WO2005095672A1 - Beschichteter werkstoff zur bildung eines hochtemperaturwerkstoffs und dessen verwendung in einer brennstoffzelle - Google Patents

Beschichteter werkstoff zur bildung eines hochtemperaturwerkstoffs und dessen verwendung in einer brennstoffzelle Download PDF

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Hans-Heinrich Angermann
Herbert Damsohn
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Behr Gmbh & Co. Kg
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a coated material according to the preamble of claim 1.
  • SOFC fuel cells are usually operated at operating temperatures of 800 ° C.
  • stainless steel is considered for the interconnector plates of the fuel cell and for the heat exchangers surrounding it.
  • CR compounds on the cathode side in normal air evaporate from the materials, which lead to high electrical losses in the SOFC fuel cell.
  • DE 100 25 108 A1 discloses a high-temperature material made of a chromium oxide-forming iron alloy with up to 2% by weight of at least one oxygen-affine element from the group (Y, Ce, Zr, Hf and La) and up to 2% by weight of one Elements M from the group (Mn, Ni and Co), which forms a spinel phase of the type MCr 2 O with chromium oxide at high temperatures, up to 2% by weight of a further element from the group (Ti, Hf, Sr, Ca and Ze), which is the electrical conductivity of oxides based on Cr
  • the chromium content of the iron alloy is in particular 12 to 28% by weight, in particular 17 to 25% by weight.
  • This high-temperature material is therefore a ferritic chrome steel. With such a material, a spinel phase of the type MCr MCO ⁇ forms at the chromium dioxide / gas interface with the Cr 2 ⁇ 3. This has lower Cr evaporation rates.
  • This high-temperature material can be used in particular for interconnector plates of a high-temperature fuel cell (SOFC), spark plugs or electrodes.
  • SOFC high-temperature fuel cell
  • ferritic alloys are not suitable for components in the periphery of SOFC, in particular for heat exchangers, because of their insufficient strength and because of the lack of thermal resistance of their oxide layers at high temperatures, in particular from 900 ° C.
  • recyclate Heat exchanger in which recycled gas (hydrogen-depleted reformate gas), which contains about 20% water in a stationary operation, is cooled.
  • Suitable metallic materials are usually very high alloyed or nickel-based materials and therefore expensive.
  • a steel or stainless steel material which has a nickel-based coating with a chromium content of at least 7% by weight.
  • a nickel-chromium spinel is formed in the coating from NiO and Cr 2 ⁇ 3, which significantly reduces the formation rates of volatile Cr compounds.
  • a relatively inexpensive base material can be used, which is coated, so that the material and manufacturing costs are relatively low. Effective protection against a significant loss of chromium enables high-temperature fuel cells with a long service life, for example. Under certain circumstances, a nickel-chromium spinel layer also protects against oxidation.
  • the chromium content in the coating is below 50% by weight, preferably below 35% by weight.
  • the coating can preferably be formed by a solder, with commercially available nickel-chromium-based solders in particular also being suitable.
  • the coating preferably contains elements which lower the melting point, such as, in particular, silicon, boron and / or phosphorus. These lower the temperatures required for the formation of the coating and thus also reduce the manufacturing costs. Other elements such as in particular copper, iron and / or tungsten as well as unavoidable impurities are also possible.
  • the coating is preferably applied by means of roll cladding, thermal spraying, CVD or PVD processes, via sol-gel processes, by means of cold gas spraying, galvanic or chemical coating, dipping, spraying on or pumping through nickel solder paste.
  • roll cladding thermal spraying, CVD or PVD processes
  • sol-gel processes by means of cold gas spraying, galvanic or chemical coating, dipping, spraying on or pumping through nickel solder paste.
  • other methods are also possible.
  • Such a coated material is used in particular for interconnector plates, other components of high-temperature fuel cells, such as, for example, heat exchangers, burners, etc., electrodes or spark plugs, but other applications, in particular at high temperatures, are also possible.
  • a coating 2 which essentially consists of nickel with a chromium content of at least 7% by weight.
  • Cr-containing stainless steels form Cr 2 ⁇ 3 -based oxide layers when exposed to air.
  • Chromium contains, forms at high temperatures on the surface
  • NiCr 2 O 4 nickel-chromium spinel
  • This NiCr spinel has greatly reduced formation rates of volatile Cr compounds.
  • the proportion of NiCr spinel in the surface oxides increases up to a Cr proportion of approx. 30% by weight. If the Cr content were increased more and more, for example to a content greater than 50% by weight, oxides based on Cr 2 O 3 are formed again and again, which would increase the evaporation of Cr compounds again. What is important about the mechanism of formation of NiCr 2 O 4 is that the nickel-chromium spinel forms on the Cr 2 ⁇ 3 layer.
  • the material coated according to the invention thus differs from the customary high-temperature materials, which are often alloyed with silicon and in which a stable SiOr layer is to form as a diffusion barrier, which, however, takes place under the Cr 2 ⁇ 3 layer. With these conventional materials, this Cr 2 O 3 will definitely evaporate in the initial states of the high-temperature design. Under certain circumstances, the NiCr 2 O layer provides protection against oxidation in a water-containing atmosphere.
  • a semi-finished product made of stainless steel material for interconnect plates or for components on the SOFC periphery is provided with a NiCr layer by means of roll plating.
  • NiCr heat conductor alloys which can additionally be alloyed with silicon, calcium, cerium and / or other elements, are suitable as alloys.
  • ferritic materials can also be plated, in particular for interconnect plates. In this case, a thin layer of austenitic NiCr on both sides does not change the desired low thermal expansion coefficient of the composite material “ferritic core” and “austenitic layer” or changes it only insignificantly.
  • the semi-finished material is to serve as sheets for forming a heat exchanger for the SOFC, it is sufficient if the sheet is roll-coated on one side, since the base material will generally be austenitic and the formation of volatile Cr compounds only occurs in the cathode air for the channel leading SOFC can have a negative impact.
  • the coating with a view to increasing the oxidation resistance, since the water-containing atmosphere is only present in one passage of the heat exchanger. The same applies to other coating processes.
  • the NiCr coating material for interconnector plates or peripheral components can be applied by means of thermal spraying, CVD or PVD processes, sol-gel processes, by means of cold gas spraying, galvanically or chemically, or the like.
  • the material can be applied locally, for example by means of thermal spraying using a mask.
  • nickel-based solders can also be applied locally by means of thermal spraying and cold gas spraying. These known solders often consist essentially of nickel with a minimum content of 7% by weight of chromium.
  • elements that lower the melting point such as silicon and / or boron and / or phosphorus. Further elements such as copper, iron, tungsten can also be included.
  • a NiCrP solder alloy e.g. galvanically or chemically
  • a NiCrP coating can be used directly, i.e. as a ternary alloy, to be electrodeposited.
  • Another possibility is chemically or galvanically a Ni-P layer, e.g. Ni10P, to be deposited and a Cr layer placed thereon, for example chemically or by means of PVD. The thickness of the chrome layer then determines the chrome content of the alloy.
  • the semi-finished material When using the semi-finished material as an interconnector plate, it is preferably heated to the soldering temperature of the material before installation in the SOFC.
  • the solder alloy melts, the melting point-lowering phosphor diffuses into the base material due to a suitably long holding time at the soldering temperature, so that the coating of the interconnector plate cannot melt again during operation in the SOFC.
  • the NiCrP coating as a solder alloy is also particularly suitable for the production of components.
  • the coating then has a triple function as a solder, as a surface to reduce the evaporation rate of Cr compounds and as a protective layer against oxidation. In this case, the coated semi-finished material is of course not heated to the soldering temperature before being assembled into a component.
  • a chemical composition of the NiCrP alloy is, for example, that of the commercial alloys Ni107, Ni14Cr10P, N 12 or Ni25CM0P.
  • the analog use of nickel-based solder foils for the coating of interconnect plates is also possible.
  • the use of such solder foils for the joining of components with the double function as solder and coating only partially solves the problem of the formation of volatile Cr compounds, since the solder foil tends to only hit one side of the channel during soldering, that is Channel is not completely wetted by the nickel-based solder foil. This means that approx. 50% of the heat exchanger surface remains unoccupied by the Ni-based solder foil.
  • solder paste and solder tape are a mixture of powdered nickel-based solder powder and organic substances such as binders and solvents, which together with the powder result in a mass with a certain viscosity.
  • the solder paste can be applied by dipping, spraying, dosing, etc.
  • the solder tape is glued on.
  • the solder tape can be shaped with a desired contour, e.g. by means of punching.
  • a nickel-based solder paste flows through them.
  • the component for heating cathode air for the SOFC only the channel carrying the cathode air is preferably flowed through and thus coated. This is followed by heating in a suitable vacuum or inert gas oven to the soldering temperature of the solder used, so that the solder paste is melted and forms a tight layer. This usually forms a closed protective layer after the heat treatment.
  • solders containing nickel and chromium are suitable as solders, P-containing solders such as Ni14Cr or Ni25Cr10P being particularly suitable.
  • solders containing nickel, chromium and phosphorus are particularly advantageous to heat-treat the solders containing nickel, chromium and phosphorus at temperatures above the recommended soldering temperature. Temperatures are preferably 50 K higher, particularly preferably 100 K higher than the recommended soldering temperature.
  • the solders are then on the one hand very flowable and spread easily on a surface of a workpiece to be coated, so that even surface areas that were not covered with solder paste due to a coating defect are nevertheless covered with a NiCr layer after the heat treatment.
  • the solidus and liquidus temperatures of the NiCrP solders are so low that a heat treatment temperature that is higher than the recommended soldering temperature does not result in severe damage to the base material, for example due to coarse grain formation. With stainless steel as the base material, however, a heat treatment temperature of 1200 ° C should not be exceeded.
  • a NiCrP solder can also contain other elements, such as boron.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen beschichteten Werkstoff zur Bildung eines Hoch­temperaturwerkstoffs, bestehend aus einem Grundmaterial (1), das durch einen Stahl oder Edelstahl gebildet ist, und einer Beschichtung (2), auf Ni­ckelbasis mit einem Chromanteil von mindestens 7 Gew.-% sowie die Her­stellung eines solchen.

Description

Beschichteter Werkstoff zur Bildung eines Hochtemperaturwerkstoffs und dessen Verwendung in einer Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft einen beschichteten Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
SOFC Brennstoffzellen werden üblicherweise bei Betriebstemperaturen von 800°C betrieben. Unter anderem aus Kostengründen werden für die Inter- konnektorplatten der Brennstoffzelle und für sie umgebende Wärmeübertra- ger Edelstahle in Betracht gezogen. Bei den in der Brennstoffzelle und in den umgebenden Wärmeübertragern und anderen Komponenten vorherrschenden Temperaturen tritt jedoch auf der Kathodenseite in normaler Luft eine Abdampfung von CR-Verbindungen von den Werkstoffen auf, die zu hohen elektrischen Verlusten in der SOFC Brennstoffzelle führen.
Aus der DE 100 25 108 A1 ist ein Hochtemperaturwerkstoff aus einer chromoxidbildenden Eisenlegierung bekannt mit bis zu 2 Gew.-% wenigstens eines sauerstoffaffinen Elements aus der Gruppe (Y, Ce, Zr, Hf und La), bis zu 2 Gew.-% eines Elements M aus der Gruppe (Mn, Ni und Co), welches mit Chromoxid bei hohen Temperaturen eine Spinellphase vom Typ MCr2O bildet, bis zu 2 Gew.-% eines weiteren Elements aus der Gruppe (Ti, Hf, Sr, Ca und Ze), welches die elektrische Leitfähigkeit von Oxiden auf Cr-Basis
erhöht. Der Chromanteil der Eisenlegierung beträgt insbesondere 12 bis 28 Gew.-%, insbesondere 17 bis 25 Gew.-%. Somit handelt es sich bei diesem Hochtemperaturwerkstoff um einen ferritischen Chromstahl. Bei einem derartigen Werkstoff bildet sich an der Grenzfläche Chromdioxid/Gas mit dem Cr2θ3 eine Spinellphase vom Typ MCr∑O^ Diese weist niedrigere Cr- Abdampfraten auf.
Dieser Hochtemperaturwerkstoff kann insbesondere für Interkonnektorplat- ten einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC), Zündkerzen oder Elektro- den verwendet werden.
Ein derartiger Hochtemperaturwerkstoff lässt jedoch noch Wünsche offen. Insbesondere sind die Abdampfraten noch so hoch, dass im Langzeitbetrieb von Brennstoffzellen Leistungsverluste auftreten. Ferner sind ferritische Le- gierungen für Komponenten in der Peripherie von SOFC, insbesondere für Wärmeübertrager, wegen zu geringer Festigkeit und wegen mangelnder thermischer Beständigkeit ihrer Oxidschichten bei hohen Temperaturen, insbesondere ab 900°C, nicht geeignet.
Femer ist bekannt, Edelstahle mit Schutzschichten, z.B. mit einer Perowskit- Schicht, zu überziehen. Eine Perowskit-Schicht reduziert die Cr- Abdampfraten um einen Faktor größer 100. Nachteilig ist, dass die Auftragung der Perowskit-Schichten relativ aufwändig ist und die Schutzschichten immer das Risiko des Abplatzens in sich tragen. Dieses Abplatzrisiko ist grö- ßer, wenn austenitische Edelstahle verwendet werden, da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Austeniten und der Perowskit-Schicht sich deutlich unterscheiden.
Darüberhinaus sind Bauteile in der Peripherie einer SOFC teilweise oxidati- ver Belastung durch hohe Temperaturen und/oder hohen Wassergehalt in der Atmosphäre ausgesetzt. Ein Beispiel ist ein sogenannter Rezyklat- Wärmeübertrager, in dem Rezyklatgas (wasserstoffabgereichertes Refor- matgas), das in einem Stationärbetrieb etwa 20% Wasser enthält, gekühlt wird. Geeignete metallische Werkstoffe sind üblicherweise sehr hoch legiert oder Nickel-Basis-Werkstoffe und damit teuer.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten und kostengünstigen beschichteten Werkstoff zur Bildung eines Hochtemperaturwerkstoffs zur Verfügung zu stellen, wobei insbesondere die Cr-Abdampfraten von Stählen und Edelstahlen verringert und/oder deren Oxidationsbeständigkeit erhöht wer- den sollen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen beschichteten Werkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Stahl- oder Edelstahl-Werkstoff vorgesehen, der eine Beschichtung auf Nickelbasis mit einem Chromanteil von mindestens 7 Gew.-% aufweist. In der Beschichtung bildet sich aus NiO und Cr2θ3 ein Nickel-Chrom-Spinell, welches die Bildungsraten von flüchtigen Cr- Verbindungen deutlich absenkt. Somit kann ein relativ kostengünstiges Grundmaterial verwendet werden, das beschichtet wird, so dass die Material- und Herstellungskosten relativ gering sind. Durch den wirksamen Schutz vor einem wesentlichen Chrom-Verlust sind beispielsweise Hochtemperatur- Brennstoffeellen mit einer hohen Lebensdauer möglich. Unter Umständen schützt eine Nickel-Chrom-Spinell-Schicht auch vor Oxidation.
Der Chromanteil in der Beschichtung liegt unter 50 Gew.-%, bevorzugt unter 35 Gew.-%. Dabei kann die Beschichtung vorzugsweise durch ein Lot gebildet sein, wobei insbesondere auch handelsübliche Lote auf Nickel-Chrom- Basis in Frage kommen. Vorzugsweise enthält die Beschichtung schmelzpunkterniedrigende Elemente wie insbesondere Silizium, Bor und/oder Phosphor. Diese senken die erforderlichen Temperaturen zur Ausbildung der Beschichtung ab und senken somit auch die Herstellungskosten. Andere Elemente wie insbesondere Kup- fer, Eisen und/oder Wolfram sowie unvermeidliche Verunreinigungen sind ebenfalls möglich.
Das Aufbringen der Beschichtung erfolgt bevorzugt mittels Walzplattierens, thermischen Spritzens, CVD- oder PVD-Verfahren, über Sol-Gel-Verfahren, mittels Kaltgasspritzens, galvanischen oder chemischen Beschichtens, Tauchens, Aufsprühens oder Durchpumpens von Nickel-Lotpaste. Jedoch sind auch andere Verfahren möglich.
Ein derartiger beschichteter Werkstoff wird insbesondere für Interkonnek- torplatten, andere Komponenten von Hochtemperatur-Brennstoffzellen, wie zum Beispiel Wärmeübertrager, Brenner usw., Elektroden oder Zündkerzen verwendet, jedoch sind auch andere Anwendungen, insbesondere bei hohen Temperaturen, möglich.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß beschichtete Oberfläche.
Ein Grundmaterial 1 , gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus Edelstahl, ist mit einer Beschichtung 2 überzogen, die im Wesentlichen aus Nickel mit einem Chromanteil von mindestens 7 Gew.-% besteht. Prinzipiell ist es bekannt, dass auf Cr-haltigen Edelstahlen bei Auslagerung in Luft Oxidschichten auf Cr2θ3-Basis entstehen. Diese Oxidschichten verlangsamen zwar einerseits die weitere Oxidation des Grundmaterials 1 , andererseits kommt es in unbehandelter Luft zur Bildung von flüchtigen (g) Cr-Verbindungen gemäß den folgenden Reaktionen: Cr2O3(s) + 1,5 O2(g) -> 2 CrO3 (g) (1 ) Cr2O3(s) + 1 ,5 O2(g) + 2 H2O (g) -> 2 CrO2(OH)2(g) (2) Cr2O3(s) + O2(g) + H2O (g) -> 2 CrO2(OH)(g) (3)
Durch den Überzug des Grundmaterials 1 mit einer Beschichtung 2, die im
Wesentlichen aus Nickel besteht und eine Mindestmenge von 7 Gew.-%
Chrom enthält, bildet sich bei hohen Temperaturen auf der Oberfläche eine
Schichtstruktur aus NiO und darunterliegendem Cr2θ3 aus, die sich zumin- dest an der Grenzfläche zu einem Nickel-Chrom Spinell (NiCr2O4) vereinigt. Dieses NiCr-Spinell weist stark reduzierte Bildungsraten von flüchtigen Cr- Verbindungen auf. Der Anteil des NiCr-Spinells an den Oberflächenoxiden erhöht sich bis zu einem Cr-Anteil von ca. 30 Gew.-%. Wenn der Cr-Anteil mehr und mehr erhöht würde, beispielsweise auf Anteile von größer als 50 Gew.-%, bilden sich mehr und mehr wieder Oxide auf Cr2θ3-Basis aus, was die Abdampfung von Cr-Verbindungen wieder erhöhen würde. Wesentlich am Bildungsmechanismus von NiCr2O4 ist, dass sich das Nickel-Chrom Spinell auf der Cr2θ3-Schicht bildet. Damit wird eine Abdampfung des Cr2θ3 gemäß Gleichungen (1) bis (3) frühzeitig verhindert. Somit unterscheidet sich der erfindungsgemäß beschichtete Werkstoff von den üblichen Hochtemperaturwerkstoffen, die häufig mit Silizium legiert sind und bei denen sich eine stabile SiOr-Schicht als Diffusionsbarriere ausbilden soll, was allerdings unter der Cr2θ3-Schicht erfolgt. Dieses Cr2O3 wird also bei diesen konventionellen Werkstoffen auf jeden Fall in den Anfangszuständen der Hochtempera- turauslegung abdampfen. Unter Umständen stellt die NiCr2O -Schicht einen Schutz vor Oxidation in wasserhaltiger Atmosphäre dar.
Im Folgenden wird auf Grund der Eigenschaften des beschichteten Werkstoffs auf die Gesamtheit von Grundmaterial 1 und Beschichtung 2 auch als Hochtemperaturwerkstoff 3 Bezug genommen. Gemäß einem ersten Verfahren zur Herstellung einer derartigen Beschichtung wird ein Halbzeug aus Edelstahlmaterial für Interkonnektoφlatten oder für Komponenten an der SOFC-Peripherie mit einer NiCr-Schicht mittels Walzplattierens versehen. Als Legierungen kommen beispielsweise bekann- te Ni20Cr-Heizleiterlegierungen, die zusätzlich mit Silizium, Caicium, Cer und/oder anderen Elementen legiert sein können, in Frage. Ferner können insbesondere für Interkonnektoφlatten auch ferritische Materialien plattiert werden. Hierbei verändert eine beidseitige dünne Schicht aus austeniti- schem NiCr den gewünschten niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffi- zienten des Verbundmaterials „ferritischer Kern" und „austenitische Auflage" nicht oder nur unwesentlich.
Wenn das Halbzeugmaterial als Bleche zur Ausbildung eines Wärmeübertragers für die SOFC dienen sollen, reicht es aus, wenn das Blech einsei- tig walzplattiert ist, da das Grundmaterial im Allgemeinen austenitisch sein wird und die Bildung von flüchtigen Cr-Verbindungen sich nur in dem die Kathodenluft für die SOFC führenden Kanal negativ auswirken kann. Gleiches gilt auch für die Beschichtung im Hinblick auf eine Erhöhung der Oxidations- beständigkeit, da die wasserhaltige Atmosphäre nur in einem Durchgang des Wärmeübertragers vorliegt. Entsprechendes gilt auch für andere Beschich- tungsverfahren.
Alternativ kann das NiCr-Beschichtungsmaterial für Interkonnektorplatten oder Peripheriekomponenten mittels thermischen Spritzens, CVD- oder PVD-Verfahren, Sol-Gel-Verfahren, mittels Kaltgasspritzen, galvanisch oder chemisch, o.a. aufgebracht werden. Natürlich sind auch Kombinationen der Verfahren möglich. Im Falle einer lokalen Beschichtung kann das Material beispielsweise mittels thermischen Spritzens mit Hilfe einer Maske lokal aufgebracht werden. Ferner können mittels thermischen Spritzens und Kaltgasspritzens lokal auch Nickelbasis Lote aufgebracht werden. Diese bekannten Lote bestehen häufig im Wesentlichen aus Nickel mit einem Mindestgehalt von 7 Gew.-% Chrom. Dazu kommen noch den Schmelzpunkt absenkende Elemente wie Silizium und/oder Bor und/oder Phosphor. Ferner können weitere Elemente wie beispielsweise Kupfer, Eisen, Wolfram enthalten sein.
Gemäß einem weiteren Verfahren wird eine NiCrP-Lotlegierung, z.B. galvanisch oder chemisch, aufgebracht. Dabei kann eine NiCrP-Beschichtung di- rekt, d.h. als ternäre Legierung, galvanisch abgeschieden werden. Eine andere Möglichkeit ist chemisch oder galvanisch eine Ni-P Schicht, z.B. Ni10P, abzuscheiden und darauf eine Cr-Schicht zu platzieren, zum Beispiel chemisch oder mittels PVD. Die Dicke der Chrom-Schicht bestimmt dann den Chromgehalt der Legierung.
Bei Verwendung des Halbzeugmaterials als Interkonnektorplatte wird diese vorzugsweise vor Einbau in die SOFC auf die Löttemperatur des Materials erhitzt. Die Lotlegierung schmilzt auf, der schmelzpunkterniedrigende Phosphor diffundiert durch eine geeignet lang gewählte Haltezeit auf Löttempera- tur in das Grundmaterial ab, wodurch die Beschichtung der Interkonnektorplatte beim Betrieb in der SOFC nicht wieder aufschmelzen kann. Die NiCrP-Beschichtung als Lotlegierung ist insbesondere auch zur Herstellung von Komponenten geeignet. Die Beschichtung hat dann die Dreifachfunktion als Lot, als Oberfläche zur Reduzierung der Abdampfraten von Cr- Verbindungen und als Schutzschicht gegen Oxidation. In diesem Fall wird das beschichtete Halbzeugmaterial natürlich nicht vor dem Verbauen zu einer Komponente auf Löttemperatur erhitzt. Eine chemische Zusammensetzung der NiCrP-Legierung ist beispielsweise die der kommerziellen Legierungen Ni107, Ni14Cr10P, N 12 oder Ni25CM0P. Die analoge Verwendung von Nickelbasis-Lotfolien für die Beschichtung von Interkonnektoφlatten ist ebenfalls möglich. Allerdings löst die Verwendung von derartigen Lotfolien für das Fügen von Komponenten mit der Doppelfunktion als Lot und Beschichtung das Problem der Bildung von flüchtigen Cr-Verbindungen nur zum Teil, da sich beim Löten die Lotfolie tendenziell lediglich zu einer Seite des Kanals hin schlägt, also der Kanal nicht vollständig von der Nickelbasis Lotfolie benetzt wird. Somit bleiben ca. 50% der Wärmeübertrageroberfläche von der Ni-Basis Lotfolie unbelegt.
Ferner ist die Beschichtung von Interkonnektorplatten mit Nickelbasis- Lotpaste oder mit Nickelbasis-Lottape möglich. Bei Lotpaste und Lottape handelt es sich um ein Gemisch von pulverförmigem Nickelbasis-Lotpulver und organischen Stoffen wie Binder und Lösungsmittel, die zusammen mit dem Pulver eine Masse mit gewisser Viskosität ergeben. Die Lotpaste kann mittels Tauchen, Spritzen, Dosieren etc. aufgetragen werden. Das Lottape wird aufgeklebt.
Das Lottape kann vor dem Aufkleben mit einer gewünschten Kontur, z.B. mittels Stanzen, versehen werden.
Gemäß einer Variante für bereits zusammengefügte Komponenten werden diese von einer Nickelbasis-Lotpaste durchströmt. Dabei wird bevorzugt bei der Verwendung der Komponente zur Aufheizung von Kathodenluft für die SOFC nur der Kathodenluft-führende Kanal durchströmt und somit beschich- tet. Anschließend erfolgt eine Erwärmung in einem geeigneten Vakuum- o- der Schutzgas-Ofen auf Löttemperatur des jeweiligen verwendeten Lots, so dass die Lotpaste aufgeschmolzen ist und eine dichte Schicht bildet. Diese bildet üblicherweise nach der Wärmebehandlung eine geschlossene Schutzschicht. Als Lote kommen beispielsweise bekannte Nickel und Chrom enthal- tende Lote in Frage, wobei P-haltige Lote wie Ni14Cr oder Ni25Cr10P besonders geeignet sind. Besonders vorteilhaft ist es, die Nickel, Chrom und Phosphor enthaltenden Lote bei Temperaturen oberhalb der empfohlenen Löttemperatur wärmezu- behandeln. Bevorzugt sind Temperaturen 50 K höher, besonders bevorzugt 100 K höher als die empfohlene Löttemperatur. Die Lote sind dann einerseits sehr fließfähig und breiten sich leicht auf einer Oberfläche eines zu beschichtenden Werkstücks aus, so dass auch Oberflächenbereiche, die wegen eines Beschichtungsfehlers nicht mit Lotpaste bedeckt waren, nach der Wärmebehandlung dennoch mit einer NiCr-Schicht bedeckt sind. Anderer- seits sind die Solidus- und Liquidus-Temperaturen der NiCrP-Lote so niedrig, dass eine gegenüber der empfohlenen Löttemperatur erhöhte Wärmebehandlungstemperatur noch keine starke Beschädigung des Grundwerkstoffs, beispielsweise durch Grobkornbildung, zur Folge hat. Bei Edelstahl als Grundwerkstoff sollte eine Wärmebehandlungstemperatur von 1200°C je- doch nicht überschritten werden.
Ein NiCrP-Lot kann auch weitere Elemente enthalten, wie beispielsweise Bor.
Natürlich ist es auch möglich, zunächst eine eine Klebefunktion habende Flüssigkeit in die Komponente einzubringen und nach Beschichtung der inneren Oberfläche und Entfernen der überschüssigen Klebeflüssigkeit das Lot als Pulver einzubringen, zum Beispiel mittels Durchrieseins. Die Lotpartikel bleiben an der Klebeschicht hängen und überdecken die Klebeschichtober- fläche mit einer ununterbrochenen Schicht. Anschließend erfolgt wieder die oben beschriebene Wärmebehandlung.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Beschichteter Werkstoff zur Bildung eines Hochtemperaturwerkstoffs, bestehend aus einem Grundmaterial (1), das durch einen Stahl oder Edelstahl gebildet ist, und einer Beschichtung (2), dadurch gekenn- zeichnet, dass die Beschichtung (2) auf Nickelbasis mit einem Chromanteil von mindestens 7 Gew.-% gebildet ist.
2. Beschichteter Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) einen Anteil an Nickel-Chrom Spinell (NiCr2O4) aufweist.
3. Beschichteter Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromanteil unter 50 Gew.-%, insbesondere unter 35 Gew.-% , liegt.
4. Beschichteter Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) durch ein Lot gebildet ist.
5. Beschichteter Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) schmelzpunkterniedrigende Elemente, wie Silizium, Bor und/oder Phosphor enthält.
6. Beschichteter Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) Kupfer, Eisen und/oder Wolfram enthält.
7. Verfahren zur Beschichtung eines Werkstoffs zur Herstellung eines Hochtemperaturwerkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundmaterial (1), das durch einen beschichteten Stahl oder Edelstahl gebildet ist, mit einer Beschichtung (2), die auf Nickelbasis mit einem Chromanteil von mindestens 7 Gew.-% besteht, versehen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) mittels Walzplattierens, thermischen Spritzens, CVD- oder PVD-Verfahren, über Sol-Gel-Verfahren, mittels Kaltgasspritzens, durch galvanisches und/oder chemisches Beschichten, Tauchen und/oder Durchpumpen von Nickellotpaste aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeich- net, dass die Beschichtung (2) durch ein Lot, insbesondere eine NiCrP- Lotlegierung, aufgebracht wird, und vor der Montage das Grundmaterial (1) mit Beschichtung (2) auf die Löttemperatur erhitzt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung der Beschichtung (2) eine Lotpaste in einen Hohlraum eingefüllt, nachdem die zu beschichtenden Wände des Hohlraums mit der Lotpaste benetzt sind, überschüssige Lotpaste wieder hieraus entfernt und anschließend das Bauteil auf die Löttemperatur erhitzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung eine NiCrP-Lotpaste verwendet wird und dass das Bauteil auf eine Temperatur erhitzt wird, die insbesondere über einer empfohlenen Löttemperatur liegt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung der Beschichtung (2) zunächst eine Flüssigkeit mit Klebefunktion in Kontakt mit den zu beschichtenden Flächen gebracht, nachdem die zu beschichtenden Flächen benetzt sind, die überschüssige Flüssigkeit wieder entfernt, anschließend ein Lotpulver aufgestreut, so dass das Lotpulver in Form einer zusammenhängenden Beschichtung haften bleibt, und zuletzt das Bauteil auf Löttemperatur erhitzt wird.
13. Verwendung eines beschichteten Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für Interkonnektoφlatten, andere Komponenten von Hochtemperatur-Brennstoffzellen, Elektroden oder Zündkerzen.
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