Nanokristallines Zirkondioxid für Hochtemperatur-Brennstoffzellen

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