Physicochemical properties of steel/coating composite interconnector for planar-type Solid Oxide Fuel Cell

• Autorzy: Przybylski K. , Brylewski T.

Warianty tytułu

PL

Fizykochemiczne właściwości interkonektora w układzie stal/powłoka do zastosowania w planarnym ogniwie paliwowym SOFC

• Konferencja: Ogólnopolskie Sympozjum Naukowo-Techniczne "Nowe osiągnięcia w badaniach inżynierii korozyjnej" (15 ; 24-26.11.2010 ; Jastrząb-Poraj, Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A review is presented on the oxidation kinetics, electrical properties, chromium vaporization rate and microstructure investigations of the oxide products formed on Fe-25 wt.-Cr steel uncoated and coated by the screen printing method with thick films of [La,Sr]CoO3, [La,Ca]CrO3, [La,Sr]CrO3, MnCo2O4 and Mn1.5Cr1.5O4 in air and H2/H2O gas mixture at 1023-1173 K for up to 1000 hrs. To improve the poor electrical conductivity of the chromia scale, formed on uncoated steel during the oxidation process, the above electronic conducting thick films composed of paste containing an organic binder and powders prepared via "wet chemical" methods were applied. The oxidation process of the coated steel, taking place in variable temperature cycles, shows good compactness of the conducting layer, as well as good adhesion to the metal substrate, as determined by the structural modification of the intermediate, chromiarich layer formed between the coating and metal substrate. The obtained kinetics data revealed that the oxidation reactions followed approximately the parabolic rate law over the applied temperature range. The calculated parabolic rate constants for the oxidation of DIN 50049 uncoated and coated at 1023-1173K were of the order of 10-13 to 10-14 g2/cm4, which are typical of chromia-formers. The values of the in situ area specific resistance (ASR) measurements by dc two-probe technique for the Fe-25Cr/[La,Sr]CoO3, Fe-25Cr/[La,Ca]CrO3, Fe-25Cr/[La,Sr]CrO3, Fe-25Cr/MnCo2O4 and Fe-25Cr/ Mn1.5Cr1.5O4 composite materials, exposed to air and H2/H2O gas mixture at 1073 K, are lower than the acceptable ASR level of the order of 0.1 cm2 for the SOFC metallic interconnect material. Vaporization measurements of the studied coating layers, performed in humidified air under flow-rate independent conditions at 1073 K, revealed a decreasing volatilization rate of chromia species from the coating materials in comparison with the value of this parameter corresponding to oxide scale built mainly of chromia formed on uncoated steel. The best coating material, i.e. MnCo2O4 decreased Cr vaporization by a factor of about 3.5. The microstructure, phase and chemical analysis of the coating after oxidation were examined by means of SEM-EDS, TEM-SAD and XRD. The influence of the multilayer oxide products formation during interfacial reactions between the coating materials and metal substrates in SOFC operating conditions on the electrical properties of the studied ferritic steel covered with the films, is presented and discussed in terms of the applicability of the composite structural material for construction of the metallic interconnect used in SOFC.

PL

W pracy dokonano przeglądu wyników badań kinetyki utleniania, właściwości elektrycznych, szybkości parowania chromu i mikrostruktury stali Fe-25Cr czystej oraz stali pokrytej powłoką [La,Sr]CoO3, [La,Ca]CrO3, [La,Sr]CrO3, MnCo2O4 i Mn1.5Cr1.5O4 metodą sitodruku i poddanych utlenianiu w powietrzu i w mieszaninie gazu H2/H2O w zakresie temperatur 1023-1173 K w czasie sięgającym 1000 godz. W celu poprawy przewodnictwa elektrycznego zgorzeliny z tlenku chromu utworzonej na stali czystej, na jego powierzchnię nanoszono przewodzące powłoki w Proces utleniania stali pokrytej powłoką w warunkach izotermicznych i cyklicznych zmian temperatury wykazał zwartość i dobrą przyczepność powłoki przewodzącej do podłoża metalicznego, dzięki utworzeniu pośredniej warstwy reakcyjnej na granicy rozdziału powłoka/stal. Badania kinetyki utleniania stali DIN 50049 czystej oraz stali pokrytej powłoką wykazały, że proces narastania produktu reakcji może być z dobrym przybliżeniem opisany przez prawo paraboliczne. Obliczone paraboliczne stałe szybkości utleniania w/w próbek w zakresie temperatur 1023-1173K mieszczą się w przedziale od 10-13 do 10-14 g2/cm4i odpowiadają wartościom uzyskiwanym dla stopów typu "Chromia-formers". Powierzchniowa rezystancja elektryczna [ASR] szeregu układów: Fe-25Cr/(La,Sr)CoO3, Fe-25Cr/(La,Ca)CrO3, Fe-25Cr/ (La,Sr)CrO3, Fe-25Cr/MnCo2O4 i Fe-25Cr/ Mn1.5Cr1.5O4, zmierzona z użyciem metody dwusondowej w warunkach in situ w 1073 K w powietrzu i mieszaninie gazu H2/H2O, jest niższa od 0.1 ?cm2 i tym samym nie przekracza ona dopuszczalnego poziomu ASR ustalonego dla interkonektorów przewidzianych do zastosowania w ogniwach SOFC. W oparciu o pomiary szybkości parowania chromu z badanych próbek w warunkach przepływu powietrza zawierającego parę wodną w 1073K stwierdzono spadek szybkości tworzenia lotnych związków chromu ze stali pokrytej powłoką w porównaniu do stali czystej, na której tworzy się głównie tlenek chromu. Najniższą szybkość parowania Cr, prawie 3,5-krotnie mniejszą w porównaniu do szybkości ubytku masy stali Fe-25Cr czystej, stwierdzono w przypadku zastosowania powłoki MnCo2O4. Mikrostrukturę, skład chemiczny oraz fazowy produktów utleniania próbek badano metodami: SEM-EDS, TEM-SAD oraz XRD. Wpływ tworzenia się pośredniej warstwy reakcyjnej o wielowarstwowej budowie tlenkowej, będącej wynikiem oddziaływania powłoki przewodzącej z podłożem metalicznym na właściwości elektryczne badanych układów stal/powłoka, przedyskutowano w aspekcie przydatności zarówno stali Fe-25Cr jak i powłok ochronnych w kierunku opracowania technologii wytwarzania metalicznych interkonektorów przewidzianych do zastosowania w ogniwach paliwowych SOFC.

Słowa kluczowe

EN

high temperature oxidation; ferritic stainless steel; metallic interconnect; chromia scale; oxide coating; solid oxide fuel cells

PL

wysokotemperaturowe utlenianie; żaroodporne stopy ferrytyczne; metaliczne interkonektory; zgorzelina Cr2O3; powłoki tlenkowe; stało-tlenkowe ogniwo paliwowe SOFC

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Ochrona przed Korozją
• Rocznik: 2010
• Tom: nr 11
• Strony: 528--534
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., il.

Twórcy

autor

Przybylski K.

autor

Brylewski T.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics Department of Solid State Chemistry, Cracow, Poland,

Bibliografia

• 1. S.C. Singhal, K. Kendall: High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications (Elsevier, Kidlington Oxford, 2003).
• 2. W.J. Quadakkers, J. Piron-Abellan, V. Shemet, L. Singheiser: Mater. High Temp. 20 (2003) 115.
• 3. X. Chen, P.Y. Hou, C.P. Jacobson, S. J. Visco, L.C.D. Jonghe: Solid State Ionics 176 (2005) 425.
• 4. T. Brylewski. M. Nanko, T. Maruyama, K. Przybylski: Solid State Ionics 143 (2001) 131.
• 5. K. Przybylski: Portable and Emergency Energy Sources, Edited by Z. Stoynov and D. Vladikova, Prof. Marin Drinov Publishing House, Sofi a (2006), p. 361
• 6. N. Shaigan, W. Qu, D.G. Ivey, W. Chen: J. Pow. Sources 195 (2010) 1529.
• 7. T. Kadowaki, T. Shiomitsu, E. Matsuda, H. Nakagawa, H. Tsuneizumi, T. Maruyama: Solid State Ionics 67 (1993) 65.
• 8. Z.G. Yang, G.G. Xia, G.D. Maupin, J.W. Stevenson: J. Electrochem. Soc. 153 (2006) A1852.
• 9. Y. Larring, T. Norby: J. Electrochem. Soc. 147 (2000) 3251.
• 10. Z. Yang, G. Xia, J.W. Stevenson: Electrochem. Solid-State Let. 8 (2005) A168.
• 11. Z.G. Yang, G.G. Xia, S.P. Simner, J. W. Stevenson: J. Electrochem. Soc. 152 (2005) A1896.
• 12. P. Gannon, M. Deibert, P. White, R. Smith, H. Chen, W. Priyantha, J. Lucas, V. Gorokhousky: Int. J. Hydrog. Energy 33 (2008) 3991.
• 13. S. Fontana, R. Amendola, S. Chevalier, P. Piccardo, G. Caboche: J. Pow. Sources 171 (2007) 652.
• 14. W. Qu, H. Li, D.G. Ivey: J. Pow. Sources 138 (2004) 162.
• 15. G. Cabouro, G. Caboche, S. Chevalier, P. Piccardo: J. Pow. Sources 156 (2006) 39.
• 16. T. Brylewski, K. Przybylski, J. Morgiel: Mater. Chem. Phys. 81 (2003) 434.
• 17. K. Przybylski, T. Brylewski, J. Morgiel: Materials Science Forum 461-464 (2004) 1099.
• 18. T. Brylewski, K. Przybylski: Materials Science Forum 595-598 (2008) 813.
• 19. T. Brylewski, K. Przybylski: The Annales de Chimie - Science des matériaux, 33 Suppl. 1 (2008) 75.
• 20. K. Przybylski, T. Brylewski: Mater. Trans. (2010) (submitted).
• 21. K. Przybylski, T. Brylewski, J. Prażuch: Schriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Energietechnik/Energy Technology (Germany) 15 Part II (2000) 745.
• 22. T. Brylewski: Metaliczne interkonektory w układzie metal/ceramika do zastosowania w ogniwach paliwowych SOFC, Ceramika/ Ceramics 107 (2008) 1-205.
• 23. H. Kurokawa, C.P. Jacobson, L.C. DeJonghe, S. Visco: Solid State Ionics 178 (2007) 287.
• 24. M.G.E. Cox, B. McEnanay, V.D. Scott: Phil. Mag. 26 (1972) 839.
• 25. T. Maruyama, T. Inoue, T. Akashi: Mater. Trans. JIM 39 (1998) 1158.
• 26. B.B. Ebbinghaus: Combust. Flame Vol. 93 (1993) 119.
• 27. C. Gindorf, L. Singheiser, K. Hilpert: J. Phys. Chem. Solids Vol. 66 (2005) 384.