Long-term stability of solid oxide fuel cell cathodes with different microstructures under critical operating conditions

Titel in Übersetzung: Langzeitstabilität von Kathoden für Festoxid-Brennstoffzellen mit unterschiedlichen Mikrostrukturen unter kritischen Betriebsbedingungen

Martin Perz

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) sind vielversprechende elektrochemische Energiequellen mit potentiell hohen Wirkungsgraden. Allerdings ist die Langzeitdegradation der Leistung dieser Brennstoffzellen ein kritisches Hindernis für die breitere kommerzielle Anwendung dieser Technologie. Hierbei erweist sich besonders die Kathode als sensible Komponente der Brennstoffzelle, welche von verschiedenen Stabilitätsproblemen betroffen ist. Das Ziel der gegenwärtigen Arbeit war, den Einfluss von kritischen Betriebsbedingungen auf die Langzeitstabilität von SOFC-Kathoden zu untersuchen. Es wurden Langzeitexperimente mit Versuchsdauern zwischen 1500 und 4000 Stunden bei Temperaturen zwischen 700°C und 850°C durchgeführt. Die Degradationsmechanismen, welche bei diesen Experimenten untersucht wurden, waren Si-Vergiftung und Cr-Vergiftung in feuchten Atmosphären, sowie die Bildung von Zweitphasen am Kathoden-Elektrolyt-Interface. Die potentiellen Kathodenmaterialien La0.9Ca0.1FeO3-δ (LCF91) und LaNi0.6Fe0.4O3-δ (LNF64) wurden mittels dc-Leitfähigkeitsrelaxationsmethode (CR) in van der Pauw-Geometrie charakterisiert. Messungen mit Elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) wurden an symmetrischen Zellen mit Modellkathoden aus den bekannten Kathodenmaterialien La0.6Sr0.4CoO3-δ (LSC64) und La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) durchgeführt, welche in drei unterschielichen Architekturen vorlagen: Konventionelle Siebdruckkathoden, Dünnschichtkathoden mit einer Dicke von ca. 0.2 μm und infiltrierte Kathoden aus nanoskaligem LSC64 in einer porösen Mikrostruktur aus Gadolinium-dotiertem Ceroxid (GDC). Zur Identifikation der Ursachen von gemessenen Degradationseffekten wurden Post-Test-Analysen mit REM, STEM und XPS an frischen und degradierten Proben durchgeführt. Für die Experimente mit Si-Vergiftung wurden Komponenten aus Quarzglas als Si-Quelle herangezogen. Prüfgase aus O2-Ar-Gemischen wurden befeuchtet, um flüchtige Si-Verbindungen zu erzeugen und zur Kathode zu transportieren. In all diesen Experimenten wirkte sich die Befeuchtung negativ auf die Leistung der Kathode aus. Die beobachteten Degradationsraten hingen aber stark von der Morphoologie der Kathoden ab. Während dichte Bulk-Proben der CR-Versuche und Dünnschicht-Modellkathoden mit relativ niedrigem Oberflächen-Volumen-Verhältnis einen relativ starken Leistungsabfall zeigten, war die Degradation von Siebdruckkathoden und infiltrierten Kathoden mit hoher spezifischer Oberfläche sehr gering oder überhaupt vernachlässigbar. Für die Experimente mit Cr-Vergiftung wurden Drähte aus einer Fe-Cr-Ni-Legierung as Cr-Quelle verwendet. Die Umgebungsluft diente als Prüfatmosphäre. Durch die Luftfeuchtigkeit wurden flüchtige Cr-Verbindungen erzeugt. In diesen Experimenten wurde bei alle untersuchten Kathodenmorphologien eine rasche Degradation nachgewiesen, wobei Dünnschichtkathoden mit einer höheren Rate degradierten als konventionelle Siebdruckkathoden. Degradationseffekte an der Kathoden-Elektrolyt-Grenzschicht wurde an Proben untersucht, welche aus einem Elektrolyten aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) und LSC64-Kathoden bestanden. Diese Materialkombination führte zu einer starken Abnahme der Leistung aufgrund der Bildung von Zweitphasen an der Grenzschicht zwischen Kathode und Elektrolyt. Auch hier hatte die Kathodenarchitektur einen signifikanten Einfluss, da Dünnschichtkathoden deutlich schneller degradierten als konventionelle Siebdruckkathoden.
Titel in ÜbersetzungLangzeitstabilität von Kathoden für Festoxid-Brennstoffzellen mit unterschiedlichen Mikrostrukturen unter kritischen Betriebsbedingungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Mitterer, Christian, Beurteiler B (intern)
  • Bucher, Edith, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2018

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Festoxid-Brennstoffzellen
  • Kathode
  • LSC64
  • LSCF
  • Siebdruck
  • Dünnschichten
  • Spin-Coating
  • Infiltration
  • Langzeitstabilität
  • Degradation
  • Si-Vergiftung
  • Cr-Vergiftung
  • Elektrochemische Impedanzpektroskopie
  • Rasterelektronnenmikroskopie
  • Raster-Transmissionselektronenmikroskopie

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