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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Funktionsschichten für metallgestützte Brennstoffzellen


Funktionsschichten für metallgestützte Brennstoffzellen

Die thermische Spritztechnik ist ein geeignetes Mittel, um Funktionsschichten für metallgestützte Brennstoffzellen herzustellen. Die Methoden Atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) sind Prozesse, mit denen auf Metallkomponenten für SOFCs an bestimmten Bereichen Schichten mit unterschiedlichen Anforderungen aufgebracht werden können. Ein großer Vorteil des thermischen Beschichtens ist dabei, dass dieses Verfahren einer kommerziellen und kostengünstigen Verwendung zuträglich ist, da es bereits in vielen Industriezweigen angewendet wird.

Isolationsschichten

Ein Beispiel für funktionelle Schichten in Brennstoffzellen sind Isolationsschichten, die die stromführenden Ebenen voneinander trennen. Die Hauptanforderungen an diese etwa 50µm dicken Schichten sind Gasdichtigkeit und elektrische Isolation.

 Schliff einer mittels HVOF hergestellten IsolationsschichtAbb.1: Schliff einer mittels HVOF hergestellten Isolationsschicht. Die geringe Porosität garantiert hohe Gasdichtigkeit.

Fotografie eines beschichteten Bleches (Draufsicht)Abb. 2: Fotografie eines beschichteten Bleches (Draufsicht), welches die hohe Maßhaltigkeit des HVOF Prozesses dokumentiert.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen die Schichten möglichst kompakt (dicht) sein und sehr gleichmäßig aufgetragen werden (geringe Rauhigkeit). Das Material muss sich chemisch möglichst neutral verhalten und einen den benachbarten Komponenten ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Natürlich darf der Prozess auch keine Schädigung des Substrates oder bereits aufgebrachter Schichten verursachen.

Als Material für diese Schichten wird ein Magnesium-Aluminium-Spinell benutzt. Als beste Beschichtungsmethode hat sich hier das HVOF Verfahren herausgestellt. Die damit hergestellten Schichten können in reproduzierbarer Qualität abgeschieden werden und erfüllen sämtliche Forderungen bezüglich Dichtigkeit, elektrischer Isolation und thermomechanischer Beanspruchung. In Abbildung 1 ist der Schliffbild einer solchen Schicht im Verbund dargestellt, Abbildung 2 zeigt die Draufsicht eines beschichteten Bleches, welches die sehr gute Maßhaltigkeit des Prozesses im Sub-Millimeter-Bereich zeigt.

Chromverdampfungsschutzschichten

Maßgeblich für die Langzeitdegradation von SOFCs ist u.a. die Kontamination der Kathode durch den Transport von Chrom aus den tragenden und funktionellen Metallkomponenten.

Chromverdampfungsschutzschicht im AusgangszustandDie Abbildung zeigt die Chromverdampfungsschutzschicht im Ausgangszustand

Abbildung: Komponente einer BrennstoffzelleDie Abbildung zeigt die Komponente einer Brennstoffzelle. Die schwarzen Bereiche sind mit der Chromverdampfungsschutzschicht versehen

Zur Verhinderung der Chromabdampfung werden Schichten entwickelt, die sowohl die Diffusion als auch das Abdampfen von Chrom verhindern bzw. deutlich verlangsamen. Diese Schichten aus MnCoFe-Oxid besitzen einen an das Substrat angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und werden mittels atmosphärischen Plasmaspritzens aufgebracht. Mit der entwickelten Beschichtung ist es möglich, Schichten trotz geringer Dicke von etwa 50µm gasdicht herzustellen. Weisen die Schichten typischerweise im Anfangszustand noch eine gewisse Anzahl von Poren und Rissen auf (siehe Abbildung), so verdichten sie im Betrieb schnell. Brennstoffzellen mit diesen Chromsperrschichten zeigen eine deutlich geringere Degradation in Langzeittests mit einer Dauer von mehr als zwei Jahren Dauereinsatz, was nach bisherigem Verständnis auf eine deutlich reduzierte Chromkontamination durch das Aufbringen der plasmagespritzten Schichten zurückzuführen ist.



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