Verwendung eines Permeationsprüfstands zur H2-Barriereschichtentwicklung

5.4.2019

© Fraunhofer IWM

1. Schematischer Aufbau des Wasserstoff-Permeationsprüfstands. Die zu messende Probe separiert die Hochdruckseite mit Wasserstoffatmosphäre von der UHV-Seite, bei der die Detektion des permittierten Gases stattfindet.

Lukas Gröner

Im Zuge der wachsenden Bedeutung von Power-to-Gas und Brennstoffzellen-Anwendungen müssen oftmals metallische Bauteile vor Wasserstoff-Versprödung geschützt werden. Beispiele für solche Komponenten sind Bipolarplatten in SOFC- Brennstoffzellen, die korrosiven Sauerstoff- und Wasserstoffatmosphären ausgesetzt sind sowie wasserstoffinduzierte, lebensdauerbegrenzende »white etching cracks« in Lagern von Windkraftturbinen. Eine Möglichkeit, um Strukturbauteile vor Wasserstoff zu schützen oder mindestens die Wasserstoffeindiffusion zu verlangsamen, ist die Applikation permeationshemmender Schichten auf PVD-Basis. Um im Zuge der Entwicklung von Barriereschichten deren Eigenschaften messen und vergleichend bewerten zu können, wurde am IWM ein Wasserstoff-Permeationsprüfstand aufgebaut. Dieser ist in Abb. 1 schematisch dargestellt. Mit diesem Prüfstand kann die Diffusion von Wasserstoff aus der Gasphase bei Temperaturen bis zu 300°C durch eine metallische Membran untersucht werden.

Das zu prüfende Blech wird vakuumdicht zwischen zwei Kammern eingespannt. Auf der Hochdruckseite wird das Permeat (Wasserstoff bzw. Deuterium als Prüfgas) eingelassen, auf der Niederdruckseite (<10-8 mbar) wird der durch das Blech diffundierte Wasserstoff massenspektrometrisch detektiert. Die Verwendung des Isotops Deuterium verringert die Nachweisgrenze gegenüber natürlichem Wasserstoff. Über einen Heizstrahler kann die Temperatur des Blechs von Raumtemperatur bis 300 °C variiert werden. Durch die Analyse der Ionenströme können zum Einen effektive Diffusionskoeffizienten bestimmt und zum Anderen die Rückhalteraten von aufgebrachten Schichten oder modifizierten Oberflächen untersucht werden. Dies ermöglicht die Quantifizierung von Barriereeigenschaften der Schichten gegenüber Wasserstoffeindiffusion und somit eine gezielte Schichtentwicklungen.

© Fraunhofer IWM

2. Deuterium-Ionenströme in Abhängigkeit der Temperatur ermöglichen die Analyse der Permeationsreduktion. Durch die Beschichtung von ferritischem Stahl mit Ti2AlN und einer anschließenden Ausbildung thermischer Oxide (TGO) konnte die Permeation rechnerisch um einen Faktor von 3714 reduziert werden.

Mn+1AXn-Phasen Schichtsysteme werden in der Literatur einerseits als oxidationsstabil und schadenstolerant  und andererseits als effektive Wasserstoff-Diffusionsbarriere beschrieben. Durch die Entwicklung eines Abscheideprozesses mittels PVD für Ti2AlN auf ferritischem Stahl kann nun eine Quantifizierung hinsichtlich der Wasserstoff-Diffusion stattfinden. Eine aktuelle Analyse der Permeationsreduktion (PRF) von nur 2 µm dicken Ti2AlN-Schichten ergab, dass im Vergleich zum unbeschichteten Blech die Permeation zunächst um einen Faktor 45 verringert wurde. Nach einer Auslagerung des beschichteten Bleches unter Luftatmosphäre bei 700°C für 20h wurde die Untersuchung wiederholt. Dabei konnte festgestellt werden, dass durch das erfolgte Aufwachsen einer Oxidhaut auf den Ti2AlN-Schichten (vornehmlich dichtes α-Al2O3)  eine Reduktion der Permeation von PRF(Ti2AlN/TGO, 300°C)=3741, sprich knapp vier Größenordnungen, gegenüber dem unbeschichteten Substrat erreicht werden konnte, siehe Abb. 2. Mit derartigen Beschichtungen sind Bauteile wesentlich länger vor Wasserstoffeindiffusion geschützt.

 

 

 

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