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24 2 Grundlagen
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reinem ZrO 2 wäre diese nur bei Temperaturen über 2370°C stabil. Durch geeignete Substitution
bleibt die kubische Form im gesamten Temperaturbereich erhalten. Der Einbau von Kationen
niedriger Valenz in das ZrO 2 -Gitter führt durch die einhergehende Erhöhung der Sauerstofffehlstellenkonzentration
zu einer verbesserten ionischen Leitfähigkeit [84,94-96]. Die am
häufigsten für die Substitution eingesetzten Oxide sind CaO, Y 2 O 3 , MgO und Sc 2 O 3 , die alle
eine hohe Löslichkeit in ZrO 2 besitzen [97]. Das gängigste Elektrolytmaterial für die SOFC
ist mit 8Mol-% Y 2 O 3 dotiertes ZrO 2 (8YSZ), das vollständig in der kubischen Phase vorliegt
(vollstabilisiertes Zirkoniumdioxid) und unter Betriebsbedingungen (T = 800°C, p(O 2 ) Anode
10 -18 bar, p(O 2 ) Kathode 0,2bar) mit 3,14·10 -2 S/cm eine relativ hohe ionische Leitfähigkeit und
praktisch keine elektronische Leitfähigkeit besitzt [12,24,98].
Herstellung des Elektrolyten
Der Elektrolyt wird mittels Vakuum-Schlicker-Guss (VSG) oder Siebdruck (vgl. Abschnitt
Substrat und Anode) aufgebracht. Der Schlicker bzw. die Paste werden nach dem dort beschriebenen
Verfahren auf Basis eines 8YSZ-Pulvers hergestellt. Nach der Beschichtung wird
die Einheit aus Substrat, Funktionsschicht und Elektrolyt (SFE) bei 1400°C für 5h gesintert.
Der Elektrolyt weist dann eine Schichtdicke von 5 bis 10μm auf [39]. Aufgrund des unterschiedlichen
Sinterverhaltens von Elektrolyt, Anodenfunktionsschicht und Anodensubstrat
kommt es bei diesem sogenannten Co-Firing zu einer Durchbiegung der Einheit, was jedoch
durch Auflage von Gewichten im heißen Zustand direkt nach der Endsinterung minimiert
werden kann [99].
Kathode
Die Leistungsfähigkeit einer anodengestützten SOFC ist im Temperaturbereich 650 – 900°C
vor allem durch die Prozesse an der Kathode bestimmt [30,100]. Dies lässt sich mittels Impedanzspektroskopie-Untersuchungen
zeigen [101]. An der Kathode findet die Dissoziation und
Reduktion des Sauerstoffs statt, was ein Material mit hohem Oberflächenaustauschkoeffizienten
und hoher katalytischer Aktivität erfordert. Um einen möglichst ungehinderten Transport
von Elektronen zur Drei-Phasen-Grenze zu ermöglichen, muss es außerdem eine hohe elektronische
Leitfähigkeit besitzen. Bei Betriebstemperatur muss es chemisch stabil an Luft und
im Hinblick auf unerwünschte Reaktionen mit benachbarten Zellkomponenten sein. Von Vorteil
ist auch ein gut an den Elektrolyten angepasster thermischer Ausdehnungskoeffizient, um
die Gefahr von Rissbildung beim Aufheizen und im Betrieb zu verringern (siehe z. B.
[12,40]). Die genannten Anforderungen erfüllen einige Edelmetalle (z. B. Platin), die jedoch
aufgrund der hohen Kosten nicht in Frage kommen. Die am häufigsten genutzten Materialien
sind oxidkeramische Werkstoffe mit perowskitischer Kristallstruktur. Diese wurden schon
früh in der SOFC-Forschung eingesetzt [9] und weisen zum Teil sogar bessere Eigenschaften
auf als die Edelmetalle. Ein häufig verwendetes Material ist Lanthanmanganat, das zur Erhöhung
der elektrischen Leitfähigkeit mit Strontium dotiert ist ((La,Sr)MnO 3 oder kurz LSM)
[5,26,31,40,97,102,103]. Durch Beimischungen von Elektrolytmaterial zum LSM wird eine
bessere Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den Elektrolyten und eine
Erweiterung der Drei-Phasen-Grenze in die Kathode hinein erreicht. Letzteres ist für das im
Vergleich zum rein elektronisch leitenden LSM mit höherer elektrochemischer Aktivität ausgestattete
(La 1-x Sr x )(Co 1-y Fe y )O 3- (LSCF) nicht nötig, da es elektronisch und ionisch leitfähig