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Highly conductive and stable Mn<sub>1.35</sub>Co<sub>1.35</sub>Cu<sub>0.2</sub>Y<sub>0.1</sub>O<sub>4</sub> spinel protective coating on commercial ferritic stainless steels for intermediate-temperature solid oxide fuel cell interconnect applications
저자
Thaheem, Imdadullah ; Joh, Dong Woo ; Noh, Taimin ; Lee, Kang Taek
발행기관
학술지명
권호사항
발행연도
2019
작성언어
-주제어
등재정보
SCI,SCIE,SCOPUS
자료형태
학술저널
수록면
4293-4303(11쪽)
제공처
소장기관
<P><B>Abstract</B></P> <P>Chromia scale growth and Cr evaporation of ferritic stainless steel interconnects are known to be major causes of serious degradation of the solid oxide fuel cell (SOFC) stack. The development of suitable ceramic coating materials on the metallic interconnects has been demonstrated as an effective way to address these challenges. Herein, we developed a Mn<SUB>1.35</SUB>Co<SUB>1.35</SUB>Cu<SUB>0.2</SUB>Y<SUB>0.1</SUB>O<SUB>4</SUB> (MCCY) spinel material via a facile glycine-nitrate process as a protective coating on a metallic interconnect (SUS 441). Crystal structure and surface charge state analysis of the MCCY material revealed that co-doping of Y and Cu into the (Mn,Co)<SUB>3</SUB>O<SUB>4</SUB> spinel resulted in redistribution of the Mn ions (Mn<SUP>3+</SUP> and Mn<SUP>4+</SUP>) into the octahedral site, which increased the electrical conduction by enhanced small polaron hopping. Accordingly, the MCCuY-coated interconnect exhibited ∼8 times lower area specific resistance (ASR) than that of the undoped Mn<SUB>1.5</SUB>Co<SUB>1.5</SUB>O<SUB>4</SUB> (MCO) coated interconnect. Moreover, time-dependent ASR behavior of MCCuY-coated sample was monitored in-situ using electrochemical impedance spectroscopy at 650 °C, showing excellent stability with no observable change for >1000 h, while the ASR of the MCO-coated sample was raised by ∼71%. After 1000 h operation, we found strong adhesion between the MCCuY coating and the metallic interconnect as well as remarkably restricted Cr diffusion into the coating layer. Furthermore, the parabolic constant associated with the oxidation kinetics of the MCCuY-coated substrate (8.25 × 10<SUP>−11</SUP> mg<SUP>2</SUP> cm<SUP>−4</SUP> s<SUP>−1</SUP>) was ∼1 order of magnitude lower than that of the MCO-coated one (7.34× 10<SUP>−10</SUP> mg<SUP>2</SUP> cm<SUP>−4</SUP> s<SUP>−1</SUP>) at 650 °C after 1000 h measurement. These results demonstrate that the MCCuY is a highly promising coating material of metallic interconnects for intermediate-temperature SOFC applications.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> A MCCuY spinel material is developed as a metallic interconnect protective coating. </LI> <LI> The MCCuY-coating exhibits ∼8 times lower ASR compared to the undoped MCO-coating. </LI> <LI> The MCCuY-coated sample shows excellent stability without degradation for >1000 h. </LI> <LI> The oxidation kinetics of the MCCuY-coating is ∼1 order lower than MCO-coating. </LI> </UL> </P> <P><B>Graphical abstract</B></P> <P>[DISPLAY OMISSION]</P>
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