Improving sealing, electrical contacts, and corrosion resistance in solid oxide fuel cell stacks

Abstract

In solid oxide fuel cell systems, the stack is the primary component whose performance and lifetime should be maximized while decreasing the cost. In this thesis, leakages, electrical contact resistance, and corrosion resistance in SOFC stacks were studied and developed. Typically, SOFC stacks are assembled at room temperature, then heated up and conditioned, and then operated at temperatures in the range of 600...900 °C. Therefore, the mechanical properties of seals should be understood from room temperature to operating temperature. Of special interest are the mechanical properties of materials during the first heat up, in which the stack is sealed, reduced, and tested. Mechanical properties of glass and compressible sealing materials were studied with different heat-up procedures. It was noticed that with compressible Thermiculite 866 or CL87 materials, the compressibility is diminished after the first heat up, and therefore it is beneficial to apply compression before heating, to obtain maximum deformation capability of the seal. The progress in manufacturing SOFC cells is leading to an increase in cell area. From the perspective of compressible seals, the increase in cell area presents a challenge: the higher the cell area, the higher the required compressive force for the stack. For this purpose, a hybrid sealing material capable of maintaining leak rates below 1% of the inlet fuel flow below 1 MPa of compressive stress was developed. The material consists of a compressible core of Thermiculite 866, a commercial material consisting of vermiculite and steatite, and a conformable glass-based interlayer. The interlayers seal the mating surfaces, thus diminishing the leakages through the interfaces. Using the coating technique, leak rates were diminished by 60...90% compared to the uncoated seals. Post-mortem analyses of a stack also showed no signs of corrosion caused by the glass-coating. A high operating temperature and exposure to both reducing and oxidizing atmospheres is prone to cause corrosion of materials. One example of these corrosion-related deactivation mechanisms is chromium evaporation from interconnect steel materials. The evaporated chromium is transported in the gas phase to the electrochemically active cell, where it can solidify to chromium oxide, causing loss of performance. These phenomena can be mitigated with chromium barrier coatings on interconnect steels. A MnCo1.8Fe0.2O4 coating deposited by a high-velocity oxygen flame (HVOF) method was prepared and tested both with ex-situ and stack tests. The prepared coating showed good stability and low areaspecific resistivity, and was found to hinder chromium transport to the electrochemical cell.

Kiinteäoksidipolttokennojärjestelmän tärkein komponentti on kennosto, jonka suorituskyky ja elinikä pyritään maksimoimaan samalla kun kustannukset pyritään minimoimaan. Tässä väitöskirjassa tutkittiin ja kehitettiin kiinteäoksidipolttokennoston tiivisteitä sekä keskityttiin parantamaan kennoston sisäistä sähköistä kontaktia ja korroosiokestävyyttä. Kiinteäoksidipolttokennostojen kokoonpano tapahtuu huoneenlämpötilassa, minkä jälkeen ne lämmitetään ja esikäsitellään tyypillisesti 600...900 °C lämpötilaalueella. Tämän vuoksi tiivistemateriaalien mekaaniset ominaisuudet tulee tuntea koko lämpötila-alueella huoneenlämpötilasta käyttölämpötilaan saakka. Erityisen tarkastelun kohteena ovat mekaaniset ominaisuudet ensimmäisessä lämmityksessä, jonka aikana kennosto tiivistetään, pelkistetään ja testataan. Erilaisten puristus- ja lämmitystapojen vaikutusta tiivisteiden mekaanisiin ominaisuuksiin tutkittiin kokeellisesti. Testattujen kokoonpuristuvien tiivisteiden (Thermiculite 866 and CL87) kokoonpuristuvuuden havaittiin vähentyvän lämmityksen jälkeen. Näin ollen kennoston kannalta optimaalista on suorittaa kennoston ensimmäinen puristus huoneenlämpötilassa. SOFC-kennojen pinta-alan kasvu tuottaa haasteita kokoonpuristuville tiivisteille, koska pinta-alan kasvaessa kennoston puristamiseksi tarvitaan suurempi voima. Työssä kehitettiin hybriditiiviste, jolla voidaan saavuttaa alle 1% vuototaso suhteessa polttoainevirtaukseen pienilläkin, alle 1 MPa, puristuspaineilla. Kehitetty tiivisteratkaisu koostuu kokoonpuristuvasta Thermiculite 866 substraatista, joka pinnoitettiin lasia sisältävällä seoksella. Pinnoitetun tiivisteen vuototasojen mitattiin olevan 60...90% pienemmät suhteessa pinnoittamattomaan tiivisteeseen. Pinnoitteen ja virtauskanavalevyjen tai kennojen välillä ei myöskään havaittu tiivisteistä johtuvaa korroosiota. Kiinteäoksidipolttokennojen korkea käyttölämpötila ja kaksoiskaasukehä aiheuttavat helposti materiaalien välistä korroosiota. Ehkä merkittävin korroosioilmiö on kromin höyrystyminen virtauskanavalevyjen teräksistä ja kulkeutuminen sähkökemiallisesti aktiivisiin kennoihin, joihin kiteytyessään se vähentää suorituskykyä. Tämän ilmiön pienentämiseksi työssä valmistettiin MnCo1.8Fe0.2O4-pinnoitettuja virtauskanavalevyjä ja testattiin niitä sekä ex-situkokeilla että kennostossa. Pinnoitteen havaittiin ehkäisevän kromin höyrystymistä ja siten parantavan kennoston elinikää.