Electrolyte development for a SOFC operating at low temperature

Zhang, Jun; Roos, Christian Hans-Georg; Guillon, Olivier

doi:39517

Electrolyte development for a SOFC operating at low temperature

Zhang, Jun^RWTH*

2020

VerantwortlichkeitsangabeJun Zhang

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2020

Umfang1 Online-Ressource (vi, 121 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment ; 492

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Druckausgabe: 2020. - Onlineausgabe: 2020. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Guillon, Olivier (Thesis advisor)^RWTH* ; Roos, Christian Hans-Georg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-02-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07776
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/794614/files/794614.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
GDC (frei) ; LT-SOFC (frei) ; electrolyte (frei) ; screen printing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Eine Absenkung der Betriebstemperatur von Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) in den Bereich um 500 °C wird angestrebt um Anwendungsfelder wie Brennstoffzellengeneratoren für mobile Anwendungen zu erschließen. Jedoch weist yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), der nach aktuellem Stand der Technik verwendete Elektrolytwerkstoff, eine unzureichende ionische Leitfähigkeit in diesem Niedertemperaturbereich auf. Zwei Lösungsansätze können hier Abhilfe schaffen. Der erste, weitverbreitete Ansatz ist die Verwendung eines alternativen Elektrolytwerkstoffs mit höherer Leitfähigkeit. Ein Vergleich von in der relevanten Fachliteratur angegebenen Daten zeigt allerdings uneinheitliche Leitfähigkeitswerte der einzelnen Werkstoffe und deren Verhältnisse zueinander. Der zweite Ansatz ist eine Verringerung der Elektrolytdicke. Über Schleuderbeschichtung (engl: spin coating) können Schichtdicken von etwa 1 μm realisiert werden. Diese Herstellungsmethode ist sehr arbeitsintensiv, da mehrfache Durchläufe von Beschichtungszyklus, Trocknung und Wärmebehandlung notwendig sind. Zudem stellt eine weitere Reduzierung der Schichtdicke eine große Herausforderung dar. Ziel dieser Arbeit ist ein systematischer Vergleich der ionischen Leitfähigkeit der drei überwiegend verwendeten und kommerziell erhältlichen Elektrolytwerkstoffe. Diese sind YSZ, scandiumstabilisiertes Zirkonoxid (ScSZ) und gadoliniumdotiertes Ceroxid (GDC). Mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) konnte gezeigt werden, dass GDC mit 5,8e-3 S cm-1 eine höhere ionische Leitfähigkeit bei 500 °C aufweist als ScSZ (2,5e-3 S cm-1) und YSZ (1,1e-3 S cm-1). Diese Analyse erfolgte unter Berücksichtigung von Ausgangspulver, Herstellungsmethode und resultierender Mikrostruktur nach der Sinterung. In weiterführenden Versuchen wurde ein Prozessablauf für die Herstellung eines 5 cm x 5 cm GDC Elektrolyten über Siebdruck auf eine herkömmliche anodengestützte Zelle entwickelt. Nach der Sinterung bei 1400 °C für 5 Stunden wurde eine Elektrolytdicke von 3,5 μm erreicht, sowie eine ausreichende Luftdichtigkeit mit einer Leckrate von 3,54e-6 hPa dm2 s-1 cm-2 ermittelt. Die elektrochemische Charakterisierung einer solchen Einzelzelle zeigte eine hohe Leistungsfähigkeit von 2Acm-2 bei 750 °C und einer Zellspannung von 0,84 V (Kathodengas: Luft, Anodengas: 10% H2O inH2). Mittels EIS wurde ein ohmscher Widerstand von 125,2 milli ohm cm2 bei 500 °C ermittelt. Der vorliegende Vergleich der ionischen Leitfähigkeiten kann als Referenz für weiterführende Arbeiten dienen und Hilfestellung bei der Auswahl eines geeigneten Elektrolytwerkstoffs für die jeweils angestrebte SOFC Anwendung leisten. Dies gilt insbesondere, wenn die Herstellung unterschiedlicher Schichtdicken berücksichtigt werden soll. Diese Arbeit bietet somit eine solide Basis zur Weiterentwicklung, die in der zuvor publizierten Literatur durch teils widersprüchliche Angaben nicht gegeben war. Die erfolgreiche Entwicklung der dünnen und dichten GDC Elektrolytschicht zeigt die Anwendbarkeit von GDC auf üblichen SOFC Substraten und bestätigt die höhere Leistungsfähigkeit im Vergleich zu YSZ, während ein hoher Herstellungsaufwand für sub-μm Schichten vermieden wird.

Solid oxide fuel cells (SOFCs) operating at low temperature ( 500 °C) enable applications, such as auxiliary power units (APUs) or portable devices. However, the state-of-the-art electrolyte material (yttria-stabilized zirconia (YSZ)) used in intermediate-temperature SOFCs does not provide a sufficiently high ionic conductivity. Two approaches can therefore be taken to deal with that. First, an alternative electrolyte material to YSZ with a higher conductivity. However, when looking for alternatives, the conductivity values for each material found in widely-cited literature can be confusing, as the reported values are sometimes in conflict with each other. Second, an electrolyte film with thinner thickness. While spin coating is reported to be able to fabricate a YSZ electrolyte with thickness as thin as 1 μm, further thickness decrease by spin coating is a big challenge. Moreover, spin coating is very time consuming, needing multiple steps of coating, drying and heat-treatment, which could take several days. Therefore, in this study we present a systematic comparison of the conductivity of the three most popular electrolyte materials, i.e., YSZ, scandium-stabilized zirconia (ScSZ), and gadolinium-doped ceria (GDC). Using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to characterize the ionic conductivity, we find that at 500 °C, GDC has a higher ionic conductivity (5.8e-3 S cm-1) than ScSZ (2.5e-3 S cm-1) and YSZ (1.1e-3 S cm-1). The properties of the starting powders, powder processing and the microstructure after sintering are all taken into account. Following up on this, a GDC electrolyte is developed on an industrial scale anode, with a dimension of 5 cmx5 cm, by screen printing. After sintering at 1400 °C for 5 h, a thin and dense GDC electrolyte, with thickness of 3.5 μm and air leakage rate of 3.54e-6 hPa dm2 s-1 cm-2, is achieved. The single cell test shows the cell has a high cell performance, a measured voltage of 0.84 V at a current density of 2Acm-2 and 750 °C (air,H2 with 10%H2O). According to the EIS, a quite low ohmic resistance is achieved, 125.2 milli ohm cm2 at 500 °C. This comparison of conductivity can be used as a guide when deciding on electrolyte materials for different SOFC applications, especially when the fabrication of the electrolyte layer of different thickness has to be considered, and rectify misleading information in the literature. The development of the thin and dense GDC electrolyte provides a strategy of using GDC as electrolyte for SOFC and confirms the advantage of using GDC while not YSZ for low temperature SOFC, which is the fabrication challenge can be decreased significantly.

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