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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
Folie 15Christenn > Forschungsaversum 2009 > 24.05.2011
Teil 2 – Plasmaspritzen: Ergebnisse
Nitratlösung mit H2 O Nitratlösung mit Ethanol
Folie 16Christenn > Forschungsaversum 2009 > 24.05.2011
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
Folie 17Christenn > Forschungsaversum 2009 > 24.05.2011
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.