Ontwikkeling en validering van chroom-getters voor Solid oxide brandstofcel vermogens systemen
Summary
Kathode vergiftiging door luchtverontreinigingen in sporen niveaus blijft een belangrijke zorg voor de lange termijn stabiliteit van hoge-temperatuur elektrochemische systemen. We bieden een nieuwe methode om de kathode degraderingen te verzachten met behulp van getters, die verontreinigingen in de lucht op hoge temperatuur vastleggen voordat ze elektrochemisch actieve stapel gebied binnenkomen.
Abstract
Degradatie van de kathode in vaste oxide brandstofcellen (SOFC) blijft een belangrijke zorg voor de langetermijnprestatie stabiliteit en operationele betrouwbaarheid. De aanwezigheid van de gasfase chroom soorten in lucht heeft aangetoond significante kathode prestatievermindering tijdens langdurige blootstelling als gevolg van ongewenste samengestelde vorming op de kathode en elektrolyten interface die de zuurstof reductie reactie vertragen ( ORR). We hebben een nieuwe methode getoond om de degradatie van de kathode te verzachten met behulp van chroom-getters die de gasfase chroom soorten vangen voordat het in de kathode kamer wordt ingenomen. Lage kosten getter materialen, gesynthetiseerd uit alkalische aarde en overgangsmetaal oxiden, zijn gecoat op het cordieriet honingraat substraat voor toepassing in de SOFC Power Systems. As-gefabriceerde getters zijn gescreend door Chromium-transpiratie tests voor 500 h in bevoficeerde lucht atmosfeer in aanwezigheid van chroom damp. Geselecteerde getters zijn verder gevalideerd met behulp van elektrochemische tests. Typisch, elektrochemische prestaties van SOFCs (lanthanum strontium manganite (LSM) ǁ yttria gestabiliseerd Zirkonia (YSZ) ǁ PT) werd gemeten bij 850 ° c in de aanwezigheid en afwezigheid van CR getter. Voor de 100 h-celtests met getters werd stabiele elektrochemische prestaties gehandhaafd, terwijl de celprestaties bij afwezigheid van CR-getters snel daalden in 10 uur. analyses van Nyquist-plots gaven een significante toename van de polarisatie weerstand binnen de eerste 10 h van de celwerking. Karakterisering resultaten van NAtest SOFCs en getters hebben aangetoond dat de hoge efficiëntie van chroom opname voor de beperking van de celdegradatie.
Introduction
Solid oxide fuel cell (SOFC)-energiesysteem, een direct elektrochemisch conversie hulpmiddel voor hoge temperaturen, biedt een milieuvriendelijk traject om elektriciteit te genereren uit een breed scala aan fossiele en hernieuwbare brandstoffen. SOFC-technologie vindt zijn toepassingen in gecentraliseerde en gedistribueerde energieopwekkings gebieden1. Deze technologie is gebaseerd op elektrochemische omzetting van chemische energie opgeslagen in de brandstoffen in elektriciteit. Talrijke voordelen worden aangeboden door SOFCs in termen van hoge energie-efficiëntie, hoge kwaliteit warmte, gemak van modulariteit, en geen of verwaarloosbare Carbon voetafdrukken2. Verschillende afzonderlijke SOFC-cellen zijn in serie-of parallelle mode (namelijk SOFC-stapels) aangesloten om de gewenste uitgangsspanning te verkrijgen. SOFC stacks bestaan uit componenten zoals dichte elektrolyt, poreuze elektroden, interconnectie (IC) en afdichtingen3,4. Anode en kathode van aangrenzende cellen zijn verbonden met behulp van IC, die niet alleen fungeert als een scheidingsteken om te voorkomen dat het mengen van oxidanten met brandstof, maar ook elektrische verbinding tussen de aangrenzende anode en kathode5.
Verbeteringen in de decennia van onderzoek en ontwikkeling in materiaal techniek hebben geleid tot reductie van de bedrijfstemperatuur voor SOFCs, waardoor vervangingen van keramische materialen met goedkope roestvrijstalen legeringen voor de fabricage van elektrochemisch actieve cel-en stack componenten en Balance-of-plant (BOP)-subsystemen. Commercieel verkrijgbare ferritische en austenitische roestvaststaal worden gebruikt voor de vervaardiging van systeemcomponenten als gevolg van hun lage kosten, overeenkomende coëfficiënt van thermische expansie (CTE) en weerstand tegen oxidatie en corrosie bij hoge bedrijfstemperaturen 6. vorming van CR2O3 type passiverende oxide schaal op het legerings oppervlak fungeert als een barrière laag tegen de innerlijke diffusie van zuurstof uit lucht of uitwendige diffusie van kationen uit bulk legering7.
In aanwezigheid van lucht bevochtigen ondergaat CR2O3 een significante chemische transformatie die leidt tot de vorming van gehydrateerde chroom damp soorten bij de bedrijfstemperaturen van SOFC. De gasvormige chroom damp wordt vervolgens door de luchtstroom in de kathode geleid die leidt tot oppervlakte-en interface reacties met de kathodematerialen. Deze kathode ervaart zowel a ohms-als niet-ohmische stijgingen van de polarisatie en de elektrische prestatie degradatie. De details van de kathode degradatie mechanismen zijn elders8,9,10geïllustreerd.
De State-of-the-art methoden om de bovengenoemde kathode afbraakprocessen te verminderen of te elimineren bestaan gewoonlijk uit modificaties van de legerings chemie, aanbrengen van oppervlaktecoating en het gebruik van chroom tolerante kathodes11,12. Hoewel deze technieken de vermindering van de kathode degradatie als gevolg van CR damp interacties (namelijk CR-vergiftiging) hebben aangetoond voor korte termijn, blijft de werkzaamheid op lange termijn voor prestatie stabiliteit een punt van zorg, voornamelijk als gevolg van barsten en spallatie binnen de coating en onderlinge diffusie van kationen.
We hebben een nieuwe methode gedemonstreerd om het probleem van de chroom vergiftiging te verzachten door de inkomende chroom damp te vangen voordat het reageert met de kathodematerialen13. De getters zijn gesynthetiseerd uit laaggeprijsde alkalische aarde en overgangsmetaal oxiden met behulp van conventionele keramische verwerkingstechnieken. Het kostenvoordeel van deze aanpak is het gebruik van niet-edele en niet-strategische materialen, evenals conventionele verwerkingsmethoden om getters te fabriceren voor de beperking van de afbraak van de kathode als gevolg van verontreinigingen in de lucht. De plaatsing van de getter kan worden aangepast om chroom damp te vangen die voortkomt uit bop-componenten of het kan ook worden aangepast om binnen de elektrochemisch actieve stack componenten14,15te worden geplaatst. Hier presenteren we methoden om de chroom-getters te valideren met behulp van transpiratie en elektrochemische tests. Experimentele opstelling en karakterisatie resultaten zullen ook worden aangetoond om de effectiviteit van de getter en de mechanismen van CR Capture op de getter onder typische SOFC-bedrijfsomstandigheden te tonen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De experimentele resultaten tonen duidelijk de effectiviteit aan van chroom-getters tijdens lange-termijn chroomtranspiratie tests en elektrochemische tests. De aanwezigheid van getters met succes vermindert de verontreiniging van de elektrode die anders zou leiden tot een snelle toename van de polarisatie weerstand en elektrochemische prestatie degradatie.
De vorming van gasfase chroom soorten van chromie wordt begunstigd en versterkt met een toename van de waterdamp concentratie (vochtigheid…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Auteurs erkennen financiële steun van het Amerikaanse ministerie van energie (US DOE) onder de Federal Grant DE-FE-0023385. Technische bespreking met drs. rin Burke en Shailesh Vora (nationaal energietechnologie laboratorium) wordt dankbaar erkend. Drs. Amit Pandey (LG brandstofcellen, Canton OH), Jeff Stevenson en Matt Chou (Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA) worden erkend voor hun hulp bij de lange termijn test validatie van de prestaties van de getters. Auteurs erkennen de Universiteit van Connecticut voor het bieden van laboratorium ondersteuning. Dr. Lichun Zhang en mevrouw Chiying Liang wordt erkend voor technische bespreking en hulp bij de 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 |
Riferimenti
- 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).
