Investigations of glass sealing and reactive air brazing materials for joining high temperature solid oxide fuel cells by dilatometric examinations

Eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ( s olid o xide f uel c ell = SOFC) hat zwar ein sehr einfaches Funktionsprinzip, jedoch erfordern die sehr unterschiedlichen Materialien der Einzelkomponenten hochentwickelte thermische Fügeverfahren, um sie funktionsgerecht miteinander zu verbinden. Für die SOFC existieren zwei Optionen einer möglichen Anwendung, erstens als dezentrale Hauskraftwerke (stationäre SOFC), zweitens als Energiewandler für Kraftfahrzeuge (mobile SOFC). Es haben sich daher im Forschungszentrum Jülich zwei sehr verschiedene Konstruktionstypen etabliert, für die auch die Entwicklung unterschiedlicher Verfahren zum Fügen der Einzelkomponenten erforderlich wurde. Beim stationären Design besteht der Hauptfügeprozess in dem elektrisch isolierenden Verbinden einzelner Stahlplatten durch ein Glaslot zu einem SOFC‐Stapel. Beim mobilen Design besteht der SOFC‐Stapel aus einzelnen dünnen Stahlkassetten. Bei den Kassetten wird deren Fensterblech aus ferritischem Chromstahl mit der keramischen Schicht des Zirkonoxidfeststoffelektrolyten durch ein metallisches Lot verlötet. Es handelt sich bei diesem Lot um ein Silberbasislot mit nur geringen benetzungsbegünstigenden Zusätzen von Kupferoxid und Titanhydrid. Entscheidend für beide Lötprozesse ist ihre Anwendbarkeit in normaler Atmosphäre (Luft), also unter oxidativen Bedingungen. Um die SOFC zur Marktreife auf dem Energiesektor zu entwickeln, dauern die F&E‐Arbeiten zur Wirkungsgradsteigerung und zur Langzeitbetriebsstabilität an. Auch die beiden Lötverfahren sind noch nicht als normale Standardprozesse zu betrachten, sondern erfordern ebenso permanente Weiterentwicklungen, hier im Hinblick auf Reproduzierbarkeit, Beständigkeit und Festigkeit der Lötverbunde. Auf der Suche nach geeigneten schnellen Ersatzmethoden, um die Fügeeigenschaften der Lotmaterialien genauer studieren und messtechnisch erfassen zu können, ohne den Bau aufwendiger komplexer SOFC‐Stacks betreiben zu müssen, setzt die Arbeitsgruppe Sonderfügetechnik im Forschungszentrum Jülich speziell abgewandte dilatometrische Messverfahren ein. Mit einem sog. Absenkdilatometer werden die Schwindungsprozesse der Glaslotfugen nachgestellt und im μm‐Bereich gemessen. Dies ermöglicht, die für Dichtheit und Kontaktierung entscheidende Glaslotmenge und die Prozessparameter vorherzubestimmen. Mit einem vertikalen Dilatometer erfolgen Untersuchungen des Schmelzverhaltens der reaktiven Silberlote im Hinblick auf Schmelzpunktverschiebung, Zähigkeit und Porenanteil und in Abhängigkeit von der Prozessatmosphäre und von einem metallischen Additiv (Aluminium).