Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Badania stabilności chemicznej kompozytowego elektrolitu 3-YSZ-Al2O3 w stosunku do materiałów elektrodowych do zastosowania w średniotemperaturowych ogniwach paliwowych

Molin S., Bobruk M., Wyrwa J., Pleśniak J., Brylewski T.

Materiały Ceramiczne

|

2018

|

T. 70, nr 1

50--64

PL

Jednym z podstawowych wymogów stawianych materiałom na elektrolity do średniotemperaturowych ogniw paliwowych IT-SOFC (ang. intermediate-temperature solid oxide fuel cells) jest ich kompatybilność chemiczna z elektrodami w temperaturach zarówno eksploatacji, jak i wytwarzania ogniw. W celu sprawdzenia, czy badany w pracy kompozytowy elektrolit o osnowie z częściowo stabilizowanego ditlenku cyrkonu i z wtrąceniami tlenku glinu w ilości 1% mol. (3-YSZ-Al2O3) może zostać zastosowany w celu zapewnienia odpowiedniej sprawności ogniw IT-SOFC przez długi okres eksploatacji, przeprowadzono analizę jego stabilności chemicznej w stosunku do materiału katody La0,6Sr0,4Co0,2Fe0,8O3 (LSCF48) oraz w stosunku do NiO, stanowiącego główny składnik materiału anody. Po wygrzewaniu mieszaniny elektrolitu i katody w proporcji wagowej 1:1 w 1273 K przez 5 i 100 godz., stwierdzono obecność nowych faz, które mogą wpływać na pogorszenie właściwości elektrochemicznych złącza elektrolit/katoda. W warunkach przewidywanej pracy ogniwa, tj. w temperaturze 1073 K elektrolit wykazuje zdecydowanie wyższą stabilność chemiczną w kontakcie z anodą aniżeli w kontakcie z katodą, która wynika z ograniczonej wzajemnej dyfuzji kationów w układzie 3-YSZ-Al2O3/NiO.

EN

One of the main features required of materials to be applied as electrolytes in intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) is their chemical compatibility with electrodes at both operating temperatures and the temperatures at which the cells are manufactured. To verify whether the investigated composite electrolyte with a matrix consisting of partially stabilized zirconia and alumina inclusions of 1 mol% (3-YSZ-Al2O3) can be applied to ensure a sufficiently high long-term operating efficiency of IT-SOFCs, its chemical stability was analyzed via exposure to the La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 (LSCF48) cathode material and NiO, which constitutes the main component of the anode material. After annealing the mixture consisting of the electrolyte and the cathode material at a mass ratio of 1:1 for 5 and 100 hours at 1273 K, the presence of new phases that might affect the electrochemical properties of the electrolyte/cathode junction was observed. Under the anticipated operating conditions of the cell, i.e. at 1073 K, the electrolyte exhibits significantly higher chemical stability in contact with the anode material than when exposed to the cathode one, which can be attributed to the reduced interdiffusion of cations in the 3-YSZ-Al2O3/NiO system.

2

Protective-conducting spinel coatings applied in IT-SOFC interconnects

Brylewski T., Bobruk M., Gil A.

Ochrona przed Korozją

|

2017

|

nr 5

136--140

EN

The aim of the presented study was to deposit a protective-conducting Mn1.45Co1.45Dy0.1O4 coating on the E-Brite ferritic steel by means of electrophoresis and to evaluate its physicochemical properties. The structure and morphology of the powder, sinter, and the steel/coating layered system, and the electrical conductivity of both the sinter and the coating on the steel after oxidation were investigated by means of X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy combined with energydispersive spectroscopy (SEM-EDS), and the two-probe dc method. The obtained spinel exhibited a two-phase composition and high electrical conductivity, while the coating it formed was compact and adhered well to the metallic substrate; moreover, the measured ASR of the steel/ coating system was significantly lower than the level acceptable for interconnect materials. The conducted research confirmed the suitability of the Mn1.45Co1.45Dy0.1O4 spinel as a coating on the E-Brite ferritic steel to be applied in the production of interconnects used in intermediatetemperature SOFCs.

PL

Celem niniejszej pracy jest otrzymanie oraz badania właściwości fizykochemicznych powłoki ochronno-przewodzacej Mn1.45Co1.45Dy0.1O4 naniesionej na stal ferrytyczną E-Brite przy użyciu metody elektroforetycznej. Strukturę oraz morfologię proszku, spieku oraz układu warstwowego stal/powłoka, a także przewodnictwo elektryczne zarówno spieku, jak i powłoki na stali po utlenianiu badano przy pomocy dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD), skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM-EDS) oraz stałoprądowej metody dwusondowej. Uzyskany spinel wykazuje skład dwufazowy oraz wysokie przewodnictwo elektryczne, zaś uzyskana z niego powłoka jest zwarta i dobrze przylega do podłoża metalicznego, a ponadto wartość zmierzonej rezystancji układu stal/powłoka jest zdecydowanie niższa od dopuszczalnego poziomu ASR dla materiałów interkonektorowych. Na podstawie tych badań potwierdzono przydatność spinelu Mn1.45Co1.45Dy0.1O4 na powłoki do modyfikacji powierzchniowej stali ferrytycznej E-Brite z przeznaczeniem na interkonektory do ogniw paliwowych typu IT-SOFC.

3

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

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

Materiały Ceramiczne

|

2017

|

T. 69, nr 4

322--334

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.

4

Physicochemical properties of the Fe-25Cr/(La,Sr)CrO3 layer system in air and Ar/H2/H2O gas mixture

Bobruk M., Brylewski T.

Ochrona przed Korozją

|

2015

|

nr 11

392--395

EN

The oxidation kinetics and electrical properties of the Fe-25Cr stainless steel with the (La,Sr)CrO3 thick film coating were studied during its oxidation at 1073 K for 650 hrs in air and the Ar/H2/H2O gas mixture. The investigated material was the DIN 50049 steel covered with the (La,Sr)CrO3 paste using the screen printing method. To prepare the paste, La0.8Sr0.2CrO3 micropowder was obtained via EDTA gel processes. Kinetic studies demonstrated that the application of the investigated coating can reduce the rate of corrosion of this type of steel by approximately as much as an order of magnitude. The measured values of area-specific resistance of the Fe-25Cr/(La,Sr)CrO3 layered system after oxidation in the afore-mentioned atmospheres were ca. 50% lower than the upper limit specified for interconnects (0.1 Ω⋅cm2).

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań kinetyki utleniania i właściwości elektrycznych stali ferrytycznej Fe-25Cr z powłoką (La,Sr)CrO3 podczas jej utleniania w 1073 K przez 650 godz. w powietrzu i mieszaninie gazu Ar/H2/H2O. Badaniom poddano stal DIN 50049 z naniesioną pastą (La,Sr)CrO3 za pomocą metody sitodruku. Do przygotowania pasty użyto mikroproszku La0.8Sr0.2CrO3, który otrzymano metodą EDTA gel processes. Badania kinetyczne dowiodły, że w wyniku zastosowania powłoki ceramicznej można obniżyć szybkość korozji tego typu stali nawet o około rząd wielkości. Zmierzone wartości powierzchniowej rezystancji elektrycznej układu warstwowego Fe-25Cr/(La,Sr)CrO3 po utlenianiu w w/w atmosferach były około 2 razy niższe od górnej granicy dopuszczalnej dla interkonektorów (0,1 Ω⋅cm2).

5

Effects of plasma-assisted CVD surface modification of the Crofer 22APU steel on its selected physicochemical properties

Januś M., Kluska S., Bobruk M., Brylewski T., Jastrzębski W., Zimowski S., Grzesik Z.

Ochrona przed Korozją

|

2015

|

nr 11

418--422

EN

The paper presents the modification of the surface of the Crofer 22APU ferritic stainless steel with SiCxNy(H) layer, and its influence on the applicability of the steel in intermediate-temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC) interconnects. The layer was obtained via plasma-assisted chemical vapor deposition (PACVD) with and without prior nitriding. To determine the impact of the surface modification on the steel’s resistance to high-temperature corrosion and the on its mechanical properties, the chemical composition, structure, and microstructure were investigated by means of FTIR, XRD, and SEM-EDS. Microhardness and Young’s modulus were also measured. It was demonstrated that the deposition of the SiCxNy(H) layer in plasmo-chemical conditions after prior nitriding of the surface of the Crofer 22APU is beneficial.

PL

Praca dotyczy modyfikacji powierzchniowej polegającej na naniesieniu warstwy SiCxNy(H) na stal ferrytyczną Crofer 22APU z przeznaczeniem na interkonektory do ogniw paliwowych typu IT-SOFC. Warstwę otrzymano przy użyciu techniki chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganej plazmowo (PACVD) bez uprzedniego azotowania oraz z wcześniejszym azotowaniem. W celu określenia wpływu modyfikacji powierzchniowej stali na poprawę odporności na korozję wysokotemperaturową oraz właściwości mechanicznych zostały przeprowadzone badania składu chemicznego, struktury i mikrostruktury przy użyciu FTIR, XRD i SEM-EDS a także pomiary mikrotwardości i modułu sprężystości. Wykazano, że korzystne jest otrzymanie warstwy SiCxNy(H) po uprzednim procesie azotowania powierzchni stali Crofer 22APU w warunkach plazmochemicznych.

6

Mikrostruktura oraz właściwości elektryczne warstwy o strukturze spinelu na wybranych wysokochromowych stalach ferrytycznych

Kruk A., Stygar M., Krauz M., Homa M., Adamczyk A., Kucza W., Rutkowski P., Bobruk M., Gil A., Brylewski T.

Materiały Ceramiczne

|

2014

|

T. 66, nr 3

235--244

PL

Ważnym aspektem technologicznym w produkcji generatorów prądotwórczych jest dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych, bowiem od nich zależy wysoka sprawność energetyczna i niezawodność działania tych urządzeń. Interkonektor stanowi podstawowy element składowy ogniwa paliwowego, ponieważ doprowadza on poprzez system kanałów gazowe paliwo i utleniacz oraz odprowadza prąd elektryczny. W przypadku średniotemperaturowych stałotlenkowych ogniw paliwowych IT-SOFC do wytwarzania interkonektorów stosowane są wysokochromowe stale ferrytyczne, które w trakcie pracy ogniwa ulegają procesowi korozji, wykształcając ochronną zgorzelinę Cr2O3. Zgorzelina ta posiada dość znaczy opór elektryczny, a ponadto utlenia się do lotnych tlenków i tlenowodorotlenków chromu, które powodują „zatruwanie” pozostałych elementów ogniwa, obniżając tym samym jego sprawność. W celu przeciwdziałania tym niekorzystnym zjawiskom podjęto próbę zastosowania powłoki o składzie Y0,1Mn1,45Co1,45O4 jako ceramicznej warstwy ochronno-przewodzącej, nanoszonej metodą sitodruku bezpośrednio na powierzchnię stali ferrytycznej. W pracy przestawiono wyniki badań własności fizykochemicznych różnych stali ferrytycznych, czystych oraz z naniesioną powłoką spinelu manganowo-kobaltowego domieszkowanego itrem.

EN

An important technological aspect in production of generators is selection of appropriate structural materials which is a prerequisite for obtaining a high level of energy efficiency and reliability of these devices. The essential component of a fuel cell is an interconnect which supplies gaseous fuel and the oxidant through a system of channels, and also provides a medium for the generated electric current to travel through. In the case of intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC), ferritic stainless steel forms a core of the interconnect; the steel undergoes corrosion during the cell’s operation, forming a protective coating mainly composed of the Cr2O3 scale. However, the scale is characterized by a relatively high electrical resistance, and its formation furthermore entails the evolution of chromium oxides and oxyhydroxides that poison the remaining elements of the cell, reducing its overall efficiency. In order to prevent these processes from taking place, an attempt was made to apply a manganese cobalt-doped yttrium spinel as a protective-conducting ceramic layer on ferritic steel. The paper presents physicochemical properties of different species of pure ferritic steels and steels with the coating composed of the Y0.1Mn1.45Co1.45O4 spinel.