Особенности высокотемпературного окисления нержавеющих хромистых сталей

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) – электрохимические генераторы, преобразующие химическую энергию топлива в электричество. ТОТЭ работают при высоких температурах 550-900°С, поэтому в отличие от низкотемпературных топливных элементов могут работать на различных углеводородах (природный газ, био-газ, попутный нефтяной газ). Основными преимуществами таких генераторов являются достаточно высокий КПД (до 70%) и экологичность производимой энергии, так как продуктами реакции являются электричество и водяной пар.

В батареях ТОТЭ токовые коллекторы выполняют функцию токосъема. Специально для токовых коллекторов ТОТЭ были разработаны хромистые стали ферритного класса с подходящими значениями коэффициента теплового расширения (КТР), такие как, например, Crofer 22 APU (Германия), основным недостатком которых является высокая цена. Выбор бюджетной стали с подходящим значением КТР, а также нанесение защитного покрытия, обеспечивающего достаточно высокую проводимость контактов в рабочем режиме ТОТЭ, смогут решить вышеперечисленные проблемы.

В качестве объектов исследования были выбраны  хромистые стали марок 12X17 и 08Х18Т1. В таблице  представлены результаты измерений КТР сталей, а также результаты измерений скорости окисления каждой стали в режиме термоциклирования в течение 300 часов на воздухе при 850°С.

Как видно из таблицы, КТР данных сталей близок к КТР Crofer 22 APU, однако значения скоростей окисления больше чем у Crofer 22 APU как минимум на порядок. Исследование морфологии и состава окисных пленок,  образующихся на поверхности сталей в процессе окисления, проводили методами  электронной микроскопии, EDX анализа и рентгеноструктурного анализа. Анализ полученных данных показал, что чем ниже содержание хрома в стали, тем выше скорость окисления: при содержании хрома ниже 18% на поверхности стали растет не плотный слой из Cr₂O₃, как в случае Crofer 22 APU и 08X18Т1, а многофазная окалина из Cr₂O₃, Fe₂O_3, CrMn₂O₄.

Дальнейшие исследования будут направлены на исследование проводимости токовых коллекторов из нержавеющих хромистых сталей с защитными покрытиями и без покрытий в рабочем режиме катодной камеры ТОТЭ.