Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4238
Brandner, Marco
Herstellung einer Metall/Keramik-Verbundstruktur für Hochtemperaturbrennstoffzellen in mobilen Anwendungen
122 S., 2006

In den vergangenen Jahren ist die Kraftstoff-Verbrauchsminderung in der Automobilindustrie zu einem zentralen Thema geworden. Die BMW Group hat sich diesbezuglich die Entwicklung eines Hochtemperaturbrennstoffzellen-System (SOFC-APU) fur die Bordnetzversorgung gepaart mit einer Effizienzsteigerung der Verbrennungsmotoren zum Ziel gesetzt. Das Augenmerk der Brennstoffzellenentwicklung fur eine APU-Anwendung liegt auf der Robustheit der Zellen gegenuber mechanischen und thermischen Belastungen. Zellen mit porosen, metallischen Tragstrukturen aus ferritischen FeCr-Stählen wird diesbezuglich ein groses Potential zugeschrieben.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung eines Verbundes aus einer porosen metallischen Tragstruktur und einer metallisch-keramischen Anode aus Nickel und Yttriumdotiertem Zirkoniumdioxid (YSZ).
Verschiedene Substratstrukturen wurden mittels Foliengiestechnik aus Pulvern des Werkstoffs CroFer22APU hergestellt und gesintert. Sie wurden hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, strukturellen Eigenschaften und elektronischen Leitfahigkeit charakterisiert. Ein zentraler Aspekt war auserdem die Untersuchung der Hochtemperaturkorrosionsstabilitat unter simulierten anodenseitigen Betriebsbedingungen einer SOFC. Aus den Ergebnissen wurde die oxidationsbedingte Lebensdauer fur pulvermetallurgisch hergestellte Substratstrukturen in Abhängigkeit ihrer Spezifischen Oberfläche abgeleitet.
Ni/YSZ-Anoden wurden im Siebdruckverfahren auf vorgesinterte CroFer22APU-Substrate appliziert und gesintert. Eine Variation des Ni:YSZ Verhaltnisses diente der Bestimmung des minimalen Ni-Anteils, der nötig ist, um ein durchgangiges Netzwerk und damit elektronische Leitfahigkeit sicherzustellen.
Wahrend der Sinterung des Verbundes aus einem FeCr-Stahl und einer Ni/YSZ-Anode kommt es zur Interdiffusion der Elemente Fe, Cr und Ni, die sich wahrend des Zellbetriebs fortsetzt. Die Folge ist eine Bildung von FeCr-Oxiden in der Anode, was zu Leistungseinbussen oder sogar vollstandigem Zellversagen fuhren kann. Daher war die Integration einer Diffusionsbarriereschicht ein weiterer zentraler Aspekt der vorliegenden Arbeit. Cr2O3, Fe3O4, dotiertes LaCrO3, Ce0,8Gd0,2O2 und CeO2 wurden hinsichtlich ihrer diffusionshemmenden Wirkung und elektronischen Leitfahigkeit untersucht. Von den untersuchten Werkstoffen zeigte CeO2 die besten Eigenschaften.
Für elektrochemische Charakterisierungen wurden Einheiten aus einem gesinterten Metallsubstrat/Anoden-Verbund und einer CeO2-Diffusionsbarriereschicht mittels Vakuumplasmaspritzen mit einem 60 μm dicken 9,5YSZ-Elektrolyten versehen. Eine siebgedruckte, leistungsfahige LSCF-Kathode komplettierte die Zelle. Mit diesem Aufbau konnte bei 800 °C eine Leistungsdichte von 430 mW/cm2 erzielt werden. Über eine Betriebszeit von 165 h mit einer Stromdichte von 0,3 A/cm2 war kein signifikanter Spannungsabfall zu beobachten.


In recent years, the reduction of fuel consumption has become an important issue in automotive industry. The BMW group focuses on the development of a high temperature solid oxide fuel cell (SOFC) system as an auxiliary power unit (APU) for electrical power supply in addition to an enhanced efficiency of combustion engines to reach this target.
SOFC development for APU applications primary focuses on the robustness of cells against mechanical and thermal stresses. Cells with porous metallic substrates made of ferritic FeCrsteels are expected to have high potential for satisfying this robustness conditions.
The aim of this work was the fabrication of a composite, containing a porous metallic substrate and an anode made from nickel and yttria stabilized zirconia (YSZ).
Different structures of substrates were fabricated from powders of the steel CroFer22APU using tape casting and sintering techniques. Subsequently, the chemical composition, structural parameters and the electric conductivity of these substrates were studied. The characterisation of high temperature corrosion resistance under typical anodic conditions of a solid oxide fuel cell was also an important aspect. The results were used to estimate an oxidation-dependent lifetime as a function of the specific surface area of a powder metallurgical substrate.
Ni/YSZ-anodes were screen-printed and sintered on pre-fired CroFer22APU substrates. Variations of the Ni:YSZ ratio provided the determination of a minimum Ni content, needed to assure a continuous network for electrical conductivity.
Interdiffusion of the elements Fe, Cr and Ni takes place, both, during sintering of the substrate/anode-unit and during cell operation. As a consequence, FeCr-oxides are formed in the anode. This leads to a loss in power density or even complete deterioration of the cell. Therefore, the integration of a diffusion barrier layer was another key issue of this work. Cr2O3, Fe3O4, doped LaCrO3, Ce0,8Gd0,2O2 and CeO2 were characterised regarding to their diffusion barrier efficiency and electrical conductivity. CeO2 shows the most promising properties of these materials.
For electrochemical characterisation, substrate/anode-units containing a CeO2 diffusion barrier were coated with a 9.5YSZ electrolyte via vacuum-plasma-spraying technique being 60 μm in thickness. A powerful LSCF cathode was screen printed to complete the cells. At 800 °C a power density of 430 mW/cm2 was achieved. During 165 h operation at 0,3 A/cm2, no significant voltage drop was observed.

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Letzte Änderung: 07.06.2022