Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3583
Hänsel, Michael
Korrosions- und Kompatibilitätsstudien an Cr-Basislegierungen für den metallischen Inerkonnektor der Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC)
135 S., 1998

In der vorliegenden Arbeit wurde das Korrosionsverhalten von ODS-Legierungen auf der Basis von Cr5Fe in simulierten Betriebsgasen einer SOFC bei Temperaturen zwischen 950 und 1000°C untersucht. Dabei wurde durch Korrelation von Grundlagenversuchen mit Ergebnissen von Langzeitauslagerungen die Beständigkeit der Cr-ODS-Legierungen unter SOFC-Bedingungen abgeschätzt. Es wurde insbesondere der Einfluß des Dispersionsgehaltes und des Dispersionstyps sowie des Legierungsherstellungsverfahrens auf die Korrosionseigenschaften der Cr-Legierungen untersucht.

Die ODS-Legierungen auf Cr-Basis weisen in allen betrachteten simulierten Betriebsgasen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu konventionellen Cr-Oxidbildenden Legierungen auf. In Luft und Ar-20%O2 zeigen die Legierungen nach einer relativ schnellen Anfangsoxidation im weiteren Verlauf der Auslagerung sehr geringe Oxidationsraten. Nach sehr langen Zeiten kommt es durch Oxidabplatzen und Oxidverdampfen zu geringen Massenverlusten. Diese Massenverluste betragen nach 3000h etwa 1mg/cm2. Eine konservative lineare Extrapolation auf die vorgesehene SOFC-Betriebszeit von 40.000h liefert somit geringe Werte von etwa 10mg/cm2. Die Oxidwachstumsraten sind relativ unabhängig von dem Dispersionsgehalt (0,2-1,0%) und dem Dispersionstyp (Y2O3 und La2O3) der Legierung.

Ein deutlich anderes Verhalten wurde in den simulierten Anodengasen beobachtet. Hier wurde eine deutliche Abhängigkeit der Korrosionsbeständigkeit vom Legierungsherstellungsprozeß festgestellt. Die Wachstumsraten, der in in diesen Gasen entstandenen Oxidschichten waren bei den durch elementares Mischen hergestellten Legierungen wesentlich höher als bei den mechanisch legierten Werkstoffen. Dieses ist auf die unterschiedliche Dispersionsverteilung durch die Herstellungsprozesse zurückgeführen. Unabhängig vom Herstellungsprozeß zeigten alle untersuchten ODS-Legierungen im Anodengas eine hervorragende Oxidhaftung. Eine Extrapolation auf 40.000h ergab für die Temperatur von 1000°C Oxidschichtdicken von etwa 30µm für die mechanisch legierten Varianten und 160µm für die gemischten Varianten. Dabei hatte die Variation des Dispersionsgehaltes zwischen 0,2 und 1,0% kaum einen Einfluß auf die Oxidationsrate.

Die Langzeitextrapolationen der Oxidationsdaten machen deutlich, daß trotz der hervorragenden Oxidationsbeständigkeit der mechanisch legierten Werkstoffe, die Oxiddeckschichten nach 40.000h SOFC-Betriebszeit zu Problemen, besonders im Hinblick auf hohe Kontaktwiderstände an den Grenzflächen mit den Elektroden, führen können. Es wurden daher Oberflächenmodifizierungsverfahren aufgezeigt, mit denen die Oxidwachstumsrate zu Beginn der Oxidation herabgesetzt werden kann. Aus den gewonnenen Ergebnissen wurden Richtlinien für eine zuverlässige Legierungsauswahl bzw. -optimierung existierender Werkstoffe abgeleitet.


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Letzte Änderung: 07.06.2022