analiza własności materiałów z przeznaczeniem na okładki

Monika Drabek
Politechnika Częstochowska, Inżynieria Środowiska, specjalność: Inżynieria Energii
ul. J. H. Dąbrowskiego 73, 42-200 Częstochowa,
e-mail: [email protected]
ANALIZA WŁASNOŚCI MATERIAŁÓW Z PRZEZNACZENIEM
NA OKŁADKI NISKOTEMPERATUROWYCH
OGNIW PALIWOWYCH
Streszczenie
Ogniwa paliwowe to jedne z najbardziej obiecujących urządzeń elektrochemicznych, służących do
konwersji energii. Urządzenia tego typu przetwarzają energię chemiczną paliwa na energię elektryczną ze
stosunkowo dużą sprawnością. Ogniwa paliwowe są powszechnie uznane za „czystą” i bezemisyjną technologię,
stąd duże zainteresowanie rozwijaniem tej gałęzi nauki.
Podstawowymi częściami konstrukcyjnymi ogniw paliwowych są: elektrody, elektrolit oraz okładki, zwane
również interkonektorami. Reakcje elektrochemiczne zachodzą na powierzchni elektrod; wodór utlenia się na
anodzie, a tlen ulega redukcji na katodzie, w oparciu o reakcje redoks. Elektrolit pełni funkcję przekaźnika
protonów, uniemożliwiając przepływ elektronów. Okładki, stanowiące ponad 80% masy ogniwa, spełniają kilka
ważnych funkcji, które opisano w niniejszej pracy.
Uwzględniając agresywne środowisko panujące w celi ogniwa, niezmiernie ważnym jest dobór
odpowiednich materiałów na poszczególne elementy wodorowych ogniw paliwowych. Od materiałów na
okładki/interkonektory wymaga się przede wszystkim wysokiej odporności na korozję oraz odpowiednich
właściwości mechanicznych. W ogniwach typu PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – ogniwa
paliwowe z membraną protonowymienną), procesy korozyjne są intensyfikowane obecnością jonów
pochodzących z membrany tj. F-, SO3-, SO4-.
Przedmiotem pracy jest przedstawienie funkcji oraz wymogów stawianych materiałom przeznaczonym na
okładki ogniw paliwowych. W artykule zaprezentowano metodykę badań odporności korozyjnej stali
spiekanych, przeznaczonych na okładki. Analiza korozyjna została przeprowadzona dla stali austenitycznych:
304 LHD, 316 LHD, jak i stali ferrytycznej: 434LHC. Badania prowadzono w roztworze Na2SO4, zawierającym
2 ppm F- o pH=1, pH=3, pH=5 w temperaturach 20 oC i 80 oC.
Wstęp
Zanieczyszczenia powietrza stanowią główną przyczynę globalnych zagrożeń
środowiska. Do związków zanieczyszczających atmosferę należą: dwutlenek węgla i siarki,
tlenki azotu i pyły. Zgodnie z definicją WHO powietrze zanieczyszczone to takie, którego
skład chemiczny może wpływać negatywnie na zdrowie człowieka, zwierząt, roślin lub też na
inne elementy środowiska (woda, gleba). Skażenie powietrza jest szczególnie niebezpieczne
ze względu na „mobilność” mas powietrza. Dzięki zjawisku dyfuzji w atmosferze zachodzi
swobodne rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń i transport na znaczne odległości. Do
głównych źródeł zanieczyszczeń powietrza możemy zaliczyć: chemiczną konwersję paliw
(w elektrowniach, elektrociepłowniach itp.), wydobycie i transport surowców, przemysł
chemiczny (a także rafineryjny, metalurgiczny, cementowy), motoryzację. Niektóre z nich
można ograniczać lub też całkowicie wyeliminować dzięki zastosowaniu nowoczesnych
metod konwersji energii. Do takich właśnie należy technologia ogniw paliwowych. Ogniwa
paliwowe niskotemperaturowe mogą z powodzeniem zastąpić małe mobilne generatory
energii elektrycznej i ciepła. Sprawdzają się doskonale jako wytwornice prądu elektrycznego
w silnikach hybrydowych samochodów osobowych (lub całkowicie elektrycznych)
i dostawczych. Są świetnymi źródłami zasilania urządzeń elektronicznych tj.: komputery,
telefony. Zastosowane jako małe, przydomowe generatory energii elektrycznej i ciepła
(CHP), uniezależniają od ograniczeń dostaw prądu, wpływając na zmniejszenie emisji
zanieczyszczeń z małych kotłowni. Aby w pełni rozwinąć technologię wodorową konieczne
1
jest, aby ogniwa paliwowe były tańsze, co jest związane z obniżeniem kosztów produkcji
poszczególnych elementów generatorów. Z uwagi na agresywne środowisko pracy, elementy
ogniw paliwowych muszą być wykonywane z materiałów wytrzymałych, o odpowiedniej
odporności korozyjnej. W artykule zostaną opisane badania nad alternatywnymi, tańszymi
materiałami, znajdującymi zastosowanie na elementy konstrukcyjne ogniw paliwowych.
Zasada działania ogniwa paliwowego
Działanie ogniwa paliwowego (a konkretnie wodorowego) opiera się na zjawisku
elektrochemicznej konwersji paliwa, jakim jest gazowy wodór. Wodór podawany jest na
anodę (-) ogniwa, gdzie ulega dysocjacji na kationy wodorowe i elektrony zgodnie
z równaniem reakcji (1):
2H2→ 4H+ + 4e(1)
Tworzące się w ten sposób elektrony zmierzają do katody poprzez zewnętrzny obwód
elektryczny, powodując przepływ prądu w podłączonych do układu odbiornikach. Protony
natomiast transportowane są przez selektywną membranę do katody. Na katodzie tlen reaguje
z elektronami, tworząc aniony O2-:
O2 + 4e-→ 2O2(2)
Natomiast protony H+ są zobojętniane zjonizowanym tlenem:
2O2- + 4H+→ 2H2O
(3)
Końcowym produktem pracy ogniwa jest H2O w postaci ciekłej lub gazowej[1].
Rysunek 1. Budowa ogniwa paliwowego-schemat (rysunek zaczerpnięto z monografii: A. Dudek, R.
Włodarczyk, Ogniwa paliwowe jako niekonwencjonalne źródła energii, Wydział Inżynierii Procesowej,
Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Politechnika Częstochowska)
Niewątpliwą zaletą ogniw paliwowych jest to, że nie podlegają one ograniczeniom
wynikającym z inżynierskiego ujęcia II zasady termodynamiki (silnik cieplny- silnik
Carnota). Zatem sprawność ogniwa nie zależy od ilorazu temperatury górnego i dolnego
źródła i może osiągać wartość nawet do 70%.
Podstawowymi elementami budującymi pojedynczą celę niskotemperaturowego ogniwa
paliwowego są:
• elektrody (anoda i katoda),
• elektrolit
• okładki ogniwa (interkonektory, ang. – bipolar plate)
2
Najważniejszymi z punktu widzenia reakcji chemicznych są elektrody, bowiem na ich
powierzchni zachodzą reakcje redoks 1 . Ze względu na skomplikowany i długoterminowy
przebieg procesu syntezy wody na powierzchniach elektrod umieszcza się katalizator
platynowy, obniżający poziom energii aktywacji, przyspieszając tym samym proces.
Między elektrodami znajduje się elektrolit stały (w ogniwach niskotemperaturowych),
w postaci membrany. Umożliwia on dyfuzję jonom H+, blokując transport elektronów i jonów
tlenu pochodzących od katody. W powszechnie stosowanych ogniwach, jako elektrolit stosuje
się między innymi produkt firmy DuPont o rynkowej nazwie NAFION®.
Każdą celę ogniwa otwierają i zamykają interkonektory (okładki). Ich zadaniem jest:
•
równomierność rozprowadzenia paliwa i utleniacza,
•
przewodzenie prądu elektrycznego pomiędzy sąsiadującymi ze sobą celami,
•
odprowadzenie ciepła z ogniwa,
•
zapobieganie wychłodzeniu układu,
• ograniczenie skali wycieku gazów reakcyjnych[2]
Zdaniem autorów Hermann[3] oraz Mehta i Cooper[4], materiały stosowane na okładki
powinny posiadać takie właściwości jak:
-
odpowiednią stabilność termiczną ,
odpowiednią gęstość(<5 g cm-3),
porowatość około 13%,
hydrofobowość,
odpowiednie przewodnictwo cieplne oraz elektryczne ,
odporność na korozję (prąd korozyjny <0.016 mA cm-2)
Dodatkowo materiał ten musi charakteryzować się dobrymi właściwości mechanicznymi.
Wykonanie okładek jest więc kosztowne i pracochłonne.
okładka ogniwa
MEA=elektrody+elektrolit
okładka ogniwa z widocznymi
kanalikami
Rysunek 2. Elementy składowe ogniwa paliwowego
1
Reakcje redoks- zachodzące równolegle utlenianie i redukcja
3
Wśród wielu materiałów stosowanych na okładki ogniw paliwowych znalazły się, między
innymi, odlewy stali nierdzewnych, na powierzchni których perforowano kanaliki (jak na
zamieszczonym zdjęciu). Kanaliki mają za zadanie równomierne rozprowadzenie gazowych
czynników po powierzchni elektrod. Ich wykonanie jest bardzo precyzyjne przez co czaso- i
pracochłonne. Wiele ośrodków naukowych na całym świecie prowadzi badania dotyczące
wdrożenia nowych, prostszych technologii produkcji okładek ogniwa. Również Katedra
Inżynierii Energii Wydziału Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechniki Częstochowskiej
podejmuje to zagadnienie. Prostsza i tańsza produkcja okładek, to niższa cena całego ogniwa,
a więc i jego komercjalizacja.
Cel i zakres badań
Zważając na przytoczoną problematykę, niezbędne jest zbadanie możliwości
zastosowania materiałów metalicznych na okładki ogniw paliwowych. Rozwiązaniem
problemu wydają się być spiekane z proszków stale nierdzewne, dzięki niskim kosztom
wytwarzania, oraz ich szczególnym własnościom. Ze względu na wymaganą odporność na
korozję materiałów przeznaczonych na okładki ogniw paliwowych, zakres badań dotyczył
określenia własności ochronnych materiałów spiekanych. W tym celu wyznaczono parametry
korozyjne tj. Ekor- potencjał korozyjny, ikor – prąd korozyjny, określające szybkość korozji
materiałów w danym środowisku. Właściwości materiałów spiekanych badano w urządzeniu
zwanym potencjostatem. W celu dokładnego odzwierciedlenia warunków panujących w celi
ogniwa zamodelowano skład i temperaturę roztworu. Jako roztwór referencyjny wybrano
wodny roztwór siarczanu(VI) sodu- Na2SO4 o stężeniu 0,1 mol/dm3, zawierający 2 ppm
anionów fluorkowych F-. Odczyn pH roztworu ustalono na poziomie równym 1, 3 oraz 5
(uwzględniając wzrost stężenia elektrolitu w trakcie pracy ogniwa, spowodowanego
wzrastająca ilością kationów wodorowych). Badania prowadzono w temperaturze roztworu
równej 293K i 353K.
Materiał użyty do badań
Materiał przeznaczony do analizy został przygotowany i wykonany przez firmę
Höganäs z siedzibą w Szwecji. Badania prowadzono na rozpylanych wodą proszkach stali
nierdzewnych: 304LHD, 316LHD oraz 434LHC. Ich skład chemiczny został przedstawiony
poniżej
Tablica 1. Skład chemiczny proszków użytych do badań:
Gatunek
proszku
C[%]
Mo[%]
Ni[%]
Cr[%]
Si[%]
Mn[%]
Fe[%]
1.
304LHD
0,013
-
11,2
18,9
0,9
0,1
reszta
2.
316LHD
0,025
2,2
12,3
16,7
0,9
0,1
reszta
3.
434LHC
0,015
0,98
-
16,2
0,8
0,1
reszta
Lp.
Proszki poddano prasowaniu (a następnie chłodzeniu na powietrzu) przy zastosowaniu
obciążenia odpowiednio: 705MPa, 700MPa oraz 765MPa oraz spiekaniu w temperaturze
4
1250oC w czasie 30 minut, w atmosferze amoniaku (poprawiającym właściwości
antykorozyjne spieku).
Rysunek 3. Mikrostruktury spieków wykonano przy zastosowaniu skaningowego mikroskopu elektronowego
JOEL Model JSM-5400 , powiększenie x500: a) spiek 304LHD, b) spiek 316LHD,c)spiek 434LHC
Obecność dodatków w postaci Cr, Mo, Ni wpływa na poprawę właściwości korozyjnych stali.
Z załączonej tabeli wynika, że największy dodatek komponentów posiada próbka stali
nierdzewnej 316LHD. Obserwując zdjęcia mikrostruktury spieków (wykonane skaningowym
mikroskopem elektronowym) można zauważyć, że to właśnie próbka „b” odznacza się
najbardziej jednorodną strukturą. Można zatem przypuszczać, że to ona będzie posiadała
najlepsze właściwości korozyjne
Stanowisko pomiarowe
Oznaczenie korozyjności materiałów wykonywano w urządzeniu zwanym
potencjostatem. Najważniejszym elementem potencjostatu jest cela pomiarowa, w skład
której wchodzą trzy elektrody zanurzone w elektrolicie. Jedną z elektrod stanowi badana
próbka (elektroda robocza), drugą jest elektroda odniesienia (w naszym przypadku platynowy
drucik), trzecia elektroda to kalomelowa elektroda odniesienia (nasycona elektroda
kalomelowa NEK).
przeciwelektrodadrucik Pt
elektroda-badana próbka
elektroda porównawcza-kalomelowa
NEK
Rysunek 4. Schemat celi pomiarowej potencjostatu
5
Efekt pracy potencjostatu
Efektem pracy potencjostatu jest tzw. krzywa polaryzacji. Krzywa przedstawia
zależność funkcyjną potencjału (na osi odciętych) i gęstości prądu (na osi rzędnych).
Gęstość prądu anodowego [A/cm2]
krzywa polaryzacji metalu z
aktywnym roztwarzaniem
ipk
krzywa polaryzacji
metalu pasywującego się
iF
1
ip
2
stan
stan
stan
aktywny przejściowy pasywny
Ekor Ep=EF
Eak
Eprz Etr
Potencjał [V]
Rysunek 5. Krzywe polaryzacji metali roztwarzających się i ulegających pasywacji. Potencjały: Ekor- korozyjny,
Ep- pasywacji, Ef- Flady’ego, Eak- aktywacji, Eprz- przebicia, Etr- transpasywacji, ip- prąd pasywacji, ipk- prąd
początku pasywacji, 1- zakres korozji wżerowej, 2- zakres korozji ogólnej
Krzywą polaryzacji można podzielić na dwa zasadnicze elementy: polaryzację katodową
i polaryzację anodową. Z punktu widzenia prowadzonych badań ważniejszym jest odcinek
polaryzacji anodowej. Obserwując jej przebieg można określić w jaki sposób zachowuje się
materiał umieszczony w środowisku korozji. Zatem możemy mówić o krzywej polaryzacji
metalu pasywującego się 2 , oraz o krzywej polaryzacji metalu aktywnie roztwarzającego się
w elektrolicie. Najważniejszymi punkami wykresu są potencjał korozji Ekor i prąd korozji ikor.
Potencjał korozji odczytujemy bezpośrednio z wykresu, natomiast prąd korozji wyznaczany
jest w następujący sposób (rysunek 6): na krzywych potencjodynamicznych przeprowadzono
odcinek styczny do prostoliniowego odcinka części katodowej (odcinek polaryzacji
katodowej). Styczna o nachyleniu 118mV/dekadę (przyjęte nachylenie jest stosowane dla
2
Pasywacja to proces wytwarzania przez niektóre grupy substancji warstw ochronnych (powłok pasywnych).
Powłoka ta jest produktem utworzonym na skutek reakcji chemicznych jakie zachodzą pomiędzy materiałem a
otoczeniem. O zjawisku pasywacji mówi się wtedy, gdy powstająca na powierzchni metalu warstwa jest
całkowicie odporna na dalsze reakcje, zachodzące w tym środowisku, a jednocześnie musi być na tyle szczelna
aby stanowić warstwę ochronną przed innymi składnikami biorącymi udział w procesie.
6
czystego żelaza a także stali w temperaturze 25oC) przecina prostą równoległą do osi prądów,
wychodzącą z punktu odpowiadającemu potencjałowi korozyjnemu na osi potencjałów.
Miejsce przecięcia obu prostych wyznacza wartość prądową, uznaną za wartość prądu
korozyjnego (mA cm-2)[5].
Rysunek 6. Przyjęty w pracy sposób wyznaczania potencjału korozji i prądu korozji z krzywych potencjodynamicznych
(Zaczerpnięto z R.Włodarczyk, Własności antykorozyjne kompozytowych powłok na bazie polipirolu wytwarzanych na
pasywujących się podłożach, Rozprawa doktorska, Częstochowa 2003, str. 48)
Wyniki badań i ich dyskusja
Zamieszczone wykresy przedstawiają wyniki badań korozyjności próbek spiekanych
stali nierdzewnych. Na każdym z wykresów zestawiono próbki w taki sposób, aby możliwe
było szybkie porównanie. Ze względu na duże wahania wartości ustalono skalę logarytmiczną
na osi gęstości prądu.
W celu określenia wpływu składu materiału na odporność korozyjną stali spiekanych,
zarejestrowano krzywe polaryzacji w roztworze Na2SO4+2 ppm F-, w temperaturze 293K
pH=1 (rys. 7a), pH=3 (rys. 7b), pH=5 (rys. 7c). Skład materiału wpływa na wartość
potencjału korozji. W roztworze o pH=1, materiały spiekane ulegają pasywacji, o czym
świadczy gwałtowny spadek wartości prądowych w zakresie potencjału od 0.0 V do 1.0V
wzgl. NEK. Po przekroczeniu napięcia 1.0 V, następuje gwałtowny wzrost prądu związany z
przebudowywaniem warstwy pasywnej lub wydzielaniem tlenu. Podobna sytuacja ma miejsce
w przypadku pH=3 oraz pH=5 (rysunek 7b i 7c). Obserwujemy tu spadek wartości prądu dla
tych samych zakresów potencjału (0.0 –1.0V wzgl. NEK). Spośród trzech próbek, badanych
w temperaturze 293K, największym potencjałem i najniższym prądem korozji charakteryzuje
się 316LHD. Zatem próbka ta posiada najlepsze właściwości korozyjne. Przyczyn można
dopatrywać się w komponentach Mo, Ni, Cr, których spiek 316LHD posiada najwięcej.
7
Current density/mA cm
-2
Poprawiają one strukturę spieku, czyniąc ją bardziej jednorodną i odporną na agresywne
środowisko.
10
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
0.1M Na2SO4, 2ppm F
pH=1, T=293K
-
304LHD
316LHD
434LHC
a
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Potential/ V vs. SCE
10
2
10
1
10
0
Current density/mA cm
-2
-
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
0.1M Na2SO4, 2ppm F
pH=3, T=293K
304 LHD
316 LHD
434 LHC
b
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Potential/ V vs. SCE
8
10
2
10
1
10
0
-
Current density/mA cm
-2
0.1M Na2SO4, 2ppm F
pH=5, T=293K
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
304LHD
316LHD
434LHC
c
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Potential/ V vs. SCE
Rysunek 7. Krzywe polaryzacji próbek: a) 304LHD,b) 316LHD,c) 434LHC, badane w roztworze Na2SO4
(+2ppm F-) w temperaturze T=293K
W celu określenia wpływu temperatury pracy ogniwa na intensywność procesów
korozyjnych, zarejestrowano krzywe potencjokinetyczne w temperaturze 353K. Wiadome
jest, że ze wzrostem temperatury wzrasta szybkość procesów degradacji materiałów.
Jednakże, ze wzrostem temperatury maleje też rozpuszczalność tlenu, czynnika
odpowiedzialnego za utlenianie materiału. Przebieg krzywej potencjokinetycznej wykazuje
podobny charakter zarówno w temperaturze 293K, jak i w temperaturze 353K. Przy pH=1
obserwuje się wyraźny pasywny przebieg w zakresie potencjałów 0.0 V do 1.0 V wzgl. NEK.
Dla pH=3 oraz pH=5 obserwuje się nieco mniej wyraźny, aczkolwiek obecny pasywny
przebieg.
10
3
10
2
10
1
10
0
-
Current density/mA cm
-2
0.1M Na2SO4, 2ppm F
pH=1, T=353K
10
-1
10
-2
304 LHD
316 LHD
434 LHC
d
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Potential/ V vs. SCE
9
2
10
Current density/mA cm
-2
-
0.1M Na2SO4, 2ppm F
pH=3, T=353K
1
10
0
10
-1
10
-2
10
304 LHD
316 LHC
434 LHC
-3
10
e
-4
10
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Potential/ V vs. SCE
2
10
1
10
0
Current density/mA cm
-2
10
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
0.1M Na2SO4, 2ppm F
pH=5, T=353K
304 LHD
316 LHD
434 LHC
f
-0.5
-
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Potential/ V vs. SCE
Rysunek 8. Krzywe polaryzacji próbek: d) 304LHD, e)316LHD, f)434LHC, badane w roztworze Na2SO4
(+2ppm F-) w temperaturze T=353K
Tabela zestawia wartości potencjału i prądu korozji próbek, w zależności od pH i temperatury
roztworu
Tablica 2. Wartości potencjału i prądu korozji
pH
1
Ekor [V]
ikor [mA cm-2]
304LHD 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppmF-
-0.35
0.600
316LHD 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
-0.30
0.200
T[K]
Materiał
293
293
Roztwór
10
-0.42
0.020
-0.40
0.010
304LHD 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
293
316LHD 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
293
-3
434LHC 0.1mol dm Na2SO4+2ppm F
293
304LHD 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
293
-3
316LHD 0.1mol dm Na2SO4+2ppm F
293
-3
434LHC 0.1mol dm Na2SO4+2ppm F
353
-3
304LHD 0.1mol dm Na2SO4+2ppm F
353
316LHD 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
-0.52
8.000
353
434LHC 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
-0.30
1.200
-0.41
0.200
353
5
2.300
293
5
3
-0.50
434LHC
3
1
0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
293
304LHD
-3
0.1mol dm Na2SO4+2ppm F
-
-0.49
-0.24
-0.26
-0.51
0.028
0.010
0.010
0.015
1.500
-0.32
353
316LHD 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
-0.50
0.190
353
434LHC 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
-0.40
0.080
353
304LHD 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
353
316LHD 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
-0.50
0.015
353
434LHC 0.1mol dm-3 Na2SO4+2ppm F-
-0.29
0.028
-0.51
0.050
11
Rysunek 9. a)spiek 304LHD, b) spiek 316LHD, c)spiek 434LHC. Próbki badano w środowisku roztworu Na2SO4 z
dodatkiem 2 ppm F-, przy pH=1 i w temperaturze 353K
Wnioski
Badania prowadzone w roztworze o temperaturze 293K pokazują, że najlepszymi
właściwościami korozyjnymi charakteryzuje się próbka 316 LHD. Przebieg krzywych w
zakresie anodowym wskazuje, że na powierzchni badanych próbek zachodzi zjawisko
pasywacji i pasywacja ta jest tym silniejsza, im wyższe pH roztworu. Procesy korozyjne
przebiegają najintensywniej i najszybciej w podwyższonej temperaturze elektrolitu (rysunek
8). Na rysunku 9 zostały przedstawione ubytki w materiale, spowodowane korozją wżerową.
Zdjęcia próbek pokorozyjnych wykonano przy użyciu mikroskopu optycznego o stukrotnym
powiększeniu. Widać na nich, że stale 304 i 316 LHD zachowały ciągłość struktury,
natomiast na stali ferrytycznej widać wyraźne korozyjne wżery. Przyczyn można dopatrywać
się właśnie w obecności dodatków Mo, Cr, Ni i bardziej jednorodnej strukturze spieków
austenitycznych, porównaniu z ferrytycznymi.
Podsumowanie
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Parametry korozyjne określające możliwość wykorzystania materiałów spiekanych na
okładki ogniw paliwowych stanowią jeden z etapów doboru materiałów na te elementy.
Do grupy wielu materiałów wykorzystywanych dotychczas na okładki ogniw paliwowych
można dołączyć również materiały spiekane proszków stali nierdzewnych,
Stale 304LHD oraz 316LHD posiadały strukturę austenityczną- jednorodną, natomiast stal
434LHC ferrytyczną,
Na podstawie przeprowadzonych badań właściwości korozyjnych obserwuje się wyraźny
wpływ pH i temperatury środowiska na intensywność procesów roztwarzania (korozji)
materiałów,
Spieki o dobrych właściwościach korozyjnych charakteryzują się wysokim potencjałem
korozji i niskim prądem korozji (zależność obowiązuje dla temperatury elektrolitu 293K)
Dodatek niewielkiej ilości komponentów, w postaci Cr, Mo, Ni poprawia właściwości
12
antykorozyjne stali
Wykonane badania i analizy spiekanych stali nierdzewnych wskazują na możliwość
zastosowania tych materiałów na elementy konstrukcyjne ogniw paliwowych. Odpowiednia
porowatość oraz własności strukturalne analizowanych materiałów, spełniają podstawowe
wymagania nałożone na interkonektory generatorów energii elektrycznej i ciepła. Warunkiem
podstawowym zakwalifikowania technologii wytwarzania materiałów spiekanych na
elementy okładek paliwowych jest zoptymalizowanie własności strukturalnych i
mechanicznych z odpornością na korozję w warunkach pracy ogniwa paliwowego.
Literatura
[1] J.Larminie, Fuel cell system explained, SAE International, Secound Edition, May 2003
[2] R.Włodarczyk, Sintered Materials for Bipolar Plate, Częstochowa University of Technology, Department of
Energy Engineering, Częstochowa 2009
[3] Hermann A., Chaudhuri T., Spagnol P., Bipolar plates for PEM fuel cells: A review, Int. J. Hydrogen Energy,
vol. 30 (2005), p.1297.
[4] Mehta V., Cooper J.S., Review and analysis of PEM fuel cell design and manufacturing, J. Power Sources,
vol. 114 (2003), p. 32.
13