Volumen- und Oberflächeneigenschaften von neuen Elektrodenmaterialien für Festoxid-Brennstoffzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Meyer
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 226166566

Für eine weitere Verbesserung der Effizienz und thermischen Stabilität von Festoxid-Brennstoffzellen werden alternative Elektrodenmaterialien benötigt, die es erlauben, die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen auf 600-800 C abzusenken. Zwei innovative neue Klassen von Kathoden- und Anodenmaterialien mit vielversprechender elektronischer/ionischer Leitfähigkeit und katalytischer Aktivität bei niedrigeren Temperaturen sind geschichtetet Kobaltoxide mit YBaCo4O7-Struktur and Sr2MgMoO6-basierte Doppel-Perovskite. Die elektronischen/ionischen und katalytischen Eigenschaften beider Verbindungen können durch Substitution mit einer Vielzahl anderer Elemente auf den verschiedenen Untergittern beeinflußt werden, wodurch auch ihre thermische Stabilität modifiziert wird. Eine andere vielversprechende Strategie zur Verbesserung von Festoxid-Brennstoffzellen ist die Verwendung von flüssigen Sn-Anoden in Hochtemperaturbrennstoffzellen. Diese zeichnen sich durch hohe Robustheit und geringe Sensitivität gegenüber Brennstoffverunreinigungen aus.Ziel dieses Projekts ist es, mit Hilfe quantenmechanischer Rechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie ein besseres Verständnis der Volumen- und Oberflächeneigenschaften dieser neuen Klassen von Anoden- und Kathodenmaterialen auf atomarem Niveau zu erlangen. Durch Untersuchung der Wechselwirkung von Sauerstoff und kleiner Brennstoffmoleküle (H2, CH4, CO) mit den Elektrodenoberflächen sollen Prozesse simuliert werden, die unter Arbeitsbedingungen an den Kathoden und Anoden der Brennstoffzellen stattfinden. Ein Schwerpunkt wird die Betrachtung der thermodynamischen Stabilität der Volumenphasen und der Oberflächenstrukturen sowie die Suche nach den stabilsten Oberflächenkonfigurationen und Zusammensetzungen in unterschiedlichen Umgebungen bei gegebener Temperatur und Partialdruck sein. Weiterhin ist geplant, den Einfluss von Substituenten auf die elektronischen Eigenschaften, die Bildung von Sauerstoffleerstellen und die Phasenstabilität zu untersuchen. Einsichten in die Kinetik der Sauerstoffdiffusion im Volumen, auf der Oberfläche und an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche sollen durch die Berechnung von Aktivierungsbarrieren gewonnen werden. Die Mechanismen dieser Prozesse, die die Sauerstoffaufnahme an der Kathode, die Brennstoffoxidation an der Anode sowie die Phasenstabilität an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche bestimmen, sind bisher noch weitgehend unbekannt. Ein besseres Verständnis soll zu einer wissensbasierten Verbesserung der chemischen und thermischen Eigenschaften dieser neuen Klassen von Materialien für zukünftige Anwendungen in Brennstoffzellen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen