ความคืบหน้าการวิจัยตัวเชื่อมต่อแผ่นเฟอร์ไรต์ที่ทนต่อการสึกหรอ
ในปี 1997 บริษัท Hitachi Metal Company ได้พัฒนาวัสดุโลหะ Fe-22โลหะผสมระบบเฟอร์ริติก Cr ZMG232 สำหรับขั้วต่อ SOFC ที่มีอุณหภูมิในการทำงาน 1000 องศา วัสดุเฟอร์ริติกถูกเลือกเป็นตัวเชื่อมต่อ SOFC เนื่องจากวัสดุเฟอร์ริติกมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำกว่าออสเทนไนต์ ซึ่งคล้ายกับวัสดุส่วนประกอบ SOFC มากกว่า จากนั้นบริษัทได้ใช้มาตรการปรับปรุงกระบวนการต่างๆ เช่น การลดปริมาณออกไซด์ที่ไม่บริสุทธิ์ และพัฒนาแผ่นต้านทานการสึกหรอ ZMG232L ในปี 2548
แผ่นทนต่อการสึกหรอ ZMG232L สามารถสร้างชั้น Cr2O3 ออกไซด์ที่หนาแน่นในสภาพแวดล้อมการทำงาน ดังนั้นจึงมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีโดยธรรมชาติในเวลาเดียวกัน แต่ยังมีความต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่โดดเด่นอีกด้วย แม้ว่าความต้านทานการเกิดออกซิเดชันของตัวเชื่อมต่อสามารถรับได้โดยการสร้างชั้นออกไซด์ Al2O3 แต่ Al2O3 ไม่มีการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิการทำงานของแผ่นทนต่อการสึกหรอ ZMG232L ดังนั้นโลหะผสมชั้น Cr2O3 ออกไซด์ที่มีความต้านทานต่ำที่อุณหภูมิสูงจึงเหมาะสำหรับ วัสดุโลหะตัวเชื่อมต่อ SOFC
ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของ SOFC ได้มีการหยิบยกข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับวัสดุโลหะของตัวเชื่อมต่อ เพื่อปรับปรุงความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันให้ดียิ่งขึ้น และลดปริมาณการระเหย Cr ที่เกิดจากวัสดุโลหะ เพื่อลดผลกระทบต่อประสิทธิภาพของส่วนประกอบในการผลิตพลังงาน บริษัท Hitachi Metal Company ใช้แผ่นต้านทานการสึกหรอ ZMG232L ในการออกแบบฟิล์มและโลหะผสมที่มีความหนาแน่นซึ่งประกอบด้วยชั้นสปิเนลและชั้นโครเมียมออกไซด์ที่มีการนำไฟฟ้าโดยการเพิ่มองค์ประกอบโลหะผสมและปรับส่วนประกอบให้เหมาะสม และพัฒนาแผ่นโลหะผสม ZMG232G10 ที่ต้านทานการสึกหรอใหม่ด้วย ความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นประมาณ 2 เท่า
โครงสร้างชั้นออกไซด์และการออกแบบโลหะผสมของแผ่นทนการสึกหรอ ZMG232G10 มีการแนะนำสั้นๆ ด้านล่างนี้
เมื่อแผ่นทนต่อการสึกหรอ ZMG232L ได้รับการบำบัดความร้อนในบรรยากาศออกซิไดซ์ ชั้นออกไซด์สองชั้นจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของชิ้นงาน ชั้นพื้นผิวคือชั้น (Mn,Cr) 3O4 ออกไซด์ ชั้นใน (เมทริกซ์) คือชั้นออกไซด์ของ Cr2O3 ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันขึ้นอยู่กับชั้นออกไซด์ Cr2O3 แต่การระเหยขององค์ประกอบ Cr ที่มีอยู่ในนั้นจะทำให้ประสิทธิภาพขององค์ประกอบการผลิตไฟฟ้าเสื่อมลงแม้ว่าชั้นออกไซด์ (Mn,Cr) 3O4 จะมีผลยับยั้งบางอย่าง ต่อการระเหยของ Cr แต่อัตราการออกซิเดชันของ (Mn,Cr) 3O4 ทำให้ผลการป้องกันมีจำกัด
เพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้น การออกแบบโลหะผสมจึงใช้มาตรการต่อไปนี้
1) ปรับปรุงความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน: ลดปริมาณ Mn และลดอัตราการออกซิเดชันของ (Mn, Cr) 3O4;
2) ยับยั้งการระเหยของ Cr: เพิ่ม Cu, Cu จะกระจายไปยังชั้นออกไซด์ (Mn,Cr) 3O4 ทำให้ชั้นออกไซด์ (Mn,Cr) 3O4 หนาแน่นขึ้น
เนื่องจากมาตรการการออกแบบองค์ประกอบข้างต้น แผ่นต้านทานการสึกหรอ ZMG232G10 จึงมีความต้านทานการเกิดออกซิเดชันได้ดีกว่าแผ่นต้านทานการสึกหรอ ZMG232L และปริมาณการระเหยของ Cr จะลดลง
แผ่นสึกหรอ ZMG232G10 และการเปรียบเทียบแผ่นสึกหรออื่น ๆ
ในการทำ SOFC เชิงพาณิชย์ จะต้องลดต้นทุนการผลิตของแต่ละส่วนประกอบ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการศึกษาการใช้แผ่นเฟอร์ไรต์ที่ทนต่อการสึกหรอในตัวเชื่อมต่อ SOFC ความต้านทานออกซิเดชันของตัวเชื่อมต่อเพลททนการสึกหรอ ZMG232G10 ที่พัฒนาโดยบริษัท Hitachi Metal Company ถูกนำไปเปรียบเทียบกับเพลตต้านทานการสึกหรออื่นๆ และตัวอย่างทดสอบมีความหนา 10 มม. เนื่องจากความหนาของแผ่นบางลง ความต้านทานการเกิดออกซิเดชันของโลหะผสมยิ่งแย่ลง จึงจำเป็นต้องใส่ใจกับการออกแบบความหนาเมื่อใช้แผ่นต้านทานการสึกหรอเป็นวัสดุตัวเชื่อมต่อ SOFC เมื่อใช้ ZMG232G10 เป็นวัสดุตัวเชื่อมต่อ SOFC จะสามารถใช้วัสดุที่บางกว่าแผ่นเพลททนการสึกหรอทั่วไปได้
ยิ่งการเพิ่มออกซิเดชันเปลี่ยนแปลงตามเวลาน้อยลง ความต้านทานต่อออกซิเดชันก็จะยิ่งดีขึ้น เช่น ความต้านทานต่อออกซิเดชันของแผ่นสึกหรอ ZMG232G10 จะดีกว่า SUS430 อย่างมาก ภายใต้สถานการณ์ปกติ การเพิ่มขึ้นของออกซิเดชันของโลหะผสมที่ก่อตัวเป็นชั้นออกไซด์จะเพิ่มขึ้นตามกฎพาราโบลาด้วยการเพิ่มเวลา แต่การเพิ่มขึ้นของการเกิดออกซิเดชันของ SUS430 จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามการเพิ่มขึ้นของเวลาในการบำบัดออกซิเดชันเริ่มต้น ก่อนเวลาออกซิเดชันที่ 2500 ชั่วโมง แนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของการเพิ่มออกซิเดชันของ SUS444 โดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกับของ ZMG232G10 แต่หลังจากการเพิ่มขึ้น การเพิ่มออกซิเดชันของ SUS444 จะลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นผลมาจากการหลุดออกของชั้นออกซิเดชันด้วยความต้านทานออกซิเดชัน การเปรียบเทียบข้างต้นแสดงให้เห็นว่าเมื่อเทียบกับเพลตทนการสึกหรอ ZMG232G10 แล้ว SUS430 และ SUS444 มีความต้านทานออกซิเดชันต่ำ
