Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4027
Da erwartet werden konnte, daß sich die Mikrostruktur der Anodensubstrate auf die
Qualität der abgeschiedenen Elektrolytschichten auswirkt, wurden die Substrate durch Sintern
im Temperaturbereich zwischen 1300 °C und 1400 °C modifiziert und bezüglich Porosität,
Porengröße und elektrischer Leitfähigkeit charakterisiert. Auf diese Substrate wurden die
Elektrolytschichten aufgebracht. Es wurde der Einfluß der modifizierten Anodensubstrate
auf Mikrostruktur, Gasdurchlässigkeit und ionische Leitfähigkeit der Elektrolytschichten
untersucht. Eine weitere Temperaturbehandlung sollte die Gasdichtigkeit des Elektrolyten
nochmals zu verbessern. Nach Optimierung der Verfahrensschritte wurden die
Elektrolytschichten mit einer Kathode versehen, und die so hergestellten Brennstoffzellen wurden
elektrisch und elektrochemisch charakterisiert.
Der EVD-Prozeß erwies sich als nicht geeignet für die Abscheidung von YSZ auf die
Anodensubstrate, da die chloridhaltigen Precursoren das Nickeloxid in Form von flüchtigem
Nickelchlorid aus der Anode herauslösten.
Mit der reaktiven Kathodenzerstäubung konnten Elektrolytschichten mit einer Dicke von
ca. 7 μm auf die Anodensubstrate abgeschieden werden. Eine nachfolgende
Temperaturbehandlung brachte nur dann eine Verbesserung der Gasdichtigkeit, wenn die
Sintertemperatur nicht wesentlich höher als die Anodensintertemperatur gewählt wurde.
Die Mikrostruktur der Anodensubstrate hatte in den hier modifizierten Bereichen keinen
Einfluß auf die Qualität der Elektrolytschichten. Wohl aber zeigte sich ein Einfluß der
modifizierten Anodenmikrostruktur auf die Leistung der Brennstoffzellen. Beste Zelleistungen
ergaben sich bei Brennstoffzellen mit niedrig (1300 °C) gesinterten Anodensubstraten. Der
Grund dafür wird hauptsächlich in der feineren Mikrostruktur der Anoden und der damit
vergrößerten katalytisch aktiven Grenzfläche liegen.
Die Mikrostruktur und die Leitfähigkeit der Elektrolytschicht hatten in den hier gezeigten
Untersuchungen wenig Einfluß auf die Leistung der Brennstoffzelle. Zusätzlich zeigte sich,
daß die Verluste in der Zelleistung, die vom Elektrolyten verursacht wurden, selbst bei
niedrigen Betriebstemperaturen von 600 °C, nur einen geringen Anteil an den
Gesamtverlusten der Brennstoffzelle durch Elektrolyt, Elektroden und Kontaktierung ausmachten.
Als Ausblick empfiehlt es sich, zunächst die an den Elektroden anfallenden
Überspannungen zu verringern, etwa durch eine feinere Mikrostruktur der Anode. Eine Sinterung
der Anodensubstrate unterhalb von 1300 °C ist aber nicht empfehlenswert, da hier die
elektrische Leitfähigkeit der Anode aufgrund eines nicht ausreichend ausgebildeten
Nickelnetzwerkes stark abnimmt.
An influence of the anodes' microstructure on the quality of the electrolyte membrane was
expected. Therefore the microstructure of the substrates was modified by sintering at emperatures between 1300 and 1400 °C. Subsequently the porosity, pore size and electrical
conductivity of the anodes were tested. Thin electrolyte membranes were deposited and
the influence of the modified microstructure of the anode on microstructure, gas-tightness
and ionic conductivity of the membranes were investigated. A following annealing step was
supposed to increase the gas-tightness of the electrolyte membranes further. After
optimising the processing parameters, several electrolyte membranes were coated with cathode
films and these fuel cells were electrochemically tested.
It was shown that the EVD process is not suitable for the deposition of YSZ onto the
anode substrates, because of removal of the nickeloxide out of the anode due to the chloride recursors leading to the formation of volatile nickel chloride.
Electrolyte membranes with a thickness of about 7 μm were deposited onto the anode
substrates by the sputtering process. The following annealing step increased the gas-tightness
of the membranes as long as the annealing temperature was chosen to be not much higher
than the sintering temperature of the anode itself.
It was shown that the modified microstructure of the anode substrates had no influence on
the quality of the electrolyte membranes. Instead, an influence of the modified
microstructure of the anode on the performance of the fuel cells was observed. Best power densities
were achieved with fuel cells which anodes were sintered at low temperatures (1300 °C).
The reason of the better performance is presumably the finer microstructure of the anode
and thus the more extended catalytically active interface.
The microstructure and ionic conductivity of the electrolyte membrane did not influence
the power density of the fuel cells. Even at operating temperatures of about 600 °C the
resistance of the electrolyte was small compared to the total cell resistance caused by
electrolyte, electrodes and contacts.
These results show that at first the overpotential occurring at the electrodes should be
lowered e.g. by a finer microstructure of the anode. However, sintering of the anode at
temperatures below 1300 °C is not recommendable because the electronic conductivity of
such anodes decreases strongly due to a decreasing continuity of the network of metallic
nickel.
Wanzenberg, Elke Ella
Herstellung und Charakterisierung von dsünnen Elektrolytschichten auf mikrostrukturell modifizierten Anodensubstraten für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle
II, 135 S., 2003
Mit dem Ziel die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-BrennstoffzeIle durch den
Einsatz dünner Elektrolytschichten abzusenken, wurden zwei Verfahren getestet, dünne
Elektrolytschichten aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) auf die Anodensubstrate
der Brennstoffzelle abzuscheiden: die reaktive Kathodenzerstäubung und die
elektrochemische Gasphasenabscheidung (EVD) .
The operating temperature of solid oxide fuel cells can be lowered by the use of very
thin electrolyte membranes. In this work two methods were tested to deposit thin yttria-
stabilised zirconia membranes onto the anode substrates of the fuel cells: the reactive DC
sputtering process and the electrochemical vapour deposition (EVD).
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