Innenbeschichtung poröser Körper mittels Atomlagenabscheidung zur Redoxstabilisierung anodengestützter Festoxidbrennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln mit einem hohen Wirkungsgrad chemische Energie direkt in elektrische Energie um und können aufgrund eines modularen Aufbaus flexibel eingesetzt werden. Die anodengestützte Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) besteht aus einem Nickel/8YSZ Substrat (8YSZ ˆ= mit 8 mol-% Y2O3 stabilisiertes ZrO2), einer Nickel/8YSZ Anode, einem 8YSZ Elektrolyt und einer Kathode. Bei Reoxidation des Nickels im Substrat dehnt sich das Substrat lateral über den Ursprungszustand hinaus aus und erzeugt Zugspannungen und Risse im Elektrolyt, sodass die Zellleistung sinkt oder die Zelle komplett versagt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Stabilisierung von anodengestützten SOFCs gegenüber Reoxidation, indem die innere Oberfläche des porösen Substrats mit Hilfe des Verfahrens der Atomlagenabscheidung (ALD) beschichtet wird. Diese Schicht soll das Nickel im Substrat vor Oxidation schützten und so eine Rissbildung im Elektrolyt und ein Zellversagen verhindern. In einem größeren Zusammenhang wird allgemein die Innenbeschichtung poröser Körper mittels ALD experimentell untersucht und durch eine Modellierung theoretisch beschrieben. Die Atomlagenabscheidung von Zirconiumdioxid mit den Precursoren TEMAZ und O2 wurde in der Instituts-eigenen ALD Anlage entwickelt, da dieser Prozess bisher in der Literatur nicht beschrieben wurde. Für die Modellierung der Atomlagenabscheidung wurden Knudsen-Diffusion und Oberflächenreaktion zweiter Ordnung der Precursoren kombiniert und die Dicke der abgeschiedenen Schicht im porösen Körper vorhergesagt. Die Innenbeschichtung von Ni/8YSZ Substraten wurde durch eine gleichmäßige Beschichtung der Körner nachgewiesen und das ALD Modell wurde verifiziert. Die ZrO2 Schicht schützte die beschichteten Teile des Substrats für mindestens 17 Redoxzyklen vor Oxidation. Da das Substrat nicht vollständig beschichtet werden konnte, führte eine Reoxidation zu Rissen im Elektrolyt. Die ZrO2 Schicht hatte keinen Einfluss auf die elektrochemische Leistung der SOFC, sodass eine vollständige Innenbeschichtung des Substrats die Redoxproblematik potentiell lösen kann. Des Weiteren ist auch die Kombination aus einem dünnen Elektrolyt und einer geringen Betriebstemperatur vielversprechend