Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3853
Dampftransportexperimente unter Nichtgleichgewicht-Bedingungen erfolgten bei einem Wasserpartialdruck von p(H2O) = 0.02 bar und Temperaturen von 850 °C und 950 °C. Untersucht wurde die Chromverdampfung von metallischen Interkonnektormaterialien, die Oxidschichten unterschiedlicher Zusammensetzung ausbilden und die Chromverdampfung von mit unterschiedlichen Chromrückhalteschichten versehenen Legierungsproben (Cr5Fe1Y2O3- sowie X10CrAl18-Substrate). Chromrückhalteschichten werden auf metallische Substrate aufgebracht, um als Diffusionsbarriere für gasförmige Cr(VI)-Spezies zu dienen und so den Chromeintrag in die Kathode zu verringern. Das Chromrückhaltepotential solcher mit Hilfe von Vacuum Plasma Spraying (VPS) aufgebrachter Schichten (Dicke 25-30 µm) wurde im Rahmen dieser Arbeit durch Vergleich der Chromfreisetzungsraten beschichteter und unbeschichteter Interkonnektorproben ermittelt. Im Ergebnis kann mit Hilfe von Chromrückhalteschichten auf Basis von Perowskitmaterialien wie La0.9Sr0.1CrO3 eine Verringerung der Chromfreisetzung um mehr als 99 % unter kathodischen Betriebsbedingungen erreicht werden.
Durch Nachuntersuchung der Schichtmorphologie wurde ein zeitabhängiger Verdichtungseffekt nachgewiesen, der dazu führt, daß die maximale Chromrückhaltung von mehr als 99 % erst nach unterschiedlichen Versuchszeiten erreicht wird. Die Freisetzung gasförmiger Cr(VI)-Spezies aus beschichteten Interkonnektorproben verläuft über Risse und Poren im Schichtmaterial. Dies wird indirekt bestätigt durch 53Cr-Tacerexperimente zur Bestimmung des Chromselbstdiffusionskoeffizienten in Chromrückhalteschichten auf Lanthanchromitbasis. Hier wurde für die Schutzschicht La0.9Sr0.1CrO3 bei einer Temperatur von 1000 °C ein Cr-Diffusionskoeffizient von 2.59 · 10-16 cm2/s bestimmt, woraus eine Durchbruchszeit von 550 Jahren für eine Schichtdicke von 30 µm berechnet werden kann. Daraus folgt, daß der Chromtransport durch die Perowskitschicht ausschließlich über die Gasphase und nicht über Festkörperdiffusionsprozesse verläuft.
Zusammenfassend wird festgestellt, daß durch Absenkung der SOFC-Betriebstemperatur von 950 °C auf 850 °C bei Auswahl geeigneter Substrat/Schutzschicht-Kombinationen der Chromeintrag in die Kathode um mindestens zwei Größenordnungen verringert werden kann.
Gindorf, Christian
Untersuchungen zur Chromfreisetzung aus metallischen Interkonnektorwerkstoffen für die Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC)
100 S., 2001
Metallische Interkonnektorwerkstoffe (Chrombasislegierungen und chromhaltige Stähle) setzen beim Betrieb der Hochtemperaturbrennstoffzelle flüchtige Chromverbindungen frei. Diese gasförmigen Cr(VI)-Verbindungen diffundieren in das Kathodenmaterial ein und werden an der Dreiphasengrenze Kathode/Elektrolyt/Oxidans zu festen Cr(III)-Verbindungen reduziert, was zu einer Degradation der elektrochemischen Eigenschaften der Zelle führt.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Verdampfung gasförmiger Chromspezies mit Hilfe der Dampftransportmethode untersucht. Durchgeführt wurden sowohl Messungen im Gleich-gewicht als auch unter Nichtgleichgewicht-Bedingungen. Die Gleichgewichtsmessungen erfolgten an Luft mit Cr2O3(s) (Pulver) in Abhängigkeit vom Wasserpartialdruck (0.7 mbar bis 0.3 bar) und der Temperatur (400 °C bis 950 °C). Die Auswertung der erhaltenen Temperaturabhängigkeit ergab eine Standardreaktionsenthalpie von [Delta]rH948 = 122.85 kJ/mol für die Bildung der unter den Versuchsbedingungen dominierenden gasförmigen Chromspezies CrO2(OH)2(g) aus Cr2O3(s).
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