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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Sol-Gel Dünnfilm-Elektrolyt für Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC)


Sol-Gel Dünnfilm-Elektrolyt für SOFCs

Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) sind hocheffiziente Energiewandler für die Stromerzeugung. Vor einer erfolgreichen Kommerzialisierung steht jedoch die Erreichung bestimmter Ziele zur Einsparung von Kosten und Verbesserung der Langzeitstabilität. Die Senkung der Betriebstemperatur gehört zu den erfolgversprechendsten Lösungsansätzen. Der ohmsche Widerstand konventioneller SOFCs hängt jedoch vor allem vom ohmschen Widerstand des Elektrolyts ab, der mit sinkender Betriebstemperatur exponentiell abnimmt und zu einer schwachen Zellleistung führt. Es müssen daher Lösungen gefunden werden, um den Widerstand in den Zellen zu verringern und eine sehr gute Leistung zu erzielen.

Im Vergleich zu konventionell hergestelltem YSZ-Elektrolyt mit einer typischen Dicke von 10 µm kann ein Dünnfilm-YSZ-Elektrolyt mit einer Dicke von lediglich 1 µm den ohmschen Verlust jedoch um 90 % reduzieren. Aus elektrischer Sicht ist die Korngrenzenleitfähigkeit von YSZ um zwei Größenordnungen niedriger als die Volumenleitfähigkeit. Darüber hinaus ist die ionische Leitfähigkeit eines Dünnfilm-Elektrolyts mit der Dicke eines einzelnen Korns deutlich höher als in Elektrolytschichten desselben Materials mit der gleichen Dicke und kleineren Körnern, weil darin die ionische Volumenleitfähigkeit dominiert. Am IEK-1 werden solche gasundurchlässigen Dünnfilm-Elektrolytschichten mit Hilfe nasschemischer Verarbeitungsverfahren auf ein ebenes Anodensubstrat für SOFC-Anwendungen aufgebracht.

Sols und Nanosuspensionen mit einer genau bestimmten Partikelgrößenverteilung (d50) und einer sortierten mittleren Korngröße im Bereich zwischen 5 nm und 100 nm wurden nicht nur mit Hilfe polymerischer bzw. kolloider Sol-Gel-Verfahren hergestellt, sondern auch durch Verarbeitung kommerziell erhältlicher Nanopartikel. Elektrolytschichten aus 8YSZ mit einer Dicke von ca. 1 µm wurden mit Hilfe von Tauch- und Schleuderbeschichtungsverfahren auf einem Anodensubstrat mit siebgedruckter Anodenschicht abgeschieden. Die Halbzellen sind im as-prepared-Zustand ebenso gasundurchlässig wie die am IEK-1 in konventionellen Verfahren hergestellten Zellen, die über 7–10 µm dicke Elektrolytschichten mit einer durchschnittlichen Helium-Leckrate von unter 2,0 x 10-5 (hPa • dm3)/(s • cm2) verfügen.

Wie die Abbildung zeigt, weisen die Einzelzellen eine ausgezeichnete elektrochemische Leistung auf. Bei einer Zellspannung von 0,7 V erreichen die extrapolierten/gemessenen Stromdichten der Zellen mit 1 µm 8YSZ-Elektrolyt, 0,5 µm CGO-Diffusionsbarriereschicht und LSCF-Kathode bei einer Temperatur von 800 °C, 750 °C, 700 °C, 650 °C bzw. 600 °C Werte von 3,2; 2,8; 2,3; 1,7 bzw. 1,0 A/cm2. Bei gleicher Leistungsdichte können die Einzelzellen im as-prepared-Zustand bei einer um 50 °C niedrigeren Temperatur und einer um 0,1 V höheren Zellspannung betrieben werden als die am Forschungszentrum Jülich hergestellten Standardzellen. Bei Verwendung einer LSC-Kathode ist die Ausgangsleistung der SOFCs im as-prepared-Zustand deutlich höher als bei solchen mit LSFC-Kathode. Die maximale Stromdichte solcher Zellen liegt bei Temperaturen von 800 °C, 650 °C bzw. 600 °C bei 4,6; 2,8 bzw. 1,9 A/cm2.

SOFC Electrolyte/GDC Layers and Cathodes


SOFC Electrolyte/GDC Layers and CathodesDie Abbildung zeigt die Stromdichte von Zellen mit unterschiedlichen Elektrolyt-/GDC-Schichten und Kathoden bei verschiedenen Betriebstemperaturen. Bei Stromdichtewerten unter 1,5 A/cm2 handelt es sich um Messwerte; Werte über 1,5 A/cm2 wurden auf Grundlage der gemessenen I-V-Kurven extrapoliert.


Durch Untersuchungen mit Hilfe elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) konnte bestätigt werden, dass die Verbesserung der Zellleistung vorrangig auf den niedrigeren ohmschen Widerstand des Elektrolyts zurückzuführen ist, während der Polarisationwiderstand der Zellen im as-prepared-Zustand im Vergleich zu den Standard-Referenzzellen unverändert bleibt. Der flächenspezifische ohmsche Widerstand der Einzelzellen beträgt bei 800 °C bzw. 650 °C 12 bzw. 44 mΩ • cm2 und ist damit mehr als 80 % niedriger als bei den konventionellen SOFCs mit 10 μm dicker Elektrolytschicht.

Die am IEK-1 entwickelten Zellen sind die SOFCs mit der bisher höchsten erreichten Leistungsdichte. Aufgrund ihrer ausgezeichneten Leistung sollen die Lebensdauer und Stabilität dieser SOFCs durch Betrieb bei niedrigeren Temperaturen und höherer Zellspannung verbessert werden.

Contact

Dr. Feng Han: f.han@fz-juelich.de and Dr. Norbert H. Menzler n.h.menzler@fz-juelich.de



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