Diffusionseigenschaften von Nickel in einer Festoxid-Brennstoffzelle

Die Nickel-Kornvergröberung ist einer der dominantesten Degradationsmechanismen in der Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC). Um diesen Mechanismus quantitativ korrekt in Simulationen zu modellieren und Langzeitvorhersagen zur Degradation geben zu können, sind zuverlässige Materialparameter unter Betriebsbedingungen erforderlich. Dabei sind die relativen Korngrenzenergien und die Diffusionskoeffizienten von Nickel von besonderem Interesse.
In der vorliegenden Arbeit wurden Thermal Grooving Experimente an Anodenmikrostrukturen, Ni-Polykristallen sowie Ni-Bikristallen durchgeführt und die resultierenden Korngrenzfurchen mittels eines Rasterkraftmikroskops (AFM) vermessen. Da die geometrische Form der Furchen entscheidend für die weitere Auswertung und somit für die Bestimmung der Materialparameter war, wurde in dieser Arbeit die Messmethodik des AFM optimiert. Desweiteren wurden in Vorversuchen verschiedene Ansätze zur materialographischen Präparation der Bikristalle getestet, damit eine optimal präparierte Oberfläche als Ausgangslage für die Mullins Theorie des Thermal Grooving genutzt werden konnte. Die Ionenstrahl-Querschnittspolitur erfüllte als einzige Methode alle Kriterien an die präparierte Oberfläche.
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Im ersten experimentellen Teil der Arbeit wurden die Dihedralwinkel der Ni-Furchen in Anodenmikrostrukturen und Ni-Polykristallen vermessen, um die relativen Korngrenzenergien zu bestimmen. Im zweiten experimentellen Teil wurde das komplette Furchenprofil von Ni-Bikristallen vermessen, um die Diffusionskoeffizienten zu bestimmen. In Kombination mit der optimierten Probenpräparation und Messmethodik konnte mithilfe des Thermal Grooving eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der relativen Korngrenzenergien und Diffusionskoeffizienten erzielt werden. Zudem konnte Oberflächendiffusion eindeutig als dominanter Diffusionsmechanismus identifiziert werden. Die Ergebnisse in dieser Arbeit liefern erstmals zuverlässige Werte sowie die komplette Anisotropie der relevanten Materialparameter von Nickel unter realitätsnahen Betriebsbedingungen einer SOFC-Anode.