Glaslotfügen von Festoxid-Brennstoffzellen durch Laseraufschmelzung

Planare Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) werden in der Regel mit Glaslot abgedichtet. Die Anforderungen an das Dichtungsmaterial umfassen elektrische Isolation (da gegenpolige Elektroden verbunden werden), mechanische Stabilität bei Betriebstemperatur (800 °C), sowie während des Aufheizens und Abkühlens auf Raumtemperatur, und in dem Zusammenhang eine Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten an den der zu fügenden Materialien (speziell entwickelter Chromhaltiger Stahl, sowie die SOFC). Glaslot hat sich als Dichtungsmaterial durchgesetzt, da es die Anforderungen bisher am besten erfüllt. Die Fügung von SOFCs erfolgt im Ofen, wobei die Fügetemperaturen nicht wesentlich höher als die Betriebstemperatur der SOFC sein dürfen, da sonst die SOFC beschädigt werden würde. Das schränkt die Auswahl an Glasloten ein. Zudem ist die Ofenfügung sehr zeitaufwendig. Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Produktion wurde die Anwendung eines Lasers als Wärmequelle für eine erfolgreiche Fügung untersucht. Dies fand mit Hinblick auf eine Industrialisierung der Brennstoffzelle statt, im Rahmen eines EU-Projektes zur Entwicklung von MMLCR=SOFCs (Working towards Mass Manufactured, Low Cost and Robust Solid Oxide Fuel Cell stacks; Entwicklung massengefertigter, billiger und widerstandsfähiger Festoxid-Brennstoffzellen-Stacks). Die Laserfügung kann exklusive Vorbereitung theoretisch in wenigen Minuten erfolgen und hat dadurch das Potential, weitaus billiger zu sein. Im Rahmen der Promotion wurde untersucht, wie eine Fügung mit dem Laser umgesetzt werden kann, sodass die Qualität des Fügeergebnisses der der Ofenfügung entspricht. Das dabei eingesetzte Glaslot muss nicht dasselbe sein, wie das bei der klassischen Fügung. So können mit dem Laser höhere Fügetemperaturen erreicht werden, ohne die Bestandteile der Brennstoffzelle thermisch zu belasten. Auf diese Weise können Glaslote mit höheren Transformationstemperaturen verwendet werden. Solche Gläser können bessere Eigenschaften in Bezug auf andere Anforderungen haben. Die Fügung von Glaslot mit Stahl wurde erfolgreich umgesetzt. Die Geometrie des zu fügenden Rahmens einer SOFC stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da die Benetzung durch das flüssige Glaslot kaum zu gewährleisten ist. Eine erfolgreiche Fügung mit dem Laser setzt voraus, dass dickere Stahlplatten von mindestens 1 mm verwendet werden, gegenüber den 0.3 mm dicken Platten für die Massenproduktion