Development of solid oxide fuel cell stack components and characterization methods

Abstract

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are a promising technology to reduce energy-related carbon dioxide emissions and combat climate change. Benefits include high efficiency, low emissions and flexibility in fuel choice. However, market penetration is delayed by higher cost levels compared to conventional energy production methods and further development is needed. This thesis focuses on selected development needs: protective coatings for metallic interconnects to migitigate chromium migration, hybrid compressible stack sealing materials, and characterization methods to replicate stack conditions. Stack characterization should be performed with methods that replicate the real operation conditions as closely as possible, including fuels and reforming conditions. A fuel feeder for a SOFC test station was constructed for pre-reforming of natural gas, with the aim of being a versatile research tool. The fuel feeder was able to operate with several reforming techniques and in a wide temperature and gas flow range. The outlet gas composition can be predicted by the outlet gas temperature. Other developed characterization tools include a measurement method to determine fuel utilization and temperature distributions in stacks in situ with electrochemical impedance spectroscopy. The method was demonstrated on a real stack and its results were in accordance with analysis based on cell voltage measurements. The characterization method could aid in validating stack design. Manganese-cobalt oxide coatings for metallic interconnects were developed and characterized with a novel measurement method that replicates the stack conditions. The developed method offers the same contacting materials, electrical contacts, chemical interactions and chromium migration mechanisms as in stacks. Additionally, the setup enables post-test analysis of chromium migration through the coating with the same sample. Mn-Co oxide coatings deposited with various techniques were evaluated with respect to area specific resistance (ASR), coating microstructure and chromimum retention. Coatings deposited with physical vapour deposition (PVD) showed lowest ASR and a high chromium retention. These could be applied as such in stacks. The best performing coatings were found to be dense and well adhered to the substrate. Hybrid seals with a compressible core and surface glass layers were developed and tested in stacks. The seal material showed lower leak rates at lower compressible stress than uncoated compressible seals. It was found that the leak rate through hybrid compressible seals depends mainly on gas composition instead of overpressure and is mostly diffusive by nature. Interactions between hybrid seals and stack components were studied in an in situ stack test. No significant material interactions were found and the developed material was considered to be suitable for SOFCs. The results have been commercialized by Flexitallic Ltd.

Kiinteäoksidipolttokennot (SOFC) ovat lupaava teknologia energiatuotannon hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä ja ilmastonmuutoksen torjumisessa. Sen etuja ovat korkea hyötysuhde, vähäiset päästöt ja monipuolisuus polttoainevalinnassa. Käyttöönottoa haittaa korkeampi hintataso perinteiseen energiantuotantoon verrattuna ja lisäkehitystä tarvitaan. Väitöskirja keskittyy valittuihin kehitystarpeisiin: metallisten virtauskanavalevyjen suojapinnoitteisiin kromihöyrystymisen vähentämiseksi, kokoonpuristuviin kennoston hybriditiivisteisiin ja todenmukaisia käyttöolosuhteita jäljitteleviin karakterisointimenetelmiin. Kennoston karakterisointi tulisi suorittaa menetelmillä, jotka jäljittelevät todellisia käyttöolosuhteita, mukaan lukien polttoaine ja sen esikäsittely. Työssä kehitettiin SOFC testiasemaan maakaasun esireformeri, tarkoituksena toimia monipuolisena tutkimusvälineenä. Esireformeri toimi eri reformointimenetelmillä ja laajalla lämpötila- ja kaasunvirtausalueella. Tuotekaasun koostumus voidaan määritellä ulostulolämpötilan perusteella. Toinen kehitetty karakterisointimenetelmä on sähkökemialliseen impedanssispektroskopiaan perustuva in situ mittausmenetelmä kennoston lämpötila- ja polttoaineen käyttöastejakauman määrittämiseen. Menetelmää käytettiin kennostokarakterisoinnissa ja tulokset olivat yhteensopivat kennojännitteiden perusteella tehdyn analyysin kanssa. Menetelmää voi käyttää apuna kennostorakenteiden tutkimuksessa. Työssä kehitettiin metallisten virtauskanavalevyjen mangaani-kobolttioksidisia suojapinnoitteita. Nämä karakterisoitiin uudenlaisella mittausmenetelmällä, joka jäljittelee kennosto-olosuhteita. Kehitetty menetelmä sisältää samat kontaktimateriaalit, sähköiset kontaktit, kemialliset reaktiot sekä kromin siirtymismekanismit kuin kennostossa. Lisäksi menetelmä mahdollistaa testin jälkeisen analyysin kromin kulkeutumisesta pinnoitteen läpi samaa näytettä hyödyntäen. Eri pinnoitusmenetelmillä tehtyjä Mn-Co-oksidipinnoitteita arvoitiin pinnoitteen pinta-alanormalisoidun resistanssin (ASR), mikrostruktuurin ja kromihöyrystymisen ehkäisykyvyn perusteella. Fysikaalisella kaasufaasipinnoituksella (PVD) tehdyillä pinnoitteilla oli alhaisin ASR ja nämä ehkäisivät kromihöyrystymistä. Pinnoitteet sopisivat sellaisenaan SOFC kennostoihin. Parhaiten toimivat pinnoitteet todettiin olevan tiheitä ja hyvin kiinnittyneitä substraattiin. Työssä kehitettiin ja testattiin hybriditiivisteitä, jotka koostuvat kokoonpuristuvasta ytimestä jonka pinnoilla on lasikerros. Tiivistemateriaalin vuototaso oli alhaisemmilla puristuspaineilla alempi kuin pinnoittamattomien kokoonpuristuvien tiivisteiden vuototaso. Hybriditiivisteissä vuototason todettiin olevan pääsääntöisesti kaasukompositiosta riippuva ylipaineen sijaan ja vuodon olevan diffuusiivista. Hybriditiivisteen ja kennostomateriaalien välistä vuorovaikutusta tutkittiin in situ kennostokokeella. Merkittäviä vuorovaikutuksia ei havaittu ja tiiviste todettiin sopivan SOFC käyttöön. Flexitallic Ltd on kaupallistanut tulokset.