Long-term stability of Ln2NiO4+δ-type SOFC/SOEC-air electrode materials in the presence of volatile chromium and silicon species

Titel in Übersetzung: Langzeitstabilität von Ln2NiO4+δ SOFC/SOEC-Luftelektroden in Gegenwart flüchtiger Chrom- und Siliziumspezies

Nina Schrödl

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Langzeitstabilität von Seltenerdnickelaten des Ln2NiO4+δ-Strukturtyps im Hinblick auf die Anwendung als Sauerstoffelektrode in Festoxidbrennstoffzellen und -elektrolyseuren untersucht. Der Schwerpunkt der Studie wurde hierbei auf die Vergiftung der Sauerstoffelektrode durch flüchtige Cr- und Si-Verbindungen gelegt, welche einen bekannten Degradationsmechanismus darstellt, der die Lebensdauer von Festoxidzellen deutlich herabsetzt. Mehrere Langzeitexperimente an dichten Proben und porösen Elektroden wurden durchgeführt, um die schädlichen Einflüsse der Cr- und Si-Vergiftung zu untersuchen. Die Langzeitstabilität wurde einerseits anhand der Sauerstoffaustauschkinetik, die mittels Leitfähigkeitsrelaxationsmessungen an dichten Proben bestimmt wurde, und andererseits durch Aufzeichnung des flächenbezogenen, elektrischen Widerstands poröser Elektroden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) charakterisiert. Dichte La2NiO4+δ (LNO)-Proben wurden für jeweils 1000 h bei 700°C und 800°C in trockener und befeuchteter Sauerstoff/Argon-Atmosphäre mit und ohne Cr-Quelle getestet. Änderungen der Oberflächenmorphologie und -chemie wurden mittels Rasterkraftmikroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver und hochaufgelöster Rastertransmissionselektronenmikroskopie in Kombination mit energiedispersiver Röntgen- und Elektronenenergieverlustspektroskopie untersucht. LNO weist eine hervorragende Stabilität in trockener Gasatmosphäre, auch in Gegenwart einer Cr-Quelle, auf. Wird das umgebende O2/Ar-Gasgemisch jedoch befeuchtet, nimmt der chemische Oberflächenaustauschkoeffizient des Sauerstoffs (kchem) enorm ab, was auf die Zersetzung von LNO in mehrere chemische Verbindungen an der Probenoberfläche zurückgeführt werden konnte. Weiters wurde die Cr-Vergiftung unter für Festoxidbrennstoffzellen und -elektrolyseure realistischen Betriebsbedingungen an symmetrischen Knopfzellen mit LNO, Pr2NiO4+δ (PNO)und LNO-Ce0.9Gd0.1O2-δ (LNO-GDC) Kompositelektroden bei 800°C untersucht. Dabei wurden die Zellen unter konstanter Stromlast gehalten. Die Zellen wurden in jeweils für mehrere hundert Stunden trockener, befeuchteter und Cr-hältiger Gasatmosphäre ausgesetzt. Bei den Zelltests konnte durch den Einsatz einer Referenzelektrode ein Einfluss der Elektrodenpolarität auf die Cr-Vergiftung bestimmt werden. Nach den elektrochemischen Messungen wurden die Zellen mit elektronenmikroskopischen Methoden untersucht. Der gemessene Zellwiderstand aller Zellen blieb in trockener Atmosphäre über mehrere hundert Stunden stabil. Befeuchtung des Testgases in Gegenwart einer Cr-Quelle führte jedoch zu einem Anstieg des Polarisationswiderstands einer der beiden Elektroden, was zu einem sich ebenfalls im Anstieg des gesamten Zellwiderstands äußerte. Durch die Kombination von EIS-Messungen mit Post-Test Analysen konnte eine Korrelation zwischen der Cr-Abscheidung und dem Elektrodenwiderstand nachgewiesen werden.
Titel in ÜbersetzungLangzeitstabilität von Ln2NiO4+δ SOFC/SOEC-Luftelektroden in Gegenwart flüchtiger Chrom- und Siliziumspezies
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Sitte, Werner, Beurteiler A (intern)
  • Hofer, Ferdinand, Beurteiler B (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Nickelat
  • SOFC
  • SOEC
  • Cr-Vergiftung
  • Si-Vergiftung
  • Langzeitstabilität

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