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Nanokristallines Zirkondioxid für Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Seydel, Johannes :
Nanokristallines Zirkondioxid für Hochtemperatur-Brennstoffzellen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nanokristallines Zirkondioxid für Hochtemperatur-Brennstoffzellen
Language: German
Abstract:

Die hohe Betriebstemperatur (>1000°C) der Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) ist der Hauptgrund für deren Degradation im Betrieb. Eine Möglichkeit zur Erniedrigung der Betriebstemperatur bietet ein neues Schichtkonzept, bei denen eine der Elektroden die mechanische Stabilisierung der Zelle übernimmt (Substratkonzept), und die Elektrolytschicht als dünnere Schicht realisiert werden kann. Der geringere Volumenwiderstand der dünneren Elektrolytschicht kann die mit der Absenkung der Temperatur einhergehende Erniedrigung der Leitfähigkeit kompensieren. Der Einsatz nanoskaliger Strukturen für die Elektrolytschicht ermöglicht eine Reduzierung der Schichtdicke des Elektrolyten, ohne die Funktionalität und Lebensdauer der Brennstoffzelle einzuschränken. Im Rahmen dieser Arbeit wurden dünne Zirkondioxid-Schichten durch Abscheidung nanophasiger Partikel auf vorgesinterte Elektrodensubstrate (Anode/Kathode) hergestellt. Es wurden zwei Methoden zur Herstellung dünner, nanostrukturierter Elektrolytschichten eingesetzt und diskutiert: 1) Die Synthese von nanokristallinem, yttriumstabilisiertem Zirkondioxid-Pulver (YSZ) über Dotierung mit Yttriumoxid in der Gasphase: Mit der Chemical-Vapor-Synthesis (CVS)-Methode wurden YSZ-Pulver mit grossen spezifischen Oberflächen bis zu 350 m²/g hergestellt. Durch Untersuchung der Nahordnung mit EXAFS konnte gezeigt werden, dass die Dotierung mit Yttriumoxid über Substitution des Zirkon-Gitterplatzes stattfindet. Das Sinterverhalten von nanokristallinem YSZ wurde erstmals in-situ mit Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS) untersucht. Die YSZ-Pulver zeigen hohe Sinteraktivität: Mit Vakuumsintern bei 1200°C /1 h lässt sich dichtes 8 mol% YSZ bei einer Korngröße von 32 nm herstellen. Das nanokristalline YSZ-Pulver ist zur Abscheidung einer dünnen, nanokristallinen Elektrolytschicht mit keramischen Festphasenmethoden geeignet. 2) Die direkte Herstellung nanokristalliner Schichten aus der Gasphase: Durch die Weiterentwicklung des CVD/CVS-Prozesses wurde eine gezielte Einstellung der Mikrostruktur und Eigenschaften der Elektrolytschicht über eine Variation der Reaktorparameter Druck, Temperatur und Verweilzeit erreicht. Erstmals wurden granulare, nanokristalline Schichten aus yttriumstabiliertem Zirkondioxid mit Korngrößen von 15-30 nm auf porösen Brennstoffzellensubstraten abgeschieden. Die für einen Einsatz als Feststoffelektrolyt wichtigen Eigenschaften Ionenleitfähigkeit und Gasdichtigkeit der Volumenproben und Schichten wurden bestätigt: Die ionische Leitfähigkeit der YSZ-Preßlinge und -Schichten ist bei reduzierten Temperaturen (800°C) ausreichend hoch, die Schichten zeigen genügende Gasdichtigkeit. Es konnte demonstriert werden, dass die notwendige thermische Stabilität durch Yttriumdotierung der Nanostruktur erreicht werden kann.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The elevated operating temperature (>1000°C) of the Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is the main cause for cell degradation during fuel cell operation. A possibility to reduce the operating temperature of the system is a new layer concept with one electrode as the mechanical carrier of a thin electrolyte film (anode/cathode supported cell). The lowered bulk resistance of the thinner electrode layer is able to compensate the loss of conductivity occurring with lowering the temperature. The use of nanostructured materials allows film thickness reduction without having disadvantages in the functionality of the cell. In this thesis, we have prepared thin zirconia films with deposition of nanostructured particles on prefabricated electrode substrates (anode/cathode). The two main routes of synthesis and processing of the nanostructured electrolyte layers used and discussed were: 1) The gas-phase synthesis (CVS) of nanocrystalline yttria-stabilized zirconia with doping of zirconia within the gas-phase. The resulting nanopowders showed high specific surface areas up to 350 m²/g. Fine structure analysis with EXAFS verified that the dopant yttria was substituting on zirconia lattice sites. The sintering properties of nanocrystalline YSZ were investigated in-situ with Small Angle Neutron Scattering. The YSZ powder samples showed high sintering activity: The final grain size after 1200 °C /1 h sintering was 32 nm for dense 8 mol% YSZ. The powders are suitable for ceramic thin-film powder processing. 2) Direct fabrication of nanocrystalline layers with gas-phase deposition. Further development of the CVD/CVS process allowed the adjustment of microstructure and properties of the electrode layer by variation of the reactor parameters pressure, temperature, and residence time. With this method, nanocrystalline layers with granular structure (grain sizes 15-30 nm) could be deposited on porous substrates for the first time. The important solid electrolyte properties, ionic conductivity (at reduced temperatures, 800°C) and gas leakage rates, are adequate for application in a Solid Oxide Fuel Cell. Thermal stability of the structure at operating temperatures was achieved with yttria-doping of the nanostructured zirconia.English
Uncontrolled Keywords: nanokristallin, Zirkondioxid
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
nanokristallin, ZirkondioxidGerman
nanocrystalline, zirconia, YSZ, Solid Ocide Fuel CellEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000462
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4622
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hahn, Prof. Dr. Horst and Fueß, Prof. Dr. Hartmut
Advisors: Hahn, Prof. Dr. Horst
Refereed: 15 December 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/462
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