TY - THES

T1 - Entwicklung von Siebdruckpasten für den Druck von Luftelektroden auf Festoxidzellen

AU - Rohner, Sebastian

N1 - gesperrt bis null

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Durch den zunehmenden Anteil an erneuerbaren und damit volatilen Energiequellen im Stromnetz, wie zum Beispiel Windkraft oder Photovoltaik, wird das Thema der Energiespeicherung immer wichtiger. Durch den Aufbau und die Funktionsweise des Stromnetzes muss zu jeder Zeit ein Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch gewährleistet sein. Um das Potential der erneuerbaren Energiequellen vollständig ausschöpfen zu können, ist es daher notwendig, Überschüsse an elektrischer Energie mit hohem Wirkungsgrad zu speichern und sie im Bedarfsfall rasch abrufen zu können. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieser Ziele besteht in der Herstellung von Wasserstoff aus Wasser (Power-to-Gas). Dieser Vorgang, bei dem Wasser in seine Bestandteile zerlegt wird, wird Elektrolyse genannt. Mit einer Festoxidelektrolysezelle (SOEC) ist es möglich, den Strom mit hohem Wirkungsgrad für die Wasserstofferzeugung zu nutzen. Liegt ein Bedarf an Strom vor, kann durch eine Umkehrung dieses Prozesses eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) den gespeicherten Wasserstoff in Strom umwandeln und im Netz bereitstellen. Um die Investitionskosten solcher Systeme zu reduzieren, ist eine Erhöhung der Stromdichten erforderlich. Dafür müssen Elektrodenmaterialien mit verbesserter Leitung für die SOFC-Kathode bzw. SOEC-Anode synthetisiert und charakterisiert werden. Für die Herstellung der Zellen werden extern bezogene Halbzellen mit Elektrodenpasten der synthetisierten Luftelektrodenmaterialien bedruckt. Für diese Elektrodenpasten wird ein organisches Pastenvehikel mit dem zu untersuchenden Keramikpulver vermengt und mittels Siebdruckverfahren auf die Halbzelle aufgebracht. Die bisher am Lehrstuhl verwendeten Vehikel wurden dabei zugekauft. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein eigenes Vehikel aus organischen Komponenten zu entwickeln und die Qualität der damit hergestellten Pasten und erhaltenen Siebdruckschichten zu überprüfen. Dabei wurden sowohl die Zusammensetzung des Vehikels als auch die Korngröße des Elektrodenpulvers und der Siebdruckvorgang variiert. Als Elektrodenmaterial wurde ein Praseodym-Nickelat mit der Zusammensetzung Pr2NiO4+δ verwendet. Es wurden rheologische Untersuchungen der Pasten mit einem Rotationsrheometer und Druckversuche mit einer halbautomatischen Siebdruckmaschine an einer 5×5 cm2 anodengestützten Halbzelle durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein tieferes Verständnis über die Beziehung zwischen Zusammensetzung des Vehikels, der Korngröße des Pulvers und den rheologischen Eigneschaften der Paste erarbeitet werden. Es wurde auch eine Formulierung entwickelt, mit der eine gute Auslösung der Paste aus dem Drucksieb erreicht wurde und welche nach einer kurzen Nivellierzeit eine beinahe fehlerfreie Oberfläche zeigte.

AB - Durch den zunehmenden Anteil an erneuerbaren und damit volatilen Energiequellen im Stromnetz, wie zum Beispiel Windkraft oder Photovoltaik, wird das Thema der Energiespeicherung immer wichtiger. Durch den Aufbau und die Funktionsweise des Stromnetzes muss zu jeder Zeit ein Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch gewährleistet sein. Um das Potential der erneuerbaren Energiequellen vollständig ausschöpfen zu können, ist es daher notwendig, Überschüsse an elektrischer Energie mit hohem Wirkungsgrad zu speichern und sie im Bedarfsfall rasch abrufen zu können. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieser Ziele besteht in der Herstellung von Wasserstoff aus Wasser (Power-to-Gas). Dieser Vorgang, bei dem Wasser in seine Bestandteile zerlegt wird, wird Elektrolyse genannt. Mit einer Festoxidelektrolysezelle (SOEC) ist es möglich, den Strom mit hohem Wirkungsgrad für die Wasserstofferzeugung zu nutzen. Liegt ein Bedarf an Strom vor, kann durch eine Umkehrung dieses Prozesses eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) den gespeicherten Wasserstoff in Strom umwandeln und im Netz bereitstellen. Um die Investitionskosten solcher Systeme zu reduzieren, ist eine Erhöhung der Stromdichten erforderlich. Dafür müssen Elektrodenmaterialien mit verbesserter Leitung für die SOFC-Kathode bzw. SOEC-Anode synthetisiert und charakterisiert werden. Für die Herstellung der Zellen werden extern bezogene Halbzellen mit Elektrodenpasten der synthetisierten Luftelektrodenmaterialien bedruckt. Für diese Elektrodenpasten wird ein organisches Pastenvehikel mit dem zu untersuchenden Keramikpulver vermengt und mittels Siebdruckverfahren auf die Halbzelle aufgebracht. Die bisher am Lehrstuhl verwendeten Vehikel wurden dabei zugekauft. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein eigenes Vehikel aus organischen Komponenten zu entwickeln und die Qualität der damit hergestellten Pasten und erhaltenen Siebdruckschichten zu überprüfen. Dabei wurden sowohl die Zusammensetzung des Vehikels als auch die Korngröße des Elektrodenpulvers und der Siebdruckvorgang variiert. Als Elektrodenmaterial wurde ein Praseodym-Nickelat mit der Zusammensetzung Pr2NiO4+δ verwendet. Es wurden rheologische Untersuchungen der Pasten mit einem Rotationsrheometer und Druckversuche mit einer halbautomatischen Siebdruckmaschine an einer 5×5 cm2 anodengestützten Halbzelle durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein tieferes Verständnis über die Beziehung zwischen Zusammensetzung des Vehikels, der Korngröße des Pulvers und den rheologischen Eigneschaften der Paste erarbeitet werden. Es wurde auch eine Formulierung entwickelt, mit der eine gute Auslösung der Paste aus dem Drucksieb erreicht wurde und welche nach einer kurzen Nivellierzeit eine beinahe fehlerfreie Oberfläche zeigte.

KW - SOFC

KW - SOEC

KW - vehicle

KW - screenprinting

KW - terpineol

KW - ethylcellulose

KW - PNO

KW - SOFC

KW - Brennstoffzelle

KW - Vehikel

KW - Pastenherstellung

KW - Terpineol

KW - Ethylcellulose

KW - PNO

KW - Kathodenschichten

KW - Drucktest

M3 - Masterarbeit

ER -