بخشی از مقاله
چکیده:
پیل سوختی اکسید جامد از دو الکترود آند و کاتد که توسط الکترولیت از یکدیگر جداشدهاند، ساخته میشود. به منظور برقراری اتصال الکتریکی بین آند یک پیل با کاتد پیل مجاور و همچنین جلوگیری از مخلوط شدن دو محیط اکسیدی و احیایی، از اتصالدهنده استفاده میشود. به طور کلی در پیل سوختی اکسید جامد از دو نوع اتصالدهنده فلزی و سرامیکی استفاده میشود که در بین اتصالدهندههای فلزی، فولاد زنگنزن فریتی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد. در این تحقیق به پوششدهی فولاد زنگنزن کروفر که به عنوان صفحات اتصالدهنده پیلهای سوختی اکسید جامد استفاده میشود، پرداخته شده است.
برای رسیدن به خواص مطلوب یک صفحه اتصالدهنده فلزی مورد استفاده در پیلهای سوختی اکسید جامد که شامل مقاومت الکتریکی پایین، مقاومت به اکسیداسیون بالا و انطباق ضریب انبساط حرارتی با دیگر اجزای پیل بوده از پوشش کبالت استفاده شد. این پوشش به روش آبکاری الکتریکی با تنظیم PH محلول حمام در دانسیته جریانهای متفاوت و مدت زمانها و دماهای مختلف بر روی آلیاژ Crofer22APU صورت گرفته است.
با مقایسه پوششهای مختلف در شرایط مختلف بهترین پوشش در زمان 15دقیقه، دمای 25 درجه سانتیگراد، دانسیته جریان 15 میلیآمپر بر سانتیمترمربع و 4/ 8 PH حاصل شد. همچنین برای کنترل کیفیت و مشاهده سطح پوشش از نمونه توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - عکس گرفته شد و آنالیز EDS گرفته شد. نتایج نشان میدهد که پوشش کبالت با خلوص بالا بر روی سطح آلیاژ Crofer22APU تشکیل شده است.
.1 مقدمه
رشد روزافزون استفاده از منابع تجدیدناپذیر فسیلی، محدودیت این منابع و مشکلات زیستمحیطی ناشی از بهکارگیری آنها، سبب توجه جهانیان به تنوع استفاده از انواع انرژی و بهرهگیری از منابع جدید انرژی با استفاده از روشهای پایدار، ایمن و سازگار با محیطزیست شده است. در این میان با توجه به ویژگیهای خاص هیدروژن، پیشبینی میشود که بخش عمدهای از انرژی مورد نیاز نسلهای آینده از این ماده تأمین گردد، به گونهای که برخی از صاحبنظران عصر آتی را متعلق به هیدروژن و فناوری مربوط به آن میدانند.
چنانچه از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده گردد، محصولات آن تنها آب و گرما خواهد بود که هیچگونه آلودگی برای محیطزیست ندارد. فناوری پیل سوختی که در آن هیدروژن طی یک سری واکنشهای الکتروشیمیایی با اکسیژن تولید الکتریسیته و حرارت میکند، یکی از بهترین گزینههای تولید انرژی الکتریکی در آینده محسوب میگردد 1]و.[2 از نظر کاربردی پیل سوختی ابعاد گستردهای دارد. از پیل سوختی در زیردریاییها، سفینه ها، کشتیها، هواپیماها و یا در حوزه-هایی نظیر خودروسازی و شرکتهای نفتی و ... استفاده میشود
پیلهای سوختی وسایل تبدیل انرژی هستند که انرژی شیمیایی سوخت را از طریق انجام جداگانهی دونیم واکنش الکتروشیمیایی اکسیداسیون و احیا به جریان برق تبدیل میکنند
پیلهای سوختی دارای انواع مختلفی هستند اما تمرکز این پژوهش به نوع پیلهای سوختی اکسید جامد است. پیلهای سوختی اکسید جامد در دماینسبتاً بالایی - حدود 800 درجه سانتیگراد - کار میکنند که باعث شتاب بخشیدن به واکنشهای الکترودی میشود و راه را برای استفاده از انواع سوختها باز میکند که شامل آمونیا، متان و نیز بیوسوختها مانند روغنهای گیاهی زائد و بیواتانول هستند.
امروزه از آنجایی که پیلهای سوختی اکسید جامد میتوانند از هیدروژن نیز به عنوان سوخت بهره گیرند، بازار خوبی برای استفاده از هیدروژن فراهم میآورند. نرنست در سال 1899 میلادی اولین پیل سوختی اکسید جامد با خاصیت هدایت یونی را ساخت 5] و .[6 یک پیل سوختی اکسید جامد به تنهایی میتواند یک ولت برق تولید کند. برای افزایش پتانسیل از چندین پیل سوختی در کنار یکدیگر استفاده میکنند.
در پیلهای سوختی اکسید جامد برای افزایش بازدهی - افزایش پتانسیل خروجی - در بین هر مجموعه یک صفحه اتصالدهنده قرار میگیرد این صفحات به دو دسته سرامیکی و فلزی تقسیمبندی میشوند برای کاهش دمای کاری پیل به جای صفحات سرامیکی از صفحات فلزی استفاده می-شود. یکی از بهترین گروهها برای صفحات فلزی، فولادهای زنگ نزن فریتی هستند که بهترین تطابق ضریب انبساط حرارتی را با دیگر اجزای پیل دارند. البته باید مقاومت با اکسیداسیون بالا و مقاومت الکتریکی پایین آلیاژ را نیز مدنظر قرار داد.
در این بین، فولاد زنگ نزن فریتی Crofer22APU به عنوان یک آلیاژ مدرن پیشرفته به دلیل تشکیل لایه اکسیدی اسپینلی منگنز-کروم بر روی اکسید کروم، از ضخیم شدن پوسته اکسیدی جلوگیری کرده و باعث نزدیک شدن به خواص مورد نظر مثل افزایش مقاومت اکسیداسیون، کاهش مقاومت الکتریکی آلیاژ و تطابق ضریب انبساط حرارتی با دیگر اجزای پیل میشود؛ بنابراین انتخاب آلیاژ مناسب به عنوان صفحات اتصالدهنده در پیلهای سوختی بسیار تعیینکننده برای افزایش بازدهی پیل سوختی میباشد.
برای بهتر کردن خواص مورد نظر، در پژوهشهای صورت گرفته توسط محققین، از پوششهای مختلفی استفاده شده است که تا حدود بسیار زیادی، خواص مورد نظر بهبود یافته است. در این پژوهش از پوشش کبالت خالص استفاده شده است.
.2 روش انجام آزمایش
نمونههای مکعبی شکل با ابعاد 2*10*10 از جنس فولاد زنگنزن فریتی Crofer22APU با ترکیب شیمیایی مطابق جدول 1، توسط سنباده تا شماره 2500 ساییده شدهاند. این نمونهها را به یک سیم مفتول مسی توسط فرایند لحیم کاری متصل شدهاند. سپس سطح آن ها را با آب و صابون شسته و به مدت 20 دقیقه در دستگاه التراسونیک در دمای 25 درجه سانتیگراد تمیزکاری سطحی شدند.
برای بالا بردن اکتیویته سطح و لذا بالا بردن چسبندگی پوشش، نمونهها به مدت 2 دقیقه در محلول حاوی 70 درصد آب، 25 درصد اسیدکلریدریک و 5 درصد اسید نیتریک قرار داده شدند و سپس برای چسبندگی بیشتر نمونهها را داخل محلول اسیدکلریدریک و کلرید کبالت قرار داده که یک پوشش سیاه رنگی بر روی سطح ایجاد شد
برای تهیه این محلول ابتدا 1/8 گرم کلرید کبالت را در 20 سیسی آب دو بار تقطیر ریخته و به کمک همزن مغناطیسی همزده شد پس از انحلال کامل 1/8 سیسی اسیدکلریدریک به آن اضافه شد باعث چسبندگی بیشتر و تشکیل پوشش سیاه رنگ بر روی سطح نمونه از آند از جنس کبالت خالص که به قطب مثبت و نمونه مورد نظر به قطب منفی متصل شد و با دانسیته جریان 20 میلیآمپر بر سانتیمترمربع به مدت زمان 10 دقیقه توسط منبع تغذیه انجام شد؛ و سپس در حمام پوششدهی جهت ایجاد پوشش قرار گرفتند.
جدول 1 ترکیب شیمیایی آلیاژCrofer22APU - مقادیر بر حسب درصد وزنی میباشد - .[5]
اجزا و مقدار مواد مورد استفاده برای تهیه حمام پوششدهی در جدول 2 آمدهاند. در تهیه این محلول، ابتدا اسید بوریک را در آب دو بار تقطیر به کمک همزن مغناطیسی همزده شد که در ادامه سولفات کبالت و پس از انحلال کامل آن کلرید کبالت و همچنین در ادامه کلرید سدیم به محلول افزوده شده است و همزدن به مدت 30 دقیقه ادامه یافته است. سپس pH حمام توسط اسید سولفوریک رقیق و هیدروکسید آمونیوم در مقدارهای 4، 4/3، 4/5، 4/8 و 5 تنظیم شده؛ در ادامه فرآیند آند از جنس کبالت خالص به قطب مثبت و نمونه مورد نظر به قطب منفی متصل میشود که با دانسیته جریانهای 15 و 20 میلیآمپر بر سانتیمترمربع به مدت زمانهای 10، 12، 15 و 20 دقیقه و در دماهای 25، 35، 45، 60 درجه سانتیگراد پوششدهی صورت میگیرد.
جدول .2 ترکیب شیمیایی حمام آبکاری الکتریکی کبالت خالص.
.3 نتایج و بحث
3؛.1 عملیات پوششدهی یکی از پوششهای مناسب برای صفحات اتصال دهنده در پیلهای سوختی اکسید جامد، پوشش کبالت میباشد که به روش رسوبدهی الکتریکی قابل اعمال میباشد. در این روش روکش کبالت به صورت اثربخشی انتقال کرومیوم به خارج را کاهش میدهد که موجب کاهش زیاد تبخیر کرومیوم میشود
قبل از پوشش دهی آماده سازی سطح صورت گرفته است و به منظور بالا بردن اکتیویته سطح و لذا بالا بردن چسبندگی پوشش، نمونهها به مدت 2 دقیقه در محلول حاوی 70 درصد آب، 25 درصد اسیدکلریدریک و 5 درصد اسید نیتریک قرار داده شدهاند و سپس پوششدهی - کبالت خالص - صورت گرفت.[10] به مدت زمانهای 15 و 20 دقیقه در دانسیته جریان 20 میلیآمپر در PHهای 4/3 ، 4/5 و 4/8 و در دماهای 25 و 60 درجه سانتیگراد صورت پذیرفت اما پوشش بر روی نمونه تشکیل نشد زیرا چسبندگی کافی برای تشکیل پوشش وجود نداشت. در نتیجه برای چسبندگی بیشتر پس از اینکه نمونه به مدت 2 دقیقه در محلول حاوی آب، اسیدکلریدریک و اسید نیتریک قرار داده شد
