Fizykochemiczne właściwości układu warstwowego Fe-25Cr/(La,Ca)CrO3 w atmosferze powietrza i mieszanin gazów Ar/H2/H2O i Ar/CH4/H2O

• Autorzy: Brylewski T. , Bućko M.M. , Rakowska A. , Dąbek J. , Przybylski K.

Warianty tytułu

EN

Physicochemical properties of the Fe-25Cr/(La,Ca)CrO3 layer system in air and the mixtures OF Ar-H2-H2O and Ar-CH4-H2O gas

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań kinetyki utleniania i właściwości elektrycznych stali ferrytycznej Fe-25Cr z powłoką (La,Ca)CrO3 podczas jej utleniania w 1073 K w powietrzu i mieszaninach gazów Ar/H2/H2O i Ar/CH4/H2O. Badaniom poddano stal DIN 50049 z naniesioną pastą (La,Ca)CrO3 przy pomocy metody sitodruku. Do przygotowania pasty użyto mikroproszku La0,8Ca0,2CrO3, który otrzymano metodą współstrącania i kalcynacji. Kinetykę wzrostu zgorzeliny na stali czystej oraz pośredniej warstwy reakcyjnej na granicy rozdziału stal/powłoka układu warstwowego Fe-25Cr/(La,Ca)CrO3 w w/w warunkach można opisać w przybliżeniu prawem parabolicznym. Morfologię oraz skład chemiczny i fazowy produktów utleniania stali czystej i stali z powłoką (La,Ca)CrO3 badano przy pomocy SEM-EDS, TEM-SAD i XRD. Wpływ pośredniej warstwy reakcyjnej na właściwości elektryczne badanego układu stal/powłoka przedyskutowano w aspekcie jego przydatności do konstrukcji metalicznych interkonektorów dla ogniw paliwowych SOFC.

EN

The oxidation kinetics and electrical properties of the Fe-25Cr stainless steel coated in the (La,Ca)CrO3 thick film were studied during its oxidation at 1073 K in air and Ar/H2/H2O and Ar/CH4/H2O gas mixtures. The material for the experiments was the DIN 50049 steel covered with the (La,Ca)CrO3 paste, using the screen printing method. To prepare the paste, La0.8Ca0.2CrO3 micropowder was obtained via co-precipitation and calcination. The kinetic growth of the scale on pure steel and of the intermediate reactive layer at the steel/coating interface of the Fe-25Cr/(La,Ca)CrO3 layer system in the afore-mentioned conditions approximately follows the parabolic rate law. The morphology, and the chemical and phase compositions of the oxidation products of pure steel and the steel coated with (La,Ca)CrO3 were investigated using SEM-EDS, TEM-SAD and XRD analyses. The effect of the intermediate reactive layer on the electrical properties of the studied system is discussed in terms of its applicability for the construction of metallic interconnects used in SOFCs.

Słowa kluczowe

PL

stało-tlenkowe ogniwo paliwowe SOFC; interkonektor; żaroodporna stal ferrytyczna; powłoki ceramiczne; wysokotemperaturowa korozja

EN

solid oxide fuel cell (SOFC); interconnect; ferritic stainless steel; ceramic coatings; high-temperature corrosion

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 65, nr 1
• Strony: 8--19
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Brylewski T.

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

autor

Bućko M.M.

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

autor

Rakowska A.

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

autor

Dąbek J.

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

autor

Przybylski K.

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

Bibliografia

• [1] Minh, N.Q., Takahashi, T.: Science and Technology of Ceramic Fuel Cells, Elsevier, Amsterdam, (1995).
• [2] Singhal, S.G., Kendall, K.: High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications, Elsevier, Kidlington Oxford, (2003).
• [3] Minh, N.Q., Horne, C.R., Liu, F.S., Moffatt, M., Staszak, R.R., Stillwagon, T.L., Van Ackeren, J.J.: Fabrication and Characterintion of Monolithic Solid Oxide Fuel Cells, Proc. Twenty fifth Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Vol. 3, American Institute of Chemical Engineers, New York, (1990), 230-234.
• [4] Minh, N.Q.: Ceramic fuel cells, J. Am. Ceram. Soc., 76, (1993), 563-588.
• [5] Brylewski, T.: Metaliczne interkonektory w układzie metal/ceramika do zastosowania w ogniwach paliwowych SOFC, Wyd. Naukowe „Akapit”, Kraków, (2008).
• [6] Fergus, J.W.: Metallic interconnects for solid oxide fuel cells, Mater. Sci. Eng., A 397, (2005), 271-283.
• [7] 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.
• [8] 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.
• [9] 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), 131-150.
• [10] Fergus, J.W.: Sealants for solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 147, (2005), 46-52.
• [11] Uchida, H., Suzuki, H., Watanabe, M.: High‐Performance Electrode for Medium ‐ Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Effects of Composition and Microstructures on Performance of Ceria‐Based Anodes, J. Electrochem. Soc., 145(2), (1998), 615-620.
• [12] Mogensen, M., Sammes, N.M., Tompsett, G.A.: Physical, Chemical and Electrochemical Properties of Pure and Doped Ceria, Solid State Ionics, 129, (2000), 63-94.
• [13] Kurokawa, H., Kawamura, K., Maruyama, T.: Oxidation behavior of Fe–16Cr alloy interconnect for SOFC under hydrogen potential gradient, Solid State Ionics, 168, (2004), 13-21.
• [14] Zhu, W.Z., Deevi, S.C.: Opportunity of metallic interconnects for solid oxide fuel cells: a status on contact resistance, Mater. Res. Bull., 38, (2003), 957-972.
• [15] Kadowaki, T., Shiomitsu, T., Matsuda, E., Nakagawa, H., Tsuneizumi, H., Maruyama, T.: Applicability of heat resisting alloys to the separator of planar type solid oxide fuel cell, Solid State Ionics, 67, (1993), 65-69.
• [16] 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.
• [17] Tolochko, S.P., Kononyuk, I.F., Lyutsko, V.A., Zonov, Yu. G.: Inorg. Mater., 23, (1987), 1342.
• [18] Gaur, K., Verma, S.C., Lal, H.B.: Defects and electrical conduction in mixed lanthanum transition metal oxides, J. Mater. Sci., 23, (1988), 1725-1728.
• [19] Hilpert, K., Steinbrech, R.W., Boroomand, F., Wessel, E., Meschke, F., Zuev, A., Teller, O., Nickel, H., Singheiser, L.: Defect formation and mechanical stability of perovskites based on LaCrO3 for solid oxide fuel cells (SOFC), J. Eur. Ceram. Soc., 23, (2003), 3009-3020.
• [20] Flandermeyer, B.K., Nasrallah, M.M., Agarwal, A.K., Anderson, H.U.: Defect Structure of Mg-Doped LaCrO3 Model and Thermogravimetric Measurements, J. Am. Ceram. Soc., 67, (1984), 195-198.
• [21] Sfeir, J., van Herle, J., McEvoy, A.J.: Stability of calcium substituted lanthanum chromites used as SOFC anodes for methane oxidation, J. Eur. Ceram. Soc., 19, (1999), 897-902.
• [22] Mrowec, S., Werber, T.: Korozja gazowa metali, Wyd. „Śląsk”, Katowice, (1975).
• [23] Zhu, W.Z., Deevi, S.C.: Development of interconnect materials for solid oxide fuel cells, Mater. Sci. Eng., A348, (2003), 227-243.
• [24] Ebrahimifar, H., Zandrahimi, M.: Mn coating on AISI 430 ferritic stainless steel by pack cementation method for SOFC interconnect applications, Solid state Ionics, 183, (2011), 71-79.
• [25] Kofstad, P.: High Temperature Corrosion, Elsevier Aplied Science, England, Essex (1988).
• [26] Sakai, N., Horita, T., Xiong, Y.P., Yamaji, K., Kishimoto, H., Brito, M.E., Yokokawa, H., Maruyama, T.: Structure and transport property of manganese–chromium–iron oxide as a main compound in oxide scales of alloy interconnects for SOFCs, Solid State Ionics, 176, (2005), 681-686.
• [27] Mikkelsen, L., Linderoth, S., Bilde-Sorensen, J.B.: The Effect of Silicon Addition on the High Temperature Oxidation of a Fe-Cr Alloy, Mater. Sci. Forum, 461-464, (2004), 117-122.
• [28] Kröger, F.: The Chemistry of Imperfect Crystals, North Holland, Amsterdam, (1964).
• [29] Thermochemical Properties of Inorganic Substances, Ed. O. Knacke, O. Kubaschewski, K. Hesselmann, Springer-Verlag, Berlin, (1986).
• [30] Brylewski, T., Przybylski, K., Morgiel, J.: Microstructure of Fe–25Cr/(La,Ca)CrO3 composite interconnector in solid oxide fuel cell operating conditions, Materials Chemistry and Physics, 81, (2003), 434-437.
• [31] Nishiyama, H., Aizawa, M., Yokokawa, H., Horita, T., Sakai, N., Dokiya, M.: Stability of Lanthanum Calcium Chromite‐Lanthanum Strontium Manganite Interfaces in Solid Oxide Fuel Cells, J. Electrochem. Soc., 143, (1996), 2332-2341.
• [32] Liu, X., Su, W., Lu, Z.: Study on valence state and electrical conductivity of La1−xCaxCrO3, J. Phys. Chem. Solids, 62, (2001), 1919-1921.
• [33] Peck, D.H., Miller, M., Hilpert, K.: Phase diagram study in the CaO–Cr2O3–La2O3 system in air and under low oxygen pressure, Solid State Ionics, 123, (1999), 47-57.
• [34] Onuma, S., Miyoshi, S., Yashiro, K., Kaimai, A., Kawamura, K., Nigara, Y., Kawada, T., Mizusaki, J., Sakai, N., Yokokawa, H.: Phase stability of La1−xCaxCrO3−δ in oxidizing atmosphere, J. Solid State Chem., 170, (2003), 68-74.
• [35] Sakai, N., Fjellva, H., Hauback, B.C.: Structural, Magnetic, and Thermal Properties of La1−tCatCrO3−δ, J. Solid State Chem., 121, (1996), 202-213.
• [36] Bućko, M.M., Brylewski, T., Przybylski, K.: Stabilność chromitu lantanu modyfikowanego wapniem w atmosferze powietrza i mieszaniny H2/H2O, Ceramika/Ceramics, 80, (2003), 541-546.