CH507596A

CH507596A - Festelektrolyt für Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Info

Publication number: CH507596A
Application number: CH381268A
Authority: CH
Inventors: Josef Dr Rohr Franz
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1967-03-18
Filing date: 1968-03-14
Publication date: 1971-05-15
Also published as: DE1671704B2; FR1557333A; DE1671704A1; GB1170046A; JPS4825573B1

Description

Festelektrolyt für Hochtemperatur-Brennstoffzellen
Brennstoffzellen dienen bekanntlich zur direkten Umwandlung von chemischer in elektrische Energie.

Zu diesem Zweck führt man bei Brennstoffzellen mit einem Festelektrolyten, deren Arbeitstemperatur rund 1000 0C beträgt, der einen Elektrode Sauerstoff und der anderen einen Brennstoff, z. B. Wasserstoff, zu.

Der Sauerstoff nimmt an seiner Elektrode Elektronen auf, wandert als zweifach negativ geladenes Ion durch den Festelektrolyten und reagiert an der anderen Elektrode mit Wasserstoff zu Wasser unter gleichzeitiger Elektronenabgabe. Es baut sich auf diese Weise zwischen den beiden Elektroden eine Potentialdifferenz auf, so dass in einem angeschlossenen Verbraucherkreis ein Strom fliesst.

Als Festelektrolyt wird bevorzugt Zirkondioxyd verwendet, dem weitere Oxyde zur Verbesserung der Phasenstabilität und Ionenbeweglichkeit der Sauerstoffionen zugesetzt sind. Es ist bekannt (W. Nernst, Zeitschrift Elektrochemie , H. 6, 1900, Seite 41, und C. Wagner, Zeitschrift Naturwissenschaften , H. 31, 1943, 5. 265), zu diesem Zwecke dem Zirkondioxyd Yttriumoxyd Y2 O8 oder Kalziumoxyd CaO zuzusetzen.

Auf diese Weise wurden zwar die Phasenstabilität und die Sauerstoffionenleitfähigkeit verbessert, nachteilig ist jedoch die hohe Betriebstemperatur derartiger Zellen (1000 C).

Es ist weiterhin bekannt (H. Tannenberger et al, Zeitschrift Revue Energie Primaire III, 1965, S.

19-26), Ytterbiumoxyd Yb2O3 zuzusetzen, das bei Temperaturen unterhalb 1000 C wohl eine Verbesserung der Sauerstoffionenleitfähigkeit, aber nicht der Phasenstabilität bewirkt.

Weiterhin sind Festelektrolyte bekannt, die aus drei Oxyden bestehen, wie Zr O2/CaO/MgO oder Zr O2/Yb2 O3/Al2O3. Diese genannten Festelektrolyte weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. Entweder sind sie bei hohen Temperaturenn von 800-1000 C nicht phasenstabil wie Zr O2/Yb2O3, so dass sich die Sauerstoffionenbeweglichkeit laufend verschlechtert, oder letztere ist bei den gewünschten Arbeitstemperaturen von 700 C-800 C sehr gering.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beheben.

Der erfindungsgemässe Festelektrolyt für Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist dadurch gekennzeichnet, dass er der Formel [ ZrO2 ] a + [ Y2Oss ] ss + [ Yb2O3 ] + [ AlO3 ] a entspricht, mit a +ss + y + a = 1, woba a, B, r und 8 jeweils den Molenbruch bedeutet und 0 < d.

Durch diese Massnahme wird eine sehr gute Sauerstoffionenleitfähigkeit und Phasenstabilität des Festelektrolyten erreicht. Es wurde erkannt, dass der Festelektrolyt dann die gewünschten Eigenschaften aufweist, wenn die Molenbrüche in folgenden Intervallen liegen:
0,84 < a S 0,96 ss S 0,16 y 0,16 d S 0,04
Es zeigte sich weiterhin, dass sich die oben erwähnten Nachteile der bekannten Festelektrolyten beheben lassen, wenn der Festelektrolyt erfindungsgemäss die Zusammensetzung [ ZrO2 ] a + [ Y2O3J > + [ YbO3Jy aufweist, die mit a + fl + y = 1, wobei die Indices die Molenbrüche angeben, die vorteilhafterweise in folgenden Wertbereichen liegen:

:
0,84 < a :5 0,96 ss S 0,16 Y < 0,16
Den erfindungsgemässen Festelektrolyten sind also Yttriumoxyd und Ytterbiumoxyd gleichzeitig zugesetzt, die beide zusammen in überraschender Weise die bekannten Nachteile beheben. Die Festelektrolyten besitzen bei einer Arbeitstemperatur von 750-800 C eine gute Sauerstoffionenleitfähigkeit und Phasenstabilität. Die Beweglichkeit für andere Ionen ist ebenso wie die elektronische Leitfähigkeit gering (Anteil < 1%). Sie sind ausserdem gasdicht und chemisch beständig gegen oxydierende und reduzierende Reaktionsstoffe.

Als besonders günstig hinsichtlich ihrer Eigenschaften erweisen sich die Festelektrolyte der Zusammensetzung: [ZrO2]0,92 + [Y2O3]0,04 + [Yb2O3]0,04 [ZrO2]0,88 + [Y2O3]0,06 + [Yb2O3]0,04 + [Al2O3]0,02
Zur Herstellung dieser Festelektrolyte werden die betreffenden binären Mischoxyde, z. B. ZrO2/Y2O3 bzw. ZrO2/Yb2O3 bzw. ZrO2/Y2O3, ZrO2/Yb2O3 und ZrO2/Al2O3 oder die einzelnen Komponenten ZrO2, Y2O3, Yb2O3 und A1203 im entsprechenden Verhältnis gemischt und die an sich bekannten Verfahren angewandt.

Der Festelektrolyt kann in Form von Platten bzw.

Vollzylindern oder Rohren hergestellt und durch Schleifen, Bohren und Sägen weiterverarbeitet werden.

Claims

PATENTANSPRUCH

Festelektrolyt für Hochtemperatur-Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass er der Formel [ Zr 2 ] a + [ Y2O3 ] + [Yb2O3]γ + [ Al2O3 ] a entspricht, mit α + # + γ + # =1, wobei α, #, γ und # jeweils den Molenbruch bedeuten und 0# # ist.

UNTERANSPRÜCHE 1. Festelektrolyt nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Molenbrüche a, ss, y und 8 in den Wertbereichen 0,84 < α # 0,96 # # 0,16 γ # 0,16 # # 0,04 liegen.

Festelektrolyt nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Molenbrüche α, #, γ, # die Werte a = 0,88 fl = 0,06 γ = 0,04 # = 0,02 aufweisen.

3. Festelektrolyt nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Molenbruch # den Wert Null aufweist.

4. Festelektrolyt nach Patentanspruch und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Molen brüche α, #, γ, # die Werte a = 0,92 # = 0,04 γ = 0,04 # = 0,00 aufweisen.