Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Hossei Enayati,Fatallah Karimzadeh
محمدحسين عنايتي (استاد راهنما) فتح اله کريم زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Seyedeh Narjes Hosseini
سيده نرجس حسيني

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
چکيده فارسي در اين تحقيق، به منظور جلوگيري از مسموميت کاتد با عنصر کروم و بهبود مقاومت الکتريکي ويژه‌ي سطحي در پيل‌هاي سوختي اکسيد جامد دماي مياني، اسپينل CuFe 2 O 4 به عنوان پوشش براي اتصال دهنده‌هاي فلزي مورد بررسي قرار گرفت. در اين راستا، ابتدا پودرهاي اسپينلي CuFe 2 O 4 نانوکريستال از طريق فرآيند احتراق محلولي گليسين-نيترات توليد شد و اثر نسبت‌هاي مختلف سوخت به اکسنده (4-5/0=G/N) بر فرآيند احتراق، مشخصه‌هاي ساختاري و مکانيزم تشکيل اين فاز اسپينلي توسط آناليزهاي XRD، SEM، TEM و TGA/DSC مورد ارزيابي قرار گرفت. سپس به منظور يافتن مقدار بهينه‌ي x که ايجاد يک محصول تک‌فاز با بيشينه‌ي هدايت الکتريکي کند، از پارامترهاي بهينه شده (2=G/N و °C800=T) براي توليد پودرهاي اسپينلي Cu x Fe 3-x O 4 (25/1 ?x?75/0) استفاده شد. اندازه‌گيري هدايت به روش استاندارد چهار پروبي در هوا در بازه‌ي دمايي °C 800-650 نشان داد که هدايت الکتريکي در اين اسپينل‌ها با مکانيزم پرش پولارون صورت مي‌گيرد. به‌علاوه، بيشينه‌ي هدايت الکتريکي در 1=x اتفاق افتاد که به افزايش غلظت الکترون‌هاي متحرک در اين ترکيب نسبت به ساير ترکيبات غير استوکيومتري نسبت داده شد. نتايج ارزيابي‌هاي هدايت الکتريکي (S.cm -1 6/7، °C 800)، ضريب انبساط حرارتي (°C -1 6- 10×11=CTE، °C 800-25)، پايداري گرمايي در هوا و سازگاري شيميايي با مواد کاتدي همگي نشان‌دهنده‌ي پتانسيل بالاي اسپينل CuFe 2 O 4 به عنوان يک پوشش مناسب براي اتصال دهنده‌هاي فلزي بود. بنابراين در ادامه، ترکيب اسپينلي CuFe 2 O 4 با روش چاپ صفحه‌اي بر روي فولادهاي زنگ‌نزن فريتيAISI 430 و Crofer 22 APU خام و پيش اکسيد شده، پوشش داده شد و شرايط عمليات حرارتي بهينه به منظور دستيابي به يک پوشش با چسبندگي خوب و بدون ترک انتخاب گرديد. اتصال خوب بين پوشش و زيرلايه‌ها با بکارگيري فرآيند تفجوشي فعال پوشش احيا شده حاصل شد. نتايج آناليز EDS بيان‌گر تشکيل يک زيرپوسته‌ي اسپينلي غني از کروم بين پوشش و زيرلايه بود. اکسيداسيون بلند مدت قطعات پوشش داده شده نشان داد پوشش محافظ CuFe 2 O 4 مي‌تواند به عنوان يک مانع نفوذي مؤثر در برابر مهاجرت کروم به سمت پوشش و مهاجرت اکسيژن به سمت داخل عمل کند، به‌طوري که رشد زيرپوسته‌ي اکسيدي به‌ترتيب 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 پيدا کرد. علاوه‌براين، اعمال اين پوشش محافظ سبب کاهش تبخير کروم در قطعات خام و پيش اکسيد شده به‌ترتيب تا 92 و 85 % شد. استفاده از يک مدل نفوذي نشان‌دهنده‌ي سينتيک اکسيداسيون شبه‌خطي در قطعات پوشش داده شده بود. از سوي ديگر، مقدار مقاومت الکتريکي ويژه‌ي سطحي قطعات پوشش داده شده‌ي خام و پيش اکسيدي، پس از 400 ساعت اکسيداسيون در دماي °C 800، کاهش قابل توجهي در مقايسه با قطعات بدون پوشش داشت. اگرچه قطعات پيش اکسيد و پوشش داده شده نسبت به قطعات خام پوشش داده شده مقدار کروم و مقاومت الکتريکي ويژه‌ي سطحي بيشتري از خود نشان دادند، با اين حال همچنان پوشش نقش خود را به عنوان يک مانع نفوذي مؤثر ايفا نمود. مقاومت الکتريکي ويژه‌ي سطحي قطعات خام پوشش داده شده‌ي AISI 430 و Crofer 22 APU پس از 600 ساعت اکسيداسيون به‌ترتيب به مقادير قابل قبول و پايدار 5/20 و m?.cm 2 3/14 رسيد. هدايت الکتريکي بالاي اسپينل CuFe 2 O 4 ، آلايش ساختار CuFe 2 O 4 توسط يون‌هاي منگنز،کاهش قابل توجه رشد زيرپوسته‌ي اکسيدي و اتصال خوب بين پوشش و زيرلايه به عنوان مهم‌ترين عوامل دخيل در بهبود چشم‌گير مقاومت الکتريکي ويژه‌ي سطحي قطعات پوشش داده شده مشخص شدند. توزيع ذرات LaCrO 3 در پوشش اسپينلي و ساخت پوشش‌هاي کامپوزيتي CuFe 2 O 4 /(10,20,30 vol.%) LaCrO 3 ، باعث ايجاد يک مانع مؤثرتر در مهار کروم، توقف رشد زيرپوسته‌ي اکسيد کروم و همچنين حدود 50 درصد کاهش مقاومت ويژه‌ي سطحي در قطعات با پوشش کامپوزيتي در مقايسه با نمونه‌ي داراي پوشش اسپينلي ساده، پس از 400 ساعت اکسيداسيون شد. کلمات کليدي: پيل سوختي اکسيد جامد، اتصال دهنده، فولاد زنگ‌نزن فريتي، مقاومت الکتريکي ويژه‌ي سطحي، پوشش اسپينلي، فرآيند گليسين-نيترات.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی