Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell-SOFC) ermöglicht eine direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Der Brennstoff (H2, CH4, CO etc.) wird von einem Oxidationsmittel (O2, Luft) durch einen sauerstoffleitenden Feststoffelektro- lyten (Y-stabilisiertes Zr02) getrennt. Bei einer Betriebstemperatur der Zelle von etwa 700°C bis 950°C werden Sauerstoffionen von der Kathodenseite durch den Elektrolyten geleitet, die an der Anode mit dem Brenn- stoff reagieren. Wegen des Ladungsausgleichs fließt ein Elektronenstrom in gleicher Richtung.

Der Elektrolyt ist mit porosen, katalytisch wirkenden Elektrodenmaterialien beschichtet. Im allgemeinen be- steht die Anode (Brennstoffseite) aus einem Ni/Zr02- Cermet, die Kathode (Sauerstoffseite) aus einem Perowskit auf La-Basis.

Um die SOFC-Technik fur die Stromerzeugung nutzen zu konnen, müssen mehrere Zellen zusammengeschaltet wer- den. Daher ist noch eine weitere Zellkomponente notig, nämlich die bipolare Platte, die auch Interkonnektor genannt wird. Die bipolare Platte bildet dabei nicht nur das Gas zuleitende Verbindungsglied zwischen den

Einzelzellen, sondern auch die tragende Komponente der Zelle.

Eine wesentliche Eigenschaft, die eine Interkonnektor- legierung aufweisen muß, ist eine hohe Oxidationsbe- standigkeit in dem Anoden-und Kathodengas bei Betriebstemperatur. Außerdem muß sie, wegen der erfor- derlichen physikalischen Kompatibilität mit den kerami- schen Zellkomponenten, einen niedrigen Ausdehnungs- koeffizienten (etwa 10 * 10-6 K-1 bis 12 * 10-6 K-1) auf- weisen. Der jeweilige optimale Ausdehnungskoeffizient hangt dabei vom jeweiligen Zellenkonzept ab. Beispiels- weise sind bei anodensubstratgestutzten Zellen im all- gemeinen etwas höhere Ausdehnungskoeffizienten erfor- derlich als bei Zellenkonzepten, die auf einem Elektro- lyt-Folienkonzept beruhen.

Typische Materialien fur Interkonnektorwerkstoffe sind ferritische Chromstahle. Die Oxidationsbeständigkeit dieser Werkstoffe beruht auf der Bildung einer schut- zenden Oxidschicht auf Cr203-Basis, die sich bei hohen Temperaturen auf der Oberflache des Werkstücks ausbil- det. Diese Schichten verhalten sich jedoch bei den hohen Betriebstemperaturen instabil. Sie platzen ab und können so den Gasfluß in den Gaskanälen der bipolaren Platte im Langzeitbetrieb beeinträchtigen. Außerdem besitzen die nach langen Zeiten gebildeten, dicken Cr203-Schichten nachteilig eine geringe elektrische Leitfähigkeit. Ferner bilden sich bei hohem Sauerstoff- druck, wie er regelmäßig auf der Kathodenseite herrscht, flüchtige Chromoxide und/oder-hydroxide, die die Kathode oder die Kathode/Elektrolyt-Grenzflache "vergiften"und somit die Zellenleistung herabsetzen.

Aus DE 195 47 699 Al ist eine bipolare Platte aus einer chromoxidbildenden Legierung mit einer Mischoxidschicht zur Erhöhung der Leitfähigkeit und zur Verringerung der Abdampfrate bekannt.

In DE 44 22 624 Al wird ein Verfahren zum Schutz von chromhaltigen Körpern beschrieben, bei dem eine Schutz- schicht aus einem oxidischen Chromat aufgebracht wird.

Ein Nachteil dieser Beschichtungsverfahren ist jedoch, daB sie zu einer Verteuerung der bipolaren Platten fuh- ren. Außerdem besitzen die Schichten bei mechanischer Beschädigung während des Betriebs keine Ausheilfahig- keit.

In DE 195 46 614 C2 wird eine langzeitstabile oxida- tionsbestandige, chromoxidbildende Legierung fur den Einsatz bei hohen Temperaturen offenbart, welcher bis zu 1% reaktive Elemente zugesetzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hochtemperaturwerkstoffes, der bei mechanisch induzier- ten Defekten an der Oberflache selbst ausheilt. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, eine bipolare Platte fur eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle zu schaffen, welche die vorstehend genannten Vorteile aufweist.

Gelost wird die Aufgabe durch einen Hochtemperaturwerk- stoff nach Anspruch 1 sowie durch eine bipolare Platte gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Werkstoffes ergeben sich aus den darauf ruckbezogenen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Hochtemperaturwerkstoff nach An- spruch 1 basiert auf einer chromoxidbildenden Eisenle- gierung und ist fur den Einsatz bei Temperaturen bis zu 950°C geeignet. Er umfaßt bis zu 2 Gew.-% eines sauer- stoffaffinen Elements aus der Gruppe (Y, Ce und La), bis zu 2 Gew.-% eines Elements M aus der Gruppe (Mn, Ni und Co), welches mit Chromoxid eine Spinellphase vom Typ MCr204 bildet, sowie bis zu 2 Gew.-% eines weiteren Elements aus der Gruppe (Ti, Hf, Sr, Ca und Zr), wel- ches die elektrische Leitfähigkeit von Oxiden auf Cr-Basis erhoht.

Der anspruchsgemae Hochtemperaturwerkstoff nach An- spruch 1 weist ein oder mehrere sauerstoffaffine Ele- mente auf. Unter einem sauerstoffaffinen Element im Sinne dieser Erfindung ist ein chemisches Element zu verstehen, welches eine höhere Affinitat zum Sauerstoff aufweist als Chrom. Zu diesen Elementen gehören insbe- sondere Y, Ce, Hf, Zr und La. Die Gesamtkonzentration an diesen sauerstoffaffinen Elementen liegt vorteilhaft zwischen 0,01 und 2 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,1- 0,4 Gew.-%, sofern es sich um die reinen Elemente han- delt. Der Zusatz dieser reaktiven Elemente erhöht regelmäßig die Lebensdauer des Hochtemperaturwerk- stoffs. Weiterhin bewirken sie, daB der Transport von Sauerstoff und Metallionen durch Cr203 verlangsamt oder auch ganz gestoppt wird. Bilden sich Cr203-Deckschich- ten auf der Legierung bzw. dem Hochtemperaturwerkstoff, so diffundieren die reaktiven Elemente in die Deck- schichten hinein. Infolge des Diffusionsprozesses wer- den die sauerstoffaffinen Elemente in die Oxidkorngren- zen eingebaut und blockieren dann die Transportwege fur Metall-und Sauerstoffionen. Die weitere Bildung von Cr203 wird hierdurch verlangsamt. Das verlangsamte

Wachstum führt wiederum zu einer verbesserten Haftung der Cr203-Deckschicht auf der Legierung. Aufgrund dieser zwei Wirkungen wird insbesondere bei einem Einsatz unter hohen Temperaturen die Funktionsweise der Legierung bzw. eines aus dieser Legierung hergestellten Bauteils wesentlich verbessert sowie ihre bzw. seine Lebensdauer erheblich erhöht.

Weiterhin weist der erfindungsgemäße Hochtemperatur- werkstoff wenigstens ein weiteres zweites Element M auf, welches bei hohen Temperaturen, wie sie beispiels- weise während des Betriebs einer Hochtemperatur-Brenn- stoffzelle auftreten, mit Cr203 eine Spinellphase vom Typ MCr204 an der Grenzflache Oxid/Gas bildet. Dadurch wird die Abdampfrate vom Chromoxid und/oder-hydroxid von der Oberflache deutlich verringert. Geeignet als ein zweites Element sind Mn, Ni und Co. Als besonders geeignet erwiesen hat sich dabei das Legierungselement Mn, da dies schon in geringeren Mengen, verglichen mit den anderen genannten Elementen, einen Spinell ausbil- det. Diese zweiten Elemente M sind in Konzentrationen bis 2 Gew.-%, insbesondere in dem Konzentrationsbereich von 0, 2 bis 1 Gew.-% in dem Hochtemperaturwerkstoff enthalten.

Der Hochtemperaturwerkstoff nach Anspruch 1 weist fer- ner wenigstens ein drittes Element auf, welches die elektrische Leitfähigkeit von Oxiden auf Cr-Basis er- hoht. Als dafür geeignete Elemente sind Zr, Hf, Sr oder Ca, insbesondere aber das Element Ti zu nennen. Der Hochtemperaturwerkstoff enthalt diese dritten Elemente in Konzentrationen bis zu 2 Gew.-%, insbesondere im Konzentrationsbereich von 0,1 bis 0,4 Gew.-%.

Der erfindungsgemäße Hochtemperaturwerkstoff weist wah- rend hoher Temperaturen, wie sie typischerweise im Be- trieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle auftreten, besonders vorteilhafte Eigenschaften auf. Dazu gehören beispielsweise eine gute Oxidationsbeständigkeit, gute elektrische Leitfähigkeit der hier beschriebenen Oxid- schicht, gute Oxidschichthaftung und eine geringe Chromoxid bzw.-hydroxidabdampfrate. Zusätzlich offen- bart dieser Werkstoff den Vorteil, daß es bei mecha- nisch induzierten Spannungen, die zu Oberflachendefek- ten fuhren können, zu einem automatischen Ausheilen der Oxidschicht kommt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Hochtempera- turwerkstoffs weist dieser Chrom einen Konzentrations- bereich von'12 bis 28 Gew.-% auf (ferritischer Chrom- stahl). Besonders geeignet sind Chromkonzentrationen zwischen 17 und 25 Gew.-%. Der genaue Chromanteil rich- tet sich nach der Betriebstemperatur, in welcher der Werkstoff eingesetzt wird: hohe Betriebstemperaturen erfordern regelmäßig höhere Chromkonzentrationen.

Zusätzlich hangt die Konzentration an Chrom von dem gewünschten einzustellenden Ausdehnungskoeffizienten ab: eine Erhöhung des Chromanteils bewirkt regelmäßig eine Erniedrigung des thermischen Ausdehnungskoeffizi- enten.

Weiterhin umfaßt eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hochtemperaturwerkstoffs die Elemente Si und Al nur in Konzentrationen bis maximal 0,5 Gew. %. Die Elemente Si und Al bilden bevorzugt selbst Oxide aus und storen so die Ausbildung des

Chromoxids. Ihre Konzentration in dem Werkstoff sollte auf die oben genannten Konzentrationen begrenzt werden.

Besonders vorteilhaft sind insbesondere Konzentrationen von Si und/oder Al unterhalb von 0,2 Gew.-%.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die genannten sauerstoffaffinen Komponenten der Legierung nicht als reine Elemente, sondern in Form einer Oxid- dispersion zugesetzt werden (z. B. Y203, La203). Die auf die reinen Elemente bezogenen Konzentrationsangaben andern sich dabei für die entsprechenden Oxiddispersio- nen auf Konzentrationsbereiche von 0,02 bis 4 Gew.-%, bevorzugt von 0,2 bis 1 Gew.-%.

In einer weiteren Ausgestaltung des Hochtemperaturwerk- stoffs enthalt dieser geringe Konzentrationen der oubli- cherweise in ferritischen Stahlen vorhandenen Begleit- elemente und Verunreinigungen. Hierzu zahlen insbeson- dere C, N, S, B, P, V und Cu. Die Konzentration der Elemente V und Cu ist jeweils bevorzugt kleiner als 1 Gew.-%, und die Gesamtkonzentration der ubrigen Ele- mente C, N, S, B und P beträgt ebenfalls weniger als 1 Gew.-%.

Vorteilhaft weist der Hochtemperaturwerkstoff in Abhan- gigkeit von dem geforderten thermischen Ausdehnungs- koeffizienten zusatzlich wahlweise die folgenden Ele- mente, wie Mo, W, Nb, Ta, Re auf. Diese hochschmelzen- den (refraktaren) Elemente bewirken im allgemeinen eine Reduzierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten.

Die Konzentration dieser Elemente ist kleiner 10 Gew.-%, bevorzugt kleiner 3 Gew.-%.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Hochtemperaturwerkstoffs umfaßt dieser weitere Legie- rungselementen nur insoweit, als daR die Legierung bei Betriebstemperaturen nicht in ein austenitisches Gitter übergeht. Dies kann u. a. dadurch erreicht werden, daR die Ni-Konzentration kleiner als 2 Gew.-%, bevorzugt kleiner 1 Gew.-% ist. Die Ausbildung eines austeniti- schen Gitters wirkt sich nachteilig auf den Ausdeh- nungskoeffizienten des Werkstoffes aus, und sollte daher vermieden werden.

Der erfindungsgemäße Hochtemperaturwerkstoff eignet sich mit seinen vorteilhaften Eigenschaften insbeson- dere fur eine bipolare Platte einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle SOFC. Er kann aber auch auf anderen Gebieten eingesetzt werden, bei denen eine hohe Oxida- tions-/Korrosionsbestandigkeit in Kombination mit hoher elektrischer Leitfahigkeit der Oxidschicht bei hohen Temperaturen gefordert wird. Vorteile aus diesem Werk- stoff ergeben sich auch, sofern geringe Abdampfraten der Deckschicht erforderlich sind. Hier sind insbeson- dere der Bereich der Zündkerzen und Elektroden in flus- sigen Metallen und Schmelzen zu nennen.