Volloxidische Modellkompositanoden für Festoxidbrennstoffzellen auf Basis CeO2:Gd und ZnO:Al

Abstract

Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) gelten als effiziente und emissionsarme Energiewandler mit einem großen möglichen Anwendungsbereich. Die Anforderungen an die einsetzbaren Materialien sind jedoch sehr hoch und die Forschungsarbeit im Bereich der Materialforschung zur Verbesserung aktueller und Findung neuer Materialien sehr wichtig. In dieser Arbeit wurde Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO) auf Eignung als elektronenleitender Stromsammler unter anodischen Bedingungen in einem Dünnschichtmikroelektrodenmodellsystem untersucht. In einem ersten Schritt wurden dazu aus einem keramischen Target (2w% Al2O3, 98w% ZnO) mittels Pulsed Laser Deposition (PLD) bei Raumtemperatur AZO-Dünnschichten auf YSZ-Einkristallen erzeugt, die bei strukturellen Untersuchungen eine c-Achsen Orientierung aufweisen. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Schichten wurde mit der van der Pauw-Methode bestimmt. Dabei konnte hohe elektrische Leitfähigkeit (um 2500 Scm-1) mit geringer Temperaturabhängigkeit zwischen Raumtemperatur und 640°C sowie starke, permanente Degradation bei Überschreiten dieser Temperatur festgestellt werden. Im zweiten Teil wurden Dünnschichtmikroelektroden mit einer speziellen -Fingergeometrie- des AZO-Stromsammlers mittels Pulsed Laser Deposition (PLD), Fotolithographie und Ionenstrahlätzen hergestellt. Als eigentliches Anodenmaterial kam der Mischleiter Gadolinium dotiertes Ceroxid (GDC) mit der Zusammensetzung Gd0.2Ce0.8O1.9-- zum Einsatz. Die Charakterisierung der Elektroden erfolgte mittels Impedanzspektroskopie, bei der Temperatur und Geometrie des Stromsammlers variiert wurden. Aus den Impedanzdaten wurden anhand eines einfachen Ersatzschaltbildes die elektrischen Parameter chemische Kapazität, flächenbezogener Sauerstoffeinbauwiderstand und elektronische Leitfähigkeit des Mischleiters GDC berechnet. Durch einen Vergleich mit einem geometrisch gleichen Pt/GDC-Modellsystem konnten die erhaltenen Ergebnisse eingestuft werden. Dabei konnten deutliche Unterschiede festgestellt werden, die AZO eine eher schlechte Eignung als Stromsammler unter den gewählten Bedingungen bescheinigen.

Solid oxide fuel cells (SOFC) are considered as efficient and low-emission energy converters with a large potential range of applications. However, the demands on the usable materials are very high and therefore studies in the field of materials research to improve current materials and to find new ones is very important. In this work, aluminum-doped zinc oxide (AZO) was examined for suitability as electron-conducting current collector under anodic conditions in a thin film microelectrode model system. The first part was the production of AZO thin films on YSZ single crystals by pulsed laser deposition (PLD) at room temperature from a ceramic target (2w% Al2O3, 98w% ZnO). Structural studies show c-axis orientation of the thin film. The electrical conductivity of the films was determined by the van der Pauw-method. It showed high electrical conductivity (around 2500 Scm-1) with low temperature dependence between room temperature and 640°C. Exceeding this temperature leads to strong and permanent degradation. In the second part thin film microelectrodes with a special "finger geometry" of the AZO current collector were prepared by PLD, photolithography and ion beam etching. The actual anode material was the mixed conductor gadolinium doped ceria (GDC) with the composition Gd0.2Ce0.8O1.9--. Characterization of the electrodes was carried out by impedance spectroscopy with varying geometry of the current collector and temperature. From the impedance data, the electrical parameters chemical capacitance, area specific oxygen incorporation resistance and electronic conductivity of the mixed conductor GDC were calculated using a simple equivalent circuit. By comparison with a geometrically equal Pt/GDC model system the obtained results could be classified. Significant differences were found showing that AZO has a rather poor suitability as a current collector under the chosen conditions.