New Materials for the Molten Carbonate Fuel Cell

Abstract: Smältkarbonatbränslecellen (MCFC) är en högtemperaturbränslecell för stationära applikationer. Den har samma höga totalverkningsgrad som konventionella kraftvärme-anläggningar, men kan byggas i mindre moduler (från 250 kWe). De små modulerna och den bränsleflexibilitet (naturgas, biogas, etanol, diesel) som MCFC har, gör den intressant för exempelvis industrier med organiska restprodukter och höga krav på tillförlitlighet. Den höga temperaturen och närvaron av en saltsmälta gör dock materialdegradering till en viktig faktor för forskning och utveckling inom området. För även om de fälttester som nyligen gjorts har visat på att vissa av degraderingsprocesserna är mindre allvarliga än förväntat, finns fortfarande ett behov av utveckling för att sänka kostnaderna och förlänga livstiden.I första delen av detta arbete undersöktes material för olika delar av cellen inom ramarna för EU-projektet IRMATECH. Materialen ansågs vara interessanta alternativ till de nuvarande materialen på grund av deras lägre kostnad och/eller bättre prestanda. Två alternativa anodströmtilledarmaterial undersöktes. För anodströmtilledaren är korrosionen och den elektriska resistansen av det eventuella oxidlagret nyckelparametrar. Dessa parametrar undersöktes och utvärderades. Fastän de båda alternativa materialen hade oxidlager med låg resistans, fanns indikationer på korrosionsprocesser som kan äventyra materialets långtidsstabilitet.För katodmaterialet, NiO, har upplösningen varit problemet. De upplösta nickeljonerna fälls ut i elektrolyten och bildar dendriter som kan kortsluta cellen. Därför undersöktes nickelupplösningen hos tre alternativa katodmaterial. Det mest lovande materialet, en nickeloxid-katod dopad med magnesium och järn testades i en singelcell för att studera elektrokemisk prestanda, morfologi och områden där nickelutfällning skett. Resultaten visade att prestandan var jämförbar med NiO, men att den mekaniska stabiliteten måste undersökas ytterligare.I ”wet-seal”-området är det rostfria stålet belagt med ett aluminiumskikt för att skydda det från den mycket korrosiva miljön. Tillverkningsprocesserna för dessa aluminiumbeläggningar har hittills varit dyra och komplexa. Därför utvärderades en alternativ tillverkningsprocess. Beläggningen, studerad i både reducerande och oxiderande miljö visade en tendens till att spricka och därmed exponera det underliggande rostfria stålet. Detta berodde troligtvis på en manuell beläggningsprocess som resulterade i ett inhomogent ytskikt.I den andra delen av arbetet föreslogs en alternativ tillverkningsmetod, baserad på nyligen publicerade resultat där man elektrodeponerat aluminium från jonvätskor. Dessa har ett större katodiskt fönster än vatten och möjliggör därför elektrodeponering av elektropositiva material. För att göra processen industrivänlig provades ett alternativ till den vanligen använda aluminiumtrikloriden. Det visade sig dock att påverkan av miljön på stabiliteten hos jonvätskan behövde undersökas innan några material kunde tillverkas. Vatten i kombination med syre visade sig ha en stor inverkan på den katodiska strömtätheten. I frånvaro av dessa komponenter var jonvätskan mycket stabil.