Evaluation of ferritic steels for use as interconnects and porous metal supports in IT-SOFCs

Antepara, Íñigo; Villarreal, I.; Rodrı́guez-Martı́nez, Lide M.; Lecanda, N.; Castro, Ubirajara Domingos de; Laresgoiti, Ander

doi:10.1016/j.jpowsour.2005.02.084

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“…De estos, los aceros inoxidables ferríticos, son los candidatos más prometedores para aplicarse como interconector en una SOFC, debido a su microestructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC), lo cual hace que el TEC adquiera mayor compatibilidad con los demás componentes de la celda SOFC. Además, los métodos de procesamiento de este tipo de aleación, son bastante simples 17,18,19 . Sin embargo, pudiera ser imperceptible el efecto de las impurezas de Al y Si en el sustrato, en el desempeño del interconector, especialmente del silicio, lo que podría formar una capa continua entre el sustrato y la capa protectora.…”

Section: Aleaciones Base Fe-crunclassified

Avances en el desarrollo de interconectores metálicos de celdas SOFC

Alvarado-Flores¹

2013

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr.

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INTRODUCCIÓNLas celdas de combustible son dispositivos de conversión de energía que producen electricidad de forma directa a partir de un combustible gaseoso por combinación electroquímica del combustible con un oxidante. La tecnología de las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), se ha convertido en un método cada vez más atractivo para la generación de energía, debido a sus bajas emisiones, flexibilidad en el combustible y alta eficiencia en comparación con los sistemas tradicionales de conversión de energía. Las principales aplicaciones de las celdas SOFC son: sistema estacionario de generación de energía, servir como unidad de potencia auxiliar (APU) y aplicaciones militares. La alta temperatura de funcionamiento en este tipo de celda, comparada a otros tipos de celdas de combustible (PEM, AFC, PAFC), las hace ideales para aplicarse en ciclos combinados SOFC/turbina de gas (GT), y así obtener una eficiencia entre 70-80 % 1 . El mecanismo fundamental del funcionamiento en una celda SOFC, es la oxidación de hidrógeno y otros combustibles en el ánodo, y la reducción de oxígeno en el cátodo, para crear una diferencia de potencial entre los dos electrodos. En función del combustible empleado, los productos de reacción pueden ser agua y CO 2 . La energía química se libera tanto en energía eléctrica, como en forma de calor a causa de las polarizaciones y pérdidas óhmicas 2 . Una celda SOFC, está compuesta de un electrolito, un ánodo y un cátodo. El electrolito, es un sólido cerámico no poroso, generalmente de ZrO 2 estabilizada con Y 2 O 3 (YSZ). La celda SOFC, opera a una temperatura entre 600 y1000 ºC, donde el electrolito cerámico es un conductor de iones de oxígeno, O 2-, pero no un conductor de electrones. La alta temperatura de operación, presenta algunas ventajas como minimizar las pérdidas de polarización y tolerancia del catalizador al envenenamiento por las impurezas en el combustible 3,4 . Generalmente, el ánodo está fabricado del cermet níquel-circona estabilizada con itria (Ni-YSZ) y el cátodo es un conductor electrónico tipo perovskita de Sr dopado con el cermet LaMnO 3 (LSM), además de otros materiales con estructura perovskita. EL INTERCONECTOR EN UNA CELDA SOFCIndividualmente, una celda SOFC, puede producir un voltaje o potencial alrededor de 1 V en circuito abierto El interés en las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), se deriva de su alta eficiencia y la capacidad de tener un bajo nivel de emisiones contaminantes, en comparación con los métodos tradicionales de producción de energía. Los interconectores, son parte crítica del ordenamiento de una celda SOFC, debido a que conecta en serie las celdas y además, separa el aire u oxígeno (cátodo) del combustible (ánodo). Por lo tanto, los requisitos del interconector son muy exigentes, por ejemplo, es necesario mantener conductividad eléctrica elevada, óptima estabilidad tanto en atmósferas reductoras como oxidantes y el coeficiente de expansión térmica (TEC), debe ser compatible con los otros componentes cerámicos de la celda SOFC. Est...

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Section: Aleaciones Base Fe-crunclassified

Avances en el desarrollo de interconectores metálicos de celdas SOFC

Alvarado-Flores¹

2013

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr.

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“…(1) The maximum fuel cell temperature must always be less than 1073 K, so metal interconnects can be used [13]. (2) The temperature difference between the cathode inlet temperature and the fuel cell electrolyte temperature must be less than 200 K. To avoid thermal stresses in the fuel cell, this temperature difference must be minimized.…”

Section: System Configurationmentioning

confidence: 99%

Control Design for a Bottoming Solid Oxide Fuel Cell Gas Turbine Hybrid System

Mueller

Jabbari

Brouwer

et al. 2006

Journal of Fuel Cell Science and Technology

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A bottoming 275 kilowatt planar solid oxide fuel cell (SOFC) gas turbine (GT) hybrid system control approach has been conceptualized and designed.Based on previously published modeling techniques, a dynamic model is developed that captures the physics sufficient for dynamic simulation of all processes that affect the system with time scales greater than ten milliseconds. The dynamic model was used to make system design improvements to enable the system to operate dynamically over a wide range of power output (15 to 100% power). The wide range of operation was possible by burning supplementary fuel in the combustor and operating the turbine at variable speed for improved thermal management.The dynamic model was employed to design a control strategy for the system. Analyses of the relative gain array (RGA) of the system at several operating points gave insight into input/output (I/O) pairing for decentralized control. Particularly, the analyses indicate that for SOFC/GT hybrid plants that use voltage as a controlled variable it is beneficial to control system power by manipulating fuel cell current and to control fuel cell voltage by manipulating the anode fuel flowrate. To control the stack temperature during transient load changes, a cascade control structure is employed in which a fast inner loop that maintains the GT shaft speed receives its setpoint from a slower outer loop that maintains the stack temperature. Fuel can be added to the combustor to maintain the turbine inlet temperature for the lower operating power conditions. To maintain fuel utilization and to prevent fuel starvation in the fuel cell, fuel is supplied to the fuel cell proportionally to the stack current. In addition, voltage is used as an indicator of varying fuel concentrations allowing the fuel flow to be adjusted accordingly. Using voltage as a sensor is shown to be a potential solution to making SOFC systems robust to varying fuel compositions.The simulation tool proved effective for fuel cell/GT hybrid system control system development. The resulting SOFC/GT system control approach is shown to have transient load-following capability over a wide range of power, ambient temperature, and fuel concentration variations.

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“…Metallic interconnect materials, that are usually based on heat-resistant ferritic steels (FSS), need to meet a number of requirements that are either technical or physicochemical in nature, such as: high electrical and negligible ionic conductivity, high thermal conductivity, chemical stability in both oxidizing and reducing environments, a value of thermal expansion coefficient (CTE) that matches to adjacent components, good mechanical properties, low cost and ease of production, resistance to wear and thermal shocks [2][3][4].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Microstructure And Mechanical Properties Of Crofer 22 APU Ferritic Stainless Steel

Stygar

Durda

2015

Archives of Metallurgy and Materials

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The objective of this work was to expand the knowledge on mechanical properties of the oxidized Crofer 22 APU Ferritic Stainless Steel. To examine adhesion of oxide scale formed on steel the scratch test was performed. Scratch test as an appropriate method for qualitative evaluation of the film adhesion to substrate has been used in many studies. Scratch properties were investigated before and after oxidation at 800• C for 500 hours in laboratory air. Keywords: SOFC, Crofer 22 APU, scratch test, high temperature oxidation Celem niniejszej pracy było poszerzenie wiedzy o mechanicznych właściwościach ferrytycznej stali Crofer 22 APU po procesie wysokotemperaturowego utleniania. Pomiary właściwości mechanicznych utworzonej warstwy tlenkowej wykonano metodą zarysowania -scratch testu. Test zarysowania jast najpopularniejszą metodą badania wytrzymałości połączenia powłoki z podłożem. Badania prowadzono na materiale w stanie wyjściowym oraz po utlenianiu przez 500 godzin w temperaturze 800• C -typowych warunkach pracy ogniwa paliwowego typu SOFC.

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Evaluation of ferritic steels for use as interconnects and porous metal supports in IT-SOFCs

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Avances en el desarrollo de interconectores metálicos de celdas SOFC

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Microstructure And Mechanical Properties Of Crofer 22 APU Ferritic Stainless Steel

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