Oxid-Keramik - Keramik: Wie ein alter Werkstoff hochmodern wird - page 123

Wenn man dieses Oxid in das Zirkoniumdioxid-Kristallgitter einbaut,
setzt sich das Ca 2+ auf die Gitterplätze des Zr 4+ . Zur Kompensation sei-
ner positiven Ladung benötigt das Ca 2+ jedoch 2 Elektronen weniger als
das Zr 4+ . Bliebe das Sauerstoffanionenteilgitter unverändert, würde ein
elektrisch negativ geladenes Material entstehen. Das tritt aber unter kei-
nen Umständen auf. Vielmehr bilden sich im Sauerstoffanionenteilgitter
gerade so viele Leerstellen, dass eine vollständige Ladungskompensation
auftritt. Die Sauerstoffanionen können es sich aber „aussuchen“, wel-
che Gitterplätze sie belegen. Durch Wanderung der Sauerstoffanionen
im elektrischen Feld entsteht der angestrebte Ladungstransport.
Um eine gerichtete Sauerstoffanionendiffusion auszulösen, bietet es
sich an, eine Differenz des Sauerstoffpartialdrucks aufzubauen. Oder -
besser - man nutzt eine bereits vorliegende Druckdifferenz aus. Das ist
der Fall, wenn man Abgassensoren herstellt. Der Vergleichspartialdruck
ergibt sich aus dem Sauerstoffanteil der Umgebungsluft; die andere
Druckgröße liegt in den Abgasen vor. In diesem Gefälle des Sauerstoff-
Partialdrucks wandern die O 2- -Anionen. Es entsteht eine geringe, von
dem Gefälle des Partialdrucks abhängige Gleichspannung.
Beispiel
Sie reicht aus, um den Sauerstoffgehalt in Abgasen zu bestimmen und
den Wert z. B. für die Regelung der Verbrennung in entsprechenden
Motoren sowie die katalytische Nachverbrennung zu nutzen. Der Sen-
sor ist im täglichen Sprachgebrauch als -Sonde bekannt. Da sich die
Ionenleitfähigkeit mit steigender Temperatur erhöht, erreicht die -
Sonde erst zwischen 400-1000 °C günstige Betriebsparameter. Ab-
bildung 5.20 zeigt das Funktionsprinzip.
Etwas komplizierter gestalten sich die Verhältnisse beim Einsatz
Sauerstoffanionen leitender Keramik als sogenannter Festelektrolyt
in Brennstoffzellen. An dieser Stelle kann nur auf diese Va r i a n t e d e r
Brennstoffzellen eingegangen werden. Auf Abb. 1.4 wurde ein Beispiel
für eine Packung aus in Reihe geschalteten Brennstoffzellen gezeigt.
Die Packung wird auch als Stack bezeichnet. Die Werkstoffentwicklung
hierfür läuft gegenwärtig auf Hochtouren, so dass alle folgenden An-
gaben nur Beispielcharakter tragen. Drei unterschiedliche Keramiken