Röntgenographische Spannungsanalyse an ZRO2 basierten Elektrolyten für Metallgestützte Festoxidbrennstoffzellen

Abstract

Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der röntgenographischen Spannungsanalyse am Elektrolytmaterial von metallgestützten Festoxidbrennstoffzellen, welches aus vollständig stabilisiertem ZrO2 (kubische Kristallstruktur) besteht. Der Herstellungsprozess solcher Zellen befindet sich allerdings noch in der Entwicklung und ist gewissen Schwierigkeiten unterworfen. So treten z.B. in der Anode und im Elektrolyten Eigenspannungen auf, die eine konvexe Krümmung des gesamten Systems nach sich ziehen. Die konventionelle röntgenographische Spannungsanalyse wird mit parafokussierenden Diffraktometergeometrien durchgeführt, die äußerst empfindlich auf unebene oder raue Probenoberflächen reagieren. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass ein parabolischer Göbel-Spiegel zusammen mit einem vertikalen Sollerkollimator in der Lage ist Höhenfehler, bis in den mm-Bereich, sowie bei einer Verkippung der Probe während einer röntgenographischen Spannungsanalyse weitgehend zu eliminieren. Diese Eliminierung des Höhenfehlers geht allerdings mit einer verringerten Auflösung der gemessenen Reflexe in den Diffraktogrammen einher. Dadurch relsultiert ein Problem in dem Sinn, dass bei der Untersuchung der Zellen festgestellt wurde, dass sowohl die Anoden-, als auch die Elektrolytschicht eine tetragonale ZrO2-Phase enthalten, die sich durch aufgespaltene und vollständig überlappende Reflexe mit jenen der kubischen ZrO2-Phase äußert. Zusätzlich besteht eine Texturierung der tetragonalen und kubischen ZrO2-Kristallite, sodass eine Auswertung nach dem sin2-Verfahren nicht mehr möglich ist. Vor allem aber, sind die gemessenen Eigenspannungen im Elektrolyten der Zelle so gering, dass keine ausreichend präzise Bestimmung der Reflexpositionen mittels eines Göbel-Spiegels als Diffraktometeroptik durchgeführt werden kann, um daraus statistisch aussagekräftige Spannungskomponenten zu berechnen. Daher müssen, um röntgenographische Eigenspannungsanalysen an solchen Systemen durchführen zu können, neben der Anwendung der Kristallitgruppenmethode aufgrund der Texturierung der Kristallite, andere instrumentelle Vorkehrungen für die Auswertung getroffen werden.

This master thesis deals with the residual stress analysis of the electrolyte layer in a metal supported solid oxide fuel cell, which consists of fully stabilized ZrO2 (cubic crystal structure), by X-ray diffraction. The manufacturing process of such cells is still in development and plagued by difficulties. In the anode and electrolyte layer, for example, residual stresses arise, which lead to a convex curvature of the whole system. Conventional residual stress analysis by X-ray diffraction is carried out with para-focusing techniques, which are sensitive to uneven and rough surfaces of the specimen. In this work, it has been shown that diffractometer optics consisting of a parabolic Goebel-mirror and a vertical Soller-collimator are capable of eliminating sample displacement errors up to the millimeter range, also with a tilting of the specimen during residual stress analysis. The elimination of the sample displacement error during X-ray measurement with such optics, comes at the cost of a reduced angle-resolution of the examined reflections. This became a problem, because in the analyzed samples the anode and electrolyte layer contain a tetragonal ZrO2-phase that manifests in split reflections as well as an overlap of the reflections with the cubic ZrO2-phase. Additionally, the sample consists of textured crystallites, that prohibit the application of the sin2-method for calculating residual stresses from reflection positions. Above all, the observed residual stresses are so minute, that the use of a Goebel-mirror does not allow the determination of reflection positions with the needed accuracy. Thus, in order to be able to carry out residual stress analysis on such systems, other than the application of the crystallite-group-method, instrumental modifications have to be applied for the evaluation of those stresses.