Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4027
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) .

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.

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).

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.

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Letzte Änderung: 07.06.2022