Entwicklung eines Schutzschichtsystems für metallische Interkonnektoren in oxid-keramischen Brennstoffzellen zur Vermeidung der Kathodenvergiftung

Description: Brennstoffzellen sind auf Grund des weltweit steigenden Energiebedarfs wieder aktuell geworden. Der Vorteil dieser Art von Energieerzeugung liegt in der direkten Umwandlung der chemischen Energie des Brennstoffes in elektrische Energie und Wärme. Unter den verschiedenen Brennstoffzellentypen tritt besonders die oxidkeramische Hochtemperatur-Brennstoffzelle SOFC mit Festelektrolyt in den Vordergrund. Aufgrund ihrer Verträglichkeit gegenüber Kohlenmonoxid und der Möglichkeit Erdgas direkt zu reformieren, besitzt die SOFC deutliche Vorteile im Vergleich zu anderen Typen. Der Einsatz Chrom-haltiger Stähle als Material für Interkonnektoren führt auf der Kathoden-Seite auf Grund des Abdampfens von flüchtigen Chromverbindungen in H2O-haltigen Atmosphären zu einer 'Vergiftung' der Kathode und damit einer Verringerung der elektrischen Leistung der Zelle. Neu entwickelte Werkstoffe (z.B. Crofer22APU) bilden anstatt einer Cr2O3-Deckschicht ein Cr-Mn-Spinell, welcher das Abdampfen zwar vermindern kann, aber bei langen Standzeiten doch zu der 'Vergiftung' führt. Neue Untersuchungen zeigen, dass ein Co-Mn-Spinell auf der Oberfläche das Abdampfen des Chrom-Oxid-Hydroxids verhindern kann und die nötigen Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit der oxidischen Deckschicht erfüllt. Im Projekt soll die effiziente Beschichtung verschiedener Cr-haltiger Stähle untersucht werden. Als Beschichtungsmethode wird das Pulverpackverfahren gewählt, da es industriell einfach umzusetzen, kostengünstig und für verschiedenste Geometrien geeignet ist. Die hergestellten Schichten werden hinsichtlich ihrer Oxidationseigenschaften, mechanischen und elektrischen Eigenschaften untersucht. Das Ziel ist eine industriell einfach umsetzbare Diffusionsbeschichtung zur Anreicherung von Co und Mn in der Werkstoffrandzone Cr-haltiger Stähle.

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Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Schwermetallgehalt ? Festoxid-Brennstoffzelle ? Elektrische Leistung ? Brennstoff ? Chrom ? Chromverbindung ? Kobalt ? Erdgas ? Mangan ? Vergiftung ? Werkstoff ? Elektrizität ? Elektrolyt ? Brennstoffzelle ? Feststoff ? Kohlenmonoxid ? Materialprüfung ? Belastbarkeit ? Beschichtung ? Energiebedarf ? Energiegewinnung ? Leitfähigkeit ? Oxidation ? Produktionstechnik ? Oberflächenbehandlung ? Stahl ? Chemische Zusammensetzung ? Diffusion ? Atmosphäre ? Bauelement ? Physikalische Größe ? Elektrode ? Pulverpackverfahren ? Verdampfung ? Co-Mn-Spinell ? Interkonnektor ? Metallischer Werkstoff ?

Region: Hessen

Bounding boxes: 9° .. 9° x 50.55° .. 50.55°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ (Geldgeber*in)
• DECHEMA Forschungsinstitut Stiftung bürgerlichen Rechts (Betreiber*in)
• Umweltbundesamt (Bereitsteller*in)

Time ranges: 2013-10-01 - 2016-12-31

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Diffusion coatings for interconnect materials in SOFCs
  Description: Modern Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) work at temperatures between 600-800°C, which allows for the replacement of expensive lanthanum chromite ceramics (LaCrO3) by ferritic-martensitic steels as a material for interconnects. The metallic interconnects exhibit many advantages over ceramic materials. They have electrically conducting oxide scales, good mechanical properties, appropriate thermal expansion behavior, very low costs, excellent machinability and they can be joined with a number of standard welding and brazing techniques. However, there are two major issues associated with the use of stainless steels. One is the evaporation and migration of volatile chromium species from the chromia scale due to the presence of water vapor, another is the electrical resistance, which increases over time due to continuous oxidation at elevated temperatures. This work is focused on the improvement of the oxidation behavior in water vapor environments. Due to the limited oxidation resistance in water vapor containing atmospheres, ferritic-martensitic steels (9% Cr) cannot be used at temperatures above 600°C, due to the formation of the volatile chromium oxy hydroxide species CrO2(OH)2. This species evaporates from the surface of the material and leads to accelerated breakdown of the protective chromia layer. In the literature this process has been described as breakaway oxidation. Even more critical for SOFCs, the evaporated chromium reacts with the cathode material and leads to severe degradation of the cell performance. The aim of the present work is the improvement of the oxidation behavior of such ferritic-martensitic steels in water vapor containing environments. Therefore the metal subsurface region of ferritic-martensitic steels is enriched with manganese and/or cobalt in the form of a diffusion coating by the pack cementation process. Pack cementation is a rather simple and industrially interesting technique, however its application to produce coatings with manganese or cobalt is rarely found in the literature. The influence of several coating parameters especially a variation of the activator, selected on the basis of thermodynamic calculations was investigated to achieve a highly enriched surface diffusion zone with cobalt. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1068500

Status

Aktiv

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