19584

۱۹۵۸۴

بررسي اثر پوشش اسپينلي مس - منگنز بر ممانعت از مسموميت كاتدي در پيل سوختي اكسيد جامد

كارشناسي ارشد

شناسايي و انتخاب مواد فلزي

۱۳۹۳

۱۳۹۷/۰۱/۲۷

دكتر منصور سلطانيه - دكتر سعيد رستگاري

مواد و متالورژي

نياز بشر به انرژي پاك سبب توسعه روش‌هاي نو همچون پيل‌هاي سوختي اكسيد جامد براي توليد انرژي شده است. امروزه فولادهاي زنگ‌نزن فريتي به عنوان اتصال‌دهنده براي پيل‌هاي سوختي اكسيد جامد شناخته شده‌اند. رشد بيش‌از‌حد پوسته اكسيدي و مسموميت كرومي، مهمترين موانع بر سر راه استفاده از اتصال‌دهنده‌هاي فولادي در پيل سوختي اكسيد جامد به شمار مي‌آيند. براي رفع اين مشكلات پوشش‌هاي مختلف معرفي و روش‌هاي گوناگوني براي ايجاد آن‌ها توسعه يافته است. در سال‌هاي اخير استفاده از روش آبكاري لايه‌هاي متوالي و اكسيداسيون بعدي براي ايجاد پوشش اسپينلي مس - منگنز به واسطه‌ي هدايت الكتريكي بالاي آن، بسيار مورد توجه قرار گرفته است. در اين پژوهش به‌منظور ايجاد پوشش اسپينلي مس - منگنز، به ترتيب لايه‌هاي مس و منگنز با ضخامت‌هاي تقريبي 4 و 6 ميكرون روي فولاد زنگ‌نزن فريتي 430 آبكاري شدند. براي بهبود چسبندگي پوشش مس به زيرلايه فولادي، لايه نازك نيكل با ضخامت كمتر از 1 ميكرون قبل از آبكاري مس روي سطح ايجاد شد. سپس عمليات اكسيداسيون در هوا با دماي 750 درجه سانتي‌گراد موجب نفوذ متقابل مس و منگنز و همچنين ورود اكسيژن به ساختار آن‌ها و در نتيجه منجر به تشكيل فاز اسپينلي با تركيب Cu1.4Mn1.6O4 شد. براي ارزيابي پوشش و تعيين سازوكار تبديل لايه‌هاي فلزي به اسپينل، آناليز پراش پرتو ايكس، ميكروسكپ الكتروني روبشي، آناليز EDS و آزمون شوك حرارتي مورد استفاده قرار گرفت. نتايج نشان داد آبكاري لايه‌اي و اكسيداسيون بعدي روشي مناسب براي ايجاد پوشش اسپينلي مس - منگنز است. با بررسي نتايج آناليز پراش پرتو ايكس و تصاوير ميكروسكپي مشخص شد فاز اسپينل مس - منگنز پس از 3 ساعت اكسيداسيون روي سطح ايجاد مي‌شود اما به‌منظور ايجاد لايه محافظ و چگال اسپينلي حداقل 6 ساعت اكسيداسيون نياز است. آناليز عنصري و نقشه توزيع عناصر در مقطع عرضي پوشش نشان داد، پوشش ايجادشده پس از 100 ساعت اكسيداسيون در جلوگيري از خروج كروم زيرلايه موفق عمل كرده است. با استفاده از لايه نازك نيكل، بهبود چشمگيري در چسبندگي پوشش به زيرلايه و افزايش نرخ موفقيت در آبكاري و اكسيداسيون ايجاد شد؛ در واقع با استفاده از لايه نازك نيكل، كسر نمونه‌هاي سالم پس از عمليات آبكاري از حدود 15 درصد به بالاي 95 درصد و پس از عمليات اكسيداسيون از حدود 20 درصد به بيش‌از 90 درصد رسيد. با تعيين سازوكار تبديل لايه‌هاي فلزي به اسپينل، دليل ايجاد خميدگي در پوشش يا به اصطلاح عيب تاول در پوشش شناسايي شد. در ادامه كپسوله‌كردن نمونه در لوله كوارتز و عمليات حرارتي در محيط خنثي به‌منظور كنترل اين عيب انجام شد. نتايج نشان داد اگرچه عيب تاول با انجام عمليات حرارتي در محيط خنثي حذف شده اما نفوذ بيش‌از‌حد آهن به پوشش طي عمليات حرارتي مانع تشكيل فاز اسپينل مس - منگنز مي‌شود.

1397/07/29

An investigation on the effect of copper-manganese spinel coating on prevention of cathodic poisoning in solid oxide fuel cell

10/21/2019 12:00:00 AM

Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are one of the cleanest and most efficient technologies for generating electricity. Nowadays, ferritic stainless steel has become the standard for interconnects in SOFCs. However, it has been demonstrated that excessive growth of chromia scale and chromium poisoning degrade cell performance in relatively short periods of service. Various coatings, as well as techniques to apply the coating, have been developed and studied to reduce these problems. Among various coatings, Cu-Mn spinel coatings are effective to stop chromium migration, decrease oxidation, and improve electrical conductivity of the cell. Recently, electroplating of metals, followed by oxidation in air has been concentrated due to its low cost, ease of fabrication, and formation of dense spinel. In this study, Cu-Mn spinel coating were deposited on AISI-430 ferritic stainless steel by electroplating of Copper and Manganese layers, followed by oxidation in air at 750°C. Scanning Electron Microscopy (SEM), equipped with energy dispersive spectroscopy (EDS), x-ray Diffraction (XRD) technique and thermal shocking test were employed to characterize and evaluate coating properties. Result showed that electroplating followed by oxidation is facile method for production of Cu-Mn spinel coating. The deposited coating stopped the migration of Cr effectively. By using a nickel strike before copper electroplating, a dramatic improvement in coating quality and an increase in the success rate was created, both in plating and oxidation. By determining the mechanism of converting the layers to the spinel, the cause of blistering defect in the coating was identified. In an effort to control the defect, encapsulating of specimens followed by heat-treatment in 850°C was performed. The results showed that the blisters defect was removed by heat-treatment, but excess iron entered the coating during this process and prevented the formation of spinel phase.