Rare earth nickelates as cathodes for solid oxide fuel cells

Titel in Übersetzung: Seltenerd-Nickelate als Kathoden für Festelektrolyt-Brennstoffzellen

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

In dieser Arbeit wurden unsubstituierte Seltenerd-Nickelate auf ihre Eignung als Kathoden für Festelektrolyt-Brennstoffzellen (solid oxide fuel cells, SOFCs) untersucht. Dabei wurden sowohl fundamentale Materialparameter der Verbindungen bestimmt sowie die Langzeitstabilität bei verschiedenen Temperaturen, Sauerstoffpartialdrücken und Gaszusammensetzungen getestet. Die Messbereiche der verschiedenen Einflussgrößen wurden dabei so gewählt, wie sie unter realen Betriebsbedingungen einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle im „intermediate-temperature“-Bereich zu erwarten sind. Langzeitmessungen wurden über eine Dauer von mindestens 1000 Stunden durchgeführt, um aussagekräftige Interpretationen und eine zuverlässige Extrapolation auf längere Betriebszeiten zu ermöglichen. Obwohl der Schwerpunkt der Untersuchungen auf den Einsatzbereich als SOFC-Kathode gelegt wurde, können die Ergebnisse durchaus auf andere Anwendungen - wie z.B. keramische Membranen zur Abtrennung von Sauerstoff - übertragen werden. Als Arbeitshypothese wurde dabei von der Vermutung ausgegangen, dass die Abwesenheit von Erdalkalimetallen in den untersuchten Materialien zu einer verbesserten Langzeitstabilität unter realen SOFC-Betriebsbedingungen führt. Die untersuchten Nickelate wurden daher auf die Verbindungen La2NiO4+d, Pr2NiO4+d und Nd2NiO4+d beschränkt, da diese keine Dotierung mit Seltenerdionen oder anderen Elementen zur Stabilisierung der Kristallstruktur erfordern. Trotz vielversprechender Ergebnisse hinsichtlich Sauerstoff-Austauschkinetik wurde Pr2NiO4+d von weiterführenden Langzeituntersuchungen aufgrund mangelnder Phasenstabilität im SOFC-Temperaturbereich ausgenommen. Die Leitfähigkeitsrelaxation erwies sich als effiziente Methode zur Bestimmung von Austausch- und Transportgrößen von Sauerstoff sowie zur Untersuchung von Degradationsphänomenen der Probenoberfläche in korrosiven Gasatmosphären. Für die Relaxationsmessungen wurden zwei verschiedene Probendesigns verwendet, wobei sowohl die Probendimensionierung als auch die Platzierung der stromführenden Kontakte sowie der Spannungssonden von entscheidender Bedeutung für eine korrekte Modellierung des Leitfähigkeitsverlaufs sind. Insbesondere die Übertragung von Modellfunktionen der Gewichtsrelaxation auf jene der elektrischen Leitfähigkeit ist nur unter bestimmten Voraussetzungen zulässig. Für Relaxationsexperimente an La2NiO4+d und Nd2NiO4+d wurden die Probenoberflächen mit einer dünnen Metallschicht besputtert, um den Oberflächenaustausch von Sauerstoff zu beschleunigen und dadurch die Genauigkeit der gemessenen Diffusionskoeffizienten zu erhöhen. Die Leitfähigkeitsrelaxationsmethode wurde auch erfolgreich zur Untersuchung der Langzeitstabilität eingesetzt. Für diese Untersuchungen wurde das Hauptaugenmerk auf die Oberflächenaustauschkinetik gelegt, da dem Diffusionskoeffizienten für die Charakterisierung der Oberflächendegradation eine untergeordnete Bedeutung zukommt.
Titel in ÜbersetzungSeltenerd-Nickelate als Kathoden für Festelektrolyt-Brennstoffzellen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Hofer, Ferdinand, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Sitte, Werner, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2013

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Festelektrolyt-Brennstoffzelle
  • SOFC
  • Nickelate
  • Leitfähigkeitsrelaxation
  • Oberflächenaustausch
  • Transporteigenschaften

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