Herstellung und Charakterisierung von Festelektrolyten für den Einsatz im Temperaturbereich 50-600°C

Abstract

Die hier vorgestellte Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung der Leitfähigkeit von Festelektrolyten. Im Allgemeinen muss für Brennstoffzellen ein Elektrolyt mit guter ionischer Leitfähigkeit und geringer elektronischer Leitfähigkeit gewählt werden, um den Ohm’schen Spannungsverlust zu verringern. Für die Untersuchung von Redoxreaktionen an Metallen mit der Hochtemperaturvoltammetrie soll durch Verwendung eines besser leitfähigenFestelektrolyten der nutzbare Temperaturbereich erweitert werden. In unserer Arbeit haben wir zwei Arten von Elektrolyten verwendet: Gadolinium-dotiertes Cerium Oxid (GDC) und Yttrium-stabilisiertes Zirconiumoxid (YSZ). Die Leitfähigkeit wurde durch elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) analysiert. Die zyklische Voltammetrie (CV) wurde zur Messung der Redoxreaktionen auf Kupfer verwendet. Die Proben wurden bei verschiedenen Sintertemperaturen von 1000, 1200, 1400 und 1600 °C für zwölf Stunden hergestellt. Die Messungen wurden jedoch nur für die drei letztgenannten Temperaturen im Frequenzbereich zwischen 0,01 Hz und 100 kHz und im Temperaturbereich zwischen 50 und 600 °C durchgeführt. GDC mit einer Sintertemperatur von 1600 °C und Silber als Elektrode zeigt eine bessere Leitfähigkeit im Vergleich zu YSZ. Die höhere Leitfähigkeit ist für die Anwendung in Brennstoffzellen ein Vorteil. Für die Untersuchung von Redoxreaktionen auf Metallen (auf Kupfer) zeigten die Ergebnisse jedoch, dass die Sauerstoffreduktionsreaktion zu groß ist und die Ströme von den Redoxreaktionen überlagert. Dies ist auf eine nicht vernachlässigbare elektronische Leitfähigkeit zurückzuführen.

The work presented here deals with the characterization of the conductivity of solid electrolytes. In general, fuel cells need to choose an electrolyte with good ionic conductivity and lower electronic conductivity to reduce potential loss. For the investigation of redox reactions on metals using high-temperature voltammetry, the use of a more conductive solid conductive solid electrolyte extends the usable temperature range. In our work, we used two types of electrolytes: Gadolinium-doped cerium oxide (GDC) and Yttrium-stabilised zirconium oxide (YSZ). The conductivity was analyzed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Cyclic voltammetry (CV) was used to measure the redox reactions on copper.Samples were prepared at different sintering temperatures of 1000, 1200, 1400, and 1600 degrees Celsius for 12 hours. However, the measurements were only carried out at the latter three temperatures in the frequency range between 0.01 Hz and 100 kHz and in the temperature range between 50 and 600 °C.GDC with a sintering temperature of 1600 degrees and silver as the electrode shows a better conductivity compared with YSZ. The higher conductivity is an advantage for the fuel cells.For the investigation of redox reactions on metals (on copper), however, the results showed that the oxygen reduction reaction is too large and the currents superimpose the redox reactions. This is due to a non-negligible electronic conductivity.