固体氧化物燃料电池动力系统的铬获取器的开发和验证
Summary
空气中污染物的阴极中毒仍然是高温电化学系统长期稳定性的一个主要问题。我们提供一种新方法,使用 getter 来缓解阴极退化,在进入电化学活性堆栈区域之前,在高温下捕获空气中的污染物。
Abstract
固体氧化物燃料电池 (SOFC) 中阴极的降解仍然是长期性能稳定性和运行可靠性的一个主要问题。空气中存在气相铬种,由于阴极和电解质界面上不需要的化合物形成,导致减氧反应((ORR)。我们已经演示了一种新方法,利用铬去拿器来缓解阴极降解,在阴极室中摄取气相铬品种之前捕获它。由碱性接地和过渡金属氧化物合成的低成本获得材料涂在软玉蜂窝基板上,用于 SOFC 电源系统。在含有铬蒸气的加湿空气环境中,铬蒸腾试验对制造物进行了500小时的筛选。通过电化学测试,已进一步验证了选定的 getter。通常,在存在和不存在铬时,在850°C下测量SOFC的电化学性能(锰石(LSM)和亚特里亚稳定氧化硅(YSZ)和Pt)。对于含有getter的100小时细胞测试,保持了稳定的电化学性能,而没有Cr getter的细胞性能在10小时内迅速下降。细胞操作的前 10 小时内的电阻。后测试SOFC和getter的表征结果证明了铬捕获的高效率,以减轻细胞降解。
Introduction
固体氧化物燃料电池 (SOFC) 动力系统是一种高温直接电化学能转换装置,为各种化石燃料和可再生燃料发电提供了环保途径。SOFC 技术在集中式和分布式发电领域 1 中应用。该技术依赖于将储存在燃料中的化学能电化学转化为电能。SOFC在高能效、高质量热量、易于模块化以及无或可忽略的碳足迹方面提供了许多优势。几个单独的 SOFC 电池以串联或并联方式连接(即 SOFC 堆栈),以获得所需的输出电压。SOFC 堆栈由致密电解质、多孔电极、互连 (IC) 和密封件3、4 等组件组成。相邻电池的阳极和阴极使用IC连接,IC不仅用作分离器,防止氧化剂与燃料的任何混合,而且还提供相邻阳极和阴极5之间的电气连接。
数十年来材料工程研发的改进,使SOFC的工作温度降低,使得用廉价的不锈钢合金替代陶瓷材料,从而制造电化学活性电池和堆栈组件和工厂平衡 (BOP) 子系统。商用铁氧体和奥田不锈钢用于制造系统部件,因为它们成本低,热膨胀系数 (CTE) 匹配,在高工作温度下耐氧化和耐腐蚀6.在合金表面形成Cr2O3型钝化氧化物秤,作为屏障层,防止氧气从空气中向内扩散或从散装合金7向外扩散。
在加湿空气的存在下,Cr2O3经历了显著的化学转化,导致在 SOFC 工作温度下形成水合铬蒸汽种类。气体铬蒸气随后通过气流进入阴极,导致与阴极材料的表面和界面反应。这种阴极在极化和电气性能下降时都会增加欧尼体和非欧数。阴极降解机制的细节已在其他地方说明8,9,10。
减少或消除上述阴极降解过程的最先进的方法通常包括合金化学的改性、表面涂层的应用以及铬耐量阴极的使用11、12。虽然这些技术已经证明减少阴极降解由于Cr蒸汽相互作用(即Cr中毒)的短期,长期疗效的性能稳定性仍然是一个问题,主要是由于开裂和剥落阳离子的涂层和相互扩散。
我们展示了一种新方法,在与阴极材料13发生反应之前捕获流入的铬蒸气,以缓解铬中毒问题。利用传统的陶瓷加工技术,从低成本碱性土和过渡金属氧化物中合成了获得物。这种方法的成本优势是使用非高贵和非战略材料以及传统的加工方法来制造获取物,以缓解空气中污染物引起的阴极降解。Getter 的位置可以定制,以捕获由 BOP 组件产生的铬蒸气,也可以定制,以放置在电化学活性堆栈组件14,15。在这里,我们介绍使用蒸腾和电化学测试验证铬获得器的方法。实验设置和表征结果还将展示在典型的SOFC操作条件下,在getter上获取者的有效性和机制。
Protocol
Representative Results
Discussion
实验结果在长期铬蒸腾试验和电化学试验中,清楚地证明了铬获得器的有效性。getter 的存在成功地减轻了电极的污染,否则会导致极化电阻迅速增加和电化学性能下降。
铬气相铬种的形成受到优异,水蒸气浓度(湿度)增加16.阴极空气中的含水量维持在3%,代表室温加湿和饱和度。本研究选取了850°C的高温细胞暴露条件,以证明制备的铬获得器的有效性。
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The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者感谢美国能源部(US DOE)在联邦拨款DE-FE-0023385下提供财政支持。感谢与林·伯克博士和谢莱什·沃拉博士(国家能源技术实验室)进行的技术讨论。阿米特·潘迪博士(LG燃料电池,广州OH),杰夫·史蒂文森和马特·周(太平洋西北国家实验室,里奇兰华盛顿州)因帮助长期测试验证获得者的性能而得到认可。作者感谢康涅狄格大学提供实验室支持。张立春博士和梁志英女士因技术讨论和实验帮助而得到认可。
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 |
Referencias
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