Badania korozji wysokotemperaturowej stali ferrytycznej modyfikowanej powierzchniowo nanocząstkami tlenku gadolinu

• Autorzy: Mazur, Łukasz , Pleśniak, Justyna , Dąbek, Jarosław , Gil, Aleksander , Brylewski, Tomasz

Warianty tytułu

EN

High-temperature oxidation of ferritic steel surface-modified with gadolinium oxide nanoparticles

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Technologie magazynowania energii w coraz większym stopniu zyskują na znaczeniu, gdyż pozwalają one na uniezależnienie produkcji energii elektrycznej od zapotrzebowania na nią. Jednym z bardziej obiecujących rozwiązań w tym zakresie jest stałotlenkowy elektrolizer SOEC (ang. solid oxide electrolytic cell), w którym nadwyżki energii elektrycznej można przekształcić w paliwo (np. wodór). Praca elektrolizera SOEC polega na odwróceniu działania stałotlenkowego ogniwa paliwowego SOFC (ang. solid oxide fuel cell). Pomimo że budowa elektrolizerów - a także materiały stosowane do ich produkcji - pozostają niezmienione, to jednak odwrócenie kierunku reakcji elektrochemicznej oraz inny skład gazowych mieszanin zasilających układ powodują szybszą degradację elementów stosu ogniw pracujących w trybie SOEC. Ważnym elementem stosu elektrolizera SOEC jest interkonektor, który może być wytwarzany z różnych gatunków żaroodpornych stali ferrytycznych. Wadą interkonektorów metalicznych jest ich podatność na korozję wysokotemperaturową, która prowadzi do stopniowego wzrostu oporu wewnętrznego elektrolizera i zarazem do spadku jego sprawności energetycznej. Celem pracy było sprawdzenie, czy stal ferrytyczna Nirosta 4016/1.4016, po zmodyfikowaniu jej powierzchni nanocząstkami Gd2O3 przy użyciu metody zanurzeniowej lub elektrolitycznej, będzie wykazywać wyższą odporność na korozję wysokotemperaturową w stosunku do materiału niemodyfikowanego.

EN

Energy storage technologies are becoming increasingly significant, since they allow electrical energy to be generated independently of the demand. One of the most promising solutions in this regard is the solid oxide electrolytic cell (SOEC), in which surplus electrical energy can be converted to fuel, for example hydrogen. A SOEC operates in a manner that is the reverse of the operation of a solid oxide fuel cell (SOFC). Even though both the construction of electrolytic cells and the materials used to build them are the same as in the case of SOFCs, the reversal of the direction in which the reaction proceeds and the application of a different composition of gas mixtures that fuel the system cause the components of a SOEC stack to degrade at a more rapid rate. The essential components of SOECs include the interconnect, which can be manufactured from various types of oxidation-resistant ferritic steels. Interconnects are unfortunately susceptible to high-temperature oxidation, which leads to a gradual increase in the internal resistance of the electrolyzer and thus a drop in its power efficiency. The objective of the presented study was to determine whether the Nirosta 4016/1.4016 ferritic steel with a surface modified with Gd2O3 nanoparticles either via dip-coating or electrolysis would exhibit higher resistance to high-temperature oxidation than unmodified steel of this type.

Słowa kluczowe

PL

stałotlenkowe elektrolizery (SOEC); metaliczny interkonektor; stal ferrytyczna; wpływ pierwiastków ziem rzadkich (REE)

EN

intermediate-temperature solid oxide fuel cell; metallic interconnect; ferritic stainless steel; reactive element effect

• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 71, nr 2
• Strony: 179--192
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Mazur, Łukasz

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

autor

Pleśniak, Justyna

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

autor

Dąbek, Jarosław

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

autor

Gil, Aleksander

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

autor

Brylewski, Tomasz

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

Bibliografia

• [1] Ni, M., Leung, M. K. H., Leung, D. Y. C.: Technological development of hydrogen production by solid oxide electrolyzer cell (SOEC), Int. J. Hydrog. Energy, 33, (2008), 2337-2354.
• [2] Brisse, A., Schefold, J., Zahid, M.: High temperature water electrolysis in solid oxide cells, Int. J. Hydrog. Energy, 33, (2008), 5375-5382.
• [3] Laguna-Bercero, M. A.: Recent advances in high temperature electrolysis using solid oxide fuel cells: A review, J. Power Sources, 203, (2012), 4-16.
• [4] Dudek, M., Rapacz-Kmita, A.: Wytwarzanie gazu syntezowego w stałotlenkowych elektrolizerach parowych z odpadowego CO2 – możliwości i bariery rozwoju technologii, Mater. Ceram., 69, (2017), 46-51.
• [5] 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.
• [6] 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. Hydrog. Energy, 32, (2007), 440-450.
• [7] Fergus, J. W.: Metallic interconnects for solid oxide fuel cells, Mater. Sci. Eng. A, 397, (2005), 271-283.
• [8] 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.
• [9] 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.
• [10] Brylewski, T.: Metaliczne interkonektory w układzie metal/ceramika do zastosowania w ogniwach paliwowych SOFC, Ceramika/Ceramics, 107, Wyd. Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków 2008.
• [11] Zhu, W. Z., Deevi, S. C.: Development of interconnect materials for solid oxide fuel cells, Mater. Sci. Eng. A, 348, (2003), 227-243.
• [12] Bian, L., Chen, Z., Wang, L., Li, F., Chou, K.: Oxidation resistance, thermal expansion and area specific resistance of Fe-Cr alloy interconnector for solid oxide fuel cell, J. Iron Steel Res. Int., 24, (2017), 77-83.
• [13] 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.
• [14] Molin, S., Jasiński, P., Mikkelsen, L., Zhang, W., Chen, M., Hendriksen, P. V.: Low temperature processed MnCo2O4 and MnCo1.8Fe0.2O4 as effective protective coatings for solid oxide fuel cell interconnects at 750 C, J. Power Sources, 336, (2016), 408-418.
• [15] Bobruk, M., Molin, S., Chen, M., Brylewski, T., Hendriksen, P. V.: Sintering of MnCo2O4 coatings prepared by electrophoretic deposition, Mater. Lett., 213, (2018), 394-398.
• [16] Abdoli, H., Alizadeh, P.: Electrophoretic deposition of (Mn,Co)3O4 spinel nano powder on SOFC metallic interconnects, Mater. Lett., 80, (2012), 53-55.
• [17] Zhang, H., Zhan, Z., Liu, X.: Electrophoretic deposition of (Mn,Co)3O4 spinel coating for solid oxide fuel cell interconnects, J. Power Sources, 196, (2011), 8041-8047.
• [18] Gannon, P., Deibert, M., White, P., Smith, R., Chen, H., Priyantha, W., Lucas, J., Gorokhovsky, V.: Advanced PVD protective coatings for SOFC interconnects, Int. J. Hydrog. Energy, 33, (2008), 3991-4000.
• [19] Brylewski, T., Kruk, A., Bobruk, M., Adamczyk, A., Partyka, J., Rutkowski, P.: Structure and electrical properties of Cu-doped Mn-Co-O spinel prepared via soft chemistry and its application in intermediate-temperature solid oxide fuel cell interconnects, J. Power Sources, 333, (2016), 145-155.
• [20] Molin, S.: Evaluation of electrodeposited Mn-Co protective coatings on Crofer 22 APU steel, Int. J. App. Ceram. Techn., 15, (2018), 349-360.
• [21] Przybylski, K., Yurek, G. J.: The influence of implanted yttrium on the mechanisms of growth of chromia scales, Mater. Sci. Forum, 43, (1989), 1-74.
• [22] 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.
• [23] Gil, A., Bobruk, M., Wyrwa, J., Brylewski T.: Improving the oxidation resistance and electrical properties of Crofer 22APU, Annales de Chimie - Science des Matériaux, 39, (2015), 123-131.
• [24] Gil, A., Wyrwa, J., Brylewski, T.: Improving the oxidation resistance and electrical properties of ferritic stainless steels for application in SOFC interconnects, Oxid. Met., 85, (2016), 151-169.
• [25] Mrowec, S., Werber, T.: Modern scalling-resistant materials, National Bureau of Standards and National Science Foundation, Washington DC, 1982.
• [26] Mortimer, D., Sharp, W. B. A.: Oxidation of Fe-Cr binary alloys, Brit. Corr. J., 3, (1968), 61-67.
• [27] Mortimer, D., Post, M. L.: The oxidation of Cr and an Fe-50% Cr alloy, Corr. Sci., 8, (1968), 509-512.
• [28] Huang, K., Hou, P. Y., Goodenough, J. B.: Characterization of iron-based alloy interconnects for reduced temperature solid oxide fuel cells, Solid State Ion., 129, (2000), 237-250.
• [29] Kofstad, P., Lillerud, K. P.: On High Temperature Oxidation of Chromium, J. Electrochem. Soc., 127, (1980) 2397-2410.
• [30] Hagel, W. C.: Factors controlling the high temperature oxidation of chromium, Trans. Am. Soc. Met., 56, (1963), 583-599.
• [31] Hagel, W. C., Seybolt, A. W.: Cation diffusion in Cr2O3, J. Electrochem. Soc., 108, (1961), 1146-1152.