Electrochemical and Microstructural Degradation and Modeling of Ni/GDC Anodes in Solid Oxide Fuel Cells
Year: 2026
Type: book
Abstract: SOFCs zeigen Potenzial sowohl für stationäre als auch für mobile Energieanwendungen. Die Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung von Leistung, Lebensdauer und Kosten. Für stationäre Systeme wie Wärme- und Stromgeneratoren wird eine Lebensdauer von 40.000–80.000 Stunden erwartet, obwohl konventionelle Langzeittests kostspielig und unpraktisch sind. Diese Arbeit adressiert diese Herausforderungen durch die Charakterisierung von Ni/GDC-Elektroden verschiedener Herstellungstechniken für den Betrieb bei mittleren Temperaturen sowie durch die Entwicklung von beschleunigten Test- und Vorhersagemethoden zur Abschätzung der langfristigen Degradation. Zellen, die mittels Siebdruck mit Standard- und Feinpartikel-Pasten der Forschungszentrum Jülich GmbH sowie durch Infiltration hergestellt wurden, wurden anhand ihrer initialen elektrochemischen Charakterisierung und strukturellen Analyse verglichen. Zellen aus Ni-Infiltration in GDC zeigten die beste Leistung, gefolgt von Feinpartikel-Paste, GDC-Infiltration in Ni und Standard-Paste. Die initiale Charakterisierung zeigt, dass die Leistung von Ni/GDC-Elektroden stark von Partikelgröße, Sintertemperatur und Reduktionsprotokoll abhängt, während Zwischenschichten und Leiterschichten einen geringeren Einfluss haben. Um überlappende Verlustmechanismen zu dekonvolvieren, wurden symmetrische Zellen eingesetzt, die Schlüsselprozesse wie Gasdiffusion und Ladungstransfer isolieren. Sensitivitätsanalysen zeigten allgemeine Elektrodenprozesse über alle Zellen hinweg, mit geringfügigen Unterschieden bei der Gasdiffusion und einem unbekannten mittelfrequenten Signal. Ein Ersatzschaltbild (ECM) wurde etabliert, bestehend aus einem Transmission-Line-Modell für Elektrodenkinetik und drei RQ-Elementen für Gasdiffusion, mittelfrequente und hochfrequente Beiträge von Elektrolyt/Schnittstelle. Für Langzeittests wurde ein neuartiger Multi-Zellen-Versuchsaufbau basierend auf dem active-driven gas layer-Konzept entwickelt, der simultane Impedanzmessungen mehrerer Zellen ermöglicht. Dieser Ansatz reduzierte experimentelle Kosten und Zeit erheblich, während die kontrollierten Gasumwandlungsbedingungen erhalten blieben. Parallele Multi-Zellen-Experimente zeigten pseudoinduktive Schleifen, wenn eine Zelle ihre Nachbarn deutlich übertraf. Dieses Phänomen wurde auf unterschiedliche Gaskonsumierung oder -produktion benachbarter Elektroden zurückgeführt, was die Bedeutung der Zelluniformität in Multi-Zellen-Testmethoden unterstreicht. Beschleunigte Alterungsprotokolle wurden auf Grundlage kurzfristiger Tests unter erhöhten Belastungen entwickelt. Tests bei erhöhten Temperaturen zeigten eine Abnahme des Polarisationswiderstands über 800 °C, möglicherweise im Zusammenhang mit der Ni-Oberflächendiffusion in die GDC-Zwischenschicht. Bei 900 °C beobachtetes GDC-Sintern deutete auf eine Elektroden-Reorganisation hin, die unter Betriebsbedingungen nicht dominant ist. Folglich wurden Zellen mit Zwischenschicht, schlechter Anfangsleistung oder unklarer Impedanz ausgeschlossen. Eine Siebdruckzelle des Typs V1.5a wurde für beschleunigte Lebensdauertests ausgewählt, mit Langzeit-EIS-Messungen zwischen 600 und 750 °C und 10–50% Feuchtigkeit, wobei Referenzbedingungen periodisch aufgezeichnet wurden. Der Ladungstransferwiderstand wurde mittels CNLS-Analyse angepasst und zeigte thermisch und feuchteaktivierte Degradation. Ein Arrhenius -(Potenzgesetz)-basierter Umrechnungsfaktor ermöglichte die Standardisierung aller Zeitreihendaten. Die Degradation wurde als thermisch aktiviert identifiziert, wobei bei 750 °C unterschiedliche Mechanismen auftraten. Lebensdauer-Vorhersagemodelle, einschließlich Arrhenius-, Potenzgesetzes-, logarithmischer Funktion und Äquivalenzzeit-Konzepts, zeigten bei einzelner Anwendung divergierende Ergebnisse. Eine verbesserte Konsistenz wurde durch die Kombination von Arrhenius-Degradation mit Potenz- oder Logarithmusfunktionen erzielt, weiter verfeinert durch die Einbeziehung des Äquivalenzzeit-Konzepts. Diese hybriden Ansätze zeigten robuste Vorhersagefähigkeit und ermöglichten die Extrapolation der Entwicklung des Ladungstransferwiderstands auf längere Zeiträume bei reduzierter Testdauer. Diese Arbeit etabliert einen umfassenden Rahmen für das Verständnis und die prädiktive Modellierung der Ni/GDC-Anoden-Degradation und trägt zu potenziellen Strategien für effiziente SOFC-Tests, Lebensdauerverbesserung und beschleunigte Kommerzialisierung bei.
Source: KITopen
Author: Liu, Yanting
Language: English
Subfield: Materials Chemistry
Field: Materials Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7220944281