Improved Oxidation Resistance and Reduced Cr Vaporization from Thin-Film Coated Solid Oxide Fuel Cell Interconnects

Doctoral thesis, 2017

Bränsleceller är energiomvandlare som på ett effektivt sätt kan omvandla ett bränsle till elektricitet via en kemisk process, likt batterier. Fördelen med bränsleceller är att dessa genererar el så länge bränsle finns tillgängligt, i motsats till batterier vilka måste laddas när batteriet tagit slut. Det finns många fördelar med bränsleceller, som hög elektrisk verkningsgrad, låg ljudnivå, inga partiklar bildas under energiomvandlingen och likt batterier är de skalbara (från ett par W upp till MW). Polymerelektrolytbränslecellen är idag den vanligast förkommande bränslecelltypen. Nackdelen med den är att endast vätgas kan användas som bränsle. Vätgas som br�nsle har många fördelar, t.ex. bildas endast vatten som avgaser. Den stora nackdelen är dock avsaknaden av infrastruktur för vätgas. Fastoxidbränslecellen är en annan typ av bränslecell som kan omvandla nästan vilket bränsle som helst (vätgas, bio- och naturgas, etanol och även diesel) till el. Möjligheten att generera el från olika typer av bränslen är kopplat till den höga drifttemperaturen (600-1000 °C), vilket ställer höga krav på materialen som används i bränslecellen. I det här arbetet har material som används i fastoxidbränsleceller studerats, framförallt med fokus på sänkta materialkostnader i kombination med ökad prestanda. Komponenten som har studerats är de bipolära plattorna, vilka idag framförallt är gjorda av rostfritt stål. Anledningen till att dessa stål inte rostar, är att de bildar ett skyddande kromoxidskikt på ytan. Två fenomen som är kopplade till de bipolära plattorna bidrar till en snabbt försämrad prestanda av bränslecellen: (1) förångning av kromföreningar, vilka deponeras på katoden där de hindrar de kemiska reaktionerna att ske samt (2) ett ökat elektriskt motstånd med tiden, orsakat av ett växande kromoxidskikt på stålytan (korrosion). Dessa två mekanismer har undersökts i detta arbete. För att lösa de två problemen har de bipolära stålplattorna belagts med extremt tunna beläggningar av kobolt (600 nanometer) och cerium (10 nanometer). Resultaten i den här forskningen visar att det tunna koboltskiktet sänker förångningen av kromföreningar dramatiskt, och att ett extremt tunt skikt av cerium får kromoxiden att växa mycket långsammare vilket leder till ett lägre elektriskt motstånd.  Forskningen har gjorts i samarbete med industrin, och därför kan dessa material redan idag massproduceras. Ett av problemen för massproduktion var att stålet först beläggs, och i ett senare skede, deformeras mekaniskt vilket leder till stora sprickor i beläggningen och möjligen en ökad förångning av kromföreningar. Forskningen visade dock att dessa sprickor inte leder till en ökad förångning av kromföreningar eftersom det koboltrika skiktet på ytan läker ihop med tiden vid de höga driftstemperaturerna.