TY - THES

T1 - Synthese und Charakterisierung neuartiger Hochentropie-Seltenerdnickelate als Luftelektrode für Festoxidzellen

AU - Hatzl, Martin

N1 - nicht gesperrt

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Durch umfangreiche Forschungsaktivitäten im Bereich erneuerbarer Energien sowie den Ausbau der volatilen Erzeugungskapazitäten wird zunehmend die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft in den Fokus gerückt. Um die im Wasserstoff chemisch gebundene Energie sinnvoll zu nutzen, gibt es verschiedene Ansätze. Eine mögliche Technologie stellt die Festoxidzelle dar, welche je nach Stromrichtung sowohl als Brennstoffzelle als auch als Elektrolysezelle betrieben werden kann, und somit den Strom zwischenspeichert. In dieser Masterarbeit werden Festoxidzellen mit einer Seltenerdnickelatverbindung als aktive Schicht in Luftelektroden untersucht. Weiters wird ein neuer Ansatz für die Präparation der Stromsammler-Schicht mittels eines am Lehrstuhl für Physikalische Chemie zuvor noch nicht verwendeten Porenbildners zur Steigerung der Zellperformance getestet. Hierzu werden symmetrische Zellen sowie eine Vollzelle hergestellt und bei 800°C charakterisiert. Dazu wird die elektrochemische Impedanzspektroskopie sowie Rasterelektronenmikroskopie von ausgewählten Zellen verwendet. Zusätzlich wird die Röntgenbeugungsanalyse zur Charakterisierung der Kristallstruktur herangezogen. Die Ergebnisse zeigen klar, dass das Sinterprogramm maßgeblich für die Haftung zwischen Substrat und Siebdruckschicht verantwortlich ist. Luftelektroden mit jeweils einer aktiven und einer Stromsammler-Schicht weisen die beste Zellperformance auf. Außerdem wurden verschiedene Zellkonfigurationen, unterschiedliche Sinterprogramme sowie diverse Stromsammler- und Aktivschichtkonfigurationen getestet. Hierbei wurde festgestellt, dass eine Sintertemperatur von 1200°C in Kombination mit einem geringen Anteil des Porenbildners die besten Ergebnisse in der Impedanzspektroskopie liefern. Die Erkenntnisse aus den Versuchen mit den symmetrischen Zellen wurden auf eine anodengestützte Vollzelle übertragen, welche im Brennstoffzellenmodus getestet wurde. Zukünftig soll das verwendete Seltenerdnickelat weiter untersucht und Ursachen für seine relativ hohen Impedanzwerte gefunden werden. Erste Schritte wurden mit Leitfähigkeitsmessungen des Materials der aktiven Schicht umgesetzt, welche zeigen, dass die Performance jedenfalls nicht durch eine zu geringe Leitfähigkeit limitiert wird. Weitere Maßnahmen könnten eine Testreihe mit Variationen der Sinterparameter und detaillierte Untersuchungen der Mikrostruktur bzw. der Grenzschicht zum Elektrolyten sein.

AB - Durch umfangreiche Forschungsaktivitäten im Bereich erneuerbarer Energien sowie den Ausbau der volatilen Erzeugungskapazitäten wird zunehmend die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft in den Fokus gerückt. Um die im Wasserstoff chemisch gebundene Energie sinnvoll zu nutzen, gibt es verschiedene Ansätze. Eine mögliche Technologie stellt die Festoxidzelle dar, welche je nach Stromrichtung sowohl als Brennstoffzelle als auch als Elektrolysezelle betrieben werden kann, und somit den Strom zwischenspeichert. In dieser Masterarbeit werden Festoxidzellen mit einer Seltenerdnickelatverbindung als aktive Schicht in Luftelektroden untersucht. Weiters wird ein neuer Ansatz für die Präparation der Stromsammler-Schicht mittels eines am Lehrstuhl für Physikalische Chemie zuvor noch nicht verwendeten Porenbildners zur Steigerung der Zellperformance getestet. Hierzu werden symmetrische Zellen sowie eine Vollzelle hergestellt und bei 800°C charakterisiert. Dazu wird die elektrochemische Impedanzspektroskopie sowie Rasterelektronenmikroskopie von ausgewählten Zellen verwendet. Zusätzlich wird die Röntgenbeugungsanalyse zur Charakterisierung der Kristallstruktur herangezogen. Die Ergebnisse zeigen klar, dass das Sinterprogramm maßgeblich für die Haftung zwischen Substrat und Siebdruckschicht verantwortlich ist. Luftelektroden mit jeweils einer aktiven und einer Stromsammler-Schicht weisen die beste Zellperformance auf. Außerdem wurden verschiedene Zellkonfigurationen, unterschiedliche Sinterprogramme sowie diverse Stromsammler- und Aktivschichtkonfigurationen getestet. Hierbei wurde festgestellt, dass eine Sintertemperatur von 1200°C in Kombination mit einem geringen Anteil des Porenbildners die besten Ergebnisse in der Impedanzspektroskopie liefern. Die Erkenntnisse aus den Versuchen mit den symmetrischen Zellen wurden auf eine anodengestützte Vollzelle übertragen, welche im Brennstoffzellenmodus getestet wurde. Zukünftig soll das verwendete Seltenerdnickelat weiter untersucht und Ursachen für seine relativ hohen Impedanzwerte gefunden werden. Erste Schritte wurden mit Leitfähigkeitsmessungen des Materials der aktiven Schicht umgesetzt, welche zeigen, dass die Performance jedenfalls nicht durch eine zu geringe Leitfähigkeit limitiert wird. Weitere Maßnahmen könnten eine Testreihe mit Variationen der Sinterparameter und detaillierte Untersuchungen der Mikrostruktur bzw. der Grenzschicht zum Elektrolyten sein.

KW - Hochtemperaturelektrolysezelle

KW - SOEC

KW - Luftelektrode

KW - SOFC

KW - Hochtemperaturbrennstoffzelle

KW - Porenbildner

KW - Stromsammler Schicht

KW - Solid oxide electrolysis cell

KW - SOEC

KW - Air electrode

KW - SOFC

KW - Solid oxide fuel cell

KW - Pore former

KW - Current collector layer

U2 - 10.34901/mul.pub.2024.237

DO - 10.34901/mul.pub.2024.237

M3 - Masterarbeit

ER -