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.
Solid electrolyte for high temperature fuel cells
It is well known that fuel cells are used for the direct conversion of chemical into electrical energy.
For this purpose, in fuel cells with a solid electrolyte, the working temperature of which is around 1000 ° C., one electrode is oxygen and the other a fuel, e.g. B. hydrogen, too.
Oxygen absorbs electrons at its electrode, migrates through the solid electrolyte as a doubly negatively charged ion and reacts with hydrogen to form water at the other electrode while simultaneously releasing electrons. In this way, a potential difference builds up between the two electrodes, so that a current flows in a connected consumer circuit.
Zirconium dioxide is preferably used as the solid electrolyte, to which further oxides have been added to improve the phase stability and ion mobility of the oxygen ions. It is known (W. Nernst, Zeitschrift Elektrochemie, H. 6, 1900, page 41, and C. Wagner, Zeitschrift Naturwissenschaften, H. 31, 1943, 5. 265), for this purpose the zirconium dioxide yttrium oxide Y2 O8 or calcium oxide CaO to add.
Although the phase stability and the oxygen ion conductivity were improved in this way, the high operating temperature of such cells (1000 C) is disadvantageous.
It is also known (H. Tannenberger et al, Revue Energie Primaire III, 1965, p.
19-26) to add ytterbium oxide Yb2O3, which at temperatures below 1000 C probably improves the oxygen ion conductivity, but not the phase stability.
Solid electrolytes are also known which consist of three oxides, such as Zr O2 / CaO / MgO or Zr O2 / Yb2 O3 / Al2O3. However, these solid electrolytes mentioned have considerable disadvantages. Either they are not phase-stable at high temperatures of 800-1000 C, such as Zr O2 / Yb2O3, so that the mobility of oxygen ions continuously deteriorates, or the latter is very low at the desired working temperatures of 700 C-800 C.
The object of the invention is to remedy these disadvantages.
The solid electrolyte according to the invention for high-temperature fuel cells is characterized in that it corresponds to the formula [ZrO2] a + [Y2Oss] ss + [Yb2O3] + [AlO3] a, with a + ss + y + a = 1, wherea a, B , r and 8 each denotes the mole fraction and 0 <d.
This measure achieves very good oxygen ion conductivity and phase stability of the solid electrolyte. It was recognized that the solid electrolyte has the desired properties when the mole fractions are in the following intervals:
0.84 <a S 0.96 ss S 0.16 y 0.16 d S 0.04
It was also found that the above-mentioned disadvantages of the known solid electrolytes can be eliminated if the solid electrolyte according to the invention has the composition [ZrO2] a + [Y2O3J> + [YbO3Jy, with a + fl + y = 1, the indices being the Specify mole fractions, which are advantageously in the following value ranges:
:
0.84 <a: 5 0.96 ss S 0.16 Y <0.16
Yttrium oxide and ytterbium oxide are therefore added to the solid electrolytes according to the invention at the same time, and both of these together surprisingly eliminate the known disadvantages. The solid electrolytes have good oxygen ion conductivity and phase stability at a working temperature of 750-800 C. The mobility for other ions is low, as is the electronic conductivity (proportion <1%). They are also gas-tight and chemically resistant to oxidizing and reducing reactants.
The solid electrolytes of the composition prove to be particularly favorable in terms of their properties: [ZrO2] 0.92 + [Y2O3] 0.04 + [Yb2O3] 0.04 [ZrO2] 0.88 + [Y2O3] 0.06 + [Yb2O3] 0.04 + [Al2O3] 0.02
To produce these solid electrolytes, the binary mixed oxides in question, e.g. B. ZrO2 / Y2O3 or ZrO2 / Yb2O3 or ZrO2 / Y2O3, ZrO2 / Yb2O3 and ZrO2 / Al2O3 or the individual components ZrO2, Y2O3, Yb2O3 and A1203 mixed in the appropriate ratio and the known methods applied.
The solid electrolyte can be in the form of plates or
Solid cylinders or pipes and processed by grinding, drilling and sawing.