Degradation Mechanisms of Solid Oxide Fuel Cell Cathodes

Finsterbusch, Martin GND

Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFCs) sind eine Schlüsseltechnologie, um den Übergang von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energien voranzutreiben. Die hohen Betriebstemperaturen und katalytischen Eigenschaften ermöglichen die Verwendung einer Vielzahl von Brennstoffen, und die Kommerzialisierung der SOFCs wird durch verschiedene Förderprogramme weltweit vorangetrieben, wobei die Langzeitstabilität der verwendeten Materialien einen Forschungsschwerpunkt darstellt. In dieser Dissertation werden Degradationsmechanismen auf der Kathodenseite sauerstoffleitender SOFCs beleuchtet. Der Einfluss von Chromoxid auf die Sauerstoffaufnahmefähigkeit des Elektrolytmaterials YSZ und des Kathodenmaterials LSCF wurde mittels Sauerstoff 18 Isotopendiffusion untersucht. Die Auswertung der mittels Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) gemessenen Diffusionsprofile zeigte dabei die Abhängigkeit des Oberflächenaustauschkoeffizienten keff von der Cr2O3 Schichtdicke und dem Substratmaterial. Weiterhin wurde die Segregation von Sr aus dem Kathodenmaterial LSCF untersucht. Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) wurde eingesetzt, um Sr an der Oberfläche von Sr im Bulk LSCF zu unterschieden. Zuerst wurde die Säure-Base Reaktion des SrO an der Oberfläche mit gasförmigem Chromoxid genutzt, um die Segregation von Sr in Abhängigkeit der angelegten Zellspannung zu messen. Ein fundamentaler Unterschied zwischen Kathoden und Anoden-Seite lässt dabei Schlussfolgerungen über den Sr Segregationsmechanismus zu. Danach wurde im Rahmen eines neu entwickelten Verfahrens, dem Röntgenabsorptionsmappings (XAM) bzw. der Röntgenabsorptionsmikroskopie, die Sr Segregation in Dünnschichtzellen mit LSCF Kathoden von 10 nm Dicke untersucht. Dabei wurden die Ortsinformationen mit den morphologischen Änderungen der Kathode verknüpft und der Zusammenhang der Sr Segregation mit den lokalen Sauerstoffaustauschvermögen der Versuchsapparatur nachgewiesen. Diese drei Themen zeigen die verschiedenen Arten der Degradation und die Vielfältigen Möglichkeiten auf diese zu untersuchen. Eine Vielzahl Oberflächenanalytischen Untersuchungsmethoden werden dabei kombiniert um ein möglichst komplettes Bild der Kathodendegradation Sauerstoffleitender SOFCs zu erhalten.

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are a key technology for the transition from fossil fuels to renewable energy sources. The relatively high operating temperatures and the anode’s catalytic activity enable the use of a broad variety of fuels which speeds up their commercialization. However, the issue of relatively high degradation and long-term stability is still an area of intense research, funded by various programs and agencies worldwide. In this Ph.D. thesis the degradation mechanisms of solid oxide fuel cell cathodes (oxygen conduction type) were investigated. First, the influence of chromia on the oxygen uptake of YSZ (an electrolyte material) and LSCF (a cathode material) was measured via oxygen 18 tracer diffusion. The acquired diffusion profiles measured by secondary ion mass spectroscopy (SIMS) showed the dependence of the surface exchange coefficient keff on the thickness of a Cr2O3 surface layer and the substrate material. Second, the Sr segregation of LSCF was investigated via x-ray absorption spectroscopy and Sr on the surface was distinguished from the bulk Sr via formation of strontium chromate. The acid-base reaction of gaseous chromia with the SrO on the surface of the sample was used to measure the Sr segregation as a function of applied bias potential. The fundamental difference in the dependence of the cathode and anode side’s segregation in the bias potential gave clues towards the underlying Sr segregation mechanism. Finally, a completely new method, x-ray absorption mapping (XAM) was used to measure the Sr segregation in symmetric model cells with cathode thicknesses of 10 nm. The acquired information about the morphological change of the cathode together with the spatial information across the whole sample surface made the connection of Sr segregation and oxygen exchange in the sample evident. These three topics show not only the various ways of degradation but also the numerous ways to approach these problems using a multitude of surface science techniques and combining them to draw a more complete picture of the cathode degradation.

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Finsterbusch, Martin: Degradation Mechanisms of Solid Oxide Fuel Cell Cathodes. 2012.

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