Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3428
Thülen, Holger; Naoumidis, A.; Nickel, Hubertus
Entwicklung poröser, gasdurchlässiger Keramikfolien für ein Anodensubstrat der Hochtemperatur-Brennstoffzelle
130 S., 1997

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um. In der Bundesrepublik Deutschland besteht die Hochtemperatur-Brennstoffzelle aus planaren Bauteilen, die durch Foliengießen hergestellt werden können. Ein spezielles Konzept der Hochtemperatur-Brennstoffzelle ist das Substratkonzept des Forschungszentrums Jülich mit einem tragenden, porösen, gasdurchlässigen und elektrisch leitfähigen Anodensubstrat aus einem Cermet, das durch Reduktion eines Oxidgemisches aus Nickeloxid und Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid entsteht.
Bei der Entwicklung eines Anodensubstrates mit hoher Porosität und Gasdurchlässigkeit werden die verschiedenen Möglichkeiten der Porenerzeugung untersucht und diskutiert. Rheologische Messungen werden zur Schlickercharakterisierung eingesetzt. Die Wirkung einzelner Komponenten kann mit Hilfe der relativen Schlickerviskosität nr untersucht werden.
Variierender Bindergehalt und Binderart beeinflussen die Schlickerdispergierung und damit die Folienherstellung, haben aber nur geringfugig Einfluß auf das keramische Gefuge nach dem Sintem hinsichtlich Porosität und Gasdurchlässigkeit. Zugabe von Kohlenstoff erhöht die Porosität von gesinterten Folien, kann aber nicht die geforderte spezifische Gasdurchlässigkeit ausreichend verbessern.
Phenolformaldehydharz konnte als Porenbildner die Porosität und Gasdurchlässigkeit der hergestellten Folien deutlich verbessem. Der Einbau in einen organischen Schlicker konnte durch Anpassung der verwendeten organischen Bestandteile auf ein neues, erforderliches Lösungsmittel mit Hi.lfe rheologischer Untersuchungen optimiert werden. Die Porenstruktur hängt vom Harz- und Plastifizierergehalt ab und wird mit der Porenstruktur der im Forschungszentrum Jülich entwickelten Coat-Mix-Anodensubstrate verglichen. Hohe Porosität und Gasdurchlässigkeit wirken sich bei Anodenfolien sehr negativauf die fur die Brennstoffzelle erforderliche elektrische Leitfähigkeit aus. Durch die Entwicklung von Schlickem mit Phenolformaldehydharz ist es gelungen, Porosität und Gasdurchlässigkeit über einen großen Bereich gezielt einzustellen. Mit Hilfe der erarbeiteten Ergebnisse können Folien gefertigt werden, die einen Kompromiß zwischen Gasdurchlässigkeit und elektrischer Leitfähigkeit schließen.
Ein Verfahren zum Laminieren von Folien mit Polyvinylbutyral als Binder wurde erarbeitet. Es hat sich gezeigt, daß es relativeinfach ist, eine Verbindung von Folien herzustellen. Schwierig ist vor allem die Anpassung der Schrumpfung von Folien unterschiedlicher Ausgangspulver.


Fuel cells convert energy directly into electrical energy .In the Federal Republic of Germany the solid oxide fuel cell (SOFC) consists of planar components produced by tape casting. A special design of the SOFC is the Anode Supported Planar System proposed by the Research Centre Jülich with a supporting, porous and gas permeable anode substrate with an effective electrical conductivity .The anode substrate consists of a cermet of Ni and 8 mol% Y203-stabilised ZrO2.
By developing an anode substrate with high porosity and gas permeability by tape casting the different possibilities to create pores are investigated and discussed. Rheological measurements are used to characterise the cerarnic slurries. The effect of the particular components are investigated with the help of the relative viscosity n r of the slurry.
Variation of the binder concentration and binder type have an important influence on the slurry dispersion, but on1y an insignificant influence on the porosity and gas permeability. The addition of carbon to the slurry has increased the porosity of sintered tapes, but it has not led to the demanded gas permeabi1ity.
With the addition of a special phenolic resin it was possible to improve the porosity and gas permeability significantly. With the help of rheological investigations it was also possible to optimise the developed slurries.
The porestructure depends on the concentration of resin and plasticizer and is compared with the porestructure of coat-mix anode substrates, which are developed at the Research Centre Jülich.
High porosity and gas permeability have a negative influence on the demanded electrical conductivity of the anode, which is very important for the performance of the SOFC.
With the development of different slurries with phenolic resin it was possible to manufacture tapes with specified porosity and gas permeability over a wide range. Thus substrates with a compromise between gas permeability and electrical conductivity can be produced.
A procedure to larninate tapes with polyvinylbutyral as a binder is worked out. There are no problems to connect two tapes, but there are a lot to adjust the shrinkage of tapes with different powders.

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Letzte Änderung: 07.06.2022