Einfluß der chemischen Festkörperreaktionen auf die Funktion von Kathodenmaterialien und Elektrolytmaterialien der Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC)

For solid oxide fuel cells, the high processing temperatures (> 1200$^{\circ}$C necessary in the production and the prolonged service lives of more than 40.000 h at operating temperatures around 950$^{\circ}$C require a high defree of chemical compatibility between anode, electrolyte and cathode. The currently used cathode materials are modified LaMnO$_{3}$ (YSZ). Interdiffusion processes that occur during operation lead to changes in the material properties and to the formation of reaction layers, which may cause deterioration in the efficiency and service life. The investigated cathode materials were perovskites based on LaMnO$_{3}$ produced by a spray-drying technique. In order to improve material properties, different partial replacements of La by Ca or Sr and of Mn by Co and Fe werte tested. Furthermore the A-site stoichiometry was varied. It was shown that the partial replacement of La by Ca decreased the perocskite reactivity with regard to La$_{2}$Zr$_{2}$O$_{7}$-formation more than a partial replacement by Sr, but at the same time a considerable diffusion of Ca into the electrolyte material took place. The partial substitution fo Mn by Co increased the reactivity of the perovskite materials, but also here compositions such as La$_{0.75}$Sr$_{0.2}$Mn$_{0.9}$Co$_{0.1}$O$_{3}$ exist which demonstrate a high chemical compatibility with the electrolyte material. The partial replacement of Mn by Fe increased the chemical compatibility if the perovskites but was accompanied by a decrease in the electrical condutivity. To investigate the influence of possible interdiffusion processes on the electrolyte material, the elements Ca, Mn, Co and Fe were added by solid state reactions and their solubility limits in YSZ were determined by X-ray diffraction. The different influences of these elements on the electrical conductivity of YSZ were investigated. Additions of Ca decreased, and additions the of Mn and Co increased the electrical conductivity, although the contribution of electronic conductivity could not be excluded. Electron paramagnetic resonance measurements were carried out to determine the oxidational states of the d-elements in YSZ

Einfluss der chemischen Festkoerperreaktionen auf die Funktion von Kathoden-und Elektrolytmaterialien der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC)

Hohe Fertigungstemperaturen (>1200 C) in Verbindung mit Betriebstemperaturen von etwa 950 C bei Betriebszeiten von ueber 40.000 h fuehren bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen zu extremen Anforderungen an die chemische Kompatibilitaet der Komponenten Kathode und Elektrolyt. Die derzeit verwendeten Kathoden basieren auf modifizierte LaMnO_3-Perowskite, als Festkoerperelektrolyt kommt das mit 8 mol% Y_2O_3 stabilisierte ZrO_2 (YSZ) zum Einsatz. Im Betrieb auftretende Interdiffusionsprozesse fuehren zu Veraenderungen der Materialeigenschaften sowie zur Ausbildung von Reaktionsschichten, die eine Beeintraechtigung der Leistungsfaehigkeit und der Lebensdauer zur Folge haben koennen. Bei den untersuchtne Kathodenwerkstoffen handelte es sich um Perowskite auf LaMnO_3-Basis, die mittels Spruehtrocknungsverfahren hergestellt wurden. Verschiedene Teilsubstitutionen des La durch Ca oder Sr sowie des Mn durch Co oder Fe wurden im Hinblick auf verbesserte Materialeigenschaften untersucht. Zusaetzlich wurde die Stoechiometrie der A-Lage variiert. Um den Einfluss der moeglichen Interdiffusionsprozesse auf das Elektrolytmaterial zu untersuchen, wurden dem Elektrolytmaterial mittels Festkoerperreaktionen die Elemente Ca, Mn, Co und Fe zugefuehrt und roentgenographisch deren Loeslichkeitsgrenzen in YSZ bestimmt. Der unterschiedliche Einfluss dieser Elemente auf die elektrische Leitfaehigkeit des Elektrolytmaterials wurde untersucht. Ca fuehrte zu einer deutlichen Herabsetzung, die Zugaben von Mn und Co fuehrten zu einer Erhoehung der elektrischen Leitfaehigkeit, wobei unerwuenschte Beitraege einer Elektronenleitfaehigkeit jedoch nich ausgeschlossen werden konnten. Elektronenspinresonanzuntersuchungen wurden zur Bestimmung der Oxidationsstufen der d-Gruppenelemente in YSZ durchgefuehrt. (orig./MM)For solid oxide fuel cells, the high processing temperatures (>1200 C) necessary in the production and the prolonged service lives of more than 40.000 h at operating temperatures around 950 C require a high degree of chemical compatibility between anode, electrolyte and cathode. The currently used cathode materials are modified LaMnO_3-based perovskites and the electrolyte is ZrO_2 stabilized by 8 mol% Y_2O_3 (YSZ). Interdiffusion processes that occur during operation lead to changes in the material properties and to the formation of reaction layers, which may cause deterioration in the efficiency and service life. The investigated cathode materials were perovskites based on LaMnO_3 produced by a spray-drying technique. In order to improve material properties, different partial replacements of La by Ca or Sr and of Mn by Co and Fe were tested. Furthermore the A-site stoichiometry was varied. To investigate the influence of possible interdiffusion processes on the electrolyte material, the elements Ca, Mn, Co and Fe were added by solid state reactions and their solubility limits in YSZ were determined by X-ray diffraction. The different influences of these elements on the electrical conductivity of YSZ were investigated. (orig./MM)Dissertation submitted by G. StochniolSIGLEAvailable from TIB Hannover: RA 831(3226) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekDEGerman