Entwicklung und Charakterisierung von anodenseitigen Diffusionsbarriereschichten für metallgetragene oxidkeramische Festelektrolyt-Brennstoffzellen

Abstract

Die Langzeitbeständigkeit einer metallgetragenen SOFC (MSC, „Metall Supported Cell“) wird insbesondere durch thermisch aktivierte Diffusionsprozesse, wie z.B. der anodenseitigen Interdiffusion von Fe, Cr und Ni, limitiert. Während des MSC-Betriebs steht die Nickelphase der Ni/ZrO2-Anode bauartbedingt in di-rektem Kontakt mit der FeCr-Matrix des metallischen Trägersubstrates. Dadurch kann ein di-rekter Stofftransport von Ni aus der Anode in das FeCr-Substrat und vice versa von Fe bzw. Cr aus dem Substrat in die Ni-Matrix der Anode stattfinden. Die damit einhergehenden Gefü-geumwandlungen können zur beschleunigten Zelldegradation bis hin zum völligen Zellversagen führen. Dieser Prozess gilt derzeit als einer der hauptsächlichen Schädigungsmechanis-men bei der metallgetragenen SOFC, den es im Sinne eines angestrebten langzeitstabilen SOFC-Betriebs zu minimieren gilt. Die Integration einer oxidkeramischen Trennschicht, als Diffusionsbarriere (DBL) an der Grenzfläche „Substrat-Anode“, stellt für diesen Zweck nicht nur einen naheliegenden, sondern auch sehr aussichtsreichen Lösungsansatz dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden ausgehend von den hohen Anforderungen, die an eine zusätzliche Diffusionsbarriereschicht im SOFC-Betrieb gestellt werden, systemati-sche SOFC-relevante Untersuchungen zur Qualifizierung geeigneter Materialien durchge-führt. Betrachtet wurden dabei insbesondere unterschiedlich dotierte Perowskite auf Basis von LaCrO3, die mit Hilfe des „Atmosphärischen Plasmaspritzens (APS)“ auf dem metallischen Trägersubstrat appliziert werden können. Durch gezielte Schichtentwicklung mit einigen qua-lifizierten Materialien konnten im Ergebnis plasmagespritzte Barriereschichten entwickelt werden, deren Tauglichkeit im Langzeitbetrieb einer MSC erfolgreich demonstriert werden konnte.