Untersuchungen zum Einsatz neuer Werkstoffe für SOFC-Anwendungen

Wackerl, Jürgen; Singheiser, Lorenz

doi:28185

Untersuchungen zum Einsatz neuer Werkstoffe für SOFC-Anwendungen = Investigation of new materials for SOFC applications

Wackerl, Jürgen (Author)

2007 & 2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jürgen Wackerl

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

Umfang177 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Prüfungsjahr: 2007. - Publikationsjahr: 2008

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-05-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-21489
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/49894/files/Wackerl_Juergen.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) (413410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Brennstoffzelle (Genormte SW) ; Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle (Genormte SW) ; Kathode (Genormte SW) ; Festelektrolyt (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; chemische Kompatibilität (frei) ; Perovskit (frei) ; Lanthangallat (frei) ; Stöchiometrie (frei) ; chemical compatibility (frei) ; perovskite (frei) ; lanthanum gallate (frei) ; oxygen stoichiometry (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Brennstoffzellen basierend auf oxidischen Keramiken (solid oxide fuel cells, SOFCs) und betrieben bei hohen Temperaturen, d.h. oberhalb 600°C, stellen eine Alternative für die effiziente Stromerzeugung dar. Nichtbewegliche Teile in der stromerzeugenden Zelle, und damit verbunden ein hoher Wirkungsgrad bei der Energiekonvertierung, ist nur einer der Vorteile gegenüber konventionellen Stromerzeugersysteme, die im Wesentlichen auf Turbomaschinen beruhen. Ein Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung von alternativen Elektrolyt- und Kathoden-materialien für den Einsatz in einer SOFC bei reduzierten Temperaturen, d.h. im Temperatur-bereich zwischen 600°C und 750°C. Als erste wesentliche Aufgabe der Dissertation wurden dazu aus der Materialklasse der sauerstoffionenleitenden Elektrolyte verschiedene Strontium- und Magnesium- dotierte Lanthangallate (LSGM), welche zusätzlich mit Übergangsmetallen dotiert sind, ausgesucht und über zwei verschiedene Synthesemethoden hergestellt. Mittels thermischer Analyse wurden die optimalen Kalzinierungsbedingungen der herzustellenden Materialien bestimmt. Die strukturelle Analyse der gesinterten Elektrolytmaterialen führte zu einer engeren Auswahl an geeigneten Materialien, wobei LSGM und eisendotiertes LSGM (LSGMF) die aussichtsreichsten Kandidaten darstellten. Weitergehende Untersuchungen wurden an zwei sich im Strontiumgehalt unterscheidende LSGMF Elektrolytmaterialien durchgeführt. Hierbei wurde der Einfluss von Kationen-Nichtstöchiometrie auf die Perovskite bezüglich Änderungen der Struktur, Morphologie, Elektrochemie und elektrische Leitfähigkeit untersucht. An einer ausgewählten Probe wurde unter Kombination der einzelnen durchgeführten Untersuchungen gezeigt, wie einzelne Einflüsse, beispielsweise die kristallographische Struktur, Auswirkungen auf die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten haben. Dabei zeigte sich, dass sowohl die Thermochemie als auch die Kristallstruktur großen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit besitzen. Ein zweiter Schwerpunkt der Dissertation war die Auswahl und Herstellung geeigneter Kathodenmaterialien für die SOFC bei reduzierten Temperaturen. Die Auswahl erfolgte mit Schwerpunkt auf chemischer Kompatibilität mit LSGMF und Scandium dotiertem Yttriumoxid (ScSZ) basierten Elektrolytmaterialien. Dabei konnten die meisten Kathodenma-terialien einphasig hergestellt werden, mit Ausnahme von einem strontiumdotierten Lanthancuprat und einem strontiumdotierten Lanthannickelat. Der dritte und letzte Teil der Dissertation behandelt die chemische Kompatibilität der hergestellten Kathodenmaterialien mit den Elektrolytmaterialien ScSZ und LSGM. Dazu wurden die einzelnen bei Sintertemperatur und verlängerter Sinterdauer ausgelagerten Elektrolyt/Kathodenpaarungen mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und Rasterelektronen-mikroskopie (REM) untersucht. Aufgrund der identifizierten Phasen und Morphologie wird eine Bewertung der einzelnen Paarungen vorgenommen. Strontiumdotiertes Lanthanmanganit zeigte hierbei für beide Elektrolyte die geringste Reaktivität. Desweiteren scheint ein strontium- und kupferdotiertes Lanthanferrit ein geeignetes alternatives Kathodenmaterial für SOFC-Anwendungen bei reduzierten Temperaturen zu sein.

Fuel cells based on solid oxides (‘SOFC’) are excellent alternative devices for power generation, when they are operated at high temperature, e.g. above 600°C. Having only fixed parts for the power generating part of the device is only one advantage of the fuel cell. Due to their unique design, these devices offer a maximum of efficiency for energy conversion compared to conventional power generating systems, which are mainly based on turbines. One aim of this thesis is the examination of alternative electrolyte and cathode materials for the SOFC applications at reduced temperatures, which means in the temperature range between 600°C and 750°C. For the first main task, several materials from the oxygen ion conducting electrolytes were selected. Different strontium and magnesium doped lanthanum gallate (LSGM) materials with additional transition metal doping were selected and prepared via two different preparation methods. The optimum calcining conditions were determined using thermal analysis methods. The results of the structural analysis of the sintered electrolyte materials were used to select the most suitable electrolyte materials. As a result, LSGM and iron doped LSGM (LSGMF) were the most promising materials. Further investigations were carried out on LSGMF materials with different strontium content. The influence of chemical cation non-stoichiometry on the perovskite material was investigated. Therefore, measurements to gather information about the crystallographic structure, morphology, electrochemistry and electrical conductivity were carried out. For a selected sample, the correlations between single effects, such as the crystallographic structure, and the electrical properties are shown by combining the different analysis methods. It could be shown that both the electrochemistry and the crystallographic structure have a significant influence on the electrical conductivity of the LSGMF materials. The second aim of the thesis was the selection and preparation of suitable cathode materials for the SOFC operated at reduced temperatures. The focus for this selection was laid on the chemical compatibility with LSGMF and Scandia doped yttria (ScSZ) based electrolyte materials. Most of the cathode materials could be prepared single phased, with the exception of a strontium doped lanthanumcuprate and a strontium doped lanthanumnickelate. The third aim of the thesis was the investigation of the chemical compatibility between the prepared cathode materials and the electrolyte materials ScSZ and LSGM. The combinations of electrolyte-cathode materials were annealed at commonly used co-sintering temperatures but for extended sintering times. X-Ray diffraction patterns (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were used for the investigation. Based on the examination of the appearing primary and secondary phases and the morphology a ranking of the combinations is given. The least chemical reactions with both electrolyte materials were observed for a strontium doped lanthanum manganite. However, a strontium and copper doped lanthanum-ferrite seems to be the most promising cathode material for reduced temperatures.

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