Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3797
Ahmad-Khanlou, Ariane
Alternative Werkstoffe für Komponenten der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) zur Herabsetzung der Betriebstemperatur
123 S., 2000
Komponenten der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) werden während der Fertigung Temperaturen > 1200°C ausgesetzt. Desweiteren müssen sie Betriebs-temperaturen von etwa 850°C bei Betriebszeiten von über 40.000 Stunden standhalten. Auftretende Interdiffusionsprozesse bzw. die Bildung von Reaktionsprodukten können zur Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer führen. Eine Senkung der Fertigungs- sowie der Betriebstemperatur ist daher anzustreben. Da der heute verfügbare Elektrolyt aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) erst bei Temperaturen ab 800°C eine ausreichend hohe ionische Leitfähigkeit aufweist, ist die Entwicklung von alternativen Membranmaterialien erforderlich, die auch unter reduzierten Betriebstemperaturen hohe Leistungsstabilität garantieren müssen. Parallel hierzu werden Anstrengungen unternommen, eine Leistungssteigerung der SOFC durch eine Optimierung der bereits vorhandenen Kathodenverbindungen herbeizuführen. Diese alternativen Verbindungen müssen neben hoher chemischer Stabilität einer Reihe weiterer Anforderungen genügen. Sie müssen z. B. für die Thermozyklierbarkeit einen, den weiteren SOFC-Komponenten angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen, ausgezeichnete Transporteigenschaften sowie hohe katalytische Aktivität besitzen.
Für die Anwendung als Elektrolytmembran wurden in dieser Arbeit die Gallate La0,9Sr0,1Ga0,8Mg0,2O3-x und La0,8Sr0,2Ga0,9Mg0,1O3-x hinsichtlich ihrer Eigenschaften eingehend charakterisiert. Eine schwierig einzustellende Einphasigkeit, die Neigung zur Ga-Abdampfung unter oxidierenden sowie reduzierenden Bedingungen sowie starke Wechselwirkungen mit den Elektrodenwerkstoffen sind entscheidende Kriterien dafür, daß diese untersuchten Verbindungen für den Einsatz in SOFCs nicht in Frage kommen. Kathodenseitig wurden vornehmlich unterstöchiometrische Perowskite auf LnMnO3- bzw. LaFeO3-Basis (mit Ln = Lanthanide) untersucht. Durch gezielte Substitution dieser Systeme mit Strontium und Kobalt sollte eine Verbesserung der Materialeigenschaften herbeigeführt werden. Eine systematische Charakterisierung dieser Verbindungen bezüglich ihrer Phasenreinheit, des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der elektrischen sowie ionischen Leitfähigkeit diente der Beurteilung ihrer Einsatztauglichkeit. Ferner trugen Untersuchungen zu chemischen Wechselwirkungen mit dem Standardelektrolyten YSZ dazu bei, eine Auswahl von geeigneten Kathodenmaterialien festzulegen, die sich auch bei elektochemischen Einzelzellen-messungen bewähren mußten. Neben La0,65Sr0,3MnO3, welches als Standard-kathodenmaterial im Forschungszentrum Jülich eingesetzt wird, können die Verbindungen Pr0,65Sr0,3MnO3 sowie Pr0,75Sr0,2Mn0,8Co0,2O3 als vielversprechende Kandidaten in Aussicht gestellt werden, welche eine Senkung der Fertigungs- und Betriebstemperatur ermöglichen.
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