Analysis of the microstructure and electrochemical properties of Cu-NiAl used for molten carbonate fuel cell
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Date
2024
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Abstract
Global population growth has influenced further technological and scientific challenges, where the exponential increase in electricity demand stands out. In this context, it is necessary to continue researching alternatives to conventional energy generation to reduce greenhouse emissions. Fuel Cell technology is promising for lowering and storing carbon dioxide emissions in this context. It is a backup system to avoid intermittent problems with wind, solar, or other technologies. Fuel cells correspond to an electrochemical device that converts the chemical energy of a fuel directly into electrical energy. Their main components are the electrodes (anode and cathode), electronically conductive, and electrolyte. In particular, molten carbonate fuel cells use hydrogen as fuel, highlighting their excellent power. However, the high working temperature, close to 650 °C, is a disadvantage due to the reduction of the component’s lifetime. Therefore, for a long-term operation, electrode corrosion behavior must be considered. This thesis aims to study Cu-Ni-Al alloys' microstructure and electrochemical behavior for molten carbonate fuel cells. The metal samples were manufactured using powder metallurgical techniques, such as hot pressing and additive manufacturing. The porosity was analyzed using the Archimedes method. The micro-macrostructure of the samples will be studied before and after exposure to Li2CO3-K2CO3 at 550 °C using surface analysis, such as optical microscopy, field emission scanning electron microscopy, and X-ray diffraction. Moreover, gravimetric measurements before and after exposure and electrochemical impedance spectroscopy at open circuit potential were used to analyze the corrosion of the anodes in an aerated and controlled environment.
El crecimiento explosivo de la población global estas últimas décadas ha aumento del requerimiento energético, por lo que es necesario desarrollar nuevas tecnologías que sean más eficientes con respecto a las energías convencionales pero que además permitan reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. En este contexto, las celdas combustibles representan a una de las tecnologías prometedoras que incluso pueden actuar como dispositivo de almacenaje o también como un sistema de respaldo para evitar problemas de intermitencias en sistemas eólicos o solares. Las celdas combustibles corresponden a un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de un combustible directamente en energía eléctrica. Sus componentes son los electrodos (ánodo y cátodo), que son conductores de electricidad y el electrolito que es conductor iónico. En particular, las celdas de carbonato fundido (MCFC) utilizan hidrógeno como combustible y carbonatos fundidos como electrolito, las que alcanzan mayores potencias que la gran mayoría de las celdas combustibles, operando a temperaturas cercanas a 650 °C. Por lo que, a largo plazo, la corrosión de los electrodos y materiales usados en estos sistemas podría disminuir la vida útil de los componentes debido a las elevadas temperaturas de operación. En esta tesis se planteó como objetivo general estudiar la microestructura y el comportamiento electroquímico de las nuevas aleaciones Cu-Ni-Al para ser empleada en celdas combustibles de carbonato fundido. Las aleaciones metálicas se fabricaron mediante metalurgia de polvos, tal como prensado en caliente y manufactura aditiva. La micro-macroestructura de las muestras se estudió antes y después de la exposición a los carbonatos fundidos (Li2CO3-K2CO3) a 550 °C a través de microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido de emisión de campo y difracción de rayos X. Además, se realizaron mediciones gravimétricas y espectroscopia de impedancia electroquímica en potencial de circuito abierto para analizar la corrosión de los electrodos en ambiente aireado y controlado.
El crecimiento explosivo de la población global estas últimas décadas ha aumento del requerimiento energético, por lo que es necesario desarrollar nuevas tecnologías que sean más eficientes con respecto a las energías convencionales pero que además permitan reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. En este contexto, las celdas combustibles representan a una de las tecnologías prometedoras que incluso pueden actuar como dispositivo de almacenaje o también como un sistema de respaldo para evitar problemas de intermitencias en sistemas eólicos o solares. Las celdas combustibles corresponden a un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de un combustible directamente en energía eléctrica. Sus componentes son los electrodos (ánodo y cátodo), que son conductores de electricidad y el electrolito que es conductor iónico. En particular, las celdas de carbonato fundido (MCFC) utilizan hidrógeno como combustible y carbonatos fundidos como electrolito, las que alcanzan mayores potencias que la gran mayoría de las celdas combustibles, operando a temperaturas cercanas a 650 °C. Por lo que, a largo plazo, la corrosión de los electrodos y materiales usados en estos sistemas podría disminuir la vida útil de los componentes debido a las elevadas temperaturas de operación. En esta tesis se planteó como objetivo general estudiar la microestructura y el comportamiento electroquímico de las nuevas aleaciones Cu-Ni-Al para ser empleada en celdas combustibles de carbonato fundido. Las aleaciones metálicas se fabricaron mediante metalurgia de polvos, tal como prensado en caliente y manufactura aditiva. La micro-macroestructura de las muestras se estudió antes y después de la exposición a los carbonatos fundidos (Li2CO3-K2CO3) a 550 °C a través de microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido de emisión de campo y difracción de rayos X. Además, se realizaron mediciones gravimétricas y espectroscopia de impedancia electroquímica en potencial de circuito abierto para analizar la corrosión de los electrodos en ambiente aireado y controlado.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2024
Keywords
Fuel Cell, Molten carbonates, Anode, Ni-based alloy, Nickel-aluminum bronze alloy, Cu–Ni–Al alloy, Additive manufacturing, Hot pressing, Corrosion, Electrochemical impedance, Microhardness, Celda combustible, Carbonatos fundidos, Ánodo, Aleaciones de Ni, Aleaciones de bronce al níquel y aluminio, Cu–Ni–Al, Manufactura aditiva, Metalurgia de polvos, Corrosión, Impedancia electroquímica, Micro-dureza