Badania struktury i właściwości fizykochemicznych spineli w układzie Cu-Mn-Co-O otrzymywanych metodą EDTA gel processes

• Autorzy: Kruk A. , Stygar M. , Adamczyk A. , Brylewski T.

Warianty tytułu

EN

Study of the structure and physicochemical properties of spinels obtained from the Cu-Mn-Co-O system using EDTA gel processes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Potencjalnymi materiałami do wytwarzania metalicznych interkonektorów dla średniotemperaturowych stałotlenkowych ogniw paliwowych IT-SOFC są żaroodporne stale ferrytyczne. Jednakże lotne związki chromu, parujące ze zgorzeliny tlenku chromu powstałej na powierzchni stali w wyniku procesu utleniania, powodują powolną degradację właściwości elektrycznych elementów ogniwa. Równocześnie produkt utleniania stali wykazuje duży opór elektryczny. W celu ograniczenia tych zjawisk stosuje się modyfikację powierzchniową metalicznego interkonektora, polegającą na naniesieniu odpowiedniej powłoki ochronnej. W tym celu mogą być stosowane spinele z grupy Mn1+xCo2-xO4 (0  x  0,5), gdyż stanowią efektywną barierę zaporową dla odrdzeniowej dyfuzji chromu z interkonektora i tym samym istotnie ograniczają tworzenie się lotnych par Cr. Konieczne jest jednak podwyższenie przewodnictwa elektrycznego tych spineli w zakresie 600-800 °C. Można to osiągnąć przez ich domieszkowanie odpowiednimi metalami. W pracy przestawiono wyniki badań fizykochemicznych spinelu manganowo kobaltowego domieszkowanego różną ilością miedzi.

EN

Materials that may potentially be used to manufacture metallic interconnects for intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) include heat-resistant ferritic steels. However, volatile chromium compounds that evaporate from the chromia scale formed on the surface of steel during oxidation cause slow degradation of the electrical properties of the cell’s elements. At the same time the product of the steel’s oxidation exhibits high electrical resistance and inhibits conductivity. In order to counter these unfavorable phenomena, the metallic interconnect is modified by depositing an appropriate protective layer over its surface. Materials that may be used to do this include spinels from the Mn1+xCo2-xO4 (0  x  0.5) group; these substances provide an effective barrier against outward chromium diffusion from the interconnect’s core, thereby significantly inhibiting the evolution of Cr vapour. Nevertheless, the electrical conductivity of these spinels over the temperature range of 600-800 °C needs to be improved. This can be done by doping them with the appropriate metals. The present paper describes the results of physicochemical investigations of a manganese-cobaltite doped with various quantities of copper.

Słowa kluczowe

PL

IT-SOFC; interkonektor metaliczny; stal ferrytyczna; powłoka ochronna; układ Cu-Mn-Co-O

EN

IT-SOFC; metallic interconnect; ferritic stainless steel; protective coating; Cu-Mn-Co-O system

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 65, nr 3
• Strony: 374--381
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz.

Twórcy

autor

Kruk A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Stygar M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Adamczyk A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Brylewski T.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] http://www.bp.com/en/global/corporate/about-bp/statistical-review-of-world-energy-2013.html.
• [2] Singhal, S. G., Kendall, K.: High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications, Elsevier, Kidlington Oxford, (2003).
• [3] Fergus, J. W.: Metallic interconnects for solid oxide fuel cells, Mater. Sci. Eng., A 397, (2005), 271-283.
• [4] Quadakkers, W. J., Piron-Abellan, J., Shemet, V., Singheiser, L.: Metallic interconnectors for solid oxide fuel cells - a review, Mater. High Temp., 20, (2003), 115-127.
• [5] Yang, Z., Weil, K. S., Paxton, D. M., Stevenson, J. W.: Selection and Evaluation of Heat-Resistant Alloys for SOFC Interconnect Applications, J. Electrochem. Soc., 150, (2003), A1188-A1201.
• [6] Brylewski, T., Nanko, M., Maruyama, T., Przybylski, K.: Application of Fe–16Cr ferritic alloy to interconnector for a solid oxide fuel cell, Solid State Ionics, 143, (2001), 131-140.
• [7] Hilpert, K., Das, D., Miller, M., Peck, D. H., Wei, R.: Chromium Vapor Species over Solid Oxide Fuel Cell Interconnect Materials and Their Potential for Degradation Processes, J. Electrochem. Soc., 143, (1996), 3642-3647.
• [8] Yang, Z., Xia, G., Stevenson, J. W.: Mn1.5Co1.5O4 Spinel Protection Layers on Ferritic Stainless Steels for SOFC Interconnect Applications, Electrochem. Solid State Lett., 8, (2005), A168-A170.
• [9] Yang, Z., Xia, G., Simner, S. P., Stevenson, J. W.: Thermal Growth and Performance of Manganese Cobaltite Spinel Protection Layers on Ferritic Stainless Steel SOFC Interconnects, J. Electrochem. Soc., 152, (2005), A1896-A1901.
• [10] Chen, X., Hou, P. Y., Jacobson, C. P., Visco, S. J., Jonghe, L. C. D.: Protective coating on stainless steel interconnect for SOFCs: oxidation kinetics and electrical properties, Solid State Ionics, 176, (2005), 425-433.
• [11] Yang, Z., Xia, G.-G., Li, H.-H., Stevenson, J.W.: (Mn,Co)3O4 spinel coatings on ferritic stainless steels for SOFC interconnect applications, Int. J. Hydrog. Energy, 32, (2007), 3648-3654.
• [12] Kruk, A., Brylewski, T., Adamczyk, A., Kucza, W., Przybylski, K.: Badania fizykochemiczne złożonych tlenków w układzie Mn-Co-O otrzymywanych metodami chemii mokrej, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 64, (2012), 120-130.
• [13] Brylewski, T., Kruk, A., Adamczyk, A., Kucza, W., Dąbek, J., Przybylski, K.: Ochronne układy warstwowe AL453/(Mn,Co)3O4 jako metaliczne interkonektory do ogniw paliwowych typu IT-SOFC, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 65, (2013), 20-27.
• [14] Bordeneuve, H., Tenailleau, C., Guillemet-Fritsch, S., Smith, R., Suard, E., Rousset, A.: Structural variations and cation distributions in Mn3−xCoxO4 (0 ≤ x ≤ 3) dense ceramics using neutron diffraction data, Solid State Sci., 12, (2010), 379-386.
• [15] Verwey, E. J. W.: Semiconducting Materials, Butterworths, Scientific Publications, London, (1951).
• [16] Xu, Y., Wen, Z., Wang, S., Wen, T.: Cu doped Mn-Co spinel protective coating on ferritic stainless steels for SOFC interconnect applications, Solid State Ionics, 192, (2011), 561-564.
• [17] Park, B.-K., Lee, J.-W., Lee, S.-B., Lim, T.-H., Park, S.-J., Park, Ch.-O., Song, R.-H.: Cu- and Ni-doped Mn1.5Co1.5O4 spinel coatings on metallic interconnects for solid oxide fuel cell, Int. J. Hydrog. Energy, 38, (2013), 12043-12050.
• [18] Legros, R., Metz, R., Rousset, A.: The preparation, characterization and electrical properties of electroceramics made of copper-cobalt manganite spinel: Mn2.6xCo0.4CuxO4, 0x1”, J. Eur. Ceram. Soc., 15, (1995), 463-468.
• [19] Baffier, N., Huber, M.: Etude par diffraction des rayons X et des neutrons des relations entre distribution cationique et distortion crystalline dans les ferro-manganites spinels xMn3O4+(1-x)Cu(Fe,Cr)O4, J. Eur. Ceram. Soc., 33, (1972), 737-747.
• [20] Jahn, H. A., Teller, E.: Stability of Polyatomic Molecules in Degenerate Electronic States. I. Orbital Degeneracy, Proc. Roy. Soc. (London), A 161 (1937), 220-235.
• [21] Azaroff, L. V.: Elements of X-ray crystallography, McGraw-Hill, New York, (1968).
• [22] Naka, S., Inagaki, M., Tanaka, T.: On the formation of solid solution in Co3−xMnxO4 system, J. Mater. Sci., 7, (1972), 441-444.
• [23] Aukrust, E., Muan, A.: Phase Relations in the System Cobalt Oxide-Manganese Oxide in Air, J. Am. Ceram. Soc., 46, (1963), 511.
• [24] Petric, A., Ling, H.: Electrical Conductivity and Thermal Expansion of Spinels at Elevated Temperatures, J. Am. Ceram. Soc., 90, (2007), 1515-1520.
• [25] Bordeneuve, H., Guillemet-Fritsch, S., Rousset, A., Schuurman, S., Poulain, V.: Structure and electrical properties of single-phase cobalt manganese oxide spinels Mn3−xCoxO4 sintered classically and by spark plasma sintering (SPS), J. Solid State Chem., 182, (2009), 396-401.
• [26] Bordeneuve, H., Rousset, A., Tenailleau, C., Guillemet-Fritsch, S.: Cation distribution in manganese cobaltite spinels Co3−xMnxO4 (0 ≤ x ≤1) determined by thermal analysis, J. Therm. Anal. Calorim., 101, (2010), 137-142.