Влияние толщины никель-кобальтовых покрытий токовых коллекторов ТОТЭ на удельное поверхностное сопротивление перехода «токовый коллектор-катод» Текст научной статьи по специальности «Физика»

Влияние толщины никель-кобальтовых покрытий токовых коллекторов ТОТЭ на удельное поверхностное сопротивление перехода «токовый

коллектор - катод»

О.В.Пикалов, С.Д.Родионова, Н.В.Деменева, С.И.Бредихин

ИФТТРАН, 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика Осипьяна, д.2

Investigation of the influence of the thickness of nickel-cobalt coatings of current collectors of solid oxide fuel cells made of Crofer 22 APU steel on the specific surface resistance of the «interconnector-cathode» transition

O.V.Pikalov, S.D.Rodionova, N.V.Demeneva, S.I.Bredikhin

Osipyan Institute of Solid State Physics RAS, 142432, Chernogolovka, Moscow region,

Academician Osipyan, 2

e-mail: pikalov@issp.ac.ru

DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.65

В батареях твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), так же как и в батареях твердоосидных электролизных элементов (ТОЭлЭ), используются токовые коллекторы, выполняющие функции разделения газовых пространств, распределения газовых потоков и обеспечение электрического контакта между соседними элементами. Нержавеющие хромистые стали с содержанием хрома 16 - 25% рассматриваются в качестве материалов для изготовления пластин токовых коллекторов, поскольку такие материалы обладают подходящими значениями коэффициента теплового расширения (КТР), механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью. Так специально для ТОТЭ и ТОЭлЭ разработаны стали марок Crofer 22 APU(H), ZMG 232, Synergy HT, которые содержат 22-24 % хрома [1]. Такие стали очищены от примесей Al, Si и отличаются друг от друга лишь малыми добавками. Существенным недостатком таких сталей является их высокая стоимость.

Однако, несмотря на то, что эти стали были специально разработаны для батарей ТОТЭ/ТОЭлЭ, они не могут использоваться без защитных покрытий, так как все они имеют в своем составе хром, летучие соединения которого, испаряясь, вызывают отравление материала катода[2], что приводит к ухудшению характеристик батарей и последующему выходу из строя. Поэтому разработка новых защитных покрытий является актуальной задачей.

В данной работе рассмотрены никель-кобальтовые защитные покрытия с соотношением никеля и кобальта 3/1, нанесенные на подложку из стали Crofer 22 APU толщиной 1 мм. Исследованы временные зависимости удельного поверхностного сопротивления ASR(t) перехода «токовый коллектор -катод» в течение 4000 ч на воздухе при 850°С и постоянной токовой нагрузке 0,5 А/см2 для покрытий толщиной 7 мкм и 15 мкм. С помощью сканирующей электронной микроскопии получены изображения поперечного сечения исследуемых переходов с элементным анализом вдоль линии.

На рисунке 1 представлены графики изменения ASR(t) переходов «токовый коллектор - катод» для образцов токовых коллекторов с защитным никель-кобальтовым покрытием толщиной 15 и 7 мкм. Для образца с покрытием 15 мкм сопротивление перехода сначала увеличилось с 5 мОмсм2 до 15 мОмсм2 в течении 2000 часов, затем уменьшалось до 10 мОмсм2в течение следующих 1500 часов.

Для образца с покрытием толщиной 7 мкм в течении первых 250 часов наблюдался быстрый рост сопротивления с 7,5 мОм см2 до 14 мОм см2 затем в течении следующих 750 часов наблюдалось уменьшение сопротивления до 7,5 мОм см2 и затем сопротивление фактически не изменялось.

Рисунок 1. Эволюция Л8Я переходов «токовый коллектор - катод».

Рисунок 2. Микрофотография поперечного сечения образцов с защитным покрытием

после испытаний: а) 7 мкм, б) 15 мкм.

На рисунке 2 представлены микрофотографии поперечного сечения образцов после токовых испытаний. Через 3000 ч испытаний под покрытием толщиной 7 мкм

сформировался слой оксида хрома толщиной 2 мкм, а под покрытием толщиной 15 мкм через 4000 ч испытаний сформировался слой оксида хрома толщиной 4 мкм. Согласно данных энергодисперсионного рентгеновского анализа хрома в катодном материале не обнаружено, следовательно, покрытие блокирует диффузию хрома к поверхности. За счет окисления и взаимной диффузии компонентов покрытия и подложки в процессе испытаний состав покрытия с металлического Ni- Co сплава меняется на смесь оксидов состава: (Ni, Co)O, (Ni, Co, Fe)3O4. Вышеперечисленные оксиды являются высокопроводящими, поэтому значения сопротивления перехода токовый коллектор -катод достаточно низкие.

Литература

[1] Crofer 22 APU - Material Data Sheet No. 4046. ThyssenKrupp VDM, 2010.

[2] Kazuhiro Yamamura, Toshihiro Uehara, Shigenori Tanaka, and Nobutaka Yasuda, Oxidation Behavior of Fe-Cr Ferritic Alloy for SOFC Interconnects ZMG232G10 in Air and H2/H2O, ECS Trans., 2013, vol. 57 (1), p. 2177.