Application of Ferritic Stainless Steels as Bipolar Plates for Solid Oxide Fuel Cells

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia ferriittisten ruostumattomien terästen sopivuutta oksidipolttokennojen (SOFC) bipolaarilevyn materiaaleiksi, erityisesti kennon hapettavalla katodipuolella. Työssä tutkittiin myös bipolaarilevyjen lämpölaajenemiskäyttäytymistä ja kosketusta kennolevyyn. Työ jakaantuu kirjallisuudesta kerättyyn teoriaosaan ja kokeelliseen osaan. SOFC:in toimintaperiaate ja käyttöympäristö kuvataan bipolaarilevyiltä vaadittavien materiaaliominaisuuksien kannalta. Lisäksi esitellään tähän asti käytettyjä metallisia ja keraamisia bipolaarilevyjen materiaalivaihtoehtoja ja niiden kriittisiä materiaaliominaisuuksia. Simuloivia käyttökokeita tehtiin kolmelle valitulle ferriittiselle ruostumattomalle teräkselle, AISI 430:11e, Crofer 22 APU:lle ja ZMG 232:11e. Työssä suunniteltu symmetrinen uritus kipinätyöstettiin bipolaarilevyihin levittämään ilmavirta tasaisesti kennon katodipuolelle. Kolmessa kokeessa bipolaarilevyn katodipuoli oli VPS-pinnoitettu katodimateriaalilla, ja yksi testi tehtiin pinnoittamattomalla Crofer 22 APU:IIa. Bipolaarilevyjen kosketusta kennolevyyn tutkittiin huoneenlämpötilassa painekalvoilla. Mitatuissa lämpölaajenemiskertoimissa havaittiin vain hyvin pieniä eroja bipolaarilevyjen ja kennon välillä noin 750°C asti. Simuloivissa käyttökokeissa kennot, joiden bipolaarilevymateriaalina oli AISI 430 tai ZMG 232, tuottivat samanlaista virtaa kuin referenssinä käytetty platinaverkko. Alhaisempi virta saatiin Crofer 22 APU levyjen (pinnoitetulla ja pinnoittamattomalla) testeissä. Painekalvomittausten perusteella tämä ilmeisesti johtuu riittämättömästä. Tulosten perusteella kipinätyöstö, uritus ja VPS pinnoitus osoittautuivat toimiviksi vaihtoehdoiksi ja ainakin ZMG 232 ja AISI 430 sopiviksi oksidipolttokennojen bipolaarilevyiksi