Preparation of spinel oxide layers for high temperature fuel cell applications

Abstract

Oxide mit Spinellstruktur wurden durch thermische Oxidation metallischer dünner Schichten im System Mn-Co-Fe hergestellt und charakterisiert. Dazu wurden die metallischen Schichten mit unterschiedlichen Mn/Co/Fe Verhältnissen durch das Magnetron Co-sputter-Verfahren auf oxidierte Siliziumwafer und auf den ferritischen Edelstahl ZMG232L (Hitachi Metals Ltd.®) abgeschieden. Die Schichteigenschaften als Funktion der Glühatmosphäre (an O2 und Luft), der Temperatur und der Zeit wurden untersucht. Um die Eignung der Spinellschichten als mögliche Schutzschicht für metallische Interconnects der Hochtemperatur-Brennstoffzelle abzuschätzen, wurden Flächenwiderstandsmessungen durchgeführt und das Cr Diffusions/Transportverhalten aus dem Stahlsubstrat durch die Spinellschicht analysiert (ToF-SIMS sputter Tiefenprofil und EDX). Mn50Co50 Schichten mit einer Dicke von 1 $\mu$m die auf vorbehandelte ZMG232L Substrate abgeschieden wurden, zeigten die besten Anwendungseigenschaften.Oxides with spinel structure were produced by thermal oxidation of metallic thin films (0.3 $\mu$m and 1 $\mu$m thickness) from the Mn-Co-Fe system. Metallic films with different Mn/Co/Fe ratios were deposited by magnetron co-sputtering on oxidised silicon wafers and on ZMG232L (Hitachi Metals Ltd.®) ferritic stainless steel and their properties as a function of annealing atmosphere, temperature and time were studied. In order to assess the suitability of these spinels as protective coatings for metallic interconnects for Solid Oxide Fuel Cells, area specific resistance measurements were performed, as well as the analysis of Cr transport through the coatings. The Mn:Co=50:50 (at.%) coating having 1 $\mu$m thickness and deposited on pre-annealed ZMG232L substrates showed the best properties for this application