Entwicklung neuer Schutz- und Kontaktierungsschichten für Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Chromoxid (Cr2O3 ) bildende Eisen-Chrom-Legierungen (ferritische Stähle) sind bevorzugte Werkstoffe für den metallischen Interkonnektor der oxidkeramischen Hochtemperaturbrennstoffzellen (engl. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)) . Übliche Betriebstemperaturen der SOFC liegen im Bereich von 600-800 °C . Chromoxid enthaltende Oxidationsschichten sind notwendig, weil sie im Gegensatz zu Aluminiumoxid- (Al 2O3) oder auch Siliziumdioxidschichten (SiO2) eine hinreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen . Nachteilig ist die Bildung der flüchtigen Cr(VI)-Spezies CrO3 und CrO2(OH)2. Diese entstehen unter den Betriebsbedingungen der SOFC und lagern sich in der Kathode ab. Die elektrochemische Reduktion dieser Spezies zu festen Cr(III)-Oxiden an der Dreiphasengrenze Elektrolyt / Kathode / Oxidant kann zu einer erhöhten Alterungsrate führen . Für ein Langzeitbetrieb (> 40000 h) ist diese Alterung nicht tolerierbar . In Bezug auf die Langzeitstabilität ist die Entwicklung von Schutzschichten, welche die Chromabdampfung verhindern, unumgänglich. Dabei erweisen sich Spinell-Strukturen in den ternären Oxidsystemen Mn2O3 – CuO – Fe2O3 und Mn2O3 – Co3O4 – Fe2O3 als vorteilhaft. Insbesondere die nominellen Zusammensetzungen CuMn1,9Fe0,1O4, MnCo2O4 und MnCo1,9Fe0,1O4 zeigen bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit und des thermischen Ausdehnungsverhaltens gewünschte Eigenschaften. Zur Bewertung möglicher Schutzschichtzusammensetzungen im Hinblick auf die Chromrückhaltung, die chemische Stabilität und den flächenspezifischen Kontaktwiderstand werden die oben genannten Zusammensetzungen in einem Verbund (Interkonnektor | Schutz-/ Kontaktschicht | Kathode) unter kathodenseitigen Betriebsbedingungen ausgelagert. Dabei wird ein Interkonnektor mit einer Schutz-/Kontaktschicht beschichtet und gegen eine vorgesinterte Kathode gepresst. Die spätere Funktionsweise wird maßgeblich durch die Wechselwirkung mit umliegenden Komponenten bestimmt . Um den Einfluss möglicher Reaktionen der aufgetragenen Schicht mit dem Stahl bzw . der Kathode zu untersuchen, werden drei kommerzielle ferritische Stähle als Interkonnektoren, nämlich Crofer22APU „ThyssenKrupp AG“ (Deutschland), F17TNb „Imphy Ugine Precision (I. U. P.)“ (Frankreich) und IT-11 „Plansee SE“ (Österreich), und das Kathodenmaterial (La0,65Sr0,3MnO3-8 (LSM) und La0,58Sr0,4Co0,2Fe0,8O3-8 (LSCF)) variiert. Die Wechselwirkungen zwischen Schutzschicht und Stahl können auch durch das Herstellungsverfahren beeinflusst werden . Aus diesem Grund werden nasschemische Routen und das Auftragen von thermisch gespritzten Schichten mittels des Atmosphärischen- Plasmaspritz-Verfahrens (APS) gegenübergestellt .