Nachanalysen von Festoxid-Elektrolysezellen (Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC) zeigen eine gesteigerte Zr- und/oder Sr-Kationenverteilung in den Elektrolytschichten, Entlaminierung und eine Ni-Umverteilung in der Nähe des Elektrolyts, was zu einer höheren Degradationsrate im Vergleich zu Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) führt. Probe mit freundlicher Genehmigung von M. Cantoni, EPFL, Lausanne, Schweiz.
Energiematerialien

Unseren Planeten schützen

Die Zukunft der Brennstoffzelle

Klimawandel, Energiesicherheit und Umweltschutz sind gemeinsame Herausforderungen, die alle Länder betreffen. Wenn wir unseren Planeten schützen möchten, benötigen wir Alternativen zur aktuellen Kraftstofftechnologie. Diese Alternativen müssen geeignet sein, um unseren Bedarf an Erdöl und somit die Menge der in die Atmosphäre freigesetzten Schadstoffemissionen und Treibhausgase zu reduzieren – und zu einem attraktiven Ersatz für Verbrennungsmotoren zu werden.  

Mehrskalige Strukturen analysieren – die Herausforderung

Einer dieser Alternativen ist Wasserstoff, allerdings sind der Transport und die Lagerung von Wasserstoff nach wie vor problematisch. Das ist ein erhebliches Hindernis für die breite Anwendung von Wasserstoff in Kraftstoffsystemen. Bevor diese Brennstoffzellen in großem Umfang von Verbrauchern genutzt werden können, müssen diese Probleme zuvor gelöst werden. Ein weiteres Problem ist die komplexe, aus mehreren Schichten bestehende Multimaterial-Struktur von Brennstoffzellen. Untersuchungen in der Tiefe der komplexen Mikrostrukturen sind schwierig – es sei denn, Sie verfügen über die richtigen Tools.

Das Verhalten zukünftiger Alternativen wird von den physikalischen und chemischen Eigenschaften auf verschiedenen Längenskalen abhängen. So war es auch bei der aktuellen Brennstoffzellentechnik. Dies erfordert hochauflösende Bildgebung und präzise chemische Analysen im Nano- bis hin in den Mikrometerbereich. Um jedoch wirklich zu verstehen, welche Prozesse dafür sorgen, dass eine Brennstoffzelle funktioniert (oder nicht), müssen die Veränderungen der Mikrostruktur in situ beobachtet werden können, ohne die Zelle zu beschädigen.

Korrelative und vernetzte Mikroskopie – die Antwort

Die Analyse mehrskaliger Strukturen erfordert hochauflösende, korrelative Mikroskopiesysteme. Ebenso werden zerstörungsfreie Operando-Techniken benötigt, die es ermöglichen, die Prozesse in der Brennstoffzelle in Echtzeit zu verfolgen und zu untersuchen. Auf diese Weise werden unverzichtbare Einblicke in die Mikrostruktur, Fehlerarten und Effekte durch mögliche Defekte gewonnen. 

ZEISS bietet korrelative Lösungen, um die Herausforderung der mehrskaligen und multidimensionalen Bildgebung zu bewältigen. Unser umfassendes und vernetztes Portfolio bietet die Tools, die Sie für die Analyse von Materialien für Brennstoffzellen auf verschiedenen Längenskalen in 2D, 3D und 4D benötigen.  

Nächste Schritte

Erfahren Sie mehr über das Portfolio von Mikroskopen für die Analyse von Brennstoffzellen und wie Sie zerstörungsfreie Bilder mit hoher Auflösung aufnehmen, um wichtigen Erkenntnisse zu gewinnen und gleichzeitig die Probenintegrität zu wahren. 

Anwendungsbilder

  • Segmentierte Anodenkomponenten und Dreiphasengrenze einer Festoxid-Brennstoffzelle.

    Segmentierte Anodenkomponenten und Dreiphasengrenze einer Festoxid-Brennstoffzelle. Abbildung mit Xradia 810 Ultra (Probenbreite 39 µm).

  • Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), aufgenommen mit Xradia 810 Ultra Röntgenmikroskop (XRM).

    Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), aufgenommen mit Xradia 810 Ultra Röntgenmikroskop (XRM). Drei Schichten der SOFC sind sichtbar: Oben die poröse Kathode aus Lanthanum-Strontium-Manganat (LSM). Das LSM-Netz wurde entsprechend der lokalen Dicke farblich markiert. Blau steht für dünn und rot für dick. Im Zentrum der Probe ist die Elektrolyte aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) zu sehen. Die Fehlstellen im YSZ sind deutlich sichtbar. Die orange markierte Fehlstelle ist mit dem Porennetz im unteren Bereich der Zelle verbunden. Die Anode unten besteht aus einem porösen Verbundwerkstoff aus Nickel und YSZ. YSZ ist blau und Nickel ist rot markiert. Rendering durchgeführt mit ORS Visual SI Advanced.

  • Oberfläche einer unbeschichteten mikroporösen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenschicht abgebildet mit GeminiSEM bei 2 kV unter Verwendung des Inlens SE-Detektors.

    Oberfläche einer unbeschichteten mikroporösen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenschicht abgebildet mit GeminiSEM bei 2 kV unter Verwendung des Inlens SE-Detektors. Einzelne Kohlenstoff-Nanopartikel sind mit Bindemittel agglomeriert, um die hochporöse Struktur zu bilden, während isolierte Platin-Nanopartikel mit einem Durchmesser unter 10 nm zu sehen sind, die einige Bereiche umgeben.

  • Nachanalysen von Festoxid-Elektrolysezellen (Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC) zeigen eine gesteigerte Zr- und/oder Sr-Kationenverteilung in der Elektrolytschicht

    Nachanalysen von Festoxid-Elektrolysezellen (Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC) zeigen eine gesteigerte Zr- und/oder Sr-Kationenverteilung in den Elektrolytschichten, Entlaminierung und eine Ni-Umverteilung in der Nähe des Elektrolyts, was zu einer höheren Degradationsrate im Vergleich zu Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) führt. Die 3D-FIB-SEM/EDX-Funktion ermöglicht die Messung metrischer und topologischer Eigenschaften und Discrete-Element-Simulationen, um zunächst das Ausmaß der mikrostrukturellen Veränderungen zu quantifizieren und dann die nachteiligen Auswirkungen auf die Zellleistung präzise zu ermitteln. Datensatz aufgenommen mit ZEISS Crossbeam und Atlas 5.

  • 3D‑Rendering der Elektrodenbaugruppe einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle.

    3D‑Rendering der Elektrodenbaugruppe einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Die Fasern der Gasdiffusionsschicht sind grün und magentafarben, die mikroporösen Schichten blau, die Katalysatorschichten hellgelb und die Elektrolyte sind dunkelgelb markiert. Aufgenommen mit Xradia Versa.

3D‑Tomografie einer Festoxid-Brennstoffzelle

Verbundwerkstoff aus Nickel und Samariumoxid-dotiertem Ceroxid.
Aufgenommen mit ZEISS Crossbeam.


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Downloads

  • ZEISS Atlas 5

    Characterization of Solid Oxide Electrolysis Cells by Advanced FIB-SEM Tomography

    1 MB
  • ZEISS Xradia 810 Ultra

    Characterizing Solid Oxide Fuel Cell Microstructures in 3D

    1 MB