til rutenettet.
      5. Gjør prøven tynnere ved hjelp av en liten LØGN strøm på ca 20 pA på 2 kV for å få en 50-60 nm prøve tykkelse. Endelig rensing av prøven utføres også ved hjelp av Argon-fresing ved en ekstra lav strøm (0,5 pA 1 kV).
      6. Utfør STEM-EDS-kartlegging av prøven på den ovennevnte Skanne overførings elektron mikroskopet ble operert ved 200 kV. En HAADF-avbildning (høy vinkel Ringformet mørkt felt) av det valgte området på Fang prøven ble innhentet og element kart av relevante elementer (for eksempel CR og SR) ble tatt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En CR transpirasjon eksperimentet er en screening test for valg av CR getters. CR transpirasjon oppsett ble benyttet for å validere ytelsen til krom Fang under SOFC driftsforhold. Eksperimenter ble utført i nærvær av en krom Fang operert ved 850 ° c i fuktet (3% H2O) air for 500 H. visuelle observasjoner under CR transpirasjon testene indikerte signifikant misfarging av utløps albuen under 500 H i fravær av Getter. Men å plassere en Fang ved siden av krom kilden viste ingen misfarging av uttaket albuen. Dette indikerte at Fang kan effektivt fange alle innkommende krom damp arter under nominelle SOFC driftsforhold. For å validere krom fangst og forstå gettering mekanismen, den posttest Fang ble dissekert og observert under SEM. detaljerte EDS-analyser ble også gjennomført for å måle Elemental fordelingen av krom (WT.%) langs den sentrale kanalen i (vist i figur 2b). EDS Elemental fordeling av krom viser at flertallet av CR (WT.%) er fanget i løpet av første 4000 μm av avstanden fra Fang innløpet. SEM-EDS data viser videre at midten og utløpet av Fang inneholder ingen eller ubetydelig krom under transpirasjon test.

Bevist CR getters har blitt benyttet for elektrokjemiske validering tester. Elektrokjemiske ytelse sammenligninger av de tre LSMǁYSZǁPt SOFCs under ulike eksperimentelle testforhold er vist i figur 3b. Den LSM katoder av de tre SOFCs ble eksponert for fuktet luft (3% H2O/luft) for å kontrollere CR damp eksponering til katoder. Den bilderør fra celle a ble eksponert for 3% H2O/Air uten Fang og ingen CR damp for 100 H. Resultatene viser stabil I-t kurve med en tilstedeværelse av Katodisk aktiveringsperiode (0-20 h). Celle b, eksponert for 3% H2O/luft med CR damp og ingen Fang, viser en rask nedgang i gjeldende i løpet av de første timene av testen. Dette indikerte krom forgiftning av cellen. For celle c i nærvær av en krom Fang og 3% H2O/luft på bilderør side med krom damp, den elektrokjemiske ytelsen til celle c viste en betydelig forbedring, som var svært nær den cellen en (ikke vist i tall).

Effekten av krom damp på bilderør degradering, også kjent som krom forgiftning, har blitt studert som vist i Figur 4. En representant Nyquist tomten er gitt for celle b (figur 4b), som ble utsatt for krom damp, men uten Fang. Den elektrokjemiske impedans av bilderør ble målt uavhengig av endringer som kan forekomme ved anode elektroden ved hjelp av en tre-elektrode modus. Når bilde av cellen b ble eksponert i krom damp, den semi-sirkler av Nyquist Spectra av bilderør strukket med tiden, noe som indikerer en økning av polarisering motstand med økning i eksponeringstid. Under 100-h testene, viste polarisering motstanden av bilderør i celle b en rask økning i løpet av første 20 h, etterfulgt av tregere endring i løpet av neste 40 h, og betydelig ingen endring etter 60 h. Den ikke-polarisering motstand (Rnp) av bilderør viste bare ubetydelige endringer. Over eksperimenter tyder på at krom damp hovedsakelig resulterte i en rask endring av RP som førte til bilderør degradering. Økningen i polarisering motstand av bilderør oppstår hovedsakelig på grunn av retardasjon av oksygen reduksjon reaksjon (ORR) på elektroden/elektrolytt grensesnittet. Å demonstrere dette, morfologiske karakterisering av brukket SOFC ble gjennomført og sammenlignet med morfologi på bilderør overflaten. Figur 4 (C1 og C2) viser SEM-MICROGRAPHS til LSM-overflater og LSM/YSZ-grensesnitt fra henholdsvis celle b. Den SEM-EDS analysen viser ~ 2,5 WT.% krom på bilderør overflaten mens 11,2 WT.% av krom ble observert ved elektrode/elektrolytt grensesnitt laget (tabell 1). Betydelig deponering av krom damp finner sted på bilderør-elektrolytt-grensesnitt, som hemmer ORR og forringer bilde resultatet med tiden.

Etter elektrokjemiske tester, var det krom Fang forberedt for mikrostrukturelle analyse. Den morfologi av avsatt krom på fiber støttes getters ble undersøkt av SEM-EDS (figur 5a). På lokaliserte områder nær luftinntaket, store partikler rike i CR (44,8 Atom%) og SR (54,3 Atom%) ble dannet på Fang fibrene. Det Fang fiber støtte fra midten av delen og utløp forblir fri for krom (ikke vist her).

For ytterligere å undersøke reaksjons prosessene for fangst av krom, var en posttest Fang fiber malt ved hjelp av LØGN teknikk (figur 5B). Figur 5c viser HAADF bilde av tverrsnitt av posttest Fang fiber av Stem. Fra elementær kartlegging har et overflatelag som inneholder SR og CR blitt observert som vist i figur 5D, e, som indikerer en stabil reaksjons produkt (SrCrO4) formasjon på overflaten av aluminiumoksid fiber. Nær overflaten av SrNiOx -belagt aluminiumoksid fiber, den ytre spredningen av SR fra SrNiOx belagt Fang materiale.

Figure 1
Figur 1. Prosedyrer for Fang syntese og fabrikasjon. Skjematisk illustrasjon av Fang kraft syntese og belegg metode ved hjelp av konvensjonell keramisk prosessering rute. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. Illustrasjon av CR transpirasjon test oppsett og testing resultater. (a) eksperimentell oppsett for å gjennomføre transpirasjon test under nominelle SOFC-forhold. (b) fordeling av krom (WT.%) profil langs Fang lengden fra innløp til utløp. Dette tallet er endret fra referanse [14] med en tillatelse. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. Elektrokjemiske validering av treff og testresultater. (a) skjematisk av LSMǁYSZǁPt SOFC, (b) i-t tomter i nærvær og fravær av Fang, og (c) i-t tomter i ulike bilderør luft strømningsrater. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4. Effekt av krom forgiftning på LSM bilderør overflate og LSM/YSZ grensesnitt. (a) illustrasjon av krom fordampning behandling i nærvær av O2 og H2O. (b) Nyquist tomten av SOFC utsatt for CR damp i 3% H2O luft. (c) 1. Overflate morfologi av LSM bilderør eksponert for CR damp, og 2. deponering av CR2O3 langs GRENSESNITTET av LSM og YSZ indikerer elektrode forgiftning. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5. Karakterisering resultater av posttest Fang av EDS og LØGN-TEM. (a) morfologi av avsatt CR damp på overflaten av Fang fiber lang med respektive Elemental fordeling. (b) tverrsnitt av en Fang prøve med avsatt CR ved hjelp av fokusert ion Beam (løgn) teknikk. (c) høy vinkel Ringformet mørkt felt IMAGING (HAADF) av Fang prøven utarbeidet av løgn teknikken (d, e) Elemental kart av løgn prøven viser tilstedeværelsen av CR og SR på Fang flaten. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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. Vanninnholdet i den Katodisk luften opprettholdes ved 3%, som er en fukting og metning i romtemperatur. En høy temperatur celle eksponerings betingelse på 850 ° c er valgt for å demonstrere effektiviteten av den tilberedte krom getters i denne studien.

For den rasjonelle utformingen av CR getters, er det første trinnet for å identifisere ulike krom arter tilstede i fuktig luft miljø. Termodynamisk beregninger indikerte signifikant forskjellig likevekt delvis press av krom damp arter i tørr og fuktet luft. CrO3 ble funnet som dominerende gassarter ved høye temperaturer i tørr luft, mens hydrert oksider som CrO2(Oh) og CrO2(Oh)2 ble identifisert som utbredt arter i fuktig luft ved forhøyede temperaturer15 . Blant alle de krom damp arter, forble delvis Trykk på CrO2(Oh)2 relativt høy gjennom hele temperaturområdet (figur 4a). Det bemerkes at senking av temperaturen ikke signifikant senke krom Damptrykk. Tilstedeværelsen av alkalisk oksid (SrO for eksempel) inneholder Fang, men har indikert betydelig reduksjon i likevekt krom Damptrykk på grunn av dannelsen av termodynamisk stabil sammensatte (SrCrO4)14. I denne studien, våre observasjoner tyder på at kordieritt støttet SNO Fang reagerer med krom damper å danne krystallinsk SrCrO4 og som også senker delvis trykk av CR damper vurderer reaksjonen (EQ. 1):

SrO (s) + CrO2(Oh)2 (g)→ SrCrO4 (s) + H2O (g) (1)

Under den langsiktige fangst test ved hjelp av transpirasjon metoden, misfarging av uttaket albuen ble ikke observert, noe som indikerer fravær av gass krom damp i den spennende luftstrømmen og dermed dannelsen av gulaktig innskudd ved lavere temperaturer på synlige stikkontakt albue området. De fleste CR damper ble erobret innen 5 mm innløps Fang (figur 2b). I kontrast, uttaket albuen viser betydelig misfarging etter 500 h krom transpirasjon test på grunn av deponering av krom arter i fravær av Fang. Den misfarging på utløpet kvarts røret er en visuell indikasjon på tilstedeværelsen av CR damp arter i gassfasen. Mer presist, CR fangst effektiviteten har blitt evaluert av ICP-MS analysemetoden. Etter å gjennomføre transpirasjon test for 100-500 h, avsatt krom fra glass albue, kondensator, vaske flasker og kvarts rør ble vasket for å trekke ut krom med et fast volum på 20% HNO3 acid (for eksempel 1 L). Den totale føflekker av CR arter utgitt per time, målt ved ICP-MS i ulike transpirasjon eksperimenter, sammenlignes for Fang optimalisering. I våre eksperimenter, Sintered CR2o3 pellets ble benyttet som en stabil krom kilde til krom damp for å minimere carryover av fine CR2o3 partikler.

Under Baseline elektrokjemiske eksperimentet utført i nærvær av krom uten en Fang, gasser krom arter flyte gjennom den porøse LSM-bilde er ytterligere redusert for å danne en CR2O3 Layer (figur 4a) på gassen/LSM bilde/YSZ trippel fase grenser og bilde/elektrolytt-grensesnitt under en skjevhet som vist i EQ. 2.

2CrO2(Oh)2 (g) + 6e- = CR2O3 (s) + 3O2- (ion) + 2h2O (g) (2)

Støkiometriske LSM forblir i stor grad ureagerte under hele SOFC drift spekter av krom damp arter9. Våre observasjoner tyder på at mindre mengder CR2O3 innskudd på LSM bilderør overflaten (figur 4C1) mens flertallet av CR2O3 innskudd på trippel fase grenser (TPB) blokkerer aktive nettsteder for ytterligere oksygen reduksjon, økning i polarisering motstand (figur 4b) og dårlig elektrokjemiske ytelse av cellen16.

De tre-elektrode elektrokjemiske celle design og test oppsett, benyttet i vår tidligere studier av LSM bilderør stabilitet i co2 og fuktet luft18,19, har vist seg å være en kraftig test kjøretøy og konfigurasjon for elektrokjemiske impedans målinger. En referanse elektrode tilsettes på anode IDen nær periferien av YSZ-elektrolytt ved hjelp av platina lim og wire. Denne PT-elektroden fungerer som en referanse for måling og styring av arbeids elektrode potensialet, uten strømtilførsel (ideelt tilfelle). Den stabile PT-elektroden er fortsatt fri for CR deponering på anode stedet.

Under elektrokjemiske eksperimenter i nærvær av krom med et Fang, Sintered og ren CR2O3 pellets benyttes som stabil CR kilde. På grunn av utnyttelsen av ren CR2O3 pellets i vår Fang validering tester, den resulterende konsentrasjonen av CR damp arter ventes å være mye høyere enn de som finnes i konvensjonelle brenselcelle stabler og systemer, der beskyttet belegg tilsettes for å redusere CR fordampning. Våre elektrokjemiske eksperimenter, derav, kan betraktes som akselerert tester. Pure LSM bilde er benyttet som bilderør, som er svært følsom for krom forgiftning å validere bilderør forgiftning og Fang mekanismer. Med en økning av luft strømningshastigheter fra 50 SCCM til 500 SCCM, som ligner på de reelle applikasjons forholdene, opprettholder LSMǁYSZǁPt SOFCs stabil elektrokjemiske ytelse som vist i figur 3c, noe som indikerer at CR-Fang fortsatt effektivt fanger CR damp ved relativt høye strømningsrater. I vårt kontinuerlige og fremtidige arbeid, er høy overflateareal getters og beregningsorientert Fluid dynamikk (CFD)-metoden utviklet for mer aktive og langvarige getters.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfattere har ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Singh, P., Minh, N. Q. Solid oxide fuel cells: Technology status. International Journal of Applied Ceramic Technology. 1, 5-15 (2005).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Piccardo, P., Amendola, R. SOFC ’ s Interconnects Materials Development. Aisofc. , 189-194 (2009).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Aphale, A. N., Liang, C., Hu, B., Singh, P. Solid Oxide Fuel Cells Lifetime and Reliability: Critical Challenges in Fuel Cells. Brandon, N. , Academic Press. 102-114 (2017).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Aphale, A., et al. Synthesis and stability of SrxNiyOz chromium getter for solid oxide fuel cells. Journal of the Electrochemical Society. 165, (2018).
  14. Aphale, A., Hu, B., Singh, P. Low-Cost Getters for Gaseous Chromium Removal in High-Temperature Electrochemical Systems. Jom. , 2-8 (2018).
  15. Heo, S. H., Hu, B., Aphale, A., Uddin, M. A., Singh, P. Low-temperature chromium poisoning of SOFC cathode. ECS Transactions. 78, (2017).
  16. Liang, C., et al. Mitigation of Chromium Assisted Degradation of LSM Cathode in SOFC. ECS Transactions. 75, 57-64 (2017).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).

Tags

Kjemi krom fordampning høy temperatur elektrokjemiske systemer solid oksid brenselcelle stabilitet bilde brytning krom fangst elektrokjemi
Utvikling og validering av Chromium getters for solid oksid brenselcelle kraft systemer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Aphale, A., Hong, J., Hu, B., Singh, … More

Aphale, A., Hong, J., Hu, B., Singh, P. Development and Validation of Chromium Getters for Solid Oxide Fuel Cell Power Systems. J. Vis. Exp. (147), e59623, doi:10.3791/59623 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter