Strontium-Diffusion in Cer-Gadolinium-Oxid als Degradationsmechanismus der Festoxid-Brennstoffzelle

Festoxid-Brennstoffzellen haben das Potential im stationären Bereich vor allem in Form von Blockheizkraftwerken eingesetzt zu werden, in denen gleichzeitig der erzeugte Strom und die erzeugte Wärme genutzt werden. Für derartige Anwendungen sind lange Betriebszeiten von mindestens 10 Jahren mit einer maximalen Leistungsabnahme von 10 % gefordert. In der vorliegenden Arbeit wurden Festoxid-Brennstoffzellen bezüglich ihres Langzeitdegradationsverhaltens charakterisiert. Der Fokus lag dabei auf der Untersuchung von Zell-intrinsischen Degradationsphänomenen. In einer Literaturrecherche wurden verschiedene Degradationsphänomene aufgedeckt, die den Betrieb einer Festoxid-Brennstoffzelle über eine Laufzeit von bis zu 10 Jahren beeinflussen können. Heutige Standardzellen zeigen schon eine sehr geringe Leistungsabnahme von 0,2 %/1.000 h. Allerdings kommt es aufgrund der eingesetzten Materialien zu einer unerwünschten Bildung von Strontiumzirkonat auf dem Elektrolyten, was zu einem Widerstandanstieg der Zelle führt. Strontiumzirkonat entsteht durch die Entmischung des Kathodenmaterials (La0,58Sr0,4Co0,2Fe0,8O3??), wodurch Strontium freigesetzt wird. Dieses kann durch die CGO (Ce0,8Gd0,2O2??)-Sperrschicht diffundieren und auf dem YSZ (Zr0,84Y0,16O2??)-Elektrolyten mit dem Zirkon aus dem Elektrolyten Strontiumzirkonat bilden. Die Literaturrecherche ergab außerdem, dass derzeit keine alternativen Werkstoffe bekannt sind, die eine vergleichbare Leistung, vergleichbare Degradation sowie geringere Tendenz zur Bildung von unerwünschten Fremdphasen aufweisen. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit die Zunahme des Zellwiderstands aufgrund einer Strontiumzirkonatbildung abgeschätzt und es wurden Präparationsbedingungen abgeleitet, durch die die Bildung von Strontiumzirkonat verringert werden kann. Anhand von Modellexperimenten wurde die Diffusion von Strontium durch die CGO-Schicht charakterisiert. Es wurden CGO-Schichten mit verschiedenen Korngrößen und verschiedenen Anteilen an schnellen Diffusionspfaden präpariert, damit die Diffusion entlang von Korngrenzen und entlang innerer Oberflächen unterschieden werden kann. Mit Hilfe des so gewonnenen Diffusionskoeffizienten von Strontium in CGO wurde anhand eines Modells die Auswirkung des Strontiumzirkonats auf den Zellwiderstand abgeschätzt. Außerdem wurde die Festoxid-Brennstoffzelle bezüglich ihres Degradationsverhaltens anhand von elektrochemischen Messungen an Einzelzellen untersucht. Das Modell zur Widerstandentwicklung hat gezeigt, dass die Bildung von Strontiumzirkonat durch eine geringere Temperatur sowie eine dickere und dichtere CGO-Schicht verringert wird. Bei 700 C wird eine Strontiumzirkonatbildung den Zellbetrieb im Laufe von 10 Jahren nicht limitieren. In den elektrochemischen Messungen hat sich außerdem gezeigt, dass die Degradation der Zelle durch eine Verringerung der Stromdichte, sowie durch den Betrieb bei hohen Partialdrücken von Sauerstoff, beziehungsweise Wasserstoff verringert werden kann. Generell lässt sich herausstellen, dass die Bildung von Strontiumzirkonat ein untergeordneter Degradationsmechanismus ist, der für eine lange Betriebszeit nicht bemerkbar ist. Erst wenn die Elektrolytoberfläche zu etwa 90 % mit Strontiumzirkonat bedeckt ist, ist eine durch das Strontiumzirkonat verursachte Widerstanderhöhung der Zelle nachweisbar. Ab diesem Punkt nimmt der Widerstand überproportional zu. Daher entspricht diese kritische Querschnittbedeckung dem Betriebsende der Zelle