Kinetyka utleniania i właściwości elektryczne stopu Ni-5Cu na interkonektory do stałotlenkowych elektrolizerów SOEC

• Autorzy: Dąbek J. , Mars K. , Bobruk M. , Gil A. , Brylewski T.

Warianty tytułu

EN

Oxidation kinetics and electrical properties of Ni-5Cu alloy for SOEC interconnects

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zrównoważony rozwój gospodarczy, który z początkiem XXI wieku stał się priorytetem dla wielu krajów o wysokim stopniu industrializacji, nie będzie możliwy do osiągnięcia bez skutecznego rozwiązania problemu magazynowania nadwyżek energii elektrycznej. Jedno z bardziej obiecujących rozwiązań w tym zakresie zakłada wykorzystanie stałotlenkowych elektrolizerów typu SOEC (ang. solid oxide electrolytic cells) do przekształcania nadwyżek wyprodukowanej energii w paliwo, np. wodór. Podstawowym elementem elektrolizera SOEC jest interkonektor, dzięki któremu pojedyncze jego cele można połączyć szeregowo w stos. Głównym problemem, jaki pojawia się przy stosowaniu interkonektorów metalicznych wykonanych z wysokochromewej stali ferrytycznej, jest stopniowy wzrost powierzchniowej rezystancji elektrycznej, wynikający z wysokotemperaturowej korozji tych materiałów. Głównym składnikiem zgorzeliny powstającej na ferrytycznej stali w atmosferze gazów katodowych i anodowych jest tlenek chromu Cr2O3. Niestety tlenek ten reaguje z tlenem i parą wodną, tworząc lotne związki chromu, które wpływają niekorzystnie na katalityczne właściwości mateiału katodowego i anodowego. Zatem istnieje potrzeba wytworzenia nowego typu metalicznych materiałów wolnych od w/w wad, przeznaczonych na interkonektory do elektrolizerów typu SOEC. Temperatura pracy elektrolizerów SOEC mieści się w zakresie 873-1073 K. Celem pracy było zbadanie kinetyki utleniania zarówno stopu Ni-5Cu, jak i czystego niklu będącego materiałem referencyjnym, a także zmierzenie przewodnictwa elektrycznego tych materiałów po ich utlenieniu. Utlenianie zostało przeprowadzone przez 100 godz. w powietrzu w temperaturach 873 K, 973 K, 1023 K i 1073 K. Na podstawie tych badań, uzupełnionych o obserwacje mikroskopowe oraz analizę składu fazowego i chemicznego produktów utleniania, wykazano, że stop Ni-5Cu można traktować jako potencjalny materiał do wytwarzania interkonektorów dla elektrolizerów SOEC w układzie planarnym.

EN

Sustained development, which has become a priority for many highly industrialized countries at the turn of the 21st century, will not be possible without an efficient solution to the problem of storing surplus electricity. The most suitable technologies for this purpose include solid oxide electrolytic cells (SOECs), which utilize electrolysis to efficiently convert surplus electricity into fuel such as hydrogen. One of the most essential components of both SOECs and SOFCs is the interconnect, which allows the individual cells of the electrolyzer to be connected in series to form stacks. When using metallic interconnects on the basis of ferritic steel, the main issue faced is the gradual increase in area-specific resistance that occurs due to the high-temperature corrosion of these materials. Chromia (Cr2O3) is the main component of the scale formed on ferritic steel in an atmosphere consisting of cathode and anode gases. Unfortunately, this oxide reacts with oxygen and water vapor, forming volatile compounds of chromium, which adversely affect the catalytic properties of the electrodes. It is therefore necessary to develop new metallic interconnect materials for the construction of the SOEC-type cell stack, designed to operate at temperatures of 873-1073 K. The aim of the paper was to investigate the oxidation kinetics of the Ni-5Cu alloy in comparison with Ni reference material, and to measure the electrical conductivity of the scale/metal system. Studies were conducted for 100 hrs of oxidation in air at 873 K, 973 K, 1023 K, and 1073 K. When combined with morphological observations and chemical and phase composition analyses of the oxidation products, the investigations demonstrated the suitability of the Ni-5Cu alloy as a potential interconnect material for planar-type SOECs.

Słowa kluczowe

PL

stałotlenkowy elektrolizer SOEC; interkonektor metaliczny; żaroodporne stopy ferrytyczne; stop Ni-5Cu; właściwości elektryczne NiO

EN

solid oxide electrolytic cells (SOECs); metallic interconnect; ferritic stainless steel; Ni-5Cu alloy; electrical properties of NiO

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 69, nr 4
• Strony: 322--334
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Dąbek J.

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

autor

Mars K.

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

autor

Bobruk M.

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

autor

Gil A.

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

autor

Brylewski T.

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

Bibliografia

• [1] Herring, J. S., O’Brien, J. E., Stoots, C. M., Hawkes, G. L., Hartvigsen, J. J., Shahnam, M.: Progress in high-temperature electrolysis for hydrogen production using planar SOFC technology, Int. J. Hydrogen Energy, 32, (2007), 440-450.
• [2] Ni, M., Leung, M. K. H., Leung, D. Y. C.: Technological development of hydrogen production by solid oxide electrolyzer cell (SOEC), Int. J. Hydrogen Energy, 33, (2008), 2337-2354.
• [3] Brisse, A., Schefold, J., Zahid, M.: High temperature water electrolysis in solid oxide cells, Int. J. Hydrogen Energy, 33, (2008), 5375-5382.
• [4] Laguna-Bercero, M. A.: Recent advances in high temperature electrolysis using solid oxide fuel cells: A review, J. Power Sources, 203, (2012), 4-16.
• [5] Ebbesen, S. D., Mogensen, M.: Electrolysis of carbon dioxide in Solid Oxide Electrolysis Cells, J. Power Sources, 193, (2009), 349-358.
• [6] Zhou, D. Q., Meng, F. Y., Bai, Y., Cai, S. Q.: Energy efficiency and congestion assessment with energy mix effect: The case of APEC countries, J. Cleaner Prod., 142, (2016), 819-828.
• [7] Dudek, M., Rapacz-Kmita, A.: Wytwarzanie gazu syntezowego w stałotlenkowych elektrolizerach parowych z odpadowego CO2 – możliwości i bariery rozwoju technologii, Materiały Ceramiczne/ Ceramic Materials/, 69, (2017), 46-51.
• [8] Fergus, J. W.: Metallic interconnects for solid oxide fuel cells, Materials Science and Engineering A, 397, (2005), 271-283.
• [9] Quadakkers, W. J., Piron-Abellan, J., Shemet, V., Singheiser, L.: Metallic interconnectors for solid oxide fuel cells - a review, Materials at High Temperatures, 20, (2003), 115-127.
• [10] Yang, Z., Weil, K. S., Paxton, D. M., Stevenson, J. W.: Selection and Evaluation of Heat-Resistant Alloys for SOFC Interconnect Applications, Journal of The Electrochemical Society, 150, (2003), A1188-A1201.
• [11] Brylewski, T.: Metaliczne interkonektory w układzie metal/ceramika do zastosowania w ogniwach paliwowych SOFC, Ceramika/Ceramics, 107, Wyd. Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków 2008.
• [12] 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 process, J. Electrochem. Soc., 143, (1996), 3642-3647.
• [13] Mrowec, S.: Zarys teorii utleniania metali, wyd. Śląsk, Katowice, 1971.
• [14] Wagner, C.: Zeitschrift fűr Physikalische Chemie, 21, (1933), 25.
• [15] Huntz, A. M., Andrieux, M., Molins, R.: Relation between the oxidation mechanism of nickel, the microstructure and mechanical resistance of NiO films and the nickel purity: I. Oxidation mechanism and microstructure of NiO films, Mater. Sci. Eng. A, 415, (2006), 21-32.
• [16] Jackson, R. W., Leonard, J. P.: The effect of minor elements on the growth and electrical properties of NiO on Ni, Solid State Ionics, 179, (2008), 2111-2120.
• [17] Haugsrud, R.: On the high-temperature oxidation of nickel, Corrosion Sci., 45, (2003), 211-235.
• [18] Berry, L., Paidassi, J.: Mem. Sci. Reû. Metall., LXVII, (1970), 477.
• [19] Berry, L., Paidassi, J.: Sci. Reû. Metall., 65, (1968), 651.
• [20] Fueki, K., Wagner, J. B.: Studies of the oxidation of nickel in the temperature range of 900° to 1400°C, J. Electrochem. Soc., 112, (1965), 384-388.
• [21] Peraldi, R., Monceau, D., Pieraggi, B.: Correlations between growth kinetics and microstructure for scales formed by high-temperature oxidation of pure nickel. II. Growth kinetics, Oxid. Met., 58, (2002), 275-295.
• [22] Grzesik, Z., Mrowec, S.: Mechanizm utleniania niklu w wysokich temperaturach, Inż. Mater., 2, (2006), 41-45.
• [23] Brylewski, T., Gil, A., Rakowska, A., Chevalier, S., Adamczyk, A., Dąbek, J., Kruk, A., Stygar, M., Przybylski, K.: Improving the physicochemical properties of Fe-25Cr ferritic steel for SOFC interconnects via Y-implantation and Y2O3-deposition, Oxid. Met., 80, (2013), 83-111.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).