Research Collection. Porous support structures and sintered thin film electrolytes for solid oxide fuel cells. Doctoral Thesis.

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1 Research Collection Doctoral Thesis Porous support structures and sintered thin film electrolytes for solid oxide fuel cells Author(s): Will, Julia Publication Date: 1998 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETH No Porous Support Structures and Sintered Thin Film Electrolytes for Solid Oxide Fuel Cells A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of Doctor of Technical Science presented by Julia Will born on July, 2, 1962 Germany ACCEPTED ON THE RECOMMENDATION OF Prof. L.J. Gauckler, examiner Prof. S. Virtanen, co-examiner Dr. K. Honegger, co-examiner Zürich, 1998

3 7 I Support Structures and Sintered Thin Film Electrolytes for Solid Oxide Fuel Cells Summary Today s solid oxide fuel cell (SOFC) technology employs almost exclusively stabilized zirconia as solid electrolyte with a typical thickness of µm. Due to the high specific resistivity of zirconia the cell has to be operated at temperatures of C. Thinning down the electrolyte to several µm lowers the internal resistivity of the cell and allows therefore lower operating temperatures. These thin electrolytes, however, can not be the load bearing parts of the single cell any more and the anode or the cathode have to take over this function. The approach in this work was the use of ceramic foams as support structures. The single components of the cell were built up layer by layer: first the ceramic foam is formed, followed by the tape cast active anode and a thin zirconia electrolyte. The processing of ceramic La-Sr-Mn-Oxide (LSM) and Ni-(Ce-Gd)-Oxide (Ni- CGO) foams using the polymer sponge method was demonstrated. Foams of different pore sizes and thicknesses were produced. Properties of the sintered foams, such as density, compressive strength, and electrical conductivity as a function of the pore size and thickness were measured and compared with the requirements needed in the application of SOFCs. The joining of the separately processed tape cast active anode with the ceramic foam was achieved via dipcoating the ceramic foam and co-sintering it on the anode tape. For the application of the electrolyte onto this porous anode the electrophoretic deposition (EPD) method was chosen. The Ni-CGO substrates used were reduced to metallic nickel at 700 C under an H2-atmosphere. The electrochemical conditions in the EPD-cell were investigated in more detail. Deposition of the positively charged zirconia particles was possible only on electrically conducting substrates. The layer thickness correlates linearly with the total charge transfer. A model was proposed based on a combined charge transfer and diffusion process under stationery conditions. The colloidal preparation techniques in this work were successful applied to produce SOFC cells. The techniques were discussed and assessed. Suggestions for further improvements on cell preparations were made. The feasibility of ceramic foams as load bearing support structures for SOFC and EPD as method for preparing thin electrolytes was demonstrated.

4 8 Zusammenfassung In der heutigen Technologie der Festelektrolyt-Brennstoffzellen (SOFC) wird fast ausschließlich stabilisiertes Zirkonoxid mit einer typischen Dicke von µm als Elektrolyt verwendet. Der hohe spezifische elektrische Widerstand dieser Materials bedingt hohe Betriebstemperaturen von C. Eine Verringerung der Dicke des Elektrolyten auf einige µm erniedrigt den inneren Widerstand der Zelle, die somit bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann. Ein solch dünner Elektrolyt verliert jedoch seine selbsttragende Funktion und muß mit einem Substrat unterstützt werden. Das Träger-Substrat ist in dieser Studie ein keramischer Schaum. Die Brennstoffzelle wird nun auf diesem Schaum Schicht für Schicht aufgebaut: als erstes der keramische Schaum, gefolgt von der foliengegossenen Anode und dem dünnen Elektrolyten. Es wurden Schaumkeramiken aus La-Sr-Mn-Oxid (LSM) and Ni-(Ce-Gd)-Oxid (Ni-CGO) mittels Abformung von Polymerschäumen hergestellt. Eigenschaften der gesinterten Schäume wie Dichte, Festigkeit bei Raum- und bei Anwendungstemperatur und elektrische Leitfähigkeit wurden als Funktion der Porengröße und der Dicke der Schäume untersucht. Diese Eigenschaften wurden mit den Anforderungen in einer Brennstoffzelle verglichen und bewertet. Die Verbindung der getrennt hergestellten aktiven Anode und des keramischen Schaumes wurde mittels Dip Coating des keramischen Schaumes erreicht. Als Herstellmethode für den Elektrolyten wurde die Abscheidung mittels Elektrophorese gewählt. Eine kurze Anreduktion der Substrate bei 700 C unter H 2-Atmosphäre führte zur Bildung von metallischem Nickel und somit zu gut leitfähigen Substraten, auf denen elektrophoretisch dünne Schichten abgeschieden werden konnte. Die Schichtdicke kann im stationären Fall über die transportierte Gesamtladungsmenge ermittelt werden. Die dabei ablaufenden elektrochemischen Bedingungen wurden genauer untersucht. Für die Abscheidung wurde ein Modell vorgeschlagen, dem eine Kombination eines Ladungs-Transfers und eines Diffusionsprozesses zugrunde liegt. Die in dieser Arbeit erprobten kolloidchemischen Herstell-Technologien führten zu funktionierenden SOFC-Elementen. Die verwendeten Methoden wurden bewertet.

5 9 Die Eignung von Schaumkeramiken als Träger-Substrate und die Abscheidung mittels Elektrophorese als Herstellmethode für dünne Elektrolyte wurde demonstriert.