Entwicklung von Funktionsschichten für die Festoxidbrennstoffzelle

Abstract

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, welche die chemische Energie eines Brennstoffes direkt in elektrische Energie umwandeln. Die verschiedenen Brennstoffzellen-Typen können nach dem eingesetztem Elektrolyten und der Arbeitstemperatur (Niedertemperatur- bzw. Hochtemperatur-Brennstoffzelle) klassifiziert werden. Zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen zählt die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell). Die gegenwärtige Entwicklung in Festoxidbrennstoffzellen zielt auf die Verringerung der Betriebstemperatur auf deutlich unter 800 °C ab. Beim bisher in den meisten Anwendungen als Standardmaterial für Elektrolytschichten eingesetzten Yttriumoxid stabilisierten Zirkonoxids (YSZ) sinkt jedoch durch das Herabsetzen der Betriebstemperatur die Leitfähigkeit gemäß dem Arrhenius-Gesetz. Um dies zu umgehen, kann entweder die Dicke der Elektrolytschicht durch Verwendung von Nanomaterialien heruntergesetzt oder ein anderes Material als Elektrolyt verwendet werden. Vorgestellt werden hier Untersuchungen zum Sinterverhalten von konventionellem und nanostrukturiertem YSZ in einem Temperaturbereich von 800 °C bis 1520 °C. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das vorhandene Substrat das Sinterverhalten beeinflussen kann. Folglich wurden Plasma gesprühte Elektrolytschichten ohne Substrat (frei) und mit Substrat (constrained) gesintert. Die Bestimmung der thermischen Längenänderung von freien Elektrolytschichten erfolgte in einem Dilatometer. Charakterisiert wurden die gesprühten und gesinterten Schichten mittels REM, Hg-Porosimetrie und elektrischen Leitfähigkeitsmessungen