بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به نیاز روز افزون بشر به انرژي، استفاده از منابع انرژي نو و پاك افزایش یافته است. پیلهاي سوختی اکسید جامد، یکی از مناسبترین منابع تأمین انرژي هستند. براي حصول توان مطلوب خروجی، تک سلهاي پیل سوختی توسط اتصالدهنده در کنار یکدیگر قرار میگیرند. در این میان، اتصالدهندههاي فلزي، به ویژه فولادهاي زنگ نزن فریتی داراي بهترین تطابق ضریب انبساط حرارتی با سایر اجزاي سرامیکی پیل سوختی هستند. اما در دماي بالا و زمانهاي کاري طولانی دچار مسمومیت کرومی و پوسته شدن اکسید سطحی میشوند. یکی از روشهاي مقابله با آن، ایجاد یک پوشش محافظ/ رسانا، مقاوم در برابر اکسیداسیون و نفوذ کروم است. اسپینل فلزات واسطه و به خصوص اسپینل کبالت به دلیل داشتن این خواص بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش نیز به منظور تولید این پوشش از آبکاري پالسی لایهاي روي فولاد زنگ نزن فریتی AISI-430 استفاده شد. براي نفوذ بهتر عناصر در یکدیگر عملیات حرارتی همگنسازي در محیط خلأ به مدت دو ساعت روي نمونهها انجام شد و سپس تحت اکسیداسیون در دماي 800°C، به مدت 24، 48، 72 و 100 ساعت قرار گرفتند. نتایج شناسایی فازي از طریق پراش اشعهي ایکس - - XRD حاکی از تشکیل یک اسپینل پیچیده به ضخامت 3/8 میکرون از - Mn,Cr,Fe,Co - 3O4 بعد از 100 ساعت اکسیداسیون است. بهعلاوه ارزیابی ریزساختاري از سطح مقطع عرضی نمونهها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مجهز به EDS انجام شد و با توجه به کاهش ضخامت لایهي - Fe,Cr - 2O3 از 16/8میکرون در نمونه با پوشش کبالت خالص - بعد از 24 ساعت اکسیداسیون - به 12/6میکرون در نمونه با پوشش کبالت عملیات حرارتی شده - بعد از 100 ساعت اکسیداسیون - ، نشان دهندهي قابلیت نسبتاً خوب پوشش براي جلوگیري از مسمومیت کرومی بود. آزمون X- Cut نیز براي بررسی میزان چسبندگی پوشش به نمونه بهکار گرفته شد که میزان چسبندگی براي پوشش کبالت عملیات حرارتی شده بعد از 100 ساعت اکسیداسیون در کلاس 5A و براي پوشش کبالت خالص بعد از 24 ساعت اکسیداسیون در کلاس 3A قرار گرفت. این نتیجه نیز نشاندهندهي بهبود چسبندگی پوشش به نمونه در اثر عملیات حرارتی است.
کلمات کلیدي: پیل سوختی اکسید جامد، عملیات حرارتی، اتصالدهنده، پوشش، اسپینل کبالت/ منگنز، آبکاري الکتریکی
مقدمه
پیل سوختی یک ابزار الکترو شیمیایی ا ست که انرژي شیمیایی سوخت را م ستقیما به انرژي الکتریکی تبدیل میکند.[1] یکی از انواع آنها، پیلهاي سوختی اکسید جامد هستند که به دلیل بازده مناسب، دماي کاري بالا، عدم نیاز به کاتالیستها و تنوع در انتخاب سوخت مورد استفاده، مورد توجه قرار گرفتهاند.[2] براي ایجاد پتان سیل الکتریکی مطلوب، بین آند یک تک سلول با کاتد تک سلول دیگر تو سط ات صالدهنده ارتباط الکتریکی ایجاد میکنند. بنابراین، اتصالدهنده باید داراي رسانایی الکتریکی بالا، تطابق ضریب انبساط حرارتی با سایر اجزاي پیل سوختی و پایداري شیمیایی بالا در هر دو محیط احیایی و اک سیدي با شد4]و.[3 ات صالدهندههاي فلزي مورد ا ستفاده در پیلهاي سوختی با دماي متو سط داراي مزایایی همچون پایداري و سازگاري الکتریکی و حرارتی، هزینهي کم و ساخت آ سان ه ستند.[5-7] در این میان نیز، فولاد زنگنزن فریتی به دلیل در د سترس بودن، ارزان بودن، تطابق ضریب انب ساط حرارتی با سایر اجزاي سرامیکی پیل و مقاومت در برابر اک سیدا سیون، بهترین گزینه براي استفاده است9]و.[8 با این حال در دماهاي بالا تشکیل یک لایهي اکسیدي آنها را دچار پوسته شدن میکند و یا در اتمسفرهاي اکسیدکننده و دماي بالا، تبخیر کروم پدیدهي مسمومیت کاتدي را ایجاد میکند که موجب کاهش عملکرد پیل سوختی میشوند.[10-12]
ایجاد پو ششهاي محافظ روي ات صالدهندهها یک راهحل براي رفع م شکلات فوق ا ست. اما پو ش شی داراي ضریب انب ساط حرارتی منا سب با زیر لایه، هدایت الکتریکی بالا و پایداري در هر دو اتم سفر اک سیدي و احیایی. سرامیکهاي اکسیدي به خصوص اکسیدهاي پروسکایت و اسپینل فلزات واسطه بهویژه کبالت داراي این خصوصیات هستند.[13-16] روشهاي زیادي براي ایجاد این پوششها، همچون پاشش حرارتی، سل- ژل، دوغابی، ر سوب شیمیایی بخار و...وجود دارد. اما در سالهاي اخیر، آبکاري لایهاي فلزات و سپس اک سیدا سیون آنها، بهعنوان نوینترین روش براي ایجاد پوششهاي اسپینلی گزارش شده است.[17-21]
این پژوهش نیز با هدف ایجاد پوشش محافظ/ رساناي اسپینل کبالت روي زیر لایهاي از فولاد زنگ نزن فریتی به عنوان اتصالدهنده در پیل سوختی اکسید جامد - بهدلیل ارزان بودن و در دسترس بودن - به روش آبکاري پالسی و به دنبال آن اکسیداسیون انجام شد و یک مرحله عملیات حرارتی در محیط خلأ بهمنظور بهبود خواص پوشش از جمله مقاومت به اکسیداسیون، مسمومیت کرومی و بهبود چسبندگی انجام شد. میکروساختار و ترکیب پو شش ایجاد شده به و سیلهي میکرو سکوپ الکترونی روب شی و آنالیز پراش ا شعهي ایکس مورد ارزیابی قرار گرفت. روش آبکاري الکتریکی نیز بهعنوان یک روش آسان و ارزان بهکار گرفته شد.
مواد و روش تحقیق
.1-2 آمادهسازي نمونهها
از یک ورق فولاد زنگ نزن فریتی به ضخامت 0/6 mm، بهعنوان زیر لایه استفاده شد. ترکیب شیمیایی این ورق عبارت است از؛ آهن - - %83، کروم - % - 15,54، منگنز - - %0,6، سیلسیم - - %0,2، کربن - - %0,05 که بهصورت مستطیلهایی به ابعاد6,0* 2,5*0,6 cm3 برش داده شدند. بهمنظور ایجاد پوشش یک سمت از نمونهها از پوساب 320 تا 1200 سمباده زده شده و پولیش شدند. پیش از انجام عملیات آبکاري، کلیهي نمونهها در محلول - استون - به مدت 15 دقیقه تحت چربی زدایی و در محلول - HNO3 - 20% - +HF - 5% - - به مدت 15 دقیقه تحت اسید شویی قرار گرفتند و سپس با آب مقطر و هواي خشک، عاري از آلودگی شدند.
.2-2 فرآیند پوششدهی
براي انجام عملیات آبکاري الکتریکی از یک سلول الکترو شیمیایی شامل یک ب شر با حجم250mL، یک نگهدارندهي م سی و یک ورقهي نازك پلاتینی به ضخامت 60 µm، بهعنوان آند ا ستفاده شد. بهمنظور مقرون به صرفه بودن، براي آّبکاري حمام کلریدي حاوي 0/6 M کلرید کبالت - - CoCl2.6H2O و 0/3 M مول اسید بوریک - - H3BO3 با pH اولیهي 2/00 ± 0/01 و چگالی جریان 60±1 mA/cm2، به مدت 10 دقیقه بهکار گرفته شد.
.3-2 فرآیند پیش عملیات حرارتی
هر دو گروه از نمونههاي پو شش داده شده و بدون پو شش، در لولههایی از جنس کوآرتز قرار گرفتند تا بعد از انجام عملیات Encapsulate روي آنها و برقراري خلأ در داخل لولهها، در دماي 800°C، به مدت 2 ساعت آنیل شوند. بعد از انجام پیش عملیات حرارتی، لولهها شکسته شدند و نمونهها براي عملیات حرارتی اکسیداسیون آماده شدند.
.4-2 عملیات حرارتی بهمنظور تشکیل پوشش اسپینلی و بررسی نمونهها
عملیات حرارتی اکسیداسیون در شرایطی شبیه به شرایط کاري پیلهاي سوختی اکسید جامد در دماي 800°C و در فشار اکسیژن 0/21 atm، انجام شد. نمونهها به مدت 24، 48، 72 و 100 ساعت تحت اکسیداسیون در داخل کورهي مافلی قرار گرفتند. بر اساس اختلاف جرم در زمانهاي مختلف، ثابت پارابولیک رشد لایهي اکسیدي نیز بهدست آمد.
هر دو گروه از نمونهها بعد از برش و آماده سازي تحت آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، قرار گرفتند. شناسایی فازي هر نمونه با استفاده از روش پراش اشعهي ایکس Pro MPD - XRD - با لامپ مس - kα= - 1.54060 °A انجام شد. ولتاژ و جریان40 mV و 30 mA انتخاب شد و محدودهي زاویه با گامهایی با فوا صل 0/02 از یکدیگر و زمان نگهداري در حدود 0/5 ثانیه در هر گام تحت تابش اشعهي ایکش قرار گرفتند.
