بخشی از مقاله
چکیده
فولادهای زنگ نزن فریتی، تحت شرایط کاری سلول های سوختی اکسید جامد یک لایه اکسیدی کرومیا تشکیل می دهند که این لایه از هدایت الکتریکی ضعیفی برخوردار است و در نتیجه باعث کاهش بازدهی این مبدل های انرﮊی می شود. یک اقدام برای بهبود خصوصیات صفحات اتصال دهنده استفاده از یک لایه پوشش رسانا و محافظ است. در این مطالعه فولاد فریتی زنگ نزن AISI 430 به وسیله ی سمانتاسیون فشرده در یک مخلوط پودری پایه منگنز پوشش داده شد.
تاثیر ضخامت لایه اکسیدی بر روی هدایت الکتریکی به وسیله ی اکسیداسیون همدما در دمای ºC ٨٠٠ بررسی شد. همچنین این تاثیر در دماهای بین ºC۰۰۸-۰۰۴ نیز بررسی شد. تشکیل اسپینل های Mn3O4 و MnFe2O4 در طول اکسیداسیون همدما در دمای ºC ٨٠٠ ، هدایت الکتریکی این صفحات اتصال دهنده را بهبود داد.
نتایج نشان داد که افزایش زمان اکسیداسیون همدما و افزایش دما، باعث افزایش ضخامت لایه اکسیدی می شود و افزایش ضخامت لایه اکسیدی موجب کاهش هدایت الکتریکی می شود.
١. مقدمه
صفحات اتصال دهنده استفاده شده در پیل های سوختی اکسید جامد - - SOFCs جدا کننده قسمت سوخت-آند و قسمت هوا-کاتد در پیل های چند تایی هستند. همچنین این اتصال دهنده ها وظیفه ارتباط الکتریکی از یک پیل به پیل دیگر را بر عهده دارند. اخیرا تلاش محققان منجر به کاهش دمای کاری این پیل ها ºC - ۰۰۸-۰۵۶ - شده است]۱.[ در این محدوده دمای کاری، فولادهای زنگ نزن به عنوان مواد نوید بخشی برای اتصال دهنده ها هستند]۳و۲.[ فولادهای زنگ نزن به دلیل عدم قابلیت نفوذ گاز، هدایت الکتریکی زیاد، قیمت نسبتا پایین، در دسترس بودن و سهولت تولید در مقایسه با مواد سرامیکی ترجیح داده می شوند. در میان فولادهای زنگ نزن، فولادهای زنگ نزن فریتی به دلیل ضریب انبساط حرارتی کم، قابلیت سازگاری بیشتر با الکترولیت سرامیکی و با مواد الکترود، نسبت به فولادهای زنگ نزن آستنیتی ترجیح داده میشوند]
حضور اکسیژن و سوخت در شرایط کاری باعث اکسیداسیون این اتصال دهندهها میشود. لایهای که در طول اکسیداسیون تشکیل می شود شامل یک زیر لایه کرومیا - - Cr2O3 ویک لایه اسپینل Cr-Mn که درلایه خارجی تشکیل می شود]۵.[ تشکیل زیر لایه کرومیا باعث ایجاد مشکلات جدی و کاهش زودرس بازدهی پیل می شود]۷و۶.[ یک اقدام برای غلبه بر مشکلات ذکر شده، استفاده از یک لایه پوشش محافظ بر روی اتصالات به کار رفته دراین پیل ها است. مواد مورد استفاده برای پوشش بایستی هدایت الکتریکی زیاد، هدایت کاتیون کروم کم و قابلیت نفوذ کم آنیون اکسیژن در دماهای کاری بالا را داشته باشد
مطالعات اخیر بر روی ایجاد پوشش های محافظ و رسانا بر روی اتصال دهنده های فولادی به منظور کم کردن مشکلات ذکر شده متمرکز شده اند. اخیرا از عملیات سمانتاسیون فشرده برای ایجاد پوشش آلومینیوم بر روی فولادهای آلیاﮊی به منظور افزایش مقاومت به اکسیداسیون پیل های سوختی اکسید جامد استفاده شده است
در در تحقیقی که توسط Reza Bateni و همکارانش انجام شده اسپیل کبالت- منگنز و اسپیل مس- منگنز را به وسیله ی آبکاری الکتریکی روی فولاد UNS 430 رسوب دادند. لایه اسپیل تشکیل شده چسبندگی خوبی را بر روی زیر لایه در طول سیکلهای حرارتی نشان داد. همچنین اسپینل های تشکیل شده هدایت الکتریکی خوبی از خود نشان دادند
هدف از این تحقیق بررسی اثر ضخامت لایه اکسیدی بر روی هدایت الکتریکی فولاد فریتی ضدزنگ پوشش داده شده به روش سمانتاسیون فشرده در یک مخلوط پودی پایه منگنز بود.
برای به دست آوردن ضخامت لایه اکسیدی و هدایت الکتریکی، اکسیداسیون همد ما در دمای ºC۰۰۸ و اکسیداسیون غیر همدما در دماهای مختلف ºC - ۰۰۸-۰۰۴ - بر روی نمونه های پوشش دار و بدون پوشش اعمال شد.
٢. مواد و روش تحقیق
در این تحقیق از فولاد زنگ نزنفریتی AISI 430 با ترکیب شیمیایی ۴/۷۱% کرم، ۲۹/۰% منگنز، ۵۸/۰% سیلیسیم، ۲۱/۰% کربن و ۷/۰۸% آهن استفاده شد. به منظور انجام آزمایشات اکسیداسیون دمای بالا ابتدا منگنز توسط عملیات سمانتاسیون فشرده بر روی زیرلایه ضدزنگ فریتی رسوب داده شد. برای ایجاد پوشش از این فولاد قطعاتی به ابعاد mm۲mm×۵mm×۰۱ تهیه شد.
در مرحلهی بعد نمونه ها با کاغذ سنباده SiC تا شماره ۰۰۲۱ پولیش و با دستگاه آلتراسونیک در محلول استون و متانول چربی گیری شدند. از پودرهای منگنز، اکسیدآلومینیوم و کلرید آمونیوم با دانه بندی ۰۵۱، ۰۸۱-۰۷ و ۰۴۲ میکرون استفاده شد. بهترین ترکیب پودر بدست آمده توسط محققین در تحقیقات قبل]۱۱[، به صورت۰۱% وزنی Mn، ۳% وزنی NH4Cl به عنوان فعال کننده و ۷۸% وزنی Al2O3 است و مناسب ترین دما و زمان برای بدست آوردن بهترین کیفیت پوشش از لحاظ چسبندگی و عدم تخلخل ºC ۰۰۸ به مدت زمان ۴ ساعت می باشد. برای انجام عملیات پوشش دهی از کوره تحت گاز آرگون استفاده شد.
بعد از انجام عملیات پوشش دهی وزن نمونه ها با ترازوی دیجیتال با دقت ۱۰۰/۰ گرم اندازه گیری شد.
اکسیداسیون همدما در دمای ۰۰۸ درجه سانتی گراد به مدت ۰۰۲ ساعت در هوای ساکن انجام شد. نمونه ها همچنین به مدت ۰۲ ساعت در معرفی اکسیداسیون غیر همدما در دماهای ºC۰۰۸-۰۰۴ قرار گرفتند.
بعد از انجام هر تست نمونه ها وزن شدند و تغییرات وزن محاسبه شد.
برای اندازه گیری هدایت الکتریکی نمونه های پوشش دار و بدون پوشش از تجهیزات نشان داده شده در شکل ۱ استفاده شد. سیم های پلاتینی به یک طرف نمونه ها که پولیش داده شده بودند جوش داده شد. به منظور جلوگیری از چسبیدن نمونه ها به یکدیگر و آلیاﮊ شدن و ایجاد نتایج اشتباه، نمونه های جوش داده شده با سیم های پلاتینی به مدت ۴۲ ساعت در دمای ºC ۰۰۸ پیش اکسیداسیون شدند. برای جلوگیری از عدم اتصال احتمالی نمونه ها از اتصالات نگه دارنده نشان داده شده در شکل ۱ استفاده شد.
