Fabrication and characterization of metal supports for metal-supported solid oxide fuel cells

Abstract

The pressing issue of anthropogenic climate change calls for new innovations in renewable energy technologies to further decrease the use of fossil fuels. Solid oxide cells, both fuel cells and electrolysis cells, are a technology that are efficiently able to utilize hydrogen to produce electricity in fuel cell mode and produce green hydrogen using electricity in electrolysis mode. Green hydrogen can be used in a lot of industries to decrease the amount of fossil fuels used. These include e.g. the fertilizer and steel industries. However, solid oxide cells are not commercialized at a large scale, the largest issue being the cost to fabricate them.

Metal-supported solid oxide fuel cells are a concept, where most of the expensive fuel cell materials are replaced by a cheap stainless steel material. This lowers the cost of the materials, and provides other benefits such as good electric conduction and thermal properties. The metal also comes with some drawbacks, such as corrosion and chromium diffusion. Further research into this topic might solve these issues, resulting in a cheap and effective metal-supported solid oxide fuel cell.

In this thesis, a metal support made out of a super-duplex stainless steel is fabricated and characterized. The supports were fabricated using differing sintering profiles, where both the temperature and time of sintering were changed. The compatibility to fuel cell materials, electric resistance, porosity and mechanical strength of the supports were measured to determine the viability of the metal for use in metal-supported solid oxide fuel cells. Scanning electron microscopy was then used to further understand how the microstructure of the supports change based on the sintering profiles. The best support was sintered at 900 °C for 2 h with an area-specific resistance of 1 Ωcm2 flexural strength of 6 MPa and porosity of 55 %.

Den påträngande frågan om antropogen klimatförändring kräver nya innovationer inom förnybara energiteknologier för att ytterligare minska användningen av fossila bränslen. Keramiska celler, både bränsleceller och elektrolysceller, är en teknologi som effektivt kan använda väte för att producera elektricitet (bränsleceller) och producera grön väte med hjälp av elektricitet (elektrolys). Grönt väte kan användas inom många industrier för att minska användningen av fossila bränslen, inklusive exempelvis gödningsmedelsoch stålindustrin. Keramiska celler är inte kommersialiserade i stor skala. Den största utmaningen är kostnaden för att tillverka dem.

Metallstödda keramiska bränsleceller är ett koncept där största delen av de dyra bränslecellsmaterialen ersätts av ett billigt rostfritt stålmaterial. Detta sänker materialkostnaderna och ger andra fördelar såsom bra elektrisk ledningsförmåga och termiska egenskaper. Metallen har dock vissa nackdelar, såsom korrosion och kromdiffusion. Ytterligare forskning inom detta ämne kan lösa dessa problem och resultera i en billig och effektiv metallstödd keramisk bränslecell.

I denna avhandling tillverkas och karakteriseras en metallstöd gjord av superduplex rostfritt stål. Stöden tillverkas med många olika sintringsprofiler, där både temperaturen och tiden varierar. Stöden var sintrade i vanlig luft-atmosfär istället för en reduserande atmosfär, vilket utsätter stöden för oxidation. Stöden är sedan jämförda via karakterisering. Kompatibiliteten med bränslecellsmaterial, elektrisk resistans, porositet och mekanisk styrka hos stöden mättes för att avgöra metalls lämplighet för användning i metallstödda keramiska bränsleceller. Elektronmikroskopi användes för att ytterligare förstå hur mikrostrukturen ändrar med sintringsprofilen. Det bästa stödet sintrades vid 900 °C i 2 timmar, vilket resulterade i områdesspecifikt resistens på 1 Ωcm2, böjningsstyrka på 6 MPa och porositet på 55 %.

På basis av detta arbete kan flera saker forskas i framtiden. En viktig sak som inte forskas i detta arbete är stödens motstånd mot oxidation. Hela metallstödda keramiska celler borde också tillverkas och karatkeriseras, för att bevisa att effektiva keramiska celler kan tillverkas med metallstöd.