Plasmagespritzte Funktionsschichten für Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC)

Kurzfassung

Steigende Bevölkerungszahlen und damit verbunden wachsender Energiebedarf haben dazu geführt, dass in den letzten fünfzehn Jahren weltweit die Forschungs- und Industrieaktivitäten im Bereich regenerativer Energien und Energiegewinnung intensiv vorangetrieben wurden. Dazu zählt die Entwicklung von Brennstoffzellen, welche eine hocheffiziente und umweltfreundliche Umwandlung verschiedener Brennstoffe in thermo-elektrische Energie ermöglichen. Eine Form davon sind die sogenannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen (engl. solid oxide fuel cells, SOFC). Ihre Fähigkeit, Diesel oder Kerosin ohne aufwändige Reformierungsmaßnahmen verarbeiten zu können, macht sie besonders für mobile Anwendungen (zum Beispiel als Bordstromversorgung in PkW oder LkW) interessant. Im Gegensatz zum stationären Einsatz müssen sie dabei eine möglichst hohe elektrische Leistung bei minimalem Eigengewicht besitzen. Neben sintertechnischen Verfahren kann ein wichtiger Prozess zu deren Herstellung das Plasmabeschichten sein, mit dem es kostengünstig möglich ist, Schichten oder Schichtsysteme mit unterschiedlichen Aufgaben für die SOFC zu erzeugen. Zum einen handelt es sich dabei um keramische Funktionsschichten, welche auf einem metallischen Träger abgeschieden werden (sogenannte Metallsubstrat-gestützte SOFC, MS-SOFC). Die einzelnen Schichten regulieren dabei nicht nur die gleichmäßige Reaktion des Brenngases in der Anode und des Sauerstoffs in der Kathode, sie dienen auch als elektronischer Isolator (Elektrolyt) und als Stromerzeuger. Wichtig ist vor allem das Zusammenwirken der unterschiedlichen Materialien miteinander. Zum anderen können mit dem Plasmaspritzen elektrische Isolations¬schich¬ten auf die SOFC-Rahmen aufgespritzt werden, welche das Zusammenfügen von einzelnen Zellen zu einem SOFC-Stapel mittels Metalllötung ermöglichen. Seit vielen Jahren arbeitet das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) an der Entwicklung, Anwendung und Erprobung verschiedener Beschichtungstechnologien für SOFC, wie dem Pulver- Vakuumplasmaspritzen (VPS) oder dem Suspensionsplasmaspritzen (SPS). Ein Abriss über einige in dieser Zeit gewonnene Erkenntnisse und Ergebnisse ist ein wesentlicher Inhalt dieses Vortrags.