Team Werkstoffe für sauerstoffionenleitende Zellen
Die klassische Festoxid Brennstoff- und Elektrolysezelle (Solid Oxide Cell, SOC) basiert auf einem sauerstoffionenleitenden Elektrolyten und kompatiblen Elektroden. Unsere Forschungsaktivitäten sind auf die Entwicklung neuer Materialien und deren Integration in unser bestehendes Zellkonzept fokussiert. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Auswahl der maßgeschneiderten Materialkombinationen und der zugehörigen Herstellungsmethoden für ausgewählte Anwendungsbereiche, wie zum Beispiel die Hochtemperatur-Elektrolyse oder der Brennstoffzellenbetrieb bei deutlich herabgesetzten Temperaturen (LT-SOC). Die Mikrostruktur und die chemischen Interaktionen der jeweiligen Werkstoffe unterliegen dabei gewissen Restriktionen aufgrund der Herstellungsverfahren, was diese Forschungsrichtung zugleich lohnend und herausfordernd gestaltet.
Einige Beispiele der Arbeiten im Team verdeutlichen unseren Fokus, zum Beispiel der Herstellung besonders leistungsfähiger SOC um die Betriebstemperatur im Stack deutlich abzusenken (in Richtung 500 °C).
Der Querschnitt zeigt die verschiedenen Schichten einer SOC mit 2-µm dünnem 8YSZ Elektrolyt im Elektronenmikroskop und einer leistungsfähigen LSC Kathode (E: Elektrolyt, B: Barriereschicht). Das entsprechende Impedanzspektrum der Zelle in einem Jülicher F10 Stack (betrieben am IEK-9) zeigt die Leistungsfähigkeit der Zelle und erlaubt eine genaue Planung der weiteren Entwicklungsschritte.
Zusätzlich zur Herstellung von SOC beschäftigen wir uns mit der Charakterisierung der physikalischen und elektrischen Eigenschaften und der elektrochemischen Leistungsfähigkeit von Elektrodenmaterialien und Ionenleitern. Die Defektchemie und die thermodynamischen Eigenschaften der Materialien bestimmen deren Potential als Werkstoffe für die SOC. Die Abbildung zeigt die chemische Dehnung von Pr0.4Ce0.6O2-δ - einem elektronisch-ionischem Mischleiter (MIEC) - in Abhängigkeit von der Temperatur in Luft, sowie die im Gitter durch das Pr3+/Pr4+ Redox-Paar verursachte Mikrospannungen (micro-strain). Das Konzentrationsverhältnis dieser beiden Spezies hat direkte Auswirkungen auf die Beweglichkeit der Polaronen im Gitter, was wiederum zu einer Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit dieses Mischleiters oberhalb einer Schwelltemperatur führt. Ein möglicher realer Einsatz als Elektrodenmaterial setzt ein detailliertes Verständnis der Materialeigenschaften voraus.
Zusammengefasst liegt der Schwerpunkt der F+E-Arbeiten des Teams in der Entwicklung des Verständnisses der Material-Mikrostruktur-Eigenschaftswechselbeziehungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Einsatzumgebung.