Verbundvorhaben ElChFest: Elektro-chemo-mechanische Modellierung von Ceroxid-basierten Festoxidelektrolysezellen; Teilvorhaben Zellherstellung und -optimierung, mechanische und mikrostrukturelle Charakterisierung

Abstract

Das Verbundprojekt "Elektro-chemo-mechanische Modellierung von Ceroxid-basierten Festoxidelektrolysezellen" (ElChFest) hatte das Ziel, das Zusammenspiel von Materialeigenschaften, Betriebsparametern und Herstellungsverfahren bei Festoxidelektrolysezellen (SOEC) auf Basis von dotiertem Ceroxid zu verstehen und zu verbessern. Hierzu wurde ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, von der Herstellung der Zellen und der Charakterisierung von Materialeigenschaften und Mikrostruktur über die Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften hin zur Modellierung von elektro-chemischer Dehnung im Gefüge der Zelle und den daraus resultierenden Spannungszuständen. Ceroxid zeigt eine chemische Dehnung unter reduzierenden Bedingungen. Um die aus der Dehnung der Ni-GDC Elektrode und des GDC Elektrolyten resultierenden Spannungen zu berechnen und den Einfluss von Mikrostruktur und Betriebsbedingungen systematisch zu untersuchen, wurde ein dreidimensionales Modell erstellt, das mit der Multiphasenfeld-Methode mechanische Spannungen berechnen kann. Um eine möglichst genaue Vorhersage der zu erwartenden Spannungen zu ermöglichen, wurden im Rahmen des Projekts alle Input-Parameter ermittelt. Hierzu zählen die mechanischen Eigenschaften der Materialien Yttrium-vollstabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) und Gd-dotiertes Ceroxid (GDC) im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 800 C sowie unter Luft und reduzierenden Bedingungen (Ar/H2); die Analyse der Mikrostruktur der Zellen per FIB-SEM 3D-Rekonstruktion und Quantifizierung der mikrostrukturellen Parameter; die Erfassung elektrochemischer Kennzahlen (vor allem der Elektroden¸berspannung der Ni-GDC Elektrode); sowie die chemische Dehnung von Ceroxid unter kathodischer Polarisation. Es wurde ein Mikrostrukturgenerator entwickelt, der synthetische Mikrostrukturen mit beliebigen Parametern (Partikelgröfle, Phasenanteile, Tortuosität etc) generieren kann. Mithilfe dieser synthetischen Mikrostrukturen wurde es möglich, zusätzlich zum Einfluss der Betriebsweise (Temperatur, Stromdichte) auch den Einfluss der Mikrostruktur der Zelle (z.B. Elektrolytdicke) auf die Spannungszustände im Gefüge der Zelle zu analysieren. Ein wichtiges Ergebnis ist auflerdem die Demonstration der Langzeitstabilität einer elektrodengestützten Zelle mit Ni-GDC Brenngaselektrode und dünnem (~5 μm) Dreischichtelektrolyten im Elektrolysebetrieb. Es wurden bis zu 2000 Stunden Langzeittest ohne Degradation demonstriert unter Bedingungen, bei denen einen Referenzzelle mit Ni-YSZ Elektrode stark degradiert ist (800 C, 1,5 Acm-2, 50:50 H2O:H2). Damit konnte die Kernhypothese der Arbeit, dass die Integration von Ni-GDC Elektroden die Langzeitstabilität von elektrodengestützten Zellen verbessert, erstmal experimentell bestätigt werden. Vergleichbare Tests mit Zellen, die komplett per Siebdruck hergestellt wurden, zeigten jedoch eine starke Degradation, die allerdings auf die Mikrostruktur des Elektrolyten zurückzuführen ist. Während die Machbarkeit dieser Herstellungsroute prinzipiell demonstriert werden konnte, bleibt viel Potential für die Optimierung.