Improved Oxidation Resistance and Reduced Cr Vaporization from Thin-Film Coated Solid Oxide Fuel Cell Interconnects
Doktorsavhandling, 2017

High electrical efficiency, clean emissions, and the possibility to operate on a great variety of fuels, such as hydrogen, alcohols and hydrocarbons are some advantages of Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) technology. Too short lifetimes and high production costs have, however, limited the commercialization of this technology. Volatilization of Cr(VI) species and the increased electrical resistance caused by a growing oxide scale are two major degradation mechanisms associated with the use of Cr2O3-forming ferritic stainless steels as interconnect material in a SOFC. In this thesis the possibility to mitigate Cr vaporization and improve oxidation resistance in a cost-effective way, by the application of thin-film metallic Co- and Ce/Co-coatings, was investigated. Uncoated and coated ferritic stainless steels were exposed for up to 3300 h at 650-850 °C. Cr vaporization, oxide scale growth, microstructural and chemical evolution of the oxide scales, as well as the effect these factors have on the electrical resistance of the oxide scale were studied. Cr vaporization was measured using the denuder technique. Oxide scale growth kinetics were studied mainly gravimetrically and the electrical scale resistance was measured ex-situ in an ASR setup using platinum as the electrode material. For chemical, structural and microstructural analysis, SEM/EDX, XRD, BIB/FIB, TEM/EELS and SIMS techniques were utilized. In order to study the oxide scale growth mechanism a two-stage, 18/16O-tracer exposure setup was used. Within the studied temperature interval it was shown that thin-film Co- and Ce/Co-coated ferritic stainless steels exhibit excellent properties as interconnect material in SOFCs. Cr vaporization can be mitigated with a Co-coating. The addition of a Ce-coating can improve the oxidation resistance, and thus decrease the electrical resistance of the oxide scale. The possibility to coat high volumes of steel using Physical Vapour Deposition (PVD) technology, and subsequently press the pre-coated steel into interconnects to allow for gas distribution, was also investigated. Cracks are formed within the coating as the coated steel is pressed into interconnects. The results in this study, however, show that these cracks are able to heal upon exposure at high temperatures.

18O-Tracer exposure

Reactive Element

Coating

SOFC

Cr Vaporization

Interconnect

Corrosion

KA
Opponent: Jeffrey W. Fergus, Auburn University, USA.

Författare

Hannes Falk Windisch

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Energi och material, Oorganisk miljökemi

Reduced long term electrical resistance in Ce/Co-coated ferritic stainless steel for solid oxide fuel cell metallic interconnects

International Journal of Hydrogen Energy,; Vol. 40(2015)p. 8579-8585

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Co- and Ce/Co-coated ferritic stainless steel as interconnect material for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells

Journal of Power Sources,; Vol. 343(2017)p. 1-10

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Chromium vaporization from mechanically deformed pre-coated interconnects in Solid Oxide Fuel Cells

Journal of Power Sources,; Vol. 297(2015)p. 217-223

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The effect of temperature on chromium vaporization and oxide scale growth on interconnect steels for Solid Oxide Fuel Cells

Journal of Power Sources,; Vol. 287(2015)p. 25-35

Artikel i vetenskaplig tidskrift

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.

Ämneskategorier

Bearbetnings-, yt- och fogningsteknik

Annan kemiteknik

Annan materialteknik

ISBN

978-91-7597-540-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4221

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KA

Opponent: Jeffrey W. Fergus, Auburn University, USA.