title: Spannungs- und Partialdruckabhängigkeit des Polarisationswiderstands von LaMnO3-Elektroden auf Festelektrolyten
Creators: name: Welzl, Andreas
Publisher: name: TU Wien
Year: 2014
Subjects: subject: Festoxidbrennstoffzellen
subject: Elektrochemie
subject: Impedanzspektroskopie
subject: solid oxide fuel cells
subject: electrochemistry
subject: impdance spectroscopy

description: Die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) birgt in einer Zeit des erhöhten Strombedarfs und der Reduktion von Treibhausgasen (green technology) neue vielseitige Einsatzmöglichkeiten. Die Markteinführung wird aber durch den Bedarf weiterer Effizienz- und Stabilisationsoptimierung verzögert. Bei der Vielzahl an elektrochemisch und materialwissenschaftlich relevanten Prozessen war es bisher nicht möglich, alle ausreichend zu untersuchen und sie auch zu optimieren. Aus diesem Grund ist die Untersuchung der Reaktionskinetik an Elektroden seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung. Ein häufig untersuchtes und verwendetes Kathodenmaterial ist La0.8Sr0.2MnO3±-, an welchem die Sauerstoffreduktion abläuft, die in dieser Arbeit genauer untersucht wird. LSM wurde mittels "pulsed laser deposition" (PLD) auf Y2O3 stabilisiertem ZrO2 abgeschieden, um durch anschließende Photolithografie Mikroelektroden mit einem Durchmesser von 200 µm zu erzeugen. Die dabei eingebrachte Strontiumdotierung trägt dazu bei, die Konzentration der Defekte zu erhöhen, wodurch insbesondere die Elektronenleitung, aber auch der Transport von Sauerstoff durch das Material verbessert wird. Die Elektroden wurden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) in einem Partialdruckbereich von 1E-3 bis 1E-5 bar O2, sowie mit anodischer und kathodischer Bias-Spannung untersucht, um mögliche Auswirkungen dieser Parameter auf die stattfindenden elektrochemischen Prozesse aufzudecken. Eine Analyse der Impedanzspektren erfolgte, soweit möglich, mit dem Jamnik-Maier Schaltbild für gemischtleitende Materialien. Im Rahmen der Datenauswertung kam hierbei ein selbst erstelltes Programm zur Anwendung. Anhand der extrahierten Daten konnte der ionische Diffusionskoeffizient (D q) und der Oberflächenaustauschkoeffizient (k q) für verschiedene Partialdrücke und Biasspannungen, ermittelt werden. Zusätzlich wurde der Einfluss des Gegenelektrodenmaterials (Platin oder LSF), auf die Impedanzmessungen bei tiefen Partialdrücken, untersucht.
description: In times of increased energy consumption and global warming, the development of novel approaches for green energy, is getting more and more important. One promising candidate is the solid oxide fuel cell (SOFC). SOFCs, especially used in the combination with heat exchange devices, are able to achieve high efficiency values and may thus reduce production of green house gases. Nevertheless, there are still some important issues in the area of efficiency and stabilization. Until now, the high number of different electrochemical reactions and materials science related processes are making the investigation and optimization of fuel cells very difficult. One of the most common materials, used for SOFCs, is La0.8Sr0.2MnO3±- (LSM), which enables the oxygen reduction reaction (ORR). It will be further investigated in this work. The LSM was deposited by pulsed laser deposition (PLD) on Y2O3 stabilized ZrO2. Photolithography and subsequent ion beam etching are used to prepare the microelectrodes. Through the introduction of strontium the defect concentration changes, leading to an improved ionic and electronic conductivity. For a better understanding of the reaction kinetics in LSM, electrochemical impedance measurements (EIS) on microelectrodes were performed under different oxygen partial pressure and varying bias voltage. By applying a DC-bias to LSM electrodes, their oxygen chemical potential changes and thus surface kinetics, as well as bulk transport kinetics, can be modified. Especially the bulk path was investigated in detail, using the equivalent circuit developed by Jamnik and Maier, to get a better understanding of the ongoing reaction processes within the material. A user defined fit function, based on the equivalent circuit, allows to extract the necessary data to calculate the ion diffusion coefficient (D q) and the surface exchange coefficient (k q). In addition to these measurements, the influence of the counter electrode (Platin or LSF) on the EIS measurements at low partial pressure was investigated.