Entwicklung einer Kompositschicht mit hoher Ionenleitfähigkeit für Metallsubstrat getragene Festelektrolytbrennstoffzellen (SOFCs) im Temperaturbereich von 600-800 °C

Claudia Christenn

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)Institut für Technische ThermodynamikAbteilung Elektrochemische Energietechnik

Folie 2Christenn > Forschungsaversum 2009 > 24.05.2011

Inhalt

Einführung und ÜberblickMotivation und ZielErgebnisse

Teil 1: Bestimmung des idealen Mischungsverhältnisses (Sinterroute)Teil 2: Prozessanpassung und –parameterermittlung (Plasmaspritzen)

Zusammenfassung / AusblickDanksagung

Folie 3Christenn > Forschungsaversum 2009 > 24.05.2011

Einführung und Überblick SOFC

el. Ladung

Anode

H2

O2 /Luft

H2

H2 OH2

H2 O

O2

H2

H2

O2

O2

O2

H2 OH2

H2 O

O2

O2

Elektrolyt

O2 /LuftO2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Porös

Elektro-Katalysator (H2 )

Elektronen-Ionen Leiter

KathodePorös

Elektro-Katalysator (O2 )

Elektronen-Ionen Leiter

Gasdicht

Reiner IonenleiterYSZ

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Motivation und ZielAbsenkung der Arbeitstemperatur der SOFC von 800 °C auf 600-700 °C(IT-SOFC)

Verbesserte SchnellstartfähigkeitVerbesserte TemperaturwechselbeständigkeitVerlängerte Zellenfunktionsdauer (geringere Korrosion bzw. Oxidation der Metallkomponenten)

ProblemBei Absenkung der Temperatur Abnahme Leitfähigkeit von YSZ

LösungsansätzeDünne Elektrolytschicht durch Verwendung von Nanomaterial

Alternatives Material: ScSZ ( +:

€)Komposit aus ScSZ / YSZ (+: + €)

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Motivation und Ziel

Ziel des Projekts: Entwicklung einer YSZ/ScSZ-Kompositschicht

Erster Schritt: Ermittlung ideales Mischungsverhältnis (Sinterroute)Wie verhalten sich YSZ/ScSZ-Mischungen?

SinterverhaltenStrukturIonische Leitfähigkeit

Zweiter Schritt: Übertragung der Ergebnisse auf mittels Plasmaspritzen hergestellte SchichtenWie können YSZ/ScSZ-Schichten hergestellt werden?

Prozessumsetzung: Solution Precursor Plasma Spray ProzessProzessparameterermittlung

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Teil 1 – Sinterroute: Ergebnisse

Eigenschaften des Komposits mittels XRD, EDX, REM, Dilatometrie, EIS, DichtebestimmungSinterroute für KompositUnterscheidung Bulk-/ Korngrenzleitfähigkeit (200 – 900 °C)Einfluss Sinterroute auf Leitfähigkeitsmechanismen mittels Modell (Literatur); Validierung der Messungen

Einfluss von KorngrößeEinfluss von Porosität

Kubische Struktur des Komposits stabilisiert ab 25 Gew.% 10mol% ScSZ

Ideales Mischungsverhältnis: 25-50% 10mol% ScSZ /8 mol% YSZ

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Teil 1 – Sinterroute: Ergebnisse800 °C

0,00E+00

5,00E+00

1,00E+01

1,50E+01

2,00E+01

2,50E+01

0 25 50 75 100

SCSZ %

Ohm

*cm

800

700 °C

0,00E+00

1,00E+01

2,00E+01

3,00E+01

4,00E+01

5,00E+01

6,00E+01

0 25 50 75 100

SCSZ %O

hm*c

m

700

Flächenspezifischer Widerstand:

Plateau - Eigenschaftswechsel reines YSZ – reines ScSZ8 mol% YSZ (YSZ8-TC, Lot #: 315-036, Item #: 312005, FCM; d50: 0,46µm)10 mol% ScSZ (SC10SZ-TC, Lot #: 315-041, Item # 312007, FCM; d50: 0,30µm)

Folie 8Christenn > Forschungsaversum 2009 > 24.05.2011

Teil 1 – Sinterroute: Ergebnisse

7,46E-024,01E-022,64E-022,33E-021,88E-02700

1,58E-011,02E-017,07E-026,41E-024,98E-02800

1007550250T (°C)ScSZ %

Leitfähigkeit in S/cm

ScSZ % 0 25 50 75 100

YSZ % 100 75 50 25 0Preis[USD/kg] 120 (295) 265 (490) 410 (685) 555 (880) 700 (1075)

Leitf./Kosten*104 1,57 (0,64) 0,88 (0,48) 0,64 (0,39) 0,72 (0,46) 1,07 (0,69)

Leitfähigkeit / Kosten-Betrachtung

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Teil 2 - Plasmaspritzen

Precursorstrahl

Subs

trat

PlasmabrennerMaterialsynthese, - aufschmelzen, - beschleunigung

Partikelaufprall

Pla

smag

ase Ar

H2N2He

Splat-Bildung

Beschichtung

Precursor Injektion

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Teil 2 - Plasmaspritzen

Vorteile des SPPS-ProzessesMaterial- und Schichtsynthese in einem SchrittHohe Flexibilität für KompositherstellungHerstellung von Nanopartikeln

Nachteil des SPPS-ProzessesHohe Komplexität durch Material- und Schichtsynthese in einem Schritt

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Teil 2 – Plasmaspritzen

Materialsynthese:Umwandlung Nitrat zu Oxid

Beim Erhitzen Zersetzung unter SauerstoffabspaltungKristallwasser verdampftSchwermetallnitrate gehen unter gleichzeitiger Stickstoffdioxidbildung in Oxide über

22223 2/12)( OONOZrONZrO T

223233 2/36)(2 OONOScONSc T

Folie 12Christenn > Forschungsaversum 2009 > 24.05.2011

Teil 2 – Plasmaspritzen: Ergebnisse

Ergebnisse:

Injizierung von Nitratlösung mittels ZerstäuberdüseNachweis von YSZ, ScSZ-HerstellungProzessparameter ermittelt

Erste Optimierung: Lösungsmittel Ethanol statt H2 O

Folie 13Christenn > Forschungsaversum 2009 > 24.05.2011

Teil 2 – Plasmaspritzen: Ergebnisse

Folie 14Christenn > Forschungsaversum 2009 > 24.05.2011

Teil 2 – Plasmaspritzen: Ergebnisse

Nitratlösung mit H2 O Nitratlösung mit Ethanol

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Teil 2 – Plasmaspritzen: Ergebnisse

Nitratlösung mit H2 O Nitratlösung mit Ethanol

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Zusammenfassung / Ausblick

Ideales Mischungsverhältnis eines ScSZ / YSZ-Komposits…liegt zwischen 25 -50% ScSZ (10 mol%) in 8 mol% YSZ

Genauere Betrachtung 25-50% ScSZ in YSZVerwendung von Sc(Ce)SZ: Langzeitstabilität

Herstellung von YSZ, ScSZ Schichten mittels SPPS…wurde nachgewiesen, erster Optimierungsschritt erfolgt

Dichtere Schicht durch Reduktion der abgeschiedenen, nichtaufgeschmolzenen NanopartikelHerstellung YSZ/ScSZ- Schicht

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Danksagung

… für die finanzielle UnterstützungMinisteriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst (MWK) Landesagentur für Elektromobilität und Brennstoffzellentechnologie (e-mobil BW GmbH)Brennstoffzellen- und Batterie-Allianz Baden-Württemberg (BBA-BW)

…den Kollegen des DLR für ihre UnterstützungIna Plock, Robert Ruckdäschel, Steffen Wolf, Gudrun Steinhilber, Volker Thielke, Thomas Barnes

…Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit.