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

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

Warianty tytułu

EN

Microstructure and electrical properties of a spinel coating on selected ferritic stainless steels

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

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.

Słowa kluczowe

PL

IT-SOFC; interkonektor metaliczny; stal ferrytyczna; powłoka ochronna; układ Y-Mn-Co-O

EN

IT-SOFC metallic interconnect; ferritic stainless steel; protective coating; Y-Mn-Co-O system

• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 66, nr 3
• Strony: 235--244
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Kruk, A.

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

autor

Stygar, M.

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

autor

Krauz, M.

• Instytut Energetyki Oddział Ceramiki CEREL, ul. Techniczna 1, 36-040 Boguchwała

autor

Homa, M.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

autor

Adamczyk, A.

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

autor

Kucza, W.

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

autor

Rutkowski, P.

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

autor

Bobruk, M.

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

autor

Gil, A.

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

autor

Brylewski, T.

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

Bibliografia

• [1] Kruk, A., Brylewski, T., Adamczyk, A., Kucza, W., Przybylski, K.: Badania fizykochemiczne złożonych tlenków w układzie Mn-Co-O otrzymywanych metodami chemii mokrej, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 64, (2012), 120-130.
• [2] Brylewski, T., Kruk, A., Adamczyk, A., Kucza, W., Dąbek, J., Przybylski, K.: Ochronne układy warstwowe AL453/(Mn,Co)3O4 jako metaliczne interkonektory do ogniw paliwowych typu IT-SOFC, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 65, (2013), 20-27.
• [3] Yang, Z., Xia, G., Stevenson, J.W.: Mn1.5Co1.5O4 spinel protection layers on ferritic stainless steels for SOFC interconnect application, Electrochem. Solid State Lett., 8, (2005), A168-A170.
• [4] Chen, X., Hou, P.Y., Jacobson, C.P., Visco, S.J., Jonghe, L.C.D.: Protective coating on stainless steel interconnect for SOFCs: oxidation kinetics and electrical properties, Solid State Ionics, 176, (2005), 425-433.
• [5] Bordeneuve, H., Tenailleau, C., Guillemet-Fritsch, S., Smith, R., Suard, E., Rousset, A.: Structural variations and cation distributions in Mn3-xCoxO4 (0 <X < 3) dense ceramics using neutron diffraction data, Solid State Sci., 12, (2010), 379-386.
• [6] Naka, S., Inagaki, M., Tanaka, T.: On the formation of solid solution in Co3-xMnxO4 system, J. Mater. Sci., 7, (1972), 441-444.
• [7] Aukrust, E., Muan, A.: Phase relations in the system cobalt oxide-manganese oxide in air, J. Am. Ceram. Soc., 46, (1963), 511.
• [8] Gavrilov, N.V., Ivanov, V.V., Kamenetskikh, A.S., Nikonov, A.V.: Investigations of Mn–Co–O and Mn–Co–Y–O coatings deposited by the magnetron sputtering on ferritic stainless steels, Surf. Coat. Technol., 206, (2011), 1252-1258.
• [9] Production Programme Plant Frýdek-Místek Arcelormittal Frýdek-Místek A.S.
• [10] Material Data Sheet No.4046 Crofer 22 APU Thyssenkrupp VDM.
• [11] Blue Sheet Technical Data Stainless Steel AL 453™ Alloy Allegheny Ludlum Corporation U Pittsburgh, PA.
• [12] Material Data Sheet No.4050 Crofer 22 H Thyssenkrupp VDM.
• [13] Technical Data Sheet Allegheny Technologies Incorporated.
• [14] Kakihana, M.: Sol-gel preparation of high temperature superconducting oxides, J. Sol-Gel Sci. Tech., 6, (1996), 7–55.
• [15] Brylewski, T.: Metaliczne interkonektory w układzie metal/ceramika do zastosowania w ogniwach paliwowych SOFC, Wyd. Naukowe „Akapit”, Kraków, (2008).
• [16] www.webelements.com (09.02.2014).
• [17] Kofstad, P.: High Temperature Corrosion, Elsevier Applied Science, England, Essex (1988).
• [18] Froitzheim, J., Meier, G.H., Niewolak, L., Ennis, P.J., Hattendorf, H., Singheiser, L., Quadakkers, W.J.: Development of high strength ferritic steel for interconnect application in SOFCs, J. Power Sources, 178, (2008), 163-173.
• [19] 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.
• [20] 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 Sate Ionics, 176, (2005), 681-686.
• [21] Quadakkers, W.J., Piron-Abellan, J., Shemet, V., Singheiser, L.: Metallic Interconnects for Solid Oxide Fuel Cells - a Review, High Temp. 20 (2003) 115-127.
• [22] Fergus, J.W.: Metallic interconnects for solid oxide fuel cells, Mater. Sci. Eng. A 397 (2005) 271-283.