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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