Three-electrode measurements in solid oxide fuel cell research

Abstract

Brennstoffzellen werden eine Schlüsselrolle in einem Energiesystem spielen, das nicht von fossilen Brennstoffen abhängig ist. Insbesondere Festoxid-Brennstoffzellen sind in der Lage, chemische Energie mit sehr hohem Wirkungsgrad in Strom umzuwandeln. Kommerzielle Systeme sind bereits verfügbar, die Forschung konzentriert sich jedoch auf neue Materialien mit verbesserter Leistung und Haltbarkeit. Elektrochemische Impedanzspektroskopie kann eingesetzt werden, um die Eigenschaften von Elektrodenmaterialien zu untersuchen. Für Messungen ohne angelegter DC-Spannung (OCV) werden typischerweise symmetrische Modellzellen verwendet. Die Messung der Impedanz einer einzelnen porösen Elektrode mit angelegter Gleichstromspannung ist jedoch nur mit einem Drei - Elektrodenaufbau möglich, der anfällig für Messartefakte ist. In dieser Arbeit wurden Drei - Elektrodenmessungen an zwei verschiedenen Probengeometrien ("Wing-Design" und "Sockel-Design") durchgeführt. Unterschiedliche poröse Elektroden wurden in oxidierender und reduzierender Atmosphäre sowie mit angelegter Gleichstromspannung charakterisiert. Die gemessenen Spektren enthielten oft Artefakte, wie z.B. induktive Merkmale. Dennoch konnten aussagekräftige Ergebnisse erzielt und mit Defektmodellrechnungen verglichen werden. Hochfrequenz-Artefakte wurden als Folge der Koppelkapazität der Referenzelektroden-Messleitung zu deren Abschirmung identifiziert und durch die Einrichtung einer aktiven Abschirmung teilweise kompensiert. Asymmetrische Probenkonfigurationen (zwei verschiedene Elektrodenmaterialien) lieferten bessere Ergebnisse als symmetrische Konfigurationen, da Artefakte, die von der Gegenelektrode herrührten, aufgrund von unterschiedlichen charakteristischen Frequenzen gut von den Hauptmerkmalen der Elektrode getrennt waren. Generell wurde gezeigt, dass die besten Ergebnisse erzielt werden können, wenn der Elektrodenwiderstand der Gegenelektrode niedrig ist und sich die Maximalfrequenzen von Arbeits- und Gegenelektrode um mindestens zwei Größenordnungen unterscheiden.

Fuel cells will play a key role in an energy system that does not rely on fossil fuels. Especially solid oxide fuel cells have the ability to convert chemical energy into electricity with very high efficiency. Commercial systems are already available, but research focuses on new materials with superior performance and durability. To investigate the properties of electrode materials, electrochemical impedance spectroscopy can be used. For open-circuit voltage (OCV) testing, measurements are typically conducted on symmetrical two-electrode model cells. However, measuring the impedance of a single porous electrode, while applying a bias voltage to the cell, is only possible with a three-electrode setup. Unfortunately, such measurements are prone to measurement artifacts. In this thesis, three-electrode measurements were conducted on two different sample geometries ("wing design" and "pedestal design"). Different porous electrodes were characterized at OCV in oxidizing and reducing atmospheres, as well as with applied bias voltage. The measured spectra often contained artifacts, such as inductive features, but meaningful results were obtainable and comparable to defect model calculations nonetheless. High frequency artifacts were identified to result from the coupling capacitance of the reference electrodes measuring line to its shield and were partly compensated by establishing an active shielding. Asymmetric sample configurations (two different electrode materials) yielded more viable results than symmetric configurations, as artifacts originating from the counter electrode were well separated from the main electrode features due to differing characteristic frequencies. Generally, it was shown that best results are obtainable when the electrode resistance of the counter electrode is low and the peak frequencies of working and counter electrode differ by at least two orders of magnitude.