Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Hossei Enayati,Fatallah Karimzadeh
محمدحسین عنایتی (استاد راهنما) فتح اله کریم زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Seyedeh Narjes Hosseini
سیده نرجس حسینی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390

TITLE

Study of Formation Mechanism and Properties of Nanostructured Cu-Fe-O/LaCrO3 Spinel Composite Coatings for Application in Solid Oxide Fuel Cell Interconnects
This work investigates synthesis and characterization of Cu-Fe-O/LaCrO 3 spinel composite coatings on Crofer 22 APU and AISI 430 ferritic stainless steels (F) with emphasis on the oxidation behavior and electrical conductivity of these coatings. The Cu x Fe 3-x O 4 (0.75?x?1.25) and LaCrO 3 nano-crystalline powders were prepared by glycine–nitrate process (GNP) followed by calcination. The powders were then applied on stainless steel substrates by screen printing method. The results of electrical conductivity and thermal expansion coefficient (TEC) measurement, thermal stability in air and chemical compatibility with cathode material showed that the CuFe 2 O 4 spinel is a good candidate as coating on stainless steel interconnects of SOFCs. The results of long term oxidation experiments and area specific resistance (ASR) measurements showed that the spinel protection layer not only significantly decreased the ASR, but also inhibited the Cr 2 O 3 subscale growth by acting as a barrier to the inward diffusion of oxygen as well as the chromium migration into the coating surface even after 400 h oxidation at 800 °C in air. Besides, CuFe 2 O 4 /LaCrO 3 composite coatings had an ASR value of 7.7 after 400 h oxidation which is smaller than 13.8 for CuFe 2 O 4 spinel coating as well as 51.7 for un-coated Crofer 22 APU sample. Keywords: Cu-Fe-O/LaCrO 3 ; Spinel; Ferritic stainless steel; Interconnect; Solid oxide fuel cell
فارسی در این تحقیق، به منظور جلوگیری از مسمومیت کاتد با عنصر کروم و بهبود مقاومت الکتریکی ویژه‌ی سطحی در پیل‌های سوختی اکسید جامد دمای میانی، اسپینل CuFe 2 O 4 به عنوان پوشش برای اتصال دهنده‌های فلزی مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا، ابتدا پودرهای اسپینلی CuFe 2 O 4 نانوکریستال از طریق فرآیند احتراق محلولی گلیسین-نیترات تولید شد و اثر نسبت‌های مختلف سوخت به اکسنده (4-5/0=G/N) بر فرآیند احتراق، مشخصه‌های ساختاری و مکانیزم تشکیل این فاز اسپینلی توسط آنالیزهای XRD، SEM، TEM و TGA/DSC مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس به منظور یافتن مقدار بهینه‌ی x که ایجاد یک محصول تک‌فاز با بیشینه‌ی هدایت الکتریکی کند، از پارامترهای بهینه شده (2=G/N و °C800=T) برای تولید پودرهای اسپینلی Cu x Fe 3-x O 4 (25/1 ?x?75/0) استفاده شد. اندازه‌گیری هدایت به روش استاندارد چهار پروبی در هوا در بازه‌ی دمایی °C 800-650 نشان داد که هدایت الکتریکی در این اسپینل‌ها با مکانیزم پرش پولارون صورت می‌گیرد. به‌علاوه، بیشینه‌ی هدایت الکتریکی در 1=x اتفاق افتاد که به افزایش غلظت الکترون‌های متحرک در این ترکیب نسبت به سایر ترکیبات غیر استوکیومتری نسبت داده شد. نتایج ارزیابی‌های هدایت الکتریکی (S.cm -1 6/7، °C 800)، ضریب انبساط حرارتی (°C -1 6- 10×11=CTE، °C 800-25)، پایداری گرمایی در هوا و سازگاری شیمیایی با مواد کاتدی همگی نشان‌دهنده‌ی پتانسیل بالای اسپینل CuFe 2 O 4 به عنوان یک پوشش مناسب برای اتصال دهنده‌های فلزی بود. بنابراین در ادامه، ترکیب اسپینلی CuFe 2 O 4 با روش چاپ صفحه‌ای بر روی فولادهای زنگ‌نزن فریتیAISI 430 و Crofer 22 APU خام و پیش اکسید شده، پوشش داده شد و شرایط عملیات حرارتی بهینه به منظور دستیابی به یک پوشش با چسبندگی خوب و بدون ترک انتخاب گردید. اتصال خوب بین پوشش و زیرلایه‌ها با بکارگیری فرآیند تفجوشی فعال پوشش احیا شده حاصل شد. نتایج آنالیز EDS بیان‌گر تشکیل یک زیرپوسته‌ی اسپینلی غنی از کروم بین پوشش و زیرلایه بود. اکسیداسیون بلند مدت قطعات پوشش داده شده نشان داد پوشش محافظ CuFe 2 O 4 می‌تواند به عنوان یک مانع نفوذی مؤثر در برابر مهاجرت کروم به سمت پوشش و مهاجرت اکسیژن به سمت داخل عمل کند، به‌طوری که رشد زیرپوسته‌ی اکسیدی به‌ترتیب در قطعات پوشش داده شده AISI 430 و Crofer 22 APU نسبت به قطعات بدون پوشش از 6/3 و 5/2 به 2 و µm 5/1 کاهش پیدا کرد. علاوه‌براین، اعمال این پوشش محافظ سبب کاهش تبخیر کروم در قطعات خام و پیش اکسید شده به‌ترتیب تا 92 و 85 % شد. استفاده از یک مدل نفوذی نشان‌دهنده‌ی سینتیک اکسیداسیون شبه‌خطی در قطعات پوشش داده شده بود. از سوی دیگر، مقدار مقاومت الکتریکی ویژه‌ی سطحی قطعات پوشش داده شده‌ی خام و پیش اکسیدی، پس از 400 ساعت اکسیداسیون در دمای °C 800، کاهش قابل توجهی در مقایسه با قطعات بدون پوشش داشت. اگرچه قطعات پیش اکسید و پوشش داده شده نسبت به قطعات خام پوشش داده شده مقدار کروم و مقاومت الکتریکی ویژه‌ی سطحی بیشتری از خود نشان دادند، با این حال همچنان پوشش نقش خود را به عنوان یک مانع نفوذی مؤثر ایفا نمود. مقاومت الکتریکی ویژه‌ی سطحی قطعات خام پوشش داده شده‌ی AISI 430 و Crofer 22 APU پس از 600 ساعت اکسیداسیون به‌ترتیب به مقادیر قابل قبول و پایدار 5/20 و m?.cm 2 3/14 رسید. هدایت الکتریکی بالای اسپینل CuFe 2 O 4 ، آلایش ساختار CuFe 2 O 4 توسط یون‌های منگنز،کاهش قابل توجه رشد زیرپوسته‌ی اکسیدی و اتصال خوب بین پوشش و زیرلایه به عنوان مهم‌ترین عوامل دخیل در بهبود چشم‌گیر مقاومت الکتریکی ویژه‌ی سطحی قطعات پوشش داده شده مشخص شدند. توزیع ذرات LaCrO 3 در پوشش اسپینلی و ساخت پوشش‌های کامپوزیتی CuFe 2 O 4 /(10,20,30 vol.%) LaCrO 3 ، باعث ایجاد یک مانع مؤثرتر در مهار کروم، توقف رشد زیرپوسته‌ی اکسید کروم و همچنین حدود 50 درصد کاهش مقاومت ویژه‌ی سطحی در قطعات با پوشش کامپوزیتی در مقایسه با نمونه‌ی دارای پوشش اسپینلی ساده، پس از 400 ساعت اکسیداسیون شد. کلمات کلیدی: پیل سوختی اکسید جامد، اتصال دهنده، فولاد زنگ‌نزن فریتی، مقاومت الکتریکی ویژه‌ی سطحی، پوشش اسپینلی، فرآیند گلیسین-نیترات.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی