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Die
Erfindung betrifft die elektrische Leitfähigkeit in keramischen Metalloxidmaterialien
und die Erzeugung elektrischer Leitfähigkeit in einem normalerweise
nicht leitfähigen
keramischen Material. Sie lässt
sich darauf anwenden, elektrische Leitfähigkeit durch eine Schicht
aus einem keramischen Material, insbesondere in Komponenten von
Festoxid-Brennstoffzellen, zu schaffen.
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In
einer Festoxid-Brennstoffzelle bestehen Elektrolyt, Anode und Kathode
normalerweise aus keramischen Materialien. Dabei können jedoch
die umgebenden strukturellen Komponenten eines Brennstoffzellenstacks
aus einem beliebigen Material sein, das die erforderlichen elektrischen
Leitfähigkeitseigenschaften
und die strukturelle Festigkeit für den Stack-Aufbau bei den
Temperaturen, die für
den Betrieb der Brennstoffzelle erforderlich sind, beispielsweise über 700 °C, besitzt.
Diese Komponenten können
aus einem keramischen Material oder einem Metall hergestellt werden,
das in der Lage ist, diese Bedingungen auszuhalten. Einige dieser
Komponenten, beispielsweise Bipolarplatten (auch als Zwischenverbindungsplatten
bekannt) sind erforderlich, um eine elektrische Verbindung zwischen
benachbarten Brennstoffzellen herzustellen. Zu diesem Zweck sind
raffinierte, elektrisch leitfähige
keramische Materialien entwickelt worden, die jedoch teuer, mechanisch
anfällig
und schlechte Wärmeleiter
sind, verglichen mit vielen Metallen, die in der Lage sind, diesen
Bedingungen zu entsprechen.
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Die
Betriebsbedingungen in einer Festoxid-Brennstoffzelle sind für die meisten
Metalle sehr hart und beschädigen
diese durch Verlust an mechanischer Festigkeit, Oxidation oder andere
Formen der Korrosion, Verwindung, Erosion und/oder Kriechen.
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In
JP-A-04-138670 ist eine Brennstoffzellenseparatorkomponente offenbart,
in welcher eine aus SUS310 hergestellte metallische Grundlage von
einer Keramikschicht geschützt
wird, die durch ein Plasmaflammensprühverfahren gebildet worden
ist.
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Es
sind schon verschiedene hitzebeständige Metalle entwickelt worden,
um vielen dieser Verschleißformen
zu widerstehen. Die meisten dieser Metalle sind Eisen- oder Nickelbasislegierungen
mit wesentlichen Zusätzen
von Chrom, Silicium und/oder Aluminium und zusätzlich in manchen Legierungen von
noch teureren Elementen wie Cobalt, Molybdän und Wolfram. Chrombasismetalle
sind ebenfalls erhältlich.
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Das
kennzeichnende Merkmal aller hitzebeständigen Stähle ist die Oxidschicht, die
sich bildet, wenn der Stahl bei höheren Temperaturen schwach oder
stark oxidierenden Bedingungen ausgesetzt wird. Sie alle bilden
fest anhaftende, dichte Oxidschichten, die eine weitere Oxidation
des darunter befindlichen Metalls verhindern. Diese Oxidschichten bestehen
aus Chrom-, Aluminium- oder Siliciumoxiden oder einer Kombination
davon in Abhängigkeit von
der Stahlzusammensetzung. Sie sind sehr effizient, indem sie eine
inhärente
Beständigkeit
gegenüber
einer Beschädigung
des darunter befindlichen Stahls unter oxidierenden Bedingungen
bei hoher Temperatur bieten.
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Jedoch
ist, während
dieses Merkmal für
viele Verwendungen sehr vorteilhaft ist, das Vorhandensein einer
Oxidschicht bei der Verwendung dieser Stähle für wesentliche Komponenten von
Festoxid-Brennstoffzellen sehr nachteilig. Diese Oxide, insbesondere
diejenigen des Siliciums und Aluminiums, sind bei allen Temperaturen
elektrisch isolierend, und dies stellt ein großes Problem für die Brennstoffzellenkomponenten
dar, die als elektrische Stromleiter dienen sollen. Für die hitzebeständigen Stähle, die
für elektrisch
leitfähige
Komponenten in Brennstoffzellen nützlich sein sollen, ist es
zwingend, dass der Isolationseffekt der Oxidschicht wenigstens an
ausgewählten
Stellen beseitigt wird.
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Um
die Eigenschaften von Keramikkörpern zu
verbessern, ist bereits vorgeschlagen worden, ein Metall einzubauen.
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In
US-A-3 404 020 ist ein Elektrodiffusionsverfahren zur Bildung eines
Cermets aus dichtem, hochreinem Aluminiumoxid und diffundiertem
Silber offenbart, um Festigkeit, Sprödigkeit und Hitzeschockeigenschaften
des Aluminiumoxids zu verbessern. Dies wird erreicht, indem ein
elektrisches Feld angelegt wird, das die Diffusion des Silbers durch Versetzungen
und offene Poren in Alumiumoxidnichtleitern verursacht.
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In
US-A-4 880 599 ist ein Verbundmaterial offenbart, das eine gesinterte
Matrix aus Spinellferrit und eine elektrisch leitfähige Phase
aus elementarem Silber umfasst und durch gemeinsames Erhitzen einer
Schichtstruktur aus Ferritpulver enthaltenden Bändern, die ein eine Silbermetallisierung
bildendes Material enthalten, hergestellt wird. Die gesinterte Matrix
kann eine Porosität
von etwa 0 % bis etwa 40 % besitzen. Das Verbundmaterial ist als
elektrische Komponente in einem elektrischen Stromkreis, beispielsweise
als elektrischer Induktor oder Transformator, nützlich.
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Es
ist nun festgestellt worden, dass durch Aufbringen von metallischem
Silber in einer von vielen Formen auf eine vollständig dichte
Oberflächenschicht
aus einem keramischen Metalloxid wie Aluminiumoxid oder Chromoxid
auf einem Stahlsubstrat und anschließende Wärmebehandlung bei einer Temperatur
von 750 bis 970 °C
oder darüber
die keramische Schicht veranlaßt
werden kann, elektrische Leitfähigkeit,
insbesondere in der unmittelbaren Umgebung des Silbers, auszubilden.
Alternativ kann das Silber auf die Oberfläche des Stahlsubstrats aufgebracht
werden, auf welcher die vollständig
dichte Metalloxidschicht ausgebildet werden soll. Die so dem keramischen
Material verliehene Leitfähigkeit
kann ein Volumeneffekt sein, d.h. die Leitfähigkeit kann sowohl entlang
als auch durch die Dicke des keramischen Körpers hindurch verliehen werden.
Bei einer Oberflächenschicht
mit einer sehr kleinen Dicke kann jedoch dieser Effekt im Wesentlichen
durch das keramische Material hindurchgehen.
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Erfindungsgemäß wird ein
aus Stahl gebildetes Element bereitgestellt, das eine Oberflächenschicht
aus Aluminiumoxid, Chromoxid oder einer aluminiumoxidreichen oder
chromoxidreichen vollständig
dichten Keramik aufweist, wobei diese Schicht entlang ihrer Dicke
durch Einbringen von Silber in die Schicht elektrisch leitend ausgestaltet
ist.
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Die
Keramikschicht schützt
das darunter befindliche Metall vor chemischen Angriffen, während es
die auf dem Silber beruhende elektrische Leitfähigkeit erlaubt, einen elektrischen
Kontakt mit der darunter befindlichen Metallkomponente herzustellen.
Die Dicke der keramischen Oberflächenschicht beträgt vorzugsweise
nicht mehr als 1 mm und besonders bevorzugt nicht mehr als 10 mm.
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Das
Silber kann in die Schicht eingebaut werden, wenn diese Schicht
auf dem Stahl gebildet wird oder nachdem diese Schicht auf dem Stahl
ausgebildet worden ist. Vorzugsweise wird die Schicht durch die
Oberflächenoxidation
des Stahls gebildet, beispielsweise bei einem selbst aluminisierenden Stahl,
d.h. einem Stahl, dessen Aluminiumgehalt mehr als 4,5 Gew.-% beträgt.
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Für Brennstoffzellen
und andere Vorrichtungen besteht ein erfindungsgemäßer Vorteil
darin, dass eine der drei Eigenschaften eines Materials wie Aluminiumoxid,
das für
seine ausgezeichneten wärmeisolierenden
und elektrisch isolierenden Eigenschaften sowie seine chemische
Inertheit allgemein bekannt ist, umgekehrt werden kann, ohne dabei
die anderen beiden zu beeinträchtigen.
Somit kann erfindungsgemäß mit Aluminiumoxid
ein Material bereitgestellt werden, das weiterhin ein ausgezeichnetes feuerfestes
Material und in fast allen Umgebungen inert ist, welches aber an
mindestens ausgewählten Stellen
elektrisch leitfähig
ist. Dies ist für
verschiedene Anschlüsse,
die für
Brennstoffzelleneinheiten erforderlich sind, von besonderer Bedeutung.
Dabei ist festgestellt worden, dass dieser Effekt über einen langen
Zeitraum und über
den gesamten Temperaturbereich, der für den Betrieb von Festoxid-Brennstoffzellen
erforderlich ist, erhalten bleibt. Die Erfindung ist vorteilhafterweise
angewendet worden, um sonst mit hochisolierendem Aluminiumoxid beschichtete
metallische Bipolarplatten in leitfähige Platten umzuwandeln, die
verwendet werden können,
um elektrischen Strom aus arbeitenden Brennstoffzellen zu sammeln.
Diese Leitfähigkeit
kann als einziges Mittel zur Stromsammlung oder als Sicherheit/Ersatz verwendet
werden, wenn der erste Stromsammlungsmechanismus ausfällt.
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Der
Mechanismus, durch welchen Silber in die Metalloxidkeramik migriert
oder darin vorkommt, ist zurzeit noch nicht vollständig verstanden.
Es wird jedoch angenommen, dass die elektrische Leitfähigkeit
von dem Silber getragen wird, das sich entlang den Korngrenzen des
keramischen Materials erstreckt. Der Einbau des Silbers in das keramische Material
kann erreicht werden, indem das Silber enthaltende Material in Berührung mit
dem keramischen Material oder mit der Stahlkomponente, auf welcher das
keramische Material ausgebildet wird, erhitzt wird.
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Wie
weiter oben festgestellt, kann das Silber in die vollständig dichte
keramische Oberflächenschicht
eingebaut werden, nachdem diese ausgebildet worden ist. In diesem
Verfahren kann ein Silber enthaltendes Material in Berührung mit
der keramischen Oberflächenschicht
angeordnet werden und wird anschließend das keramische und das
Silber enthaltende Material in Berührung miteinander auf mindestens
750 °C erhitzt,
sodass das Silber aus diesem Silber enthaltenden Material in die
Oberflächenschicht
des keramischen Metalloxidmaterials migriert und durch die Dicke
der Oberflächenschicht
hindurch elektrische Leitungswege schafft.
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Die
Atmosphäre,
in welcher das Verfahren durchgeführt wird, scheint nicht von
Bedeutung zu sein und ist üblicherweise
Luft. Das Verfahren wird bequemerweise unter Atmosphärendruck
durchgeführt.
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Weiterhin
wird erfindungsgemäß ein Verfahren
zur Herstellung eines Stahlelementes mit einer hitzebeständigen und
elektrisch leitfähigen
Oberflächenschicht
bereitgestellt, wobei ein Stahl, der eine Aluminiumoxid-, Chromoxid-
oder aluminiumoxidreiche oder chromoxidreiche, vollständig dichte
Oberflächenschicht
in einer oxidierenden Atmosphäre
bildet, ausgewählt
wird, ein Silber enthaltendes Material mit der Oberfläche des
Stahls in Kontakt gebracht wird, der Stahl und das Silber enthaltende
Material auf mindestens 750 °C
in einer oxidierenden Atmosphäre
erhitzt werden, damit sich die Oberflächenschicht auf dem Stahl bildet
und damit Silber aus dem Silber enthaltenden Material in die Schicht
eintritt und durch sie hindurch elektrisch leitfähige Wege ausbildet.
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Der
Aluminiumgehalt des in diesem Verfahren verwendeten Stahls beträgt vorzugsweise
mehr als 4,5 Gew.-%.
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Vorzugsweise
wird die Erhitzungsstufe im erfindungsgemäßen Verfahren bei mindestens
800 °C, besonders
bevorzugt bei mindestens 850 °C,
noch mehr bevorzugt bei mindestens 900 °C, und am meisten bevorzugt
bei mindestens 950 °C
durchgeführt.
Dabei wird angenommen, dass, während
der Effekt, wodurch das Silber dem keramischen Metalloxidmaterial
elektrische Leitfähigkeit
verleiht, bei 750 °C
oder sogar darunter auftritt, die Geschwindigkeit des ablaufenden
Effekts bei dieser Temperatur sehr gering ist und mit ansteigender
Temperatur größer wird.
Der Effekt tritt besonders schnell auf, wenn sich das Silber im
flüssigen
Zustand befindet.
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Das
Silber enthaltende Material ist vorzugsweise wenigstens handelsüblich reines
Silber, kann jedoch auch eine Legierung sein oder auf andere Weise
ausgewählte
Verunreinigungen enthalten, die den Effekt, dass einem keramischen
Metalloxidmaterial elektrische Leitfähigkeit verliehen wird, nicht ernsthaft
nachteilig beeinflussen. Solche Verunreinigungen oder Legierungselemente
können
ein oder mehrere der Edelmetalle, Sn, Cu oder Ni umfassen.
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Das
Silber enthaltende Material kann als Blech, Netz, Paste oder in
einer anderen geeigneten Form vorliegen. Das Silber enthaltende
Material kann auf einem Substrat eines Typs bereitgestellt werden, der
für das
Endergebnis akzeptabel ist.
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Anschließend werden
beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen
in Bezug auf die Beispiele und die im Anhang befindlichen Zeichnungen
näher erläutert, wobei
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1 eine
schematische Darstellung einer zur Untersuchung des Charakters der
Erfindung verwendeten Versuchsanordnung,
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2 ein
Diagramm der in einem Versuch der in 1 veranschaulichten
Form erhaltenen Ergebnisse und
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3 ein
Diagramm der in einer Abwandlung des in 1 veranschaulichten
Versuchs erhaltenen Ergebnisse zeigt.
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Beispiel 1
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In 1 sind
zwei Stücke 2 und 3 aus
einem gereinigten, polierten, hitzebeständigen, chromreichen rostfreien
Stahl mit einer Kantenlänge
von etwa 1,0 cm und einer Dicke von 1 mm, zwischen denen eine quadratische
Silberfolie 5 mit einer Fläche von 0,864 cm2 eingefügt ist,
gezeigt. Diese Sandwichstruktur wurde, wie mit den Pfeilen 7 gekennzeichnet, mit
einer Kraft von 6 N zusammengedrückt.
Dichtungen 8 zwischen den Stahlstücken rund um deren Ränder waren
bei höherer
Temperatur biegbar und nahmen keine signifikante Last auf. Die einander
gegenüberliegenden
Flächen 9 der
Stahlstücke 2 und 3 wurden
in einer Atmosphäre
aus langsam strömender,
trockener Luft gehalten, was durch eine Anordnung aus (nicht gezeigten)
geraden parallelen Nuten, die maschinell in den einander gegenüberliegenden Flächen 9 angebracht
worden waren, erleichtert wurde. Der vollständige Zusammenbau wurde auf
900 °C erhitzt
und 70 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Durch eine Stromquelle 12 wurde
ein konstanter elektrischer Gleichstrom mit etwa 200 mA/cm2 zwischen den Stahlstücken 2 und 3 aufrechterhalten,
wobei die Spannung durch die Stahlstücke hindurch von einem Spannungsmesser 14 gemessen
wurde. Das Material der Dichtungen 8 war ein elektrisch
isolierendes Glas, sodass die gemessene Spannung die Veränderung
des Widerstandes des elektrischen Weges zwischen den zwei Stahlstücken 2 und 3 anzeigte.
Die Zusammensetzung des Stahles der Stahlstücke betrug etwa 27 Gew.-% Cr,
0,05 Gew.-% C, 0,05 Gew.-% Al und 0,05 Gew.-% Si, sodass seine chemische
und Hitzebeständigkeit
auf die Bildung einer dünnen
Chromoxidschicht auf der Stahloberfläche in der oxidierenden Atmosphäre zurückzuführen waren.
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Zu
dem Zeitpunkt, zu welchem nach dem Erhitzen auf 900 °C der erste
Messwert abgelesen wurde, hatte sich auf den Oberflächen 9 eine
dünne Chromoxidschicht
gebildet.
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Wie 2 zu
entnehmen, fiel danach der Widerstand während den 70 Stunden Betrieb
von 2 auf 0,3 Milliohm. Während
dieses Zeitraums wäre
zu erwarten gewesen, dass der Widerstand aufgrund der dicker werdenden
Chromoxidschicht auf den Oberflächen 9 der
in Berührung
mit der Silberfolie befindlichen Stahlstücke ansteigt. Ausbau und Untersuchung
der Stahlstücke
zeigten, dass sich eine Chromoxidschicht auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen 9 gebildet
hatte, jedoch das Chromoxid durch seine Dicke hindurch elektrisch
leitfähig
war, wo sich das Silber in Berührung
mit ihm befunden hatte. Daher wird angenommen, dass das Silber die wachsende
Chromoxidschicht durchdringt und deren Leitfähigkeit verbessert. Ein ähnliches
Ergebnis wird erreicht, wenn die Chromoxischicht auf dem rostfreien
Stahl vorgebildet wird. Wenn derselbe Versuch mit einer rostfreien
Stahlfolie anstelle der Silberfolie durchgeführt worden wäre, hätte die
auf den Oberflächen 9 gebildete
Chromoxidschicht einen elektrischen Widerstand im Bereich von Tausenden
Ohm pro Quadratzentimeter anstatt der Tausendstel Ohm pro Quadratzentimeter,
die bei der Verwendung der Silberfolie gemessen wurden, gehabt.
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Beispiel 2
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In
einem weiteren Versuch, in welchem eine ähnliche Versuchsanordnung wie
in Beispiel 1 angewendet wurde, waren die verwendeten Stahlstücke ähnlich den
zuvor beschriebenen, jedoch aus einem rostfreien Stahl, der bei
Erhitzen eine schützende Aluminiumoxidschicht
bildet. Solche rostfreien Stähle sind
als selbstaluminisierend bekannt und haben einen Al-Gehalt von mehr
als 4,5 Gew.-%. Sie wurden in Luft 1 Stunde lang bei 1025 °C erhitzt,
um eine fest anhaftende etwa 1 bis 2 mm dicke Aluminiumoxidschicht
auf der exponierten Oberfläche
zu bilden. Die Aluminiumoxidschicht war elektrisch isolierend mit
einem Widerstand von mehr als 3000 Ohm/cm2 (gemessen
an einer sauberen, polierten Fläche
auf der Rückseite).
Die Stahlstücke
wurden danach wie in 1 gezeigt zusammengebaut, wobei
sich die mit Aluminiumoxid beschichteten Oberflächen einander gegenüberstanden
und ein Silbernetz die Stelle der Folie 5 einnahm, das
in Luft bei 850 °C
gehalten wurde. Das Netz war aus einem Silberdraht mit einem Durchmesser
von etwa 50 mm gewebt und hatte eine Maschenweite von etwa 120 mm.
Die Ergebnisse sind in 3 gezeigt. Nach 420 Stunden
war der Widerstand durch das Sandwichmaterial auf etwa ein Drittel
seines Ausgangswertes gesunken und sank weiter. Die fest anhaftende
1 bis 2 mm dicke Aluminiumoxidschicht war an den Stellen, an welchen
sich das Silbernetz mit ihr in Berührung befunden hatte, weniger
elektrisch widerstandsfähig
geworden. Ein ähnliches
Ergebnis wird erreicht, wenn die Aluminiumoxidschicht gebildet wird,
nachdem das Silbermaterial mit dem rostfreien Stahl im Berührung gebracht worden
ist.
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Beispiel 3
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Es
ist festgestellt worden, dass es nicht notwendig ist, dass die Folie
oder das Netz aus solidem Silber besteht. Nachdem ein gestrecktes
Metallnetz, das aus rostfreiem Stahl hergestellt und mit Silber elektrobeschichtet
war, anstelle des in Beispiel 2 eingesetzten Netzes aus solidem
Silber verwendet worden war, wurde der Widerstand der Aluminiumoxidschicht
auf dieselbe Weise verringert. Es hat sich daher gezeigt, dass nur
kleine Silbermengen auf das Aluminiumoxid aufgebracht werden müssen, damit der
elektrische Leitfähigkeitseffekt
auftritt.
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Beispiel 4
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In
einer weiteren Abwandlung von Beispiel 2 wurde das Silbernetz durch
eine kleine Menge Silberpaste ersetzt. Danach wurden die zusammengepressten
Stahlstücke
bei etwa 950 °C
einer Luftatmosphäre
ausgesetzt. Es wurde beobachtet, dass der Widerstand viel schneller
abfiel als mit dem Silbernetz bei 850 °C.
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Beispiel 5
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In
einer anderen Abwandlung von Beispiel 2 wurden die Oberflächen der
rostfreien Stahlstücke poliert,
um die Oxidschichten zu entfernen, und es wurde die Silberpaste
von Beispiel 4 zwischen den polierten Flächen der Stahlstücke vor
dem Erhitzen aufgebracht. Die Stahlstücke wurden anschließend bei
einer Temperatur von 800 °C
bis 970 °C
in Luft erhitzt. Obwohl sich schnell eine Aluminiumoxidschicht auf
der Stahloberfläche
bildete, blieb ihr Widerstand bei unter 10 Milliohm/cm2.
Diese Schicht blieb, nachdem die Temperatur auf Umgebungstemperatur
gesenkt worden war, und durch viele solcher Erwärmungs- und Abkühlungszyklen
hindurch leitfähig.
Silber und Silberpaste sind für
Sauerstoff recht durchlässig,
sodass die Aluminiumoxidschicht nicht daran gehindert wird, auf
der Stahloberfläche
zu entstehen, wobei sie sich jedoch mit einem niedrigeren spezifischen
elektrischen Widerstand bildet.
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Das
Verhalten von Chromoxid und Aluminiumoxid auf die beschriebene Weise
war überraschend.
Edelmetalle, einschließlich
Silber, waren verwendet worden, um solide Aluminiumoxidkomponenten
miteinander zu verbinden, wobei jedoch elektrische Leitfähigkeit
weder das Ziel war noch als Ergebnis mitgeteilt wurde. Weder die
Struktur des leitfähigen
Chromoxids und Aluminiumoxids noch der Mechanismus, durch welchen
das Silber die Leitfähigkeit
im Oxid erzeugt, sind bisher ausreichend aufgeklärt worden. Ohne sich auf eine
bestimmte Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen, dass, wenn
es erhitzt wird, kleine Anteil des Silbers sich fadenförmig entlang
der Korngrenzen im Oxid bewegen und eine offenmaschige Anordnung
aus Silberfäden
oder -strängen
im Aluminiumoxid derart erzeugen, dass schließlich ein aus Silber bestehender
kontinuierlicher Weg entlang den Korngrenzen durch die gesamte Dicke
der Oxidschicht hindurch geschaffen wird.
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Es
sind viele Anstrengungen unternommen worden, um hitzebeständige Stähle für Bipolarplatten von
Festoxid-Brennstoffzellen
zu entwickeln. Dabei haben bei den erforderlichen hohen Betriebstemperaturen
selbstaluminisierende Stähle
besondere Vorteile. Wird die beschichtete Oberfläche auf irgendeine Weise beschädigt, so
ist sie selbstausheilend, da Aluminium aus dem Stahl an die exponierte
Oberfläche
diffundiert, wo es oxidiert, um eine neue Alumiumoxidschutzschicht
zu bilden. Die Aluminiumoxidschicht hat auch die günstige Eigenschaft,
ein Austreten des Chroms aus dem Stahl vollständig zu verhindern. Dies ist
von Bedeutung, da selbst kleine Spuren von auf Chrom basierenden
Gasen in einer Atmosphäre
die Leistungsfähigkeit
einer Festoxid-Brennstoffzelle
schnell und dauerhaft verringern. Die großen Vorteile von selbstaluminisierenden
Stählen
konnten jedoch oftmals nicht genutzt werden, da es erforderlich
ist, dass die Oberfläche
der Platte als elektrischer Stromsammler arbeitet, was sich mit
den Eigenschaften des Aluminiumoxids als elektrischer Isolater nicht
verträgt.
Somit lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung von Stählen, die
auf ihrer Oberfläche keine
aluminiumoxidreiche Schicht ausbilden, wenn sie bei hohen Temperaturen
einer oxidierenden Atmosphäre
ausgesetzt werden. Im Gegensatz dazu bedeutet die vorliegende Erfindung,
dass die Vorteile einer Aluminiumoxidschicht ohne den Nachteil von deren
hohem elektrischem Widerstand erhalten werden können.
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Außer für Bipolarplatten
kann die Erfindung für
andere Komponenten von Brennstoffzellen, insbesondere Festoxid-Brennstoffzellen,
wie Stromsammelbänder
und Wärmeaustauscher
verwendet werden.
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Brennstoffzellenkomponenten
und insbesondere Bipolarplatten, erfindungsgemäß mit einer Aluminiumoxidschicht
oder einer an Aluminiumoxid reichen Schicht, können denjenigen, die mit anderen gegenwärtig zur
Verfügung
stehenden hitzebeständigen
Materialien herstellbar sind, hinsichtlich einer oder mehrerer der
folgenden Eigenschaften überlegen
sein:
- 1) stärker
und zäher:
Stähle
weisen eine gute Festigkeit und Bruchfestigkeit bei der Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle und in der Aufheizungs- und Abkühlungsphase
auf,
- 2) Kosten: die Kosten erfindungsgemäßer Brennstoffzellenkomponenten
sind niedriger als diejenigen für
andere Materialien, die für
Zwischenverbindungsplatten in Festoxid-Brennstoffzellen verwendet
worden sind, beispielsweise Ni-Legierungen, rostfreie austenitische
Stähle,
Chromlegierungen und keramische Materialien,
- 3) Oxidationsbeständigkeit:
die Komponenten haben eine ausgezeichnete inhärente Beständigkeit gegenüber einer Verschlechterung
der Oberfläche
bei Temperaturen innerhalb des Bereichs von 500 °C bis 950 °C in der Atmosphäre, die üblicherweise
in einer Festoxid-Brennstoffzelle herrscht, d.h. gegenüber feuchter
Luft, feuchtem Wasserstoff, feuchten Kohlenwasserstoffen und Kohlenoxiden,
und
- 4) elektrische Leitfähigkeit:
die Aluminiumoxidschicht oder an Aluminiumoxid reiche Schicht ist ab
ihrer exponierten Oberfläche
bis zu dem darunter befindlichen Metall elektrisch leitfähig, wodurch
ein direkter Weg für
den elektrischen Kontakt und den Stromfluss durch die Komponente bereitgestellt
wird.
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Es
ist wahrscheinlich, dass außer
ihrer Verwendung in Brennstoffzellen die Erfindung Vorteile auf
vielen technischen Gebieten hat, in welchen isolierende und leitfähige Elemente
in enger Nachbarschaft verwendet werden und/oder stabile elektrische Eigenschaften
bei hohen Temperaturen erforderlich sind. Technologien wie gedruckte
Dick- und Dünnschichtschaltkreise,
Mikroelektronik, Halbleiter, Wellenleiter und Sensoren könnten von
der Erfindung profitieren. Es gibt viele potenzielle Verwendungen für Aluminiumoxid
oder Chromoxid, das entweder insgesamt oder in ausgewählten Bereichen
elektrisch leitfähig
ist.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass die hier beschriebene Erfindung Veränderungen
und Modifizierungen unterliegen kann, die anders als die hier speziell
beschriebenen sind. Dabei ist es selbstverständlich, dass die Erfindung
alle diese Veränderungen
und Modifizierungen umfasst, die sich innerhalb der folgenden Patentansprüche befinden.