Nanostrukturierte oxidkeramische Materialien für Hochtemperaturbrennstoffzellen

Abstract

Für die Miniaturisierung und die Entwicklung neuer Herstellungsverfahren für Hochtemperaturbrennstoffzellen ist es notwendig, die eingesetzten oxidkeramischen Materialien zu verbessern.<br />Das Augenmerk wurde in dieser Arbeit vor allem auf den Elektrolyten, 8mol% Y-stabilisiertes ZrO2 (8YSZ), und die Anode, Ni/8YSZ-Cermet, gelegt.<br />Die Pulverherstellung mittels Hydrothermalsynthese (HT) zeigte, dass sie eine mögliche Alternative zu den herkömmlichen Hochtemperaturpulversynthesen ist. Es wurde demonstriert, dass nanostrukturierte Oxidpulver (8YSZ) und Oxidpulvermischungen (NiO/8YSZ) hergestellt werden können. Dabei haben die Temperatur, die Synthesedauer und der pH-Wert einen Einfluss auf das Produkt. In jedem Fall ist die spezifische Oberfläche der mit HT hergestellten Pulver um ein vielfaches größer als die der herkömmlich hergestellten Pulver. Die Korngrößen der Pulver lagen zwischen 5 und 15nm. Die Phasenverteilung von HT-Oxidpulvermischungen ist dadurch wesentlich feiner als durch herkömmliches Mischen der Oxide erreicht werden kann.<br />Die Hydrothermalsynthese wurde mit unterschiedlichen Fällungssynthesen verglichen, welche jedoch nur zu amorphen Pulvern führten. Durch Kalzinieren konnten die amorphen Pulver ebenfalls in kristallines 8YSZ umgewandelt werden.<br />Als Produktionsverfahren für miniaturisierte Bauteile ist der Pulverspritzguss (PIM) besonders interessant. Für dieses Verfahren wurden Feedstocks aus dem Elektrolytmaterial (8YSZ) und dem Anodenmaterial (NiO/8YSZ) entwickelt und charakterisiert.<br />Aus den hergestellten Feedstocks wurden mittels PIM 8YSZ- bzw.<br />NiO/8YSZ-Proben hergestellt. Die dilatometrischen Untersuchungen an den Proben zeigten den Einfluss des NiO-Gehaltes auf die Sintercharakteristik der Pulvermischungen. Um das eigentliche Anodenmaterial zu erhalten, wurde das NiO/8YSZ zu Ni/8YSZ reduziert. Die Untersuchungen erwiesen, dass die Reduktion des NiO zum Ni unter allen Bedingungen vollständig ablief. In Sinter- und Reduktionsversuchen wurden die Schwindung, die Dichte und die Porosität in Abhängigkeit von den gewählten Bedingungen bestimmt. Anhand dieser Versuche konnte gezeigt werden, dass die Sintertemperatur einen weit größeren Einfluss auf die Mikrostruktur hat, als die Bedingungen bei der nachfolgenden Reduktion.<br />

For the miniaturization and the development of new production processes of high-temperature fuel cells it is necessary to improve the ceramic oxidic materials used in preparation. The main focus of this thesis was therefore on 8mol% Y-stabilized zirconia (YSZ) as electrolyte material and Ni/8YSZ-cermets as anode material.<br />The powder preparation by hydrothermal synthesis (HT) represents a good alternative to conventional high-temperature powder syntheses. Nanoscale oxide (8YSZ) as well as mixed oxide powders (NiO/8YSZ) were successfully prepared, influenced by the parameters temperature, reaction time and pH-value. By any means the hydrothermal prepared powders showed a higher specific surface than the powders conventionally synthesized. Grain sizes between 5 and 15nm were achieved which led to finer phase distributions than reachable with ordinary mixing techniques.<br />Different precipitation methods giving only amorphous powders were compared with hydrothermal synthesis. However these amorphous powders could also be transformed into crystalline 8YSZ by calcination.<br />Powder injection moulding (PIM) is the method of choice for the production of miniaturized devices. For that purpose different feedstock consisting of the electrolyte material 8YSZ and the anode material NiO/8YSZ were developed and characterized.<br />The thus prepared feedstocks were injection moulded leading to 8YSZ- and NiO/8YSZ samples. Dilatometric investigations showed the influence of the NiO-content on the sinter characteristics of the powder mixtures. To obtain the actual anode material the NiO/8YSZ was reduced to Ni/8YSZ.<br />Independent from the applied reaction conditions the reduction of the NiO to Ni was completed. The influence of the sintering and reduction parameters on the density, porosity and shrinkage was determined. It could be shown that the influence of the sinter temperature is of higher importance than the effect of the parameters selected for the subsequent reduction step.