T °C - JuSER - Forschungszentrum Jülich

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