Selbstorganisierte Nanokomposite: innovative Materialien für SOFCs

Oxidkeramische Brennstoffzellen (solid oxide fuel cells, SOFC) stellen eine äußerst effiziente und umweltfreundliche Energietechnologie nahezu ohne Schadstoffemissionen dar. Die hohen Betriebstemperaturen (ca. 1000 C) ermöglichen die interne Brennstoffreformierung von Erdgas und eine, verglichen mit anderen Brennstoffzellen, höhere Toleranz gegenüber Kraftstoffverunreinigungen. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung der heißen Abgase in nachgeschalteten Anlagen zur zusätzlichen Stromerzeugung wodurch insgesamt im Vergleich zu anderen Niedertemperatur-Brennstoffzellen ein höherer elektrischer Wirkungsgrad erreichbar ist. Die hohen Prozesstemperaturen stellen jedoch enorme materialtechnische Anforderungen. Im Laufe der Zeit kommt es daher zu einer Abnahme des Wirkungsgrades der SOFC aufgrund von Werkstoffermüdung und unerwünschten Reaktionen zwischen verschiedenen Brennstoffzellenkomponenten. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung neuartiger thermisch stabiler, mesoporöser (Porendurchmesser ~2 nm) Nanokomposite mit hoher "innerer" Oberfläche, einer engen Porengrößenverteilung und nanokristallinen "Porenwänden". Ähnlich Sol-Gel Prozessen sollen selbstorganisierte kationenaktive Tenside zur Synthese thermisch stabiler mesoporöser Kathodenmaterialien basierend auf oxidverstärktem (zumeist Y2 O3 ) Zirkondioxid (ZrO2 ), auch als meso-YSZ bezeichnet, hergestellt werden. Im Zuge dessen ist ebenfalls eine Dotierung mit anderen Metall und Metalloxiden (z.B. Cu, CeO 2 , La1-x Sr x MnO3 ) vorgesehen. Der poröse Aufbau gewährleistet einen schnellen Massentransport des Reaktant- und Produktgases, während die Dotierung eine verbesserte katalytische Aktivität sowie elektrische Leitfähigkeit bewirkt. Erst kürzlich durchgeführte Studien am Gastinstitut (Materials Chemistry Research Group, University Toronto) mit meso-Platin/YSZ und meso-Nickeloxid/YSZ zeigten eine beeindruckende Sauerstoffionen- und elektrische Leitfähigkeit. Wir hoffen in diesem Projekt neuartige SOFC-Elektrodenmaterialen herstellen zu können mit definierter Porosität, hoher Temperaturstabilität, großer Zahl an elektoaktiven (katalytischen) Zentren und dem Potenial für eine hohe Mischionen- und elektrische Leitfähigkeit. Die verbesserten katalytischen Fähigkeiten würden den Einsatz einer bereiteren Palette an Kohlenwasserstoffen ohne zusätzlicher Reformierung ermöglichen.