Development of new materials for solid oxide fuel cell cathodes with superior performance and improved long-term stability

Titel in Übersetzung: Entwicklung neuer Kathodenmaterialien für die Festoxid-Brennstoffzelle mit ausgezeichneter Leistung und verbesserter Langzeitstabilität

Christian Berger

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Festoxid-Brennstoffzellen (engl. solid oxide fuel cells, SOFCs) stellen eine hocheffiziente und nachhaltige Zukunftstechnologie zur stationären Energieerzeugung dar. Für eine weitreichende Markteinführung müssen jedoch noch einige Probleme überwunden werden. Einer der kritischen Faktoren hierbei ist die begrenzte Langzeitstabilität der Zellen, wobei insbesondere die Kathode betroffen ist. Die Degradation der Kathode wird meist durch Verunreinigungen, welche über die zugeführte Luft in den Zellverband (engl. stack) eingetragen werden oder aus Stack-Komponenten stammen, verursacht. Derartige Degradationseffekte können die Leistung des Stacks im Laufe mehrerer tausend Betriebsstunden erheblich verringern. Die Entwicklung von langzeitstabilen Kathodenmaterialien mit exzellenten Masse- und Ladungstransporteigenschaften ist daher weltweit einer der wichtigsten Schwerpunkte der aktuellen Forschung. Der erste Teil der vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung neuartiger SOFC-Kathodenmaterialien mit Perowskit-Struktur. Ziel ist die Entwicklung von Verbindungen mit rascher Sauerstoffaustauschkinetik, guter ionischer und hoher elektronischer Leitfähigkeit, und hoher Toleranz gegenüber kritischen Verunreinigungen. Einphasige Materialien werden synthetisiert und hinsichtlich Masse- und Landungstransporteigenschaften und Defektchemie untersucht. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit der Optimierung der Sauerstoffaustauschkinetik von alkalimetallfreien SOFC-Kathodenmaterialien mit K2NiF4-Struktur. Diese besitzen im Allgemeinen zwar außerordentlich hohe Sauerstoffdiffusivitäten, die Sauerstoffaustausch-kinetik wird allerdings durch den Oberflächenaustauschprozess limitiert. Ziel ist somit die Synthese und Charakterisierung von neuen Materialien vom K2NiF4-Typ, welche signifikant höhere Oberflächenaustauschkoeffizienten für Sauerstoff besitzen. Die Ergebnisse der Dissertation zeigen eindrucksvoll, dass durch zielgerichtete Variationen der chemischen Zusammensetzung eine Reihe vielversprechender SOFC-Kathodenmaterialien mit rascher Sauerstoffaustauschkinetik und hoher SO2-Toleranz entwickelt werden konnten. Für verschiedene Zusammensetzungen von La1-xCaxFeO3 (wobei x=0.1 für LCF91, x=0.2 für LCF82, und x=0.25 für LCF7525), sowie für Pr0.8Ca0.2FeO3 (PCF82), wurden jeweils umfangreiche Daten zu wichtigen Materialeigenschaften wie Sauerstoffaustauschkinetik, ionische- und elektronische Leitfähigkeit, thermischer Ausdehnungskoeffizient, und Saustoffnichtstöchiometrie als Funktion von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck generiert. Dabei zeigte sich, dass LCF82 die besten Materialeigenschaften für den Einsatz als SOFC-Kathode aufweist. Die vielversprechendsten Eigenschaften hinsichtlich der Erhöhung der Langzeitstabilität (SO2-Toleranz) zeigt PCF82. Im Zuge dieser Arbeiten wurden detaillierte Einblicke in Mechanismen, welche der Degradation zugrunde liegen, bis in den Nanometerbereich gewonnen. Diese Erkenntnisse wurden genutzt, um Strategien für die Verbesserung der Langzeitstabilität zu entwickeln und umzusetzen. Im Fall von PCF82 führt das inselförmige Wachstum von Zweitphasen, welche durch die Reaktion des Kathodenmaterials mit Schwefeldioxid entstehen, zu einem vergleichsweise geringen Bedeckungsgrad der Oberfläche mit inaktiven Phasen. Dieses Charakteristikum von PCF82 führt zu einer höheren Langzeitstabilität der Sauerstoffaustauschkinetik unter kritischen Bedingungen. Im Fall der neuen Materialien mit K2NiF4-Struktur wurde durch die partielle Substitution von Ni mit Co eine Erhöhung des chemischen Oberflächenaustauschkoeffizienten für Sauerstoff erreicht.
Titel in ÜbersetzungEntwicklung neuer Kathodenmaterialien für die Festoxid-Brennstoffzelle mit ausgezeichneter Leistung und verbesserter Langzeitstabilität
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Bucher, Edith, Beurteiler A (intern)
  • Hofer, Ferdinand, Beurteiler B (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Perowskit
  • A2BO4 Ruddlesden-Popper Phase
  • Festoxid- Brennstoffzellen Kathode
  • Sauerstoffaustauschkinetik
  • Elektronische Leitfähigkeit
  • Ionische Leitfähigkeit
  • Schwefeldioxidvergiftung

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