Untersuchung von Plasma gespritzten und gesinterten Elektrolytschichten für die Hochtemperatur- Festelektrolytbrennstoffzelle

Kurzfassung

Am DLR werden Funktionsschichten (Anode, Kathode, Elektrolyt) der Festoxidbrennstoffzelle mittels Plasmaspritzen hergestellt. Zur Herstellung von Elektrolytschichten kommt neben dem Plasmaspritzen von Pulvern das sogenannte Solution Precursor Plasma Spraying (SPPS), also das Injizieren von Lösungsprecursorn in die Plasmaflamme, zum Einsatz. Der Vorteil der plasmagespritzen Elektrolytschicht ist, dass das Elektrolytmaterial durch Injektion der Lösung in der Plasmaflamme entsteht. Von daher kann die Zusammensetzung der Elektrolytschicht über die verwendete Lösung kontrolliert werden. Für Festoxidbrennstoffzellen werden die Hochtemperatur-Keramiken (i.a. Zirkoniumdioxid) als Elektrolytmaterial verwendet. Durch die Dotierung des Zirkoniumdioxids mit entweder Yttriumoxid oder Scandiumo ZrO2xid wird die Sauerstoffleerstelle aufgrund der Ladungsneutralität in der Kristallstruktur von Zirkoniumdioxid eingebaut. Werden zwei dreiwertige Yttriumatome an zwei Plätze vom vierwertigen Zirkon in di ZrO2e Kristallstruktur des Zirkoniumdioxids gesetzt, so wird eine Sauerstoffleerstelle eingebaut, da die Ladungsneutralität dadurch erfüllt wird. Außerdem wird die kubische Struktur von Zirkoniumdioxid durch eine 8 Gew.% Yttrium oder 10 Gew.% Scandium Dotierung bis zur Raumtemperatur stabilisiert. Ist der Sauerstoffdruck an beiden Seiten der Elektrolytschicht aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid unterschiedlich, so diffundieren die Sauerstoffionen über die Sauerstoffleerstellen von einer Seite zu der anderen Seite der Elektrolytschicht, damit der Sauerstoffdruck an beiden Seiten ausgeglichen wird. Die Standardbetriebstemperatur der SOFC liegt bei 800 °C. Ziel der Entwicklung ist es, die Betriebstemperatur von bisher 800 °C auf 700 °C abzusenken, um eine verbesserte Kaltstarfähigkeit, eine verringerte Materialbeanspruchung zu erreichen. Bei Absenken der Betriebstemperatur sinkt jedoch die Leitfähigkeit aufgrund des Arrheniusgesetztes exponentiell ab. Wird jedoch Zirkoniumdioxid statt mit Yttrium, mit Scandium dotiert, kann bereits bei 700 °C eine hohe ionische Leitfähigigkeit erzielt werden. Da Scandiumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid sowohl teuer ist, geht es bei der vorliegenden Diplomarbeit darum, dass ein Mischungsverhältnis von YSZ und ScSZ Materialien ermittelt wird mit hoher ionischer Leitfähigkeit bei 700 °C. Basierend auf einer vorhergehenden Arbeit wurde ein optimaler Bereich für eine Mischung bestehend aus 8 mol % YSZ (Yttriumoxid stabilisertes Zirkonoxid) und 10 mol % ScSZ (Scandiumoxid stabilisiertes Zirkonoxid) zwischen 25 und 50 Gew. % ermittelt. Dieser Bereich soll in dieser Arbeit eingeschränkt werden. Aufgrund der weniger komplexen Durchführbarkeit von Sinterexperimenten im Vergleich zu Plasmaspritzexperimenten und der besseren Verfügbarkeit von ScSZ als Sinterpulver, werden diese Proben mittels Mischen und Sintern hergestellt. Das ermittelte Mischungsverhältnis soll in einem nachfolgenden Schritt für die Herstellung der Elektrolytschicht mittels Plasmaspritzen verwendet werden. Dazu werden erste Plasmaspritzversuche durchgeführt, um Parameter zur Abscheidung von Elektrolytschichten zu verifizieren. Da Einflussparameter wie die Anzahl und die Größe der Mahlkugeln, das Material der Mahlbehälter und die Mischzeit, sowie das Mischverfahren (z.B. Planetenmühle, Attritor) einen erheblichen Einfluß auf die Eigenschaften des Materials haben, werden im Rahmen der Arbeit die zwei Mischverfahren Planetenmühle und Attritor verglichen. Mittels der Verfahren werden für die Probenunterschiedliche Dichte, Homogenität und damit auch unterschiedliche ionische Leitfähigkeit erreicht. Ziel ist es, herauszufinden, bei welchem Mischverfahren eine höhere Dichte, bessere Homogenität der Pulvermischung und eine bessere ionische Oxidleitfähigkeit erreicht wird.