Журналы →  Черные металлы →  2025 →  №5 →  Назад

Нанесение покрытий и защита от коррозии
Название Исследование эволюции морфологии поверхности и элементного состава покрытий на основе кобальт-марганцевой шпинели токовых коллекторов твердооксидных топливных элементов в окислительной среде
DOI 10.17580/chm.2025.05.13
Автор А. В. Храменкова, О. А. Финаева, Н. В. Деменева, Е. А. Яценко
Информация об авторе

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова, Новочеркасск, Россия

А. В. Храменкова, доцент кафедры общей химии и технологии силикатов, канд. техн. наук, эл. почта: anna.vl7@yandex.ru
О. А. Финаева, инженер кафедры общей химии и технологии силикатов, эл. почта: olya.finayeva.01@bk.ru
Е. А. Яценко, зав. кафедрой общей химии и технологии силикатов, профессор, докт. техн. наук, эл. почта: e_yatsenko@mail.ru


Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН), Черноголовка, Россия

Н. В. Деменева, научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: ladyn@issp.ac.ru

Реферат

Приведены результаты исследования физико-химических свойств покрытий на основе кобальт-марганцевой шпинели при их испытаниях в модельной камере твердооксидного топливного элемента. Синтез покрытий проводили с использованием метода нестационарного электролиза. При сопоставлении микрофотографий покрытий до и после высокотемпературного окисления видно, что при окислении происходит кристаллизация покрытия и укрупнение составляющих их фрагментов. При этом в результате рентгеноспектрального микроанализа установлено, что в процессе окисления наблюдается увеличение концентрации хрома, марганца и железа, что можно связать с диффузией данных элементов из стали к поверхности покрытия. Согласно данным картирования, кобальт и марганец распределены равномерно по поверхности покрытия, а хром, входящий в состав подложки, сосредоточен в трещинах покрытия. Рентгенографический анализ показал, что покрытие находится в рентгеноаморфном состоянии. При этом в результате окисления на воздухе в течение 1000 ч при температуре 850 oC покрытие становится более окристаллизованным. Кроме рефлекса кобальт-марганцевой шпинели присутствуют фазы Fe – Cr, Cr2O3 и Fe3O4. Изучение изменения привеса образцов покрытий и чистой стали в циклическом режиме нагрев – выдержка – охлаждение с печью показало, что окисление стали Crofer 22 APU без покрытия происходит с первых часов по параболическому закону: скорость определяется термодиффузией хрома через растущий на поверхности стали окисел к поверхности. У образцов с покрытием в первые 10 ч наблюдается уменьшение массы, а затем привес также растет по параболическому закону. При этом значения рассчитанных констант скорости показывают эффективность разработанных покрытий.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-23-00113, https://rscf.ru/project/24-23-00113/.

Ключевые слова Твердооксидные топливные элементы, токовые коллекторы, защитные покрытия, кобальт- марганцевая шпинель, нестационарный электролиз, высокотемпературное окисление, константа скорости окисления
Библиографический список

1. Калинина Е. Г., Пикалова Е. Ю. Новые тенденции в развитии метода электрофоретического осаждения в технологии твердооксидных топливных элементов: теоретические подходы, экспериментальные решения и перспективы развития // Успехи химии. 2019. Т. 88. № 12. С. 1179–1219.

2. Chun O., Jamshaid F., Khan M. Z., Gohar O. et al. Advances in lowtemperature solid oxide fuel cells: An explanatory review // Journal of Power Sources. 2024. Vol. 610. 234719.
3. Савчук В., Мегель Ш., Гирдаускайте Э., Трофименко Н. и др. Влияние защитных покрытий на эффективность работы твердооксидных топливных элементов // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 5. С. 558–567.
4. Mao J., Wang E., Wang H., Ouyang M. et al. Progress in metal corrosion mechanism and protective coating technology for interconnect and metal support of solid oxide cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2023. Vol. 185. 113597.
5. Zhou L., Mason J. H., Li W., Liu X. Comprehensive review of chromium deposition and poisoning of solid oxide fuel cells (SOFCs) cathode materials // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020. Vol. 134. 110320.
6. Деменева Н. В., Бредихин С. И. Формирование оксидных пленок и диффузионные процессы в приповерхностных слоях токовых коллекторов твердооксидных топливных элементов // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 8. С. 808–813.
7. Ананьев М. В., Солодянкин А. А., Еремин В. А., Фарленков А. С. и др. Защитные покрытия La – Mn – Cu – O на стали-интерконнекторе 08Х17Т для твердооксидных топливных элементов, полученные методом электрокристаллизации из неводных растворов электролитов // Известия вузов. Цветная металлургия. 2017. № 6. С. 70–80.
8. Бушуев А. Н., Толстобров И. В., Елькин О. В., Саетова Н. С. и др. Разработка интерконнекторов твердооксидных топливных элементов, устойчивых к высокотемпературной коррозии, на основе отечественных материалов // Успехи в химии и химической технологии. 2023. Т. 37. № 2. С. 25–28.
9. Yu Y. T., Lu Y., Guan C. Z., Wang J. Q. et al. Evaluation of the reactive-sintered (Mn, Co)3O4 spinel layer for SOFC cathode-side contact application // International Journal of Hydrogen Energy. 2022. Vol. 47, Iss. 87. P. 36964–36971.
10. Wang B., Li K., Liu J., Yang T. et al. Fabricating a MnCo coating to improve oxidation resistance and electrical conductivity of Crofer22H alloy as SOFC interconnect // International Journal of Hydrogen Energy. 2024. Vol. 50. P. 1503–1514.
11. Li F., Zhang P., Zhao Y., Yang D. et al. The preparation and properties of Mn – Co – O spinel coating for SOFC metallic interconnect // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48, Iss. 42. P. 16048–16056.
12. Chanson R., Bouvier M., Miserque F., Rouillard F. et al. Influence of cobalt and cobalt–manganese oxide coating thickness deposited by DLIMOCVD as a barrier against Cr diffusion for SOC interconnect // High Temperature Corrosion of Materials. 2024. Vol. 101. P. 1467–1478.
13. Храменкова А., Арискина Д., Яценко Е. Каталитические свойства и термическая устойчивость гибридных материалов на поверхности стали, полученных методом нестационарного электролиза // Черные металлы. 2020. № 10. С. 39–44.

Language of full-text русский
Полный текст статьи Получить
Назад