Desenvolvimento e validação de cromo getters para sistemas de energia de células de combustível de óxido sólido

O sistema de energia de célula de combustível de óxido sólido (SOFC), um dispositivo de conversão de energia eletroquímica direta de alta temperatura, oferece um caminho ambientalmente amigável para gerar eletricidade a partir de uma ampla variedade de combustíveis fósseis e renováveis. A tecnologia de SOFC encontra suas aplicações em áreas centralizadas assim como distribuídas da geração de energia¹. Esta tecnologia assenta na conversão eletroquímica da energia química armazenada nos combustíveis na eletricidade. Inúmeras vantagens são oferecidas por SOFCs em termos de alta eficiência energética, calor de alta qualidade, facilidade de modularidade, e não ou insignificante pegadas de carbono². Diversas pilhas individuais de SOFC são conectadas na forma da série ou da paralela (a saber pilhas de SOFC) para obter a tensão desejada da saída. As pilhas de SOFC consistem em componentes tais como o eletrólito denso, os elétrodos porosos, a interconexão (CI) e os selos^3,4. O ânodo e o cátodo de pilhas adjacentes são conectados usando o CI, que serve não somente como um separador para impedir toda a mistura do oxidante com combustível mas igualmente fornece a conexão elétrica entre o ânodo adjacente e o cátodo⁵.

Melhorias ao longo de décadas de pesquisa e desenvolvimento em engenharia de materiais levaram à redução da temperatura de operação para SOFCs, permitindo substituições de materiais cerâmicos com ligas de aço inoxidável de baixo custo para a fabricação de componentes de célula e pilha eletroquimicamente ativos e subsistemas de equilíbrio de planta (BOP). Aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos disponíveis comercialmente são utilizados para a fabricação de componentes do sistema devido ao seu baixo custo, coeficiente combinado de expansão térmica (CTE) e resistência à oxidação e corrosão em altas temperaturas de operação ⁶. Formation da escala do óxido de passivating do tipo₃ do CR₂na superfície da liga actua como uma camada da barreira de encontro à difusão interna do oxigênio do ar ou da difusão exterior dos cátions da liga de maioria⁷.

Na presença de ar humidificado, CR₂O₃ sofre transformação química significativa levando à formação de espécies de vapor de cromo hidratado em temperaturas de operação do SOFC. O vapor de cromo gasoso é posteriormente transportado através do fluxo de ar para o cátodos, levando a reações de superfície e interface com os materiais de cátodos. Tal cátão experimenta aumentos Ôhmico e não-Ôhmico no polarização e na degradação elétrica do desempenho. Detalhes dos mecanismos de degradação do cátodos foram ilustrados emoutros lugares^8,9,10.

Os métodos de ponta para reduzir ou eliminar os processos de degradação de cátodos acima comumente consistem em modificações da química da liga, aplicação do revestimento superficial e uso de cátodos tolerantes ao cromo^11,12. Embora estas técnicas tenham demonstrado a redução da degradação do cátodos devido às interações do vapor do CR (a saber envenenamento do CR) para a eficácia a curto prazo, a longo prazo para a estabilidade do desempenho permanece uma preocupação, principalmente devido ao rachamento e ao espalação dentro do revestimento e interdifusão de cátions.

Nós demonstramos um método novo para mitigar o problema do envenenamento do cromo capturando o vapor de cromo entrante antes que reage com os materiais de cátodos¹³. Os getters foram sintetizados a partir de baixo custo de terra alcalina e óxidos metálicos de transição usando técnicas convencionais de processamento de cerâmica. A vantagem de custo desta abordagem é o uso de materiais não-nobres e não-estratégicos, bem como métodos de processamento convencionais para fabricar getters para a mitigação da degradação de cátodos decorrente de contaminantes aéreos. A colocação do getter pode ser costurada para capturar o vapor do cromo que levanta-se dos componentes do BOP ou pode igualmente ser costurado para ser coloc dentro dos componentes electroquimicamente ativos da pilha^14,15. Aqui, nós apresentamos métodos para validar os getters do cromo usando a transpiração e testes eletroquímica. Os resultados experimentais da instalação e da caracterização serão demonstrados igualmente para mostrar a eficácia do getter e os mecanismos da captação do CR no getter circunstâncias de funcionamento típicas de SOFC.