EP3853935A1 - Component having a two-layered, oxidic protective layer - Google Patents

Component having a two-layered, oxidic protective layer

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Publication number
EP3853935A1
EP3853935A1 EP19790421.2A EP19790421A EP3853935A1 EP 3853935 A1 EP3853935 A1 EP 3853935A1 EP 19790421 A EP19790421 A EP 19790421A EP 3853935 A1 EP3853935 A1 EP 3853935A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
component
spinel structure
group
base body
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19790421.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Martin Andritschky
Klaus PREINFALK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
High Tech Coatings GmbH
Original Assignee
High Tech Coatings GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by High Tech Coatings GmbH filed Critical High Tech Coatings GmbH
Publication of EP3853935A1 publication Critical patent/EP3853935A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206Metals or alloys
    • H01M8/0208Alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0215Glass; Ceramic materials
    • H01M8/0217Complex oxides, optionally doped, of the type AMO3, A being an alkaline earth metal or rare earth metal and M being a metal, e.g. perovskites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223Composites
    • H01M8/0228Composites in the form of layered or coated products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a component with a metallic base body and a protective layer arranged thereon, the protective layer being embodied in multiple layers, at least comprising a first, oxide layer and a second layer, forming oxides with a spinel structure, the first oxide layer being arranged closer to the metallic base body is, as the second layer, forming oxides with spinel structure.
  • the invention further relates to a high-temperature fuel cell comprising at least one connector.
  • the invention relates to a method for producing a protective layer on a component with a metallic base body, according to which the protective layer is formed from multiple layers, at least comprising a first, oxidic layer and a second, oxide with layer structure forming Spi, the first oxide layer closer to the metallic base body is arranged as the second layer forming oxides with spinel structure.
  • Metallic components of the type described above are used in high-temperature fuel cells (abbreviated as SOLC Solid Oxygen Luel Cell), in particular for interconnectors (also called bipolar plates).
  • SOLC Solid Oxygen Luel Cell high-temperature fuel cells
  • interconnectors also called bipolar plates
  • the operating temperatures are usually in the range of approx. 600 ° C to approx. 1,000 ° C and allow the use of numerous fuels, the most important of which are H2, CH4 and CO together with air.
  • the interconnector which is usually plate-shaped, is used to connect the individual cells. These interconnectors are arranged as fuel gas and oxidizing agent separately connecting link between two fuel cells and can also function as a load-bearing component for the entire construction with appropriate design.
  • a preferred design of the interconnectors consists of metal sheets which contain chromium as an essential alloy component, since chromium oxide-forming high-temperature materials have good oxidation resistance. These chromium-containing metallic materials form chromium oxide-containing surface layers even under normal conditions.
  • the chromium oxides react with oxygen and water to form chromium trioxide (Cr203) and / or its hydrates (Cr02 (0H) 2 (chromic acid) and CrO (OH) 4).
  • the chromium trioxide of the surface layer itself has only a low level of electrical conductivity.
  • the chromium oxide hydrates are gaseous species at the operating temperatures of the high-temperature fuel cells, which can be transported through the gas space to the interface between the electrolyte and the cathode.
  • the Cr (VI) compounds are deposited there. This will hinder oxygen reduction at this point. The result is a significant reduction in the performance and service life of the fuel cell.
  • Mechanisms which lead to a reduction in the electrical power and ability to function and thus to a limitation of the life of a fuel cell stack are, inter alia, the growth of an electrically poorly conductive oxide layer on the metallic substrate and the evaporation of Cr compounds (with subsequent deposition and thus poisoning the cathode).
  • Both mechanisms can be controlled by a protective layer on the interconnector.
  • a protective layer on the interconnector There are a number of approaches in the patent literature for the formation of these protective layers.
  • a rough distinction can be made between non-metallic, mostly oxidic, protective layers and metallic protective layers.
  • plasma spraying, PVD deposition, or wet chemical deposition are used as coating techniques.
  • these oxidic protective layers often have layer thicknesses of more than 50 pm, which limits the electrical conductivity.
  • these protective layers can form continuous cracks, which generally do not heal and therefore do not effectively prevent the chromium diffusion to the surface and the subsequent evaporation.
  • a ceramic protective layer based on lanthanum strontium manganese perovskites is often used commercially, as described, for example, in WO
  • Ceramic protective layers consisting of two- or three-phase alloys such as CoM-nCr spinels, which are known from US 2017/0054159 Al, proved to be not very effective in reducing the chromium, especially at temperatures> 750 ° C. - evaporation.
  • Metallic protective layers are produced using PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition), or application from the ionized state by electrolytic or chemical deposition (e.g. electroplating, anodizing, electrophoretic painting).
  • the metallic coating is oxidized during operation and oxidic spinels are formed, which have a relatively high (relative to chromium oxides) electrical conductivity.
  • Multi-layer protective layers are also known, for example from EP 1 819 507 B1, US 2015/0079498 A1, US 2009/0029187 A1 and US 7,875,360 B2.
  • the present invention is based on the object of improving the service life of a high-temperature fuel station.
  • the object of the invention is achieved with the component mentioned at the beginning, in which the first, oxide layer contains a metal oxide of a metal from the group of rare earths and / or a metal alloy oxide which contains at least one element from the group of rare earths. Furthermore, the object of the invention is achieved with the high-temperature fuel station, which contains a component according to the invention.
  • the object of the invention is also achieved with the method mentioned at the outset, according to which it is provided that the first, oxidic layer is formed from a metal or a metal alloy which contains at least one element from the group of rare earths.
  • the applied first, oxidic layer is able to form largely gas-tight ceramic layers at high temperatures and in an oxidizing atmosphere. This in turn has the advantage that even metallic base bodies with a very rough surface can be used directly for the coating. A residual porosity in the oxide layer after the coating process therefore has no negative influence on the layer properties. Due to the metals or metal alloys used for the production of the oxide layer, the oxides have electrical resistances of less than 5 mQ / cm2.
  • Another advantage is that occurring micro-cracks during long-term operation, which can be induced by temperature fluctuations, for example, are curable.
  • the second layer which forms oxides with a spinel structure, contains at least one element from the group of rare earths.
  • at least one element from the group of rare earths can also be deposited to form the second layer forming oxides with a spinel structure , in particular that element which was also deposited for the formation of the first, metallic layer.
  • the advantage here is that, due to the protective effect of the second layer, the first, oxidic layer can be made very thin and thus also very stable. This is important, for example, when manufacturing fuel cell stacks.
  • the proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second is provided that the proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second,
  • Oxides with a spinel structure-forming layer is selected from a range of 0.01 atom% to 10 atom%. It is thereby achieved that cracks, which occur due to temperature changes in the first metallic layer, can be better healed via diffusion processes. If the proportion of the element from the group of rare earths is too high, own rare earth oxides can form which do not have the advantageous properties of the spinel structures (high electrical conductivity).
  • the metallic base body is formed from an alloy with chromium as the alloying element, in particular from a ferritic chromium alloy with a minimum chromium content of 15% by weight.
  • the protective layer has advantages, in particular with alloy with chromium as the main constituent, since chromium can be effectively prevented from being removed from the component or converted into a form which is disadvantageous for a high-temperature fuel cell.
  • chromium alloys which have a chromium content in the chromium alloy of at least 70% by weight without the cell's performance as a result of a relatively rapid decrease as a result of chromium loss. This in turn is advantageous with regard to the electrical conductivity of the component.
  • the protective layer can be made relatively thin overall.
  • the protective layer can have a layer thickness which is selected from a range from 1 pm to 20 pm. The effects mentioned above regarding the reduction in conductivity due to thick oxide layers can thus be significantly reduced.
  • the first, oxidic layer can have a smaller layer thickness than the second, oxide-forming layer with spinel structure.
  • the metallic base body is preferably plate-shaped or sheet-shaped or structured, since its coating makes it easier to achieve a constant layer thickness with high quality.
  • the proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second layer forming oxides with a spinel structure varies over the layer thickness of this layer. It is possible to increase the healing effects of cracks.
  • the first, oxidic layer is preferably produced in accordance with an embodiment variant of the method by a PVD method.
  • the first, oxidic layer can thus be deposited several times faster and more economically than conventional ceramic layers using vacuum coating processes.
  • the second layer, which forms oxides with a spinel structure at least two metals from a group consisting of Mn, Co, Fe, Nb, Cr, V are deposited with one another, in particular by co-sputtering, with the proviso that the sum of the oxidation numbers of the metal cations forming the spinel structure is +8.
  • oxides adhering to the metallic base body are mechanically removed before the first oxide layer is arranged.
  • these oxides are typical of sintered components.
  • the properties of the components can be improved by removing the oxides. It is an advantage, however, that this can be done using effective, simple methods, such as Sandblasting can take place, since - as has already been stated above - it is possible within the scope of the invention to make the first, oxidic layer largely gas-tight.
  • Fig. 3 shows the reduction in Cr evaporation in comparison with an uncoated
  • the high-temperature fuel cell 1 shows a detail from a high-temperature fuel cell 1.
  • the high-temperature fuel cell 1 has several identical modules 2 (only one is shown in FIG. 1), each module 2 having a cathode 3, an electrolyte 4 and an anode 5. Furthermore, the modules 2 also have components 6 for separating the individual modules, the so-called interconnectors.
  • the present invention is primarily concerned with the component 6.
  • the component 6 is preferably an interconnector.
  • the component can also be provided for another application, in particular also for a high-temperature fuel cell 1, such as, for example, a gas supply element (gas supply line) or a gas discharge element (gas discharge line).
  • a high-temperature fuel cell 1 such as, for example, a gas supply element (gas supply line) or a gas discharge element (gas discharge line).
  • the component 6 can also be used in other devices, for example a heat exchanger in which it is subjected in particular to similar operating conditions as in a high-temperature fuel cell 1.
  • the component 6 has a metallic base body 7.
  • This metallic base body 7 is preferably plate-shaped or sheet-shaped. However, it can also have a different shape, for example a cylindrical shape, etc.
  • the surface of the base body 7 can be structured. The structuring can be designed, for example, in the form of a wave pattern or a waffle pattern or in the form of grooves, etc.
  • the metallic base body 7 can consist of a metal or a metal alloy which is selected from a group comprising or consisting of stainless steels a chromium content of at least 15% by weight, in particular between 15% by weight and 97% by weight.
  • the material Crofer® 22 APU from Thyssen Krupp VDK GmbH can be used as stainless steel.
  • the metallic base body 7 consists of an alloy with chromium as an essential alloy element (in addition to any further alloy elements that may be present), in particular as a main component.
  • the chromium content according to an embodiment of the invention is particularly preferably at least 70% by weight, in particular at least 90% by weight, for example 95% by weight.
  • the chromium alloy can have a chromium content between 70% by weight and 95% by weight.
  • a ferritic chromium alloy is particularly preferred.
  • the iron content of these alloys can be between 2% by weight and 10% by weight.
  • a ferritic chromium alloy with an iron content of 5% by weight and a chromium content of 95% by weight can be used.
  • CFY from Plansee SE can be used as stainless steel.
  • Part of the chromium can also be replaced by at least one further alloy element, for example yttrium, manganese, copper or other rare earth metals.
  • the one or more iron other alloying elements of the chromium alloy can be present in a proportion which is selected from a range of a total of 0.01% by weight and 3% by weight.
  • the component 6 has a protective layer 8 on at least one surface.
  • a protective layer 8 on at least one surface.
  • several surfaces of the component 6 are provided with a protective layer 8, in particular those surfaces which come into contact with oxidizing substances, in particular (hot) gases.
  • the protective layer 8 is designed in multiple layers. It comprises a first layer 9 and a second layer 10 or consists thereof.
  • the first layer 9 is oxidic.
  • the first layer has a proportion of perovskite crystal structures.
  • the first oxide layer 9 is arranged closer to the metallic base body 7 than the second layer 10 forming oxides with a spinel structure.
  • the first oxide layer 9 is arranged directly on the metallic base body 7, and in particular associated with it.
  • the first, oxidic layer consists of or comprises a metal from the rare earth group or a metal alloy which contains at least one element from the rare earth group. These are the elements scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium. If the first, oxide layer 9 is formed from a metal alloy, this can contain at least one further element from the group of rare earths.
  • the first, oxidic layer 9 has a chromium content and (according to the chemical stoichiometry) oxygen.
  • the first, oxidic layer 9 can therefore consist, for example, of at least one rare earth metal, chromium and oxygen. If necessary, at least one further element can also be contained, which originates from the metallic base body 7.
  • the proportion of the at least one metal from the group of rare earths in the metal alloy of the first, oxidic layer 9 can be selected from a range from 10% by weight to 50% by weight. If there are several rare earth metals, their total proportion in the metal alloy can be selected from a range from 10% by weight to 50% by weight.
  • the rest to 100 wt .-% form chromium, and possibly another alloying element or several other alloying elements of the metallic base body 7, and oxygen.
  • the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure also has at least one element from the group of rare earths.
  • the proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second layer 10 which forms oxides with a spinel structure can, according to a further embodiment, be selected from a range of 0.01 atom% to 10 atom%, in particular from a range of 0.1 atomic% to 5 atomic%.
  • the second layer 10 forming oxides with a spinel structure can have the following compositions:
  • the first layer can preferably be formed by La, Cr and oxygen.
  • the first layer can preferably be formed by Ce, Cr and oxygen.
  • the first, oxidic layer 9 can be made very thin.
  • a layer thickness 11 of the entire protective layer 8 can be selected from a range from 1 pm to 20 pm, in particular from a range from 1 pm to 11 pm.
  • the first, oxidic layer 9 is preferably made thinner than the second, layer 10 forming oxides with spinel structure.
  • the first, oxidic layer 9 can preferably have a layer thickness 12 which is selected from a range from 2 nm to 0.5 ⁇ m , in particular from a range from 50 nm to 200 nm.
  • the rest of the entire layer thickness 11 of the protective layer is formed by the second layer 10 forming oxides with a spinel structure.
  • the concentration of the at least one element from the group of rare earths in the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, can be over the entire layer thickness this layer 10 must be constant (within the framework of the production-related fluctuations).
  • component 6 there is also the possibility that the proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second,
  • Oxides with a layer 10 forming a spinel structure vary over the layer thickness of this layer 10, that is to say has a concentration gradient.
  • this concentration gradient serves to drop from 50 atom% at the interface to the first, oxidic layer 9 to 0.1 atom% over the layer thickness of the layer 10.
  • oxides with a spinel structure form the layer 10
  • all or more or only one of these elements can be formed with a concentration gradient over the layer thickness of the layer 10.
  • the concentration gradient can be linear or a function of x 2 or x 3 or logarithmic, etc.
  • the first, oxidic layer 9 has at least two elements from the group of rare earths, and that their proportion varies over the layer thickness 12 of this layer 9.
  • the proportion of rare earths at the interface to the metallic base body 7 of the component is preferably higher than the proportion of MnCo and decreases in the direction of the second layer 10 which forms oxides with a spinel structure.
  • the production of the metallic component 6 is the metallic base body 7 be provided. This can be made by a casting or sintering process. Subsequent (cutting) processing steps can of course be carried out in both process variants.
  • the protective layer 8 described above is then arranged on at least one surface of this metallic base body 7.
  • the first, oxidic layer 9 is deposited on the metallic base body 7 by means of a PVD method in order to produce the protective layer 8.
  • the first, oxidic layer 9 is deposited in particular by means of magnetron sputtering, preferably an unbalanced configuration, from one or more purely metallic targets or metal alloys.
  • the substrates are in continuous rotation motion. Typical coating rates are 0.1 nm / s to 10 nm / s at a gas pressure of 5 * 10-4 mbar to 1 * 10-2 mbar.
  • a negative voltage is applied to the metallic target, with a pulsed or constant DC voltage between - 300 V and - 500 V being selected.
  • the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, is then deposited on this first, oxide layer 9. This is preferably done by the deposition of at least two metals from a group consisting of Mn, Co, Fe, Nb, Cr, V with one another, in particular by cosputtering, with the proviso that the sum of the oxidation numbers of the metal cations forming the spin structure +8 results.
  • the second layer 10 which forms oxides with a spinel structure, is preferably deposited with the aid of magnetron sputtering, preferably an unbalanced configuration, from one or more pure metal targets or metal alloys.
  • the substrates are in a continuous rotational movement. Typical coating rates are 0.1 nm / s to 10 nm / s at a gas pressure of 5 * 10-4 mbar to 1 * 10-2 mbar.
  • a negative voltage is applied to the metallic target, with a pulsed or constant DC voltage between -300 V and - 500 V being selected.
  • the following combinations of metals can be produced: Co with Mn, Co with Mn and Fe, Co with Mn and Al.
  • the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure can also have at least one element from the group of rare earths, in particular that element of the first, oxidic layer 9.
  • the at least one element from the group of rare earths is in the preferred embodiment variant of the method does not diffuse out of the first, oxidic layer 9, but is also deposited with the elements mentioned above to form the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, in particular simultaneously with the elements mentioned.
  • the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure is at least partially oxidized after the deposition of the first and the second metal. This can be carried out before the component 6 is used, that is to say before it is used in particular in the high-temperature fuel cell 1. However, it is also possible for this oxidative aftertreatment to take place during the joining of the fuel cell 1 (the joining takes place at approximately 950 ° C.) or during “running in” while the end product is being used.
  • This oxidative aftertreatment of the protective layer 8 is preferably carried out at a temperature of 750 ° C. to 970 ° C. and an oxygen partial pressure between 10-12 bar and 0.2 bar.
  • the duration depends on the selected temperature and varies between 0.1 hours and 10 hours. The higher the temperature is selected, the shorter the duration can be.
  • oxidic layer 9 on the metallic base body 7 oxides adhering to it are mechanically removed.
  • This can be done, for example, by grinding, sandblasting, etc.
  • the base body 7 is sandblasted before the arrangement of the protective layer 8 and this sandblasted surface, optionally after cleaning of the abrasive particles, is used without further (smoothing) aftertreatment.
  • the protective layer 8 contains all the elements for the effective protection of the component 6 at high temperatures in oxidizing atmospheres. A subsequent diffusion of elements into the protective layer is therefore not necessary.
  • the protective layer 8 is also able to heal thermal cracks. A crack-free protective layer 8 can therefore be provided.
  • Example 1 In a first exemplary embodiment, an interconnector with a sintered, metallic base body 7 made of a chromium-iron-yttrium alloy mentioned above was coated. In a first step, the native oxidation layer (from the pre-processes in the manufacture of the base body) was removed by sandblasting. The basic body is then introduced into a vacuum system by 7 and, after reaching the desired starting pressure, via an Ar plasma treatment (argon pressure approx. 5 10-3 mbar, pulsed negative voltage on the substrate between - 300 V and - 1200 V, duration 5 minutes to 30 minutes). An approx. 0.1 pm thick first metallic layer 9 with lanthanum is sprayed over magnetron sputtering (argon pressure approx.
  • an approx. 4 pm thick second layer 10 of oxides with a spinel structure is made of CoMn using magnetron sputtering (argon pressure approx. 5 10 -3 mbar, constant negative voltage at the target or at the targets between -300 V and - 400 V , Duration 0.1 minutes to 10 minutes).
  • This CoMn layer was doped with an average of 5 at% lanthanum, which was deposited together with the Co and the Mn.
  • the areas not to be coated can be masked.
  • the coated base body 7 was then subjected to post-treatment at a temperature> 800 ° C. in an oxidizing atmosphere (air or argon-oxygen mixture).
  • the metallic coating was converted into a multilayer oxide layer with an inner Cr203 layer, which was formed from the metallic base body 7, a crystalline, oxidic intermediate layer and an oxidic CoMnCr spinel layer 10 ⁇ m.
  • the inner Cr203 layer which was formed from the metallic base body 7, can generally also be formed in other design variants of the invention if the protective layer 8 is post-treated by oxidation.
  • the entire rough surface of the metallic base body 7 was covered with an opaque gas-tight layer.
  • the interconnector can thus be installed.
  • the oxidative aftertreatment can also be carried out after installation in the already functional stack of the high-temperature fuel cell 1.
  • Fig. 3 the reduction in Cr evaporation from the base body 7 in the component 6 according to the invention (lower curve) compared to an uncoated base body (upper curve) at a temperature of 850 ° C and 3 vol .-% Water vapor is shown in the laboratory atmosphere.
  • the improvement which is achieved with the protective layer 8 according to the invention can be clearly seen.
  • the time in hours is plotted on the x-axis and the Cr evaporation in kg / m2 on the y-axis
  • an interconnector was coated with a base body 7 made of a metal alloy Crofer22APU.
  • a first step the native oxidation layer and any existing organic contamination (from the preprocesses in the manufacture of the base body) was removed by chemical cleaning processes.
  • the base body 7 was then introduced into a vacuum system and, after reaching the desired starting pressure, via an ar - Plasma treatment (see example 1) activated.
  • An approximately 100 nm thick first layer 9 with lanthanum was applied using magnetron sputtering (see Example 1).
  • an approximately 2 pm thick CoMn layer 10 was applied using magnetron sputtering (see Example 1). This CoMn layer 10 is doped with up to 1 at% lanthanum.
  • the component 6 preferably has a two-layer oxide layer.
  • the first layer 9 preferably consists of an oxide with a high La content, Cr and oxygen. This first layer 9 can have a crystal structure with a high percentage of perovskite.
  • the second layer 10 preferably consists of Co, Mn, La, some ( ⁇ 5%) Cr and oxygen. This oxide has a high spinel content.
  • the two layers 9, 10 preferably merge into one another in a flowing manner.
  • the protective layer 8 is preferably produced by depositing the two layers from the metals and their subsequent oxidation, there is in principle the possibility that the first, oxidic layer 9 and / or the second, oxidic layer 10 is produced by deposition of the corresponding metal oxides will be.
  • the exemplary embodiments show possible design variants, it being noted at this point that combinations of the individual design variants with one another are also possible.
  • the invention relates independently of the component 6 and a protective layer 8 and de ren use for a metallic component 6, which is used at high temperatures in oxidizing atmospheres, in particular in high-temperature fuel cells 1 and their periphery.
  • This protective layer 8 is composed in accordance with the above embodiments.
  • the invention also relates to a preliminary product for a component 6 with a metallic base body 7 and a protective layer 8 arranged thereon, the protective layer 8 being embodied in multiple layers, at least comprising a first metallic layer 9 and a second layer 10 forming oxides with a spinel structure , wherein the first metallic layer 9 is arranged closer to the metallic base body 7 than the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, and wherein the first, metallic layer 9 consists of a metal from the rare earth group or a metal alloy, at least contains an element from the group of rare earths.
  • the component 6 or the protective layer 8 according to the invention is produced via the aforementioned oxidative aftertreatment.

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Abstract

The invention relates to a component (6) having a metal main body (7) and protective layer (8) arranged thereon, the protective layer (8) being formed in a number of layers, at least comprising a first oxidic layer (9) and a second layer (10) forming oxides having a spinel structure, the first oxidic layer (9) being arranged closer to the metal main body (7) than the second layer (10) forming oxides having a spinel structure. The first, oxidic layer (9) contains a metal oxide of a metal of the group of the rare earths and/or a metal alloy oxide which contains at least one element from the group of rare earths.

Description

Bauelement mit einer zweilagigen, oxidischen Schutzschicht  Component with a two-layer, oxidic protective layer
Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem metallischen Grundkörper und einer darauf angeordneten Schutzschicht, wobei die Schutzschicht mehrlagig ausgeführt ist, zumindest umfassend eine erste, oxidische Lage und eine zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage, wobei die erste oxidische Lage näher an dem metallischen Grundkörper angeordnet ist, als die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage. The invention relates to a component with a metallic base body and a protective layer arranged thereon, the protective layer being embodied in multiple layers, at least comprising a first, oxide layer and a second layer, forming oxides with a spinel structure, the first oxide layer being arranged closer to the metallic base body is, as the second layer, forming oxides with spinel structure.
Weiter betrifft die Erfindung eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle umfassend zumindest ei nen Interkonnektor. The invention further relates to a high-temperature fuel cell comprising at least one connector.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf einem Bauelement mit einem metallischen Grundkörper, wonach die Schutzschicht mehrlagig aus gebildet wird zumindest umfassend eine erste, oxidische Lage und eine zweite, Oxide mit Spi nellstruktur bildende Lage, wobei der erste oxidische Lage näher an dem metallischen Grund körper angeordnet wird, als die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage. In addition, the invention relates to a method for producing a protective layer on a component with a metallic base body, according to which the protective layer is formed from multiple layers, at least comprising a first, oxidic layer and a second, oxide with layer structure forming Spi, the first oxide layer closer to the metallic base body is arranged as the second layer forming oxides with spinel structure.
Metallische Bauelement der eingangs beschriebenen Art finden Verwendung in Hochtempera tur-Brennstoffzellen (abgekürzt SOLC Solid Oxygen Luel Cell), insbesondere für Inter konnektoren (auch Bipolarplatten genannt). Die Betriebstemperaturen liegen dabei üblicher weise im Bereich von ca. 600 °C bis ca. 1.000 °C und ermöglichen die Verwendung zahlrei cher Brennstoffe, von denen die wichtigsten unter anderen H2, CH4 und CO zusammen mit Luft sind. Metallic components of the type described above are used in high-temperature fuel cells (abbreviated as SOLC Solid Oxygen Luel Cell), in particular for interconnectors (also called bipolar plates). The operating temperatures are usually in the range of approx. 600 ° C to approx. 1,000 ° C and allow the use of numerous fuels, the most important of which are H2, CH4 and CO together with air.
Zur Stromerzeugung werden in der Regel mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet. Zur Verbindung der einzelnen Zellen dient der Interkonnektor, der üblicherweise plattenförmig ausgebildet ist. Diese Interkonnektoren werden als Brenngas und Oxidationsmittel getrennt zuleitendes Bindeglied zwischen zwei Brennstoffzellen angeordnet und können gleichzeitig auch als tragende Komponente für die gesamte Konstruktion bei entsprechender Ausgestal tung fungieren. Ein bevorzugtes Design der Interkonnektoren besteht aus Metallblechen, welche Chrom als wesentlichen Legierungsbestandteil enthalten, da Chromoxid bildende Hochtemperaturwerk stoffe eine gute Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Diese chromhaltigen metallischen Werk stoffe bilden bereits unter Normalbedingungen Chromoxid-haltige Oberflächenschichten aus. Bei den Betriebsbedingungen der Brennstoffzellen reagieren die Chromoxide mit Sauerstoff und Wasser zu Chromtrioxid (Cr203) und/oder dessen Hydraten (Cr02(0H)2 (Chromsäure) und CrO(OH)4). Das Chromtrioxid der Oberflächenschicht selbst besitzt allerdings eine nur gering ausgeprägte elektrische Leitfähigkeit. Die Chromoxidhydrate sind andererseits bei den Betriebstemperaturen der Hochtemperatur-Brennstoffzellen gasförmige Spezies, die durch den Gasraum zur Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Kathode transportiert werden können. Dort lagern sich die Cr(VI)-Verbindungen ab. Dadurch behindern Sie die Sauerstoffreduktion an dieser Stelle. Eine signifikante Verringerung der Leistung und Lebensdauer der Brenn stoffzelle ist die Lolge. Mechanismen die zu einer Verminderung der elektrischen Leistung und Lunktionsfähigkeit und damit zu einer Begrenzung der Lebensdauer eines Brennstoffzel lenstacks führen, sind daher u.a. das Aufwachsen einer elektrisch schlecht leitenden Oxid schicht auf dem metallischen Substrat und das Abdampfen von Cr- Verbindungen (mit an schließender Ablagerung und damit Vergiftung der Kathode). Several fuel cells are usually connected in series to generate electricity. The interconnector, which is usually plate-shaped, is used to connect the individual cells. These interconnectors are arranged as fuel gas and oxidizing agent separately connecting link between two fuel cells and can also function as a load-bearing component for the entire construction with appropriate design. A preferred design of the interconnectors consists of metal sheets which contain chromium as an essential alloy component, since chromium oxide-forming high-temperature materials have good oxidation resistance. These chromium-containing metallic materials form chromium oxide-containing surface layers even under normal conditions. Under the operating conditions of the fuel cells, the chromium oxides react with oxygen and water to form chromium trioxide (Cr203) and / or its hydrates (Cr02 (0H) 2 (chromic acid) and CrO (OH) 4). However, the chromium trioxide of the surface layer itself has only a low level of electrical conductivity. On the other hand, the chromium oxide hydrates are gaseous species at the operating temperatures of the high-temperature fuel cells, which can be transported through the gas space to the interface between the electrolyte and the cathode. The Cr (VI) compounds are deposited there. This will hinder oxygen reduction at this point. The result is a significant reduction in the performance and service life of the fuel cell. Mechanisms which lead to a reduction in the electrical power and ability to function and thus to a limitation of the life of a fuel cell stack are, inter alia, the growth of an electrically poorly conductive oxide layer on the metallic substrate and the evaporation of Cr compounds (with subsequent deposition and thus poisoning the cathode).
Beide Mechanismen können durch eine Schutzschicht auf dem Interkonnektor kontrolliert werden. Es gibt in der Patentliteratur eine Reihe von Ansätzen zur Ausformung dieser Schutz schichten. Grob kann man zwischen nicht-metallischen, zumeist oxidischen, Schutzschichten und metallischen Schutzschichten unterscheiden. Lür die erste Gruppe werden als Beschich tungstechniken das Plasmaspritzen, die PVD- Ab Scheidung oder die nasschemische Abschei dung eingesetzt. Allerdings weisen diese oxidischen Schutzschichten häufig Schichtdicken von mehr als 50 pm auf, womit die elektrische Leitfähigkeit limitiert ist. Weiter können diese Schutzschichten durchgehende Risse ausbilden, welche in der Regel nicht ausheilen und da mit die Chrom-Diffusion an die Oberfläche und die anschließende Verdampfung nicht wir kungsvoll unterbindet. Kommerziell wird häufig eine keramische Schutzschicht basierend auf Lanthan Strontium Mangan Perovskiten eingesetzt, wie sie beispielsweise in der WO Both mechanisms can be controlled by a protective layer on the interconnector. There are a number of approaches in the patent literature for the formation of these protective layers. A rough distinction can be made between non-metallic, mostly oxidic, protective layers and metallic protective layers. For the first group, plasma spraying, PVD deposition, or wet chemical deposition are used as coating techniques. However, these oxidic protective layers often have layer thicknesses of more than 50 pm, which limits the electrical conductivity. Furthermore, these protective layers can form continuous cracks, which generally do not heal and therefore do not effectively prevent the chromium diffusion to the surface and the subsequent evaporation. A ceramic protective layer based on lanthanum strontium manganese perovskites is often used commercially, as described, for example, in WO
2008/003113 Al oder der US 2010/0129693 Al beschrieben ist. Keramische Schutzschichten bestehend aus zwei- oder drei-phasigen Legierungen wie CoM- nCr-Spinelle, die aus der US 2017/0054159 Al bekannt sind, erwiesen sich, speziell bei Tem peraturen > 750°C, als nicht sehr effektiv bei der Verminderung der Chrom- Verdampfung. 2008/003113 A1 or US 2010/0129693 A1. Ceramic protective layers consisting of two- or three-phase alloys such as CoM-nCr spinels, which are known from US 2017/0054159 Al, proved to be not very effective in reducing the chromium, especially at temperatures> 750 ° C. - evaporation.
Das Aufträgen von deckenden, dünnen Schutzschichten (dünne Schichten an sich werden in der Regel mit PVD- Verfahren abgeschieden) ist, aufgrund der Oberflächen Rauheit der metal lischen Substrate, häufig technisch unmöglich. The application of opaque, thin protective layers (thin layers are generally deposited using PVD processes) is often technically impossible due to the surface roughness of the metallic substrates.
Metallische Schutzschichten werden über PVD-Verfahren (physical vapour deposition), CVD-Verfahren (chemical vapour deposition), oder Auftragung aus dem ionisierten Zustand durch eine elektrolytische oder chemische Abscheidung (z. B. Galvanotechnik, Eloxalverfah ren, elektrophoretische Lackierung) erzeugt. Die metallische Beschichtung wird im Betrieb oxidiert und es bilden sich oxidische Spinelle aus, die eine relativ (zu Chromoxiden) hohe elektrische Leitfähigkeit haben. Metallic protective layers are produced using PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition), or application from the ionized state by electrolytic or chemical deposition (e.g. electroplating, anodizing, electrophoretic painting). The metallic coating is oxidized during operation and oxidic spinels are formed, which have a relatively high (relative to chromium oxides) electrical conductivity.
Es sind auch mehrlagige Schutzschichten bekannt, beispielsweise aus der EP 1 819 507 B l, der US 2015/0079498 Al, der US 2009/0029187 Al und der US 7,875,360 B2. Multi-layer protective layers are also known, for example from EP 1 819 507 B1, US 2015/0079498 A1, US 2009/0029187 A1 and US 7,875,360 B2.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Standzeit einer Hochtempera tur-Brennstoffstelle zu verbessern. The present invention is based on the object of improving the service life of a high-temperature fuel station.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Bauelement gelöst, bei dem die erste, oxidi sche Lage ein Metalloxid eines Metalls der Gruppe der Seltenen Erden und/oder ein Metallle gierungsoxid enthält, das zumindest ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erden enthält. Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit der Hochtemperatur-Brennstoffstelle gelöst, die ein erfindungsgemäßes Bauelement enthält. This object is achieved with the component mentioned at the beginning, in which the first, oxide layer contains a metal oxide of a metal from the group of rare earths and / or a metal alloy oxide which contains at least one element from the group of rare earths. Furthermore, the object of the invention is achieved with the high-temperature fuel station, which contains a component according to the invention.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, wonach vorgesehen ist, dass die erste, oxidische Lage aus einem Metall oder einer Metalllegierung ge bildet wird, die zumindest ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erden enthält. The object of the invention is also achieved with the method mentioned at the outset, according to which it is provided that the first, oxidic layer is formed from a metal or a metal alloy which contains at least one element from the group of rare earths.
Die aufgebrachte erste, oxidische Lage ist in der Lage, bei hohen Temperaturen und oxidie render Atmosphäre weitgehend gasdichte keramische Schichten auszubilden. Dies wiederum hat den Vorteil, dass auch metallische Grundkörper mit einer sehr rauen Oberfläche direkt für die Beschichtung verwendet werden können. Eine Restporosität in der oxidischen Schicht nach dem Beschichtungsprozess hat also keinen negativen Einfluss auf die Schichteigenschaf ten. Aufgrund der für die Herstellung der oxidischen Schicht eingesetzten Metalle bzw. Me talllegierungen weisen die Oxide elektrische Widerstände von weniger als 5 mQ/cm2 auf.The applied first, oxidic layer is able to form largely gas-tight ceramic layers at high temperatures and in an oxidizing atmosphere. this in turn has the advantage that even metallic base bodies with a very rough surface can be used directly for the coating. A residual porosity in the oxide layer after the coating process therefore has no negative influence on the layer properties. Due to the metals or metal alloys used for the production of the oxide layer, the oxides have electrical resistances of less than 5 mQ / cm2.
Von Vorteil ist weiter, dass auftretende Mikrorisse während des Langzeitbetriebs, die bei spielsweise durch Temperatur Schwankungen induziert werden können, ausheilfähig sind. Another advantage is that occurring micro-cracks during long-term operation, which can be induced by temperature fluctuations, for example, are curable.
Nach einer Ausführungsvariante des Bauelements kann vorgesehen sein, dass die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage zumindest ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erden enthält. Gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann dazu zur Ausbildung der zweiten, Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage neben den Metallen aus einer Gruppe bestehend aus Mn, Co, Fe, Nb, Cr, V auch zumindest ein Element aus der Gruppe der Selte nen Erden mit abgeschieden werden, insbesondere jenes Element, das auch für die Ausbil dung der ersten, metallischen Lage abgeschieden wurde. Von Vorteil ist dabei, dass aufgrund der Schutzwirkung der zweiten Lage die erste, oxidische Lage sehr dünn und damit auch sehr stabil ausgeführt werden kann. Dies ist beispielsweise von Bedeutung bei der Fertigung von Brennstoffzellenstapeln. According to an embodiment variant of the component, it can be provided that the second layer, which forms oxides with a spinel structure, contains at least one element from the group of rare earths. According to an embodiment variant of the method, in addition to the metals from a group consisting of Mn, Co, Fe, Nb, Cr, V, at least one element from the group of rare earths can also be deposited to form the second layer forming oxides with a spinel structure , in particular that element which was also deposited for the formation of the first, metallic layer. The advantage here is that, due to the protective effect of the second layer, the first, oxidic layer can be made very thin and thus also very stable. This is important, for example, when manufacturing fuel cell stacks.
Nach einer anderen Ausführungsvariante des Bauelements kann vorgesehen sein, dass der Anteil des zumindest einen Elements aus der Gruppe der Seltenen Erden in der zweiten,According to another embodiment variant of the component, it can be provided that the proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second,
Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,01 Atom-% bis 10 Atom-%. Es wird damit erreicht, dass Risse, welche aufgrund von Temperaturänderun gen in der ersten metallischen Lage auftreten, über Diffusionsprozesse besser ausgeheilt wer den können. Bei einem zu hohen Anteil an dem Element aus der Gruppe der Seltenen Erden können sich eigene Seltene Erden-Oxide bilden, die nicht die vorteilhaften Eigenschaften der Spinellstrukturen (hohe elektrische Leitfähigkeit) haben. Oxides with a spinel structure-forming layer is selected from a range of 0.01 atom% to 10 atom%. It is thereby achieved that cracks, which occur due to temperature changes in the first metallic layer, can be better healed via diffusion processes. If the proportion of the element from the group of rare earths is too high, own rare earth oxides can form which do not have the advantageous properties of the spinel structures (high electrical conductivity).
Es kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung bevorzugt vorgesehen sein, dass der metallische Grundkörper aus einer Legierung mit Chrom als Legierungselement ge bildet ist, insbesondere aus einer ferritischen Chromlegie-rung mit einem Mindestanteil an Chrom von 15 Gew.-%. Die Verwendung von derartigen Grundkörpern an sich ist aus dem Stand der Technik bekannt, wie dies voranstehend ausgeführt wurde. Es hat sich aber gezeigt, dass die Schutzschicht insbesondere mit Legierung mit Chrom als Hauptbestandteil Vorteile aufweise, da wirkungsvoll verhindert werden kann, dass Chrom aus dem Bauelement entzo gen wird bzw. in eine Form umgewandelt wird, die für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle nachteilig ist. Es können somit nach einer weiteren Ausführungsvariante des Bauelements dazu auch Chromlegierungen eingesetzt werden, die einen Anteil an Chrom in der Chromle gierung von mindestens 70 Gew.-% aufweisen ohne dass damit die Leistungsfähigkeit der Zelle in Folge Chromverlusts relativ rasch abnehmen würde. Dies wiederum ist von Vorteil in Hinblick auf die elektrische Leitfähigkeit des Bauelements. According to a further embodiment variant of the invention, it can preferably be provided that the metallic base body is formed from an alloy with chromium as the alloying element, in particular from a ferritic chromium alloy with a minimum chromium content of 15% by weight. The use of such basic bodies per se is known from the prior art, as was explained above. But it has been shown that the protective layer has advantages, in particular with alloy with chromium as the main constituent, since chromium can be effectively prevented from being removed from the component or converted into a form which is disadvantageous for a high-temperature fuel cell. According to a further embodiment variant of the component, it is thus also possible to use chromium alloys which have a chromium content in the chromium alloy of at least 70% by weight without the cell's performance as a result of a relatively rapid decrease as a result of chromium loss. This in turn is advantageous with regard to the electrical conductivity of the component.
Aufgrund der dünnen ersten Lage kann die Schutzschicht insgesamt relativ dünn ausgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Au sführungs Variante kann die Schutzschicht eine Schicht dicke aufweisen, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 1 pm bis 20 pm. Die voranstehend genannten Effekte betreffend die Verringerung der Leitfähigkeit durch dicke oxidische Schichten können damit deutlich reduziert werden. Because of the thin first layer, the protective layer can be made relatively thin overall. According to a preferred embodiment variant, the protective layer can have a layer thickness which is selected from a range from 1 pm to 20 pm. The effects mentioned above regarding the reduction in conductivity due to thick oxide layers can thus be significantly reduced.
Aus Gründen des besseren Selbstheileffektes kann nach einer weiteren Ausführungsvariante des Bauelements die erste, oxidische Lage eine geringere Schichtdicke aufweisen, als die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage. For reasons of better self-healing effect, according to a further embodiment variant of the component, the first, oxidic layer can have a smaller layer thickness than the second, oxide-forming layer with spinel structure.
Bevorzugt ist der metallische Grundkörper platten- bzw. blechförmig oder strukturiert, da da mit dessen Beschichtung einfacher mit hoher Qualität einer gleichbleibenden Schichtdicke ausgeführt werden kann. The metallic base body is preferably plate-shaped or sheet-shaped or structured, since its coating makes it easier to achieve a constant layer thickness with high quality.
Zur weiteren Verbesserung der voranstehend genannten Effekte kann nach anderen Ausfüh rungsvarianten des Bauelements vorgesehen sein, dass der Anteil des zumindest einen Ele ments aus der Gruppe der Seltenen Erden in der zweiten, Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage über die Schichtdicke dieser Lage variiert. Es ist damit möglich, die Ausheileffekte von Rissen zu verstärken. To further improve the effects mentioned above, it can be provided according to other embodiment variants of the component that the proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second layer forming oxides with a spinel structure varies over the layer thickness of this layer. It is possible to increase the healing effects of cracks.
Vorzugsweise wird die erste, oxidische Lage gemäß einer Ausführungsvariante des Verfah rens nach einem PVD-Verfahren hergestellt. Die erste, oxidische Schicht kann somit im Ver gleich zu üblichen keramischen Schichten über Vakuum-Beschichtungsverfahren um ein Mehrfaches schneller und ökonomischer abgeschieden werden. Ebenso kann aus den gleichen Gründen nach einer weiteren Ausführungsvariante des Verfah rens vorgesehen sein, dass die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage zumindest zwei Metalle aus einer Gruppe bestehend aus Mn, Co, Fe, Nb, Cr, V miteinander abgeschie den werden, insbesondere durch Cosputtern, mit der Maßgabe, dass die Summe Oxidations zahlen der die Spinellstruktur ausbildenden Metallkationen +8 ergibt. The first, oxidic layer is preferably produced in accordance with an embodiment variant of the method by a PVD method. The first, oxidic layer can thus be deposited several times faster and more economically than conventional ceramic layers using vacuum coating processes. For the same reasons, it can also be provided, according to a further embodiment variant of the method, that the second layer, which forms oxides with a spinel structure, at least two metals from a group consisting of Mn, Co, Fe, Nb, Cr, V are deposited with one another, in particular by co-sputtering, with the proviso that the sum of the oxidation numbers of the metal cations forming the spinel structure is +8.
Aufgrund der voranstehen angesprochenen (automatischen) Ausbildung einer gasdichten ers ten Lage kann nach einer weiteren Ausführungsvariante vorgesehen werden, dass vor der An ordnung der ersten, oxidischen Lage auf dem metallischen Grundkörper anhaftende Oxide mechanisch entfernt werden. Diese Oxide sind zum Beispiel typisch für gesinterte Bauteile. Erwartungsgemäß können durch deren Entfernung der Oxide die Eigenschaften des Bauele mentes verbessert werden. Von Vorteil ist dabei allerdings, dass dies mit effektiven, einfachen Verfahren, wie z.B. Sandstrahlen, erfolgen kann, da - wie dies bereits voranstehend ausge führt wurde - es im Rahmen der Erfindung möglich ist, die erste, oxidische Lage weitgehend gasdicht auszubilden. On account of the above-mentioned (automatic) formation of a gas-tight first layer, it can be provided according to a further embodiment variant that oxides adhering to the metallic base body are mechanically removed before the first oxide layer is arranged. For example, these oxides are typical of sintered components. As expected, the properties of the components can be improved by removing the oxides. It is an advantage, however, that this can be done using effective, simple methods, such as Sandblasting can take place, since - as has already been stated above - it is possible within the scope of the invention to make the first, oxidic layer largely gas-tight.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. For a better understanding of the invention, this will be explained in more detail with reference to the following figures.
Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung: Each shows in a simplified, schematic representation:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle; 1 shows a section of a high-temperature fuel cell;
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Bauelement; 2 shows a detail from a component;
Fig. 3 die Verminderung der Cr Verdampfung im Vergleich mit einem unbeschichteten Fig. 3 shows the reduction in Cr evaporation in comparison with an uncoated
Substrat bei einer Temperatur von 850 °C und 3 Vol.-% Wasserdampf in der La boratmosphäre.  Substrate at a temperature of 850 ° C and 3 vol.% Water vapor in the laboratory atmosphere.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen wer den, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf glei- che Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen wer den können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, un ten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. In the introduction, it should be noted that in the differently described embodiments, the same parts are provided with the same reference symbols or the same component designations, the disclosures contained in the entire description correspondingly che parts with the same reference numerals or the same component names who who can. Also, the position information selected in the description, such as above, below, laterally, etc., are based on the figure described and illustrated immediately, and these position information are to be transferred to the new position in the event of a change in position.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 gezeigt. Die Hochtem peratur-Brennstoffzelle 1 weist mehrere gleiche Module 2 auf (in Fig 1 ist nur eines darge stellt), wobei jedes Modul 2 eine Kathode 3, einen Elektrolyt 4 und eine Anode 5 aufweist. Weiter weisen die Module 2 auch Bauelemente 6 zur Trennung der einzelnen Module, die so genannten Interkonnektoren auf. 1 shows a detail from a high-temperature fuel cell 1. The high-temperature fuel cell 1 has several identical modules 2 (only one is shown in FIG. 1), each module 2 having a cathode 3, an electrolyte 4 and an anode 5. Furthermore, the modules 2 also have components 6 for separating the individual modules, the so-called interconnectors.
Dieser prinzipielle Aufbau einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 ist aus dem Stand der Technik bekannt, sodass zu weiteren Details der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 darauf verwiesen sei. This basic structure of a high-temperature fuel cell 1 is known from the prior art, so that reference is made to further details of the high-temperature fuel cell 1.
Vorliegende Erfindung beschäftigt sich primär mit dem Bauelement 6. The present invention is primarily concerned with the component 6.
Wie bereits erwähnt, ist das Bauelement 6 bevorzugt ein Interkonnektor sein. Im Rahmen der Erfindung kann das Bauelement aber auch für eine andere Anwendung vorgesehen sein, ins besondere ebenfalls für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1, wie beispielsweise ein Gaszu- führelement (Gaszuführleitung) oder ein Gasabfuhrelement (Gasabfuhrleitung). Das Bauele ment 6 kann aber auch in anderen Vorrichtungen eingesetzt werden, beispielsweise einem Wärmetauscher, in der es insbesondere ähnlichen Betriebsbedingungen unterworfen ist, wie in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1. As already mentioned, the component 6 is preferably an interconnector. In the context of the invention, however, the component can also be provided for another application, in particular also for a high-temperature fuel cell 1, such as, for example, a gas supply element (gas supply line) or a gas discharge element (gas discharge line). However, the component 6 can also be used in other devices, for example a heat exchanger in which it is subjected in particular to similar operating conditions as in a high-temperature fuel cell 1.
Das Bauelement 6 weist einen metallischen Grundkörper 7 auf. Vorzugsweise ist dieser me tallische Grundkörper 7 plattenförmig oder blechförmig ausgebildet. Er kann aber auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise eine zylinderförmige, etc.. Zudem kann die Oberflä che des Grundkörpers 7 strukturiert sein. Die Strukturierung kann beispielsweise in Form ei nes Wellenmusters oder eines Waffelmusters oder in Form von Nuten, etc. ausgebildet sein. The component 6 has a metallic base body 7. This metallic base body 7 is preferably plate-shaped or sheet-shaped. However, it can also have a different shape, for example a cylindrical shape, etc. In addition, the surface of the base body 7 can be structured. The structuring can be designed, for example, in the form of a wave pattern or a waffle pattern or in the form of grooves, etc.
Prinzipiell kann der metallische Grundkörper 7 aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, die ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Edelstählen mit einem Chromanteil von mindestens 15 Gew.-%, insbesondere zwischen 15 Gew.-% und 97 Gew.-%. In principle, the metallic base body 7 can consist of a metal or a metal alloy which is selected from a group comprising or consisting of stainless steels a chromium content of at least 15% by weight, in particular between 15% by weight and 97% by weight.
Als Edelstahl kann beispielsweise der Werkstoff Crofer® 22 APU von Thyssen Krupp VDK GmbH verwendet werden. For example, the material Crofer® 22 APU from Thyssen Krupp VDK GmbH can be used as stainless steel.
In der bevorzugten Ausführungsvariante des Bauelements 6 besteht der metallische Grund körper 7 jedoch aus einer Legierung mit Chrom als wesentlichem Legierungselement (neben gegebenenfalls vorhandenen weiteren Legierungselementen), insbesondere als Hauptbestand teil. Besonders bevorzugt beträgt der Chromanteil gemäß einer Ausführungsvariante der Er findung zumindest 70 Gew.-%, insbesondere zumindest 90 Gew.-%, beispielsweise 95 Gew.- %. Die Chromlegierung kann einen Chromanteil zwischen 70 Gew.-% und 95 Gew.-% auf weisen. In the preferred embodiment of the component 6, the metallic base body 7 consists of an alloy with chromium as an essential alloy element (in addition to any further alloy elements that may be present), in particular as a main component. The chromium content according to an embodiment of the invention is particularly preferably at least 70% by weight, in particular at least 90% by weight, for example 95% by weight. The chromium alloy can have a chromium content between 70% by weight and 95% by weight.
Besonders bevorzugt wird eine ferritische Chromlegierung. Der Eisenanteil an diesen Legie rungen kann zwischen 2 Gew.-% und 10 Gew.-% betragen. Beispielsweise kann eine ferriti sche Chromlegierung mit einem Eisenanteil von 5 Gew.-% und einem Chromanteil von 95 Gew.-% eingesetzt werden. A ferritic chromium alloy is particularly preferred. The iron content of these alloys can be between 2% by weight and 10% by weight. For example, a ferritic chromium alloy with an iron content of 5% by weight and a chromium content of 95% by weight can be used.
Als Edelstahl kann beispielsweise der Werkstoff CFY der Firma Plansee SE verwendet wer den. For example, CFY from Plansee SE can be used as stainless steel.
Ein Teil des Chroms kann auch durch zumindest ein weiteres Legierungselement ersetzt sein, beispielsweise Yttrium, Mangan, Kupfer oder andere Seltene Erden Metalle. Das oder die ne ben Eisen weiteren Legierungselemente der Chromlegierung können in einem Anteil vorhan den sein, der ausgewählt ist aus einem Bereich von in Summe 0,01 Gew.-% und 3 Gew.-%. Part of the chromium can also be replaced by at least one further alloy element, for example yttrium, manganese, copper or other rare earth metals. The one or more iron other alloying elements of the chromium alloy can be present in a proportion which is selected from a range of a total of 0.01% by weight and 3% by weight.
Das Bauelement 6 weist auf zumindest einer Oberfläche eine Schutzschicht 8 auf. Vorzugs weise sind mehrere Oberflächen des Bauelements 6 mit einer Schutzschicht 8 versehen, insbe sondere jene Oberflächen, die mit oxidierenden Substanzen, insbesondere (heißen) Gasen, in Berührung kommen. Wie besser aus Fig. 2 zu ersehen ist, die einen Ausschnitt aus dem Bauelement 6 zeigt, ist die Schutzschicht 8 mehrlagig ausgeführt. Sie umfasst eine erste Lage 9 und eine zweite Lage 10 bzw. besteht daraus. Die erste Lage 9 ist oxidisch. Die erste Lage weist einen Anteil an pero- vskitischen Kristallstrukturen auf. The component 6 has a protective layer 8 on at least one surface. Preferably, several surfaces of the component 6 are provided with a protective layer 8, in particular those surfaces which come into contact with oxidizing substances, in particular (hot) gases. As can be seen better from FIG. 2, which shows a section of the component 6, the protective layer 8 is designed in multiple layers. It comprises a first layer 9 and a second layer 10 or consists thereof. The first layer 9 is oxidic. The first layer has a proportion of perovskite crystal structures.
Die zweite Lage 10 weist Oxide mit Spinellstruktur auf bzw. besteht daraus (= zweite oxidi sche Lage 10). The second layer 10 has or has oxides with a spinel structure (= second oxide layer 10).
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die erste, oxidische Lage 9 zum metallischen Grundkörper 7 näher angeordnet als die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage 10. Insbesondere ist die erste, oxidische Lage 9 unmittelbar auf dem metallischen Grundkörper 7 angeordnet, und insbesondere damit verbunden. As can be seen from FIG. 2, the first oxide layer 9 is arranged closer to the metallic base body 7 than the second layer 10 forming oxides with a spinel structure. In particular, the first oxide layer 9 is arranged directly on the metallic base body 7, and in particular associated with it.
Die erste, oxidische Lage besteht aus einem oder umfasst ein Metall der Gruppe der Seltenen Erden bzw. einer Metalllegierung, die zumindest ein Element aus der Gruppe der Seltenen Er den enthält. Es sind dies die Elemente Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neo dym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Er bium, Thulium, Ytterbium und Lutetium. Falls die erste, oxidische Lage 9 aus einer Metallle gierung gebildet ist, kann diese zumindest ein weiteres Element aus der Gruppe der Seltenen Erden enthalten. The first, oxidic layer consists of or comprises a metal from the rare earth group or a metal alloy which contains at least one element from the rare earth group. These are the elements scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium. If the first, oxide layer 9 is formed from a metal alloy, this can contain at least one further element from the group of rare earths.
Im Weiteren weist die erste, oxidische Lage 9 einen Chromanteil auf und (entsprechend der chemischen Stöchiometrie) Sauerstoff. Die erste, oxidische Lage 9 kann also beispielsweise aus zumindest einem Seltene Erden Metall, Chrom und Sauerstoff bestehen. Gegebenenfalls kann auch zumindest ein weiteres Element enthalten sein, das aus dem metallischen Grund körper 7 stammt. Furthermore, the first, oxidic layer 9 has a chromium content and (according to the chemical stoichiometry) oxygen. The first, oxidic layer 9 can therefore consist, for example, of at least one rare earth metal, chromium and oxygen. If necessary, at least one further element can also be contained, which originates from the metallic base body 7.
Der Mengenanteil des zumindest einen Metalls aus der Gruppe der Seltenen Erden an der Me talllegierung der ersten, oxidischen Lage 9 kann ausgewählt sein aus einem Bereich von 10 Gew.-% bis 50 Gew.-%. Falls mehrere Seltene Erden Metalle vorhanden sind, kann deren Summenanteil an der Metalllegierung ausgewählt sein aus einem Bereich von 10 Gew.-% bis 50 Gew.-%. Den Rest auf 100 Gew.-% bilden Chrom, und gegebenenfalls ein anderes Legie rungselement oder mehrere andere Legierungselemente des metallischen Grundkörpers 7, und Sauerstoff. The proportion of the at least one metal from the group of rare earths in the metal alloy of the first, oxidic layer 9 can be selected from a range from 10% by weight to 50% by weight. If there are several rare earth metals, their total proportion in the metal alloy can be selected from a range from 10% by weight to 50% by weight. The rest to 100 wt .-% form chromium, and possibly another alloying element or several other alloying elements of the metallic base body 7, and oxygen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante des Bauelements 6 weist auch die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage 10 zumindest ein Element aus der Gruppe der Seltenen Er den auf. Der Anteil des zumindest einen Elementes aus der Gruppe der Seltenen Erden in der zweiten, Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage 10 kann gemäß einer weiteren Ausfüh rungsvariante ausgewählt ist aus einem Be-reich von 0,01 Atom-% bis 10 Atom-%, insbeson dere aus einem Bereich von 0,1 Atom-% bis 5 Atom-%. According to a preferred embodiment variant of the component 6, the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, also has at least one element from the group of rare earths. The proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second layer 10 which forms oxides with a spinel structure can, according to a further embodiment, be selected from a range of 0.01 atom% to 10 atom%, in particular from a range of 0.1 atomic% to 5 atomic%.
Beispielsweise kann die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage 10 eine er folgenden Zusammensetzungen aufweisen: For example, the second layer 10 forming oxides with a spinel structure can have the following compositions:
- CoMnLa, wobei der Anteil an La 5 Atom-% beträgt und der Rest auf 100 Atom.-% zu je weils 50 % auf Co und Mn aufgeteilt ist. Die erste Lage kann hier bevorzugt durch La, Cr und Sauerstoff gebildet sein. - CoMnLa, the proportion of La being 5 atom% and the rest being 100 atom%, 50% each being divided into Co and Mn. The first layer can preferably be formed by La, Cr and oxygen.
- CoMnCe, wobei der Anteil an Ce zumindest annähernd 7 Atom-% beträgt und der Rest auf 100 Atom.-% zu jeweils 50 % auf Co und Mn aufgeteilt ist. Die erste Lage kann hier bevor zugt durch Ce, Cr und Sauerstoff gebildet sein.  - CoMnCe, the proportion of Ce being at least approximately 7 atomic% and the remainder being divided into 100 atomic% and 50% each of Co and Mn. The first layer can preferably be formed by Ce, Cr and oxygen.
Wie bereits ausgeführt, kann die erste, oxidische Lage 9 sehr dünn ausgeführt sein. Eine Schichtdicke 11 der gesamten Schutzschicht 8 kann ausgewählt ist aus einem Bereich von 1 pm bis 20 pm, insbesondere aus einem Bereich von 1 pm bis 11 pm. Dabei ist bevorzugt die erste, oxidische Lage 9 dünner ausgeführt, als die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage 10. Die erste, oxidische Lage 9 kann vorzugsweise eine Schichtdicke 12 aufweisen, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 2 nm bis 0,5 pm, insbesondere aus einem Bereich von 50 nm bis 200 nm. Den Rest auf die gesamte Schichtdicke 11 der Schutzschicht bildet die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage 10. As already stated, the first, oxidic layer 9 can be made very thin. A layer thickness 11 of the entire protective layer 8 can be selected from a range from 1 pm to 20 pm, in particular from a range from 1 pm to 11 pm. The first, oxidic layer 9 is preferably made thinner than the second, layer 10 forming oxides with spinel structure. The first, oxidic layer 9 can preferably have a layer thickness 12 which is selected from a range from 2 nm to 0.5 μm , in particular from a range from 50 nm to 200 nm. The rest of the entire layer thickness 11 of the protective layer is formed by the second layer 10 forming oxides with a spinel structure.
Die Konzentration des zumindest einen Elementes aus der Gruppe der Seltenen Erden in der zweiten, Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage 10 kann über die gesamte Schichtdicke dieser Lage 10 konstant sein (im Rahmen der herstellungsbedingten Schwankungen). Es be steht nach einer Ausführungsvariante des Bauelementes 6 aber auch die Möglichkeit, dass der Anteil des zumindest einen Elements aus der Gruppe der Seltenen Erden in der zweiten,The concentration of the at least one element from the group of rare earths in the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, can be over the entire layer thickness this layer 10 must be constant (within the framework of the production-related fluctuations). According to one embodiment variant of component 6, there is also the possibility that the proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second,
Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage 10 über die Schichtdicke dieser Lage 10 variiert, also einen Konzentrationsgradienten aufweist. Beispielsweise kann dieser Konzentrationsgra dient von 50 Atom-% an der Grenzfläche zur ersten, oxidischen Lage 9 bis zu 0,1 Atom-% über die Schichtdicke der Lage 10 abfallen. Oxides with a layer 10 forming a spinel structure vary over the layer thickness of this layer 10, that is to say has a concentration gradient. For example, this concentration gradient serves to drop from 50 atom% at the interface to the first, oxidic layer 9 to 0.1 atom% over the layer thickness of the layer 10.
Bei mehr als einem Seltenen Erde Element in der zweiten, Oxide mit Spinellstruktur bilden den Lage 10 können alle oder mehrere oder auch nur eines dieser Elemente mit einem Kon zentrationsgradienten über die Schichtdicke der Lage 10 ausgebildet sein. In the case of more than one rare earth element in the second, oxides with a spinel structure form the layer 10, all or more or only one of these elements can be formed with a concentration gradient over the layer thickness of the layer 10.
Der Konzentrationsgradient kann linear oder als Funktion von x2 oder x3 oder logarithmisch, etc., verlaufend ausgebildet sein. The concentration gradient can be linear or a function of x 2 or x 3 or logarithmic, etc.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante des Bauelementes 6 kann vorgesehen sein, dass die erste, oxidische Lage 9 zumindest zwei Elemente aus der Gruppe der Seltenen Erden auf weist, und dass deren Anteil über die Schichtdicke 12 dieser Lage 9 variiert. Hinsichtlich des möglichen Verlaufs der Konzentrationsgradienten sei auf voranstehende Ausführungen ver wiesen. Vorzugsweise ist dabei der Anteil von Seltenen Erden an der Grenzfläche zum metal lischen Grundkörper 7 des Bauelements höher als der Anteil von MnCo und nimmt in Rich tung auf die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage 10 ab. According to a further embodiment variant of the component 6, it can be provided that the first, oxidic layer 9 has at least two elements from the group of rare earths, and that their proportion varies over the layer thickness 12 of this layer 9. With regard to the possible course of the concentration gradients, reference is made to the above explanations. The proportion of rare earths at the interface to the metallic base body 7 of the component is preferably higher than the proportion of MnCo and decreases in the direction of the second layer 10 which forms oxides with a spinel structure.
Die Herstellung des metallischen Bauelementes 6 wird dessen metallische Grundkörper 7 be reitgestellt. Dieser kann nach einem Guß- oder Sinterverfahren hergestellt sein. Bei beiden Verfahrens Variante können selbstverständlich nachfolgende (spanende) Bearbeitungsschritte vorgenommen werden. Auf zumindest einer Oberfläche dieses metallischen Grundköpers 7 wird dann die voranstehend beschriebene Schutzschicht 8 angeordnet. The production of the metallic component 6 is the metallic base body 7 be provided. This can be made by a casting or sintering process. Subsequent (cutting) processing steps can of course be carried out in both process variants. The protective layer 8 described above is then arranged on at least one surface of this metallic base body 7.
In der bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens wird zur Herstellung der Schutz schicht 8 die erste, oxidische Lage 9 mittels eines PVD- Verfahrens auf dem metallischen Grundkörper 7 abgeschieden. Die erste, oxidische Lage 9 wird insbesondere mit Hilfe von Magnetronsputtem, vorzugs weise einer unbalanced Konfiguation, von einem oder mehreren reinmetallischen Targets oder Metalllegierungen abgeschieden. Die Substrate befinden sich in kontinuierlicher Rotationsbe wegung. Typische Beschichtungsraten sind 0.1 nm/s bis 10 nm/s bei einem Gasdruck von 5*10-4 mbar bis 1*10-2 mbar. Während des Abscheideprozesses wird eine negative Span nung an das metallische Target angelegt, wobei eine gepulste oder konstante Gleichspannung zwischen - 300 V und - 500 V gewählt wird. In the preferred embodiment variant of the method, the first, oxidic layer 9 is deposited on the metallic base body 7 by means of a PVD method in order to produce the protective layer 8. The first, oxidic layer 9 is deposited in particular by means of magnetron sputtering, preferably an unbalanced configuration, from one or more purely metallic targets or metal alloys. The substrates are in continuous rotation motion. Typical coating rates are 0.1 nm / s to 10 nm / s at a gas pressure of 5 * 10-4 mbar to 1 * 10-2 mbar. During the deposition process, a negative voltage is applied to the metallic target, with a pulsed or constant DC voltage between - 300 V and - 500 V being selected.
Auf dieser ersten, oxidischen Lage 9 wird danach die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bil dende Lage 10 abgeschieden. Vorzugsweise erfolgt dies durch die Abscheidung von zumin dest zwei Metallen aus einer Gruppe bestehend aus Mn, Co, Fe, Nb, Cr, V miteinander, insbe sondere durch Cosputtern, mit der Maßgabe, dass die Summe Oxidationszahlen der die Spi nellstruktur ausbildenden Metallkationen +8 ergibt. The second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, is then deposited on this first, oxide layer 9. This is preferably done by the deposition of at least two metals from a group consisting of Mn, Co, Fe, Nb, Cr, V with one another, in particular by cosputtering, with the proviso that the sum of the oxidation numbers of the metal cations forming the spin structure +8 results.
Vorzugsweise wird die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage 10 mit Hilfe von Magnetronsputtem, vorzugsweise einer unbalanced Konfiguation, von einem oder mehreren reinmetallischen Targets oder Metalllegierungen abgeschieden. Die Substrate befinden sich in kontinuierlicher Rotationsbewegung. Typische Beschichtungsraten sind 0.1 nm/s bis 10 nm/s bei einem Gasdruck von 5*10-4 mbar bis 1*10-2 mbar. Während des Abscheideprozesses wird eine negative Spannung an das metallische Target angelegt, wobei eine gepulste oder konstante Gleichspannung zwischen -300 V und - 500 V gewählt wird. The second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, is preferably deposited with the aid of magnetron sputtering, preferably an unbalanced configuration, from one or more pure metal targets or metal alloys. The substrates are in a continuous rotational movement. Typical coating rates are 0.1 nm / s to 10 nm / s at a gas pressure of 5 * 10-4 mbar to 1 * 10-2 mbar. During the deposition process, a negative voltage is applied to the metallic target, with a pulsed or constant DC voltage between -300 V and - 500 V being selected.
Beispielsweise können folgende Kombinationen an Metallen hergestellt werden: Co mit Mn, Co mit Mn und Fe, Co mit Mn und Al. For example, the following combinations of metals can be produced: Co with Mn, Co with Mn and Fe, Co with Mn and Al.
Wie voranstehend ausgeführt, kann auch die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage 10 zumindest ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erden aufweisen, insbesondere jenes Element der ersten, oxidischen Lage 9. Das zumindest eine Element aus der Gruppe der Selte nen Erden wird in der bevorzugten Au sführungs Variante des Verfahrens nicht aus der ersten, oxidischen Lage 9 eindiffundiert, sondern mit den voranstehend genannten Elementen zur Ausbildung der zweiten, Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage 10 mitabgeschieden, ins besondere gleichzeitig mit den genannten Elementen. Es ist vorgesehen, dass die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage 10 nach der Ab scheidung des ersten und des zweiten Metalls zumindest teilweise oxidiert wird. Dies kann durchgeführt werden, bevor das Bauelement 6 verwendet wird, also bevor es insbesondere in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 eingesetzt wird. Es ist aber auch möglich, dass diese oxidative Nachbehandlung während des Fügens der Brennstoffzelle 1 (das Fügen erfolgt bei ca. 950°C) oder beim„Einfahren“ während der Verwendung des Endproduktes erfolgt. As explained above, the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, can also have at least one element from the group of rare earths, in particular that element of the first, oxidic layer 9. The at least one element from the group of rare earths is in the preferred embodiment variant of the method does not diffuse out of the first, oxidic layer 9, but is also deposited with the elements mentioned above to form the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, in particular simultaneously with the elements mentioned. It is provided that the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, is at least partially oxidized after the deposition of the first and the second metal. This can be carried out before the component 6 is used, that is to say before it is used in particular in the high-temperature fuel cell 1. However, it is also possible for this oxidative aftertreatment to take place during the joining of the fuel cell 1 (the joining takes place at approximately 950 ° C.) or during “running in” while the end product is being used.
Diese oxidative Nachbehandlung der Schutzschicht 8 erfolgt vorzugsweise bei einer Tempe ratur von 750 °C bis 970 °C und einem Sauerstoffpartialdruck zwischen 10-12 bar und 0.2 bar. Die Dauer ist abhängig von der gewählten Temperatur und variiert zwischen 0.1 Stunden und 10 Stunden. Je höher die Temperatur gewählt wird, desto kürzer kann die Dauer sein. This oxidative aftertreatment of the protective layer 8 is preferably carried out at a temperature of 750 ° C. to 970 ° C. and an oxygen partial pressure between 10-12 bar and 0.2 bar. The duration depends on the selected temperature and varies between 0.1 hours and 10 hours. The higher the temperature is selected, the shorter the duration can be.
Nach einer anderen Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass vor der Anordnung der ersten, oxidischen Lage 9 auf dem metallischen Grundkörper 7 auf diesem an haftende Oxide mechanisch entfernt werden. Dies kann beispielsweise durch Schleifen, Sand strahlen, etc. erfolgen. Bevorzugt wird der Grundkörper 7 vor der Anordnung der Schutz schicht 8 sandgestrahlt und diese sandgestrahlte Oberfläche, gegebenenfalls nach einer Reini gung von den Strahlmittelkörnen, ohne eine weitere (glättende) Nachbehandlung eingesetzt wird. Die Oberfläche, auf der die Schutzschicht 8 angeordnet wird, kann daher eine Oberflä chenrauigkeit (gemittelte Rautiefe) Rz > 20 pm, insbesondere zwischen Rz = 20 pm bis 50 pm, aufweisen. Rz bestimmt sich dabei gemäß DIN EN ISO 25178 in der zum Anmeldetag gegenständlicher Anmeldung gültigen Fassung. According to another embodiment variant of the method it can be provided that prior to the arrangement of the first, oxidic layer 9 on the metallic base body 7, oxides adhering to it are mechanically removed. This can be done, for example, by grinding, sandblasting, etc. Preferably, the base body 7 is sandblasted before the arrangement of the protective layer 8 and this sandblasted surface, optionally after cleaning of the abrasive particles, is used without further (smoothing) aftertreatment. The surface on which the protective layer 8 is arranged can therefore have a surface roughness (average roughness depth) Rz> 20 pm, in particular between Rz = 20 pm to 50 pm. Rz is determined in accordance with DIN EN ISO 25178 in the version valid on the filing date.
Die Schutzschicht 8 enthält sämtliche Elemente für die Ausbildung eines wirksamen Schutzes des Bauelementes 6 bei hohen Temperaturen in oxidierenden Atmosphären. Eine nachträgli che Eindiffusion von Elementen in die Schutzschicht ist daher nicht notwendig. Die Schutz schicht 8 ist zudem in der Lage thermische Risse auszuheilen. Es kann also eine rissfreie Schutzschicht 8 bereitgestellt werden. The protective layer 8 contains all the elements for the effective protection of the component 6 at high temperatures in oxidizing atmospheres. A subsequent diffusion of elements into the protective layer is therefore not necessary. The protective layer 8 is also able to heal thermal cracks. A crack-free protective layer 8 can therefore be provided.
Au sführung sbeispiele : Execution examples:
Beispiel 1: In einem ersten Ausführungsbeispiel wurde ein Interkonnektor mit einem gesinterten, metalli schen Grundkörper 7 aus einer voranstehend genannten Chrom-Eisen- Yttrium Legierung be schichtet. In einem ersten Schritt wurde die native Oxidationsschicht (aus den Vorprozessen bei der Grundkörperherstellung) durch Sandstrahlen abgetragen. Danach wird der Grundkör per 7 in ein Vakuumsystem eingeführt und, nach dem Erreichen des gewünschten Startdrucks, über eine Ar-Plasma Behandlung (Argondruck ca. 5 10-3 mbar, gepulste negative Spannung am Substrat zwischen - 300 V und - 1200 V, Dauer 5 Minuten bis 30 Minuten) aktiviert. Eine ca. 0.1 pm dicke erste, metallische Lage 9 mit Lanthan wird über Magnetronsputtem (Argon druck ca. 5 10-3 mbar, konstante negative Spannung am Target zwischen -300 V und - 400 V, Dauer 0,1 Minuten bis 10 Minuten) aufgetragen. In einem zweiten Schritt wird eine ca. 4 pm dicke zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage 10 aus CoMn über Magnetronsputtern (Argondruck ca. 5 10-3 mbar, konstante negative Spannung am Target oder an den Targets zwischen -300 V und - 400 V, Dauer 0,1 Minuten bis 10 Minuten) aufgetragen. Diese CoMn Schicht wurde mit durchschnittlich 5 At% Lanthan dotiert, das zusammen mit dem Co und dem Mn abgeschieden wurde. Example 1: In a first exemplary embodiment, an interconnector with a sintered, metallic base body 7 made of a chromium-iron-yttrium alloy mentioned above was coated. In a first step, the native oxidation layer (from the pre-processes in the manufacture of the base body) was removed by sandblasting. The basic body is then introduced into a vacuum system by 7 and, after reaching the desired starting pressure, via an Ar plasma treatment (argon pressure approx. 5 10-3 mbar, pulsed negative voltage on the substrate between - 300 V and - 1200 V, duration 5 minutes to 30 minutes). An approx. 0.1 pm thick first metallic layer 9 with lanthanum is sprayed over magnetron sputtering (argon pressure approx. 5 10-3 mbar, constant negative voltage at the target between -300 V and - 400 V, duration 0.1 minutes to 10 minutes) applied. In a second step, an approx. 4 pm thick second layer 10 of oxides with a spinel structure is made of CoMn using magnetron sputtering (argon pressure approx. 5 10 -3 mbar, constant negative voltage at the target or at the targets between -300 V and - 400 V , Duration 0.1 minutes to 10 minutes). This CoMn layer was doped with an average of 5 at% lanthanum, which was deposited together with the Co and the Mn.
Bei Bedarf können die nicht zu beschichtenden Llächen maskiert werden. If necessary, the areas not to be coated can be masked.
Der beschichtete Grundkörper 7 wurde danach einer Nachbehandlung bei einer Temperatur > 800°C in einer oxidierenden Atmosphäre (Luft oder Argon-Sauerstoff-Gemisch) ausgesetzt.The coated base body 7 was then subjected to post-treatment at a temperature> 800 ° C. in an oxidizing atmosphere (air or argon-oxygen mixture).
In diesem Schritt wurde die metallische Beschichtung in eine multilagen Oxidschicht mit ei ner inneren Cr203-Schicht, die aus dem metallischen Grundkörper 7 gebildet wurde, einer kristallinen, oxydischen Zwischenschicht und einer oxydischen CoMnCr Spinell Lage 10 um gewandelt. In this step, the metallic coating was converted into a multilayer oxide layer with an inner Cr203 layer, which was formed from the metallic base body 7, a crystalline, oxidic intermediate layer and an oxidic CoMnCr spinel layer 10 μm.
Die inneren Cr203-Schicht, die aus dem metallischen Grundkörper 7 gebildet wurde, kann generell auch bei anderen Ausführungsvarianten der Erfindung gebildet werden, wenn die Schutzschicht 8 oxidativ nachbehandelt wird. The inner Cr203 layer, which was formed from the metallic base body 7, can generally also be formed in other design variants of the invention if the protective layer 8 is post-treated by oxidation.
Wie anhand von Untersuchungen festgestellt werden konnte, war die gesamte raue Oberfläche des metallischen Grundkörpers 7 mit einer deckenden gasdichten Schicht bedeckt. Der Inter konnektor kann damit verbaut werden. Generell kann die oxidative Nachbehandlung auch nach dem Verbauen im bereits funktions fähigen Stack der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 durchgeführt werden. As could be determined from investigations, the entire rough surface of the metallic base body 7 was covered with an opaque gas-tight layer. The interconnector can thus be installed. In general, the oxidative aftertreatment can also be carried out after installation in the already functional stack of the high-temperature fuel cell 1.
In Fig. 3 ist die Verminderung der Cr Verdampfung aus dem Grundkörper 7 bei dem Bauele ment 6 nach der Erfindung (untere Kurve) im Vergleich mit einem unbeschichteten Grund körper (obere Kurve) bei einer Temperatur von 850°C und 3 Vol.-% Wasserdampf in der La boratmosphäre dargestellt. Die Verbesserung, die mit der Schutzschicht 8 nach der Erfindung erreicht wird, ist deutlich zu sehen. Aufgetragen ist dabei auf der x-Achse die Zeit in Stunden und auf der y-Ache die Cr- Verdampfung in kg/m2 In Fig. 3, the reduction in Cr evaporation from the base body 7 in the component 6 according to the invention (lower curve) compared to an uncoated base body (upper curve) at a temperature of 850 ° C and 3 vol .-% Water vapor is shown in the laboratory atmosphere. The improvement which is achieved with the protective layer 8 according to the invention can be clearly seen. The time in hours is plotted on the x-axis and the Cr evaporation in kg / m2 on the y-axis
Beispiel 2. Example 2.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wurde ein Interkonnektor mit einem Grundkörper 7 aus einer metallischen Legierung Crofer22APU beschichtet. In einem ersten Schritt wurde die native Oxidations Schicht und eventuell vorhandene organische Verschmutzungen (aus den Vorprozessen bei der Grundkörperherstellung) durch chemische Reinigungsprozesse abgetra gen. Danach wurde der Grundkörper 7 in ein Vakuumsystem eingeführt und, nach dem Errei chen des gewünschten Startdrucks, über eine Ar- Plasma Behandlung (siehe Beispiel 1) akti viert. Eine ca. 100 nm dicke erste Lage 9 mit Lanthan wurde über Magnetronsputtern (siehe Beispiel 1) aufgetragen. In einem zweiten Schritt wurde eine ca. 2 pm dicke CoMn Lage 10 über Magnetronsputtern (siehe Beispiel 1) aufgetragen. Diese CoMn Lage 10 ist mit bis zu 1 at% Lanthan dotiert.  In a second exemplary embodiment, an interconnector was coated with a base body 7 made of a metal alloy Crofer22APU. In a first step, the native oxidation layer and any existing organic contamination (from the preprocesses in the manufacture of the base body) was removed by chemical cleaning processes. The base body 7 was then introduced into a vacuum system and, after reaching the desired starting pressure, via an ar - Plasma treatment (see example 1) activated. An approximately 100 nm thick first layer 9 with lanthanum was applied using magnetron sputtering (see Example 1). In a second step, an approximately 2 pm thick CoMn layer 10 was applied using magnetron sputtering (see Example 1). This CoMn layer 10 is doped with up to 1 at% lanthanum.
Auch bei diesem Beispiel wurde die Verminderung der Chrom- Verdampfung im Vergleich zu Ausführungen nach dem Stand der Technik festgestellt. In this example too, the reduction in chromium evaporation was found in comparison to the prior art designs.
Bevorzugt weist das Bauelement 6 eine zweilagige Oxidschicht auf. Die erste Lage 9 besteht vorzugsweise aus einem Oxid mit einem hohen La Anteil, Cr und Sauerstoff. Diese erste Lage 9 kann eine Kristallstruktur mit einem hohen Perovskitanteil haben. The component 6 preferably has a two-layer oxide layer. The first layer 9 preferably consists of an oxide with a high La content, Cr and oxygen. This first layer 9 can have a crystal structure with a high percentage of perovskite.
Die zweite Lage 10 besteht bevorzugt aus Co, Mn, La, etwas (<5%) Cr und Sauerstoff. Dieses Oxid hat einen hohen Spinellanteil. The second layer 10 preferably consists of Co, Mn, La, some (<5%) Cr and oxygen. This oxide has a high spinel content.
Vorzugsweise gehen beide Lagen 9, 10 fließend ineinander über. Obwohl die Herstellung der Schutzschicht 8 bevorzugt durch Abscheidung der beiden Lagen aus den Metallen und deren nachfolgende Oxidation erfolgt, besteht prinzipiell die Möglich keit, dass die erste, oxidische Lage 9 und/oder die zweite, oxidische Lage 10 durch Abschei dung der entsprechenden Metalloxide hergestellt wird/werden. The two layers 9, 10 preferably merge into one another in a flowing manner. Although the protective layer 8 is preferably produced by depositing the two layers from the metals and their subsequent oxidation, there is in principle the possibility that the first, oxidic layer 9 and / or the second, oxidic layer 10 is produced by deposition of the corresponding metal oxides will be.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle be merkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander mög lich sind. The exemplary embodiments show possible design variants, it being noted at this point that combinations of the individual design variants with one another are also possible.
Die Erfindung betrifft unabhängig von dem Bauelement 6 auch eine Schutzschicht 8 und de ren Verwendung für ein metallisches Bauelement 6, welches bei hohen Temperaturen in oxi dierenden Atmosphären, insbesondere in Hochtemperatur-Brennstoffzellen 1 und deren Peri pherie, eingesetzt wird. Diese Schutzschicht 8 ist entsprechend den voranstehenden Ausfüh rungen zusammengesetzt. The invention relates independently of the component 6 and a protective layer 8 and de ren use for a metallic component 6, which is used at high temperatures in oxidizing atmospheres, in particular in high-temperature fuel cells 1 and their periphery. This protective layer 8 is composed in accordance with the above embodiments.
Weiter betrifft die Erfindung auch ein Vorprodukt für ein Bauelement 6 mit einem metalli schen Grundkörper 7 und einer darauf angeordneten Schutzschicht 8, wobei die Schutzschicht 8 mehrlagig ausgeführt ist, zumindest umfassend eine erste, metallische Lage 9 und eine zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage 10, wobei die erste metallische Lage 9 näher an dem metallischen Grundkörper 7 angeordnet ist, als die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage 10, und wobei die erste, metallische Lage 9 aus einem Metall der Gruppe der Seltenen Erden oder einer Metalllegierung besteht, die zumindest ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erden enthält. Aus diesem Vorprodukt wird über die voranstehend genannte oxi dative Nachbehandlung das Bauelement 6 bzw. die Schutzschicht 8 nach der Erfindung herge stellt. Furthermore, the invention also relates to a preliminary product for a component 6 with a metallic base body 7 and a protective layer 8 arranged thereon, the protective layer 8 being embodied in multiple layers, at least comprising a first metallic layer 9 and a second layer 10 forming oxides with a spinel structure , wherein the first metallic layer 9 is arranged closer to the metallic base body 7 than the second layer 10, which forms oxides with a spinel structure, and wherein the first, metallic layer 9 consists of a metal from the rare earth group or a metal alloy, at least contains an element from the group of rare earths. From this preliminary product, the component 6 or the protective layer 8 according to the invention is produced via the aforementioned oxidative aftertreatment.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 bzw. des Bauelementes 6 diese nicht zwin genderweise maßstäblich dargestellt wurden. Bezugszeichenaufstellung For the sake of order, it should finally be pointed out that, for a better understanding of the structure of the high-temperature fuel cell 1 or the component 6, these have not necessarily been shown to scale. List of reference symbols
Hochtemperatur-Brennstoffzelle High temperature fuel cell
Modul  module
Kathode  cathode
Elektrolyt  electrolyte
Anode  anode
Bauelement  Component
Grundkörper  Basic body
Schutzschicht  Protective layer
Lage  location
Lage  location
Schichtdicke  Layer thickness
Schichtdicke  Layer thickness

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Bauelement (6) mit einem metallischen Grundkörper (7) und einer darauf ange ordneten Schutzschicht (8), wobei die Schutzschicht (8) mehrlagig ausgeführt ist, zumindest umfassend eine erste, oxidische Lage (9) und eine zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage (10), wobei die erste oxidische Lage (9) näher an dem metallischen Grundkörper (7) an geordnet ist, als die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage (10), dadurch gekenn zeichnet, dass die erste, oxidische Lage (9) ein Metalloxid eines Metalls der Gruppe der Selte nen Erden enthält und/oder ein Metalllegierungoxid enthält, das zumindest ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erden enthält. 1. Component (6) with a metallic base body (7) and a protective layer (8) arranged thereon, the protective layer (8) being constructed in several layers, at least comprising a first, oxidic layer (9) and a second, oxide with spinel structure forming layer (10), the first oxidic layer (9) being arranged closer to the metallic base body (7) than the second layer (10) forming oxides with spinel structure, characterized in that the first, oxidic layer ( 9) contains a metal oxide of a metal from the group of rare earths and / or contains a metal alloy oxide which contains at least one element from the group of rare earths.
2. Bauelement (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage (10) zumindest ein Element aus der Gruppe der Sel tenen Erden enthält. 2. The component (6) according to claim 1, characterized in that the second layer (10) forming oxides with spinel structure contains at least one element from the group of rare earths.
3. Bauelement (6) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zumindest einen Elements aus der Gruppe der Seltenen Erden in der zweiten, Oxide mit Spi nellstruktur bildenden Lage (10) ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,01 Atom-% bis 10 Atom-%. 3. The component (6) according to claim 2, characterized in that the proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second layer (10) forming oxides with a spin structure is selected from a range of 0.01 atomic % to 10 atomic%.
4. Bauelement (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (7) aus einer Legierung mit Chrom als Legierungselement gebil det ist, insbesondere aus einer ferritischen Chromlegierung mit einem Mindestanteil an Chrom von 15 Gew.-%. 4. Component (6) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the metallic base body (7) is made of an alloy with chromium as an alloying element, in particular of a ferritic chromium alloy with a minimum chromium content of 15% by weight. %.
5. Bauelement (6) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Chrom in der Chromlegierung mindestens 70 Gew.-% beträgt. 5. The component (6) according to claim 4, characterized in that the proportion of chromium in the chromium alloy is at least 70% by weight.
6. Bauelement (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (8) eine Schichtdicke (11) aufweist, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 1 pm bis 20 pm. 6. The component (6) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the protective layer (8) has a layer thickness (11) which is selected from a range from 1 pm to 20 pm.
7. Bauelement (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, oxidische Lage (9) eine geringere Schichtdicke (12) aufweist, als die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage (10). 7. The component (6) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first, oxide layer (9) has a smaller layer thickness (12) than the second layer (10) forming oxides with a spinel structure.
8. Bauelement (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (7) plattenförmig oder blechförmig und/oder mit einer struktu rierten Oberfläche ausgebildet ist. 8. The component (6) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the metallic base body (7) is plate-shaped or sheet-shaped and / or is formed with a structured surface.
9. Bauelement (6) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zumindest einen Elementes aus der Gruppe der Seltenen Erden in der zweiten, Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage (10) über die Schichtdicke dieser Lage (10) variiert. 9. The component (6) according to one of claims 2 to 8, characterized in that the proportion of the at least one element from the group of rare earths in the second layer (10) forming oxides with spinel structure over the layer thickness of this layer (10) varies.
10. Hochtemperatur-Brennstoffzelle umfassend zumindest einen Interkonnektor, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkonnektor als Bauelement (6) nach einem der Ansprü che 1 bis 9 ausgebildet ist. 10. High-temperature fuel cell comprising at least one interconnector, characterized in that the interconnector is designed as a component (6) according to one of claims 1 to 9.
11. Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht (8) auf einem Bauelement (6) mit einem metallischen Grundkörper (7), wonach die Schutzschicht (8) mehrlagig ausgebildet wird zumindest umfassend eine erste, oxidische Lage (9) und eine zweite, Oxide mit Spinell struktur bildende Lage (10), wobei der erste oxidische Lage (9) näher an dem metallischen Grundkörper (7) angeordnet wird, als die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage (10), dadurch gekennzeichnet, dass die erste, oxidische Lage (9) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet wird, die zumindest ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erden enthält. 11. A method for producing a protective layer (8) on a component (6) with a metallic base body (7), according to which the protective layer (8) is formed in multiple layers, at least comprising a first, oxidic layer (9) and a second, oxide with spinel structure-forming layer (10), the first oxide layer (9) being arranged closer to the metallic base body (7) than the second layer (10) forming oxide with spinel structure, characterized in that the first oxide layer (9 ) is formed from a metal or a metal alloy which contains at least one element from the group of rare earths.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, metalli sche Lage (9) mit einem PVD-Verfahren hergestellt wird. 12. The method according to claim 11, characterized in that the first, metallic layer (9) is produced with a PVD method.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite, Oxide mit Spinellstruktur bildende Lage (10) zumindest zwei Metalle aus einer Gruppe bestehend aus Mn, Co, Le, Nb, Cr, V miteinander abgeschieden werden, mit der Maß gabe, dass die Summe Oxidationszahlen der die Spinellstruktur ausbildenden Metallkationen +8 ergibt. 13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that for the second layer (10) forming oxides with spinel structure, at least two metals from a group consisting of Mn, Co, Le, Nb, Cr, V are deposited with one another The measure is that the sum of the oxidation numbers of the metal cations forming the spinel structure is +8.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der zweiten, Oxide mit Spinellstruktur bildenden Lage (10) neben den zwei Metallen aus der Gruppe bestehend aus Mn, Co, Fe, Nb, Cr, V auch zumindest ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erden mitabgeschieden wird, insbesondere jenes Element, das auch für die Ausbil dung der ersten, metallischen Lage (9) abgeschieden wurde. 14. The method according to claim 13, characterized in that in order to form the second layer (10) forming oxides with spinel structure, in addition to the two metals from the group consisting of Mn, Co, Fe, Nb, Cr, V, at least one element from the Group of rare earths is also deposited, in particular that element which was also deposited for the formation of the first metallic layer (9).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Anordnung der ersten, metallischen Lage (9) auf dem metallischen Grundkörper (7) anhaftende Oxide mechanisch entfernt werden. 15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that before the arrangement of the first metallic layer (9) on the metallic base body (7) adhering oxides are removed mechanically.
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