Materialentwicklung
Unser aktueller Forschungsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung alternativer Elektrodenmaterialien mit hoher elektrochemischer Leistung und Langzeitstabilität für Festoxid- und Festprotonenleiterzellen (SOCs, SPCC). Im Hinblick auf alternative Brennstoffelektroden für Festoxidzellen sind unsere aktuellen Materialien von Interesse: Ni-GDC, Sr2Fe2-xMoxMO6-δ (M=Ni, Co, Mn, Cu, Ti), (La,Sr)(Cr,Fe)O3 und dotierte Cerdioxid-basierte Materialien. Was die Sauerstoffelektrode betrifft, so sind wir besonders an Ruddlesden-Popper-Nickelaten interessiert, z. B. Ln2NiO4+δ or Ln4Ni3O10±δ (Ln = La, Pr or Nd), sowie an Substitutionen an den A- und B-Stellen dieser Nickelate durch andere Elemente.
Der Kernbereich unserer Forschung ist die Weiterentwicklung von Festoxidzellen (Solid Oxide Cells, SOCs) durch die Erforschung neuartiger Materialien. Eine der größten Herausforderungen, insbesondere bei der Entwicklung von Festoxid-Elektrolysezellen (Solid Oxide Electrolysis Cells, SOEC), ist die Stabilität der Elektroden 1 . Die moderne Ni-YSZ-Brennstoffelektrode weist aufgrund der Ni-Migration von der Elektrolyt/Elektroden-Grenzfläche und ihrer Agglomeration eine erhebliche Degradation auf. Die Ni-GDC als alternative Brennstoffelektrode weist aufgrund der gemischten ionischen und elektronischen Leitfähigkeit der GDC eine höhere Leistung als die Ni-YSZ-Zelle auf. Dennoch kommt es auch hier zu einer Ni-Migration und Agglomeration 2, 3 .
Doppelperowskitmaterialien sind aufgrund ihrer gemischten ionischen und elektronischen Leitfähigkeit vielversprechende alternative Brennstoffelektrodenmaterialien. Insbesondere in Kombination mit GDC zeigt die Verbundelektrode ein stabiles Verhalten während des Hochtemperatur-Elektrolysevorgangs 1 .
Dotierte Cerdioxid-basierte Materialien wie Gd-dotiertes Cerdioxid sind weitere vielversprechende Brennstoffelektrodenmaterialien für SOECs 1, 2. Die dotierten Cerdioxid-basierten Materialien sind aufgrund ihrer gemischten ionischen und elektronischen Leitfähigkeit unter reduzierender Atmosphäre interessant. Sie zeigen eine ähnliche Leistung wie die Ni-YSZ-Elektrode 3 .
Im Vergleich zur Sauerstoffelektrode zeigt die hochmoderne LSCF-Elektrode während des Langzeitbetriebs unter SOEC-Bedingungen eine Sr-Segregation. Materialien auf der Basis von Ruddlesden-Popper-Nickelaten sind aufgrund ihrer hohen Sauerstoffdiffusions- und Oberflächenaustauscheigenschaften im Vergleich zu Materialien auf der Basis von Perowskiten wie LSCF vielversprechende alternative Sauerstoffelektrodenmaterialien. Eine weitere Substitution an den Nickel-Positionen durch Kobalt verbessert die elektrochemische Leistung erheblich und führt auch zu einer stabilen Zellleistung 1, 2 .
Neben oxidionenleitenden Festoxid-Brennstoffzellen entwickeln wir auch feste Protonenleiter, die sowohl im Brennstoffzellen- als auch im Elektrolysemodus betrieben werden können. Vor Kurzem haben wir erfolgreich elektrolyt- und brennstoffelektrodengestützte Protonen leitende Einzelzellen unter Verwendung von BCZYYb-Elektrolyt, Ni-BZY- oder Ni-BCZYYb-Brennstoffelektrode und Pr2NiO4+δ- oder BSCF-Sauerstoffelektrode demonstriert 1 . Derzeit liegt der Schwerpunkt auch auf der Entwicklung neuartiger, leistungsstarker Sauerstoffelektrodenmaterialien, die unter Betriebsbedingungen stabil sind, insbesondere unter Elektrolysebedingungen mit hohem Dampfgehalt.
Unser Interesse gilt auch der Entwicklung von Ammoniak-Direktbrennstoffzellen, die sowohl Festoxid- als auch Festprotonenleitende Brennstoffzellen (SOFC, SPCFC) verwenden, da Ammoniak ein potenzieller Energieträger der Zukunft ist und die Herausforderungen des Wasserstofftransports, der Wasserstoffspeicherung und der Wasserstoffsicherheit verringern kann 1 .
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere aktuelle Arbeit die Entwicklung neuartiger Materialien durch Festkörpersynthese oder nasschemische Verfahren umfasst. Die weitere Optimierung verschiedener Materialien mithilfe von Strategien der Werkstofftechnik ist im Gange. Zur Charakterisierung der Materialien werden verschiedene Techniken eingesetzt, wie z. B. XRD, DSC-TGA, Dilatometrie und Vier-Sonden-Leitfähigkeit, SEM-EDX, HR-TEM und XPS. Nach der Verarbeitung der Materialien werden die Zellen mithilfe von Formpressen, kaltisostatischem Pressen, Foliengießen und Siebdrucktechniken hergestellt. Abschließend werden die elektrochemischen Messungen und die Untersuchung der Langzeitstabilität der hergestellten Zellen unter Brennstoffzellen- oder Elektrolysebedingungen durchgeführt. Wir optimieren die Zelle auch weiter, indem wir verschiedene Zellgeometrien anpassen.
Ansprechpartner
Letzte Änderung: 11.02.2025