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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