Herstellung von dünnen und dichten partiellYttrium-dotierten Zirkondioxid-Elektrolyten fürBrennstoffzellen (IT-SOFC) durch das SPS-Verfahren

Die Konstruktion von IT-SOFC-Zellen (Festoxid-Brennstoffzellen, die bei mittlerer Temperatur arbeiten) umfasst eine Feststoffelektrolytschicht aus Y-PSZ (partiell Yttrium-dotiertes Zirkoniumdioxid) - einem Ionenleiter, durch den Sauerstoffionen hindurch diffundieren können. Diese Schicht muss eine Reihe von Eigenschaften besitzen, unter anderem eine niedrige Leckrate, was einem Netzwerk von nicht miteinander verbundenen Poren entspricht, und eine niedrige Rate von Stapeldefekten, wie Mikrorissen oder globuläre Poren. Darüber hinaus muss die Dicke dieser Schicht möglichst gering sein (ungefähr 20 μm), um ohmsche Verluste auf ein Mindestmaß zu beschränken. Das Verfahren des Suspensionsplasmaspritzens (SPS) scheint einen möglichen technologischen Weg zur Herstellung solcher Schichten mit Strukturen im Mikrometer oder Submikrometerbereich zu bieten. Beim SPS wird eine stabilisierte Suspension, bestehend aus einen flüssigen Lösungsmittel, Feststoffpartikeln und einem Dispersionsmittel, in den Plasmafluss eingeschossen. Dabei wird die Flüssigkeit sehr schnell zur Fragmentierung gebracht und verdampft anschließend und die einzelnen Partikel oder Partikelagglomerate, je nach durchschnittlicher Größe und Morphologie des festen Einsatzmaterials, werden erhitzt und gleichzeitig in Richtung auf die Substratoberfläche beschleunigt, an der sie aufprallen, sich ausbreiten und erstarren, in erster Näherung analog zu größeren Partikeln, so dass sich eine Schicht bildet. Der Aufbau der Schicht ist sehr stark von den Plasmabetriebsparametern abhängig (von denen sich die Stabilität des Plasmaflusses ableitet), aber auch von den Eigenschaften der Suspension, insbesondere der Größenverteilung der Partikel des Einsatzmaterials und den Einschussparametern der Suspension. Die vorliegende Arbeit dient dem Ziel, neuere Entwicklungen zur Optimierung einiger dieser Betriebsparameter zur Verbesserung der Elektrolytschichteigenschaften vorzustellen.