T °C - JuSER - Forschungszentrum Jülich

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Stand des Wissens 13

ebenfalls als geeignet für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Die dem Elektrolyt

zugewandte Seite besteht somit aus einem ZrO2-dotiertem Perowskit, welcher

sowohl für Elektronen als auch für Sauerstoffionen die gewünschte Leitfähigkeit

aufweist.

• Anode

Die Adsorption und die Oxidation von Wasserstoff sind primäre Funktionen der

Anode an der Dreiphasengrenze Anode/Elektrolyt/Brenngas. Hier herrschen

reduzierende Bedingungen. Es reagieren die Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten

mit Wasserstoff zu Wasser. Dabei entstehen Elektronen, die in den Stromkreis

fließen. Um diese Funktion der Anode zu gewährleisten, muss das Anodenmaterial

eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Bislang erfüllt ein Nickel-

Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid-Cermet (Ni-YSZ-Cermet) als Anodenmaterial diese

Eigenschaft und wird am häufigsten eingesetzt [Sim 1997]; [Buc 1996]; [Haa 1996].

Das verwendete Anodensubstrat am Forschungszentrum Jülich ist ein Gemisch aus

Anoden – und Elektrolytmaterialien, welches die eigentliche elektrochemisch aktive

Grundstruktur der Zelle mechanisch trägt und sie stabilisiert. Es besteht aus Nickel

mit einer Porosität von 30 Vol. % Cermet, welches die Sinterung des Nickels

verhindert [Egu 1993]; [Set 1992]. Es kann daher eine optimale elektrische

Leitfähigkeit sowie einen gut thermisch angepassten Ausdehnungskoeffizienten zum

Elektrolyten nachweisen. Die Herstellung erfolgt durch Mischung einer Paste aus

Nickeloxid, Zirkonoxid (ZrO2) und einem Binder. Diese Paste wird direkt durch

Siebdruck auf den Elektrolyten aufgebracht und bei Temperaturen > 1000 °C

gesintert.

• Elektrolyt

Damit man die Energie einer Zelle nutzen kann, müssen die einzelnen zugeführten

chemischen Reaktanden miteinander reagieren, ohne sich vorher zu mischen. Der

Elektrolyt trennt die zugeführten chemischen Reaktanden. Aufgrund der Porosität der

Elektrode ist das Elektrolyt-Material sowohl einer reduzierenden als auch einer

oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt und soll unter diesen extremen Bedingungen

chemische Stabilität aufweisen [Buc 1996]; [Haa 1996]; [Sab 1984]; [Erd 1994];

[His 1994]. Zudem muss es gasdicht sein und eine hohe ionische Leitfähigkeit

besitzen, um den Sauerstofftransport zu gewährleisten. Das bislang einzige Material,

das diesen Anforderungen genügt, ist ein mit 8 % Yttriumoxid stabilisiertes

Zirkondioxid (8 YSZ). Die 8 % Yttrium verleihen dem Elektrolytmaterial eine stabile

kubische kristalline Form bei hoher Temperatur [Ral 2001]. Im Gegensatz dazu zeigt

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