Degradation von Ni-Cermet-Anoden in keramischen Hochtemperaturbrennstoffzellen

Iwanschitz, Boris; Schütze, Michael

doi:4174

Degradation von Ni-Cermet-Anoden in keramischen Hochtemperaturbrennstoffzellen = Degradation of Ni-Cermet-anodes in solid oxide fuel cells (SOFC)

Iwanschitz, Boris (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Boris Iwanschitz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang224 S. Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schütze, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-04-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-41748
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82798/files/4174.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Brennstoffzelle (Genormte SW) ; Nickel (Genormte SW) ; Anode (Genormte SW) ; Technische Chemie (frei) ; SOFC (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 660

Kurzfassung
Der Nachweis der Langlebigkeit von Komponenten der keramischen Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) ist ein wesentlicher Bestandteil in der SOFC-Materialentwicklung geworden. Die Nickel-Cermet-Anode ist diesbezüglich eine Schlüsselkomponente, da diese extremen Betriebsbedingungen wie hohen Temperaturen, reduzierenden und oxidierenden Gasatmosphären, hohen Wasserdampfgehalten, externen mechanischen Spannungen usw. ausgesetzt ist. Das Ziel dieser Arbeit war, die mikrostrukturelle Degradation von Nickel-Cermet-Anoden zu untersuchen und mit der Zellleistung zu korrelieren. Die experimentellen Ergebnisse dienen zur Validierung eines Elektrodenmodells zur Vorhersage der Lebensdauer. Die Entwicklung von leistungsfähigen Modellen wird in Zukunft immer wichtiger werden, da die Lebensdauer der Komponenten stetig steigt. Lebensdauervorhersagen können somit den Einsatz von neuen Werkstoffen beschleunigen und dadurch Kosten einsparen. Schwerpunkte der Arbeit wurden auf (1) die elektrochemische Charakterisierung von Zellen mit verschiedenen Anoden unter verschiedenen Betriebsbedingungen gesetzt und (2) die quantitative Analyse der Mikrostrukturen zur Beschreibung der Degradation. Es wurde gezeigt, dass die mehrfache Redox-Zyklierung, im Vergleich zum kontinuierlichen Betrieb, zu einer stärkeren mikrostrukturellen Degradation führt, was die Abnahme der Zellleistung beschleunigt. Eine Verminderung der Degradation wurde durch ein Absenken der Temperatur erreicht. Für Zellen mit Ni/YSZ-Anoden zeigte die Zellleistung, bzw. die Abnahme der Zellleistung mit der Zeit, eine deutliche Abhängigkeit von der Anodenmikrostruktur und der Phasenzusammensetzung. Zellen mit Ni/CGO-Anoden zeigten ein anderes Degradationsverhalten. Die Mikrostrukturen der gealterten Nickel-Cermet-Anoden wurden im Rasterelektronenmikroskop und mittels energiedispersiver Röntgenmikrobereichsanalyse untersucht und quantitativ ausgewertet. Die offensichtlichen Veränderungen der Mikrostruktur waren die Vergröberung des Nickels, die Zerstörung des keramischen Netzwerkes und die Erhöhung der Porosität. Die Temperaturabhängigkeit der Ni-Agglomeration konnte mit einer Arrhenius-Gleichung beschrieben werden. Daneben spielt der Wasserdampf für den Vergröberungsmechanismus von Nickel eine signifikante Rolle. Diesbezüglich wurde gezeigt, dass nicht nur der Wasserdampfgehalt sondern auch die Menge an Wasserdampf in der Probenkammer die Vergröberung des Nickels beeinflusst. Der Materialtransport erfolgt vermutlich über einen Oberflächendiffusionsprozess, unter Beteiligung des Nickel-Hydroxids. Die Ni-Agglomeration in wasserdampfhaltiger Atmosphäre wurde über einen Zeitraum von 2'000 h im Rasterelektronenmikroskop analysiert und mit einem 4te-Wurzel-Zeit Wachstumsgesetz (Ostwald-Reifung an Oberflächen) beschrieben.

The proof of lifetimes of Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) components has become a major issue in SOFC materials research. The Nickel-Cermet-Anode is considered to be a key component, because it is exposed to tough working conditions such as high temperatures, reducing and oxidizing atmospheres, high water vapour contents, mechanical stresses etc. The aim of this work was to experimentally investigate the microstructural degradation of Ni-Cermet-Anodes and to correlate the microstructural parameters to the cell performance. The experimental results serve to validate an electrode model to predict the lifetime of a Ni-Cermet-Anode. The development of such models will become more and more important for the future, because the lifetime of SOFC components is continuously increasing. Lifetime predictions can therefore accelerate the development of new materials and reduce the costs. The major topics considered in this work were (1) the electrochemical characterization of different Ni-Cermet-Anodes under different operating conditions and (2) the quantitative analysis of microstructures to describe the degradation phenomena. It was shown that redox-cycles have a major impact on both the degradation of the microstructure and the cell performance. Both, the microstructural degradation and the decrease in cell performance could be lowered by reducing the operating temperature. For the cells with Ni/YSZ-Anodes the cell performance was clearly influenced by the microstructure and the phase composition. In contrast, cells with Ni/CGO-Anodes showed a different degradation behaviour. Microstructures of aged anodes were investigated by quantitative analysis of scanning electron microscope images and energy dispersive X-ray mappings. The most obvious microstructural changes were the Ni-agglomeration, the destruction of the ceramic backbone and the increase of the porosity. The temperature dependency of the Ni-agglomeration could be described with an Arrhenius-type equation. Furthermore, water vapour was shown to play a significant role for the Ni agglomeration mechanism. It could be seen, that not only the water vapour concentration but also the amount of water influences the Ni agglomeration. Material transport may occur over a surface diffusion process, where the nickel hydroxide is involved. The Ni-agglomeration in humidified reducing atmosphere was observed over 2'000 hours and described by a t1/4 growth law (surface Ostwald-ripening).

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