DE10223746A1 - Process for the production of mixed oxides containing lanthanum, strontium and manganese for electrodes in fuel cells - Google Patents
Process for the production of mixed oxides containing lanthanum, strontium and manganese for electrodes in fuel cellsInfo
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Mischoxiden, enthaltend Lanthan, Strontium und Mangan der allgemeinen Formel (La¶1-x¶Sr¶x¶)¶y¶MnO¶3¶, worin unabhängig voneinander x eine Zahl von 0,01 bis 0,99 und y eine Zahl von 0,01 bis 1 bedeuten, dadurch gekennzeichnet, dass man aus einer wässerigen Lösung von Lanthan-, Strontium- und Mangansalzen das Wasser durch Konvektionstrocknung weitgehend entfernt und anschließend das gewonnene Pulver oder Granulat durch Erhitzen in die Mischoxide überführt, wobei die Gewichtsverhältnisse der Salze so gewählt werden, dass sich in den Mischoxiden ein Elementverhältnis von La : Sr = (1 - x) : x und (La¶1-x¶Sr¶x¶) : Mn = y : 1 einstellt.Process for the preparation of mixed oxides containing lanthanum, strontium and manganese of the general formula (La¶1-x¶Sr¶x¶) ¶y¶MnO¶3¶, in which x is independently a number from 0.01 to 0.99 and y is a number from 0.01 to 1, characterized in that the water is largely removed by convection drying from an aqueous solution of lanthanum, strontium and manganese salts and then the powder or granules obtained are converted into the mixed oxides by heating, the Weight ratios of the salts are selected so that an element ratio of La: Sr = (1 - x): x and (La¶1-x¶Sr¶x¶): Mn = y: 1 is established in the mixed oxides.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mischoxiden enthaltend Lanthan, Strontium und Mangan sowie die Verwendung dieser Mischoxide als Elektrodenmaterial in Brennstoffzellen mit festen oxidischen Elektrolyten (Solid oxide fuel cell, SOFC). The invention relates to a process for producing mixed oxides containing Lanthanum, strontium and manganese and the use of these mixed oxides as Electrode material in fuel cells with solid oxidic electrolytes (Solid oxide fuel cell, SOFC).
Es ist bekannt, Elektroden für Brennstoffzellen mit Elektrolyten aus festen Oxiden aus Mischoxiden mit Perowskit-Struktur herzustellen, die Lanthan enthalten. Beispiele dafür sind Lanthanmanganit LaMnO3, Lanthancobaltit LaCoO3 oder Lanthanstrontiummanganit (La,Sr)MnO3. Diese Verbindungen haben den Vorteil einer guten Hitzebeständigkeit, die wegen der hohen Betriebstemperatur der Zellen von über 1000°C notwendig ist. Außerdem stimmen ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten meistens sehr gut mit dem des festen oxidischen Elektrolyten überein, so dass durch unterschiedliche Wärmeausdehnung hervorgerufene Spannungen in der Zelle vermieden werden, wenn man diese Materialien verwendet. It is known to produce electrodes for fuel cells with electrolytes from solid oxides from mixed oxides with a perovskite structure which contain lanthanum. Examples of this are lanthanum manganite LaMnO 3 , lanthanum cobaltite LaCoO 3 or lanthanum strontium manganite (La, Sr) MnO 3 . These compounds have the advantage of good heat resistance, which is necessary because of the high operating temperature of the cells of over 1000 ° C. In addition, their coefficients of thermal expansion mostly correspond very well to those of the solid oxidic electrolyte, so that stresses in the cell caused by different thermal expansion are avoided when using these materials.
Bevorzugt können Elektroden eingesetzt werden, die unter Verwendung der Lanthan, Strontium und Mangan enthaltenden Mischoxide hergestellt werden. Dieses Material ist porös mit einer hohen spezifischen Oberfläche. Es besitzt daher eine ausgezeichnete Durchlässigkeit für Sauerstoff und Sauerstoffionen. Dadurch wird die geforderte hohe Leitfähigkeit der Elektrode sichergestellt. Electrodes can preferably be used using the Mixed oxides containing lanthanum, strontium and manganese are produced. This Material is porous with a high specific surface. It therefore has one excellent permeability to oxygen and oxygen ions. This will ensures the required high conductivity of the electrode.
Zur Herstellung dieser Elektroden aus Lanthanstrontiummanganit (La,Sr)MnO3 wurde bereits vorgeschlagen, zunächst feste Oxide oder Carbonate des Lanthans, Strontiums oder Mangans mechanisch zu mischen und dann zum Mischoxid umzusetzen. Um eine befriedigende Reaktion zu erhalten, sind dabei hohe Temperaturen von 1300 bis 1600°C notwendig. Das Mischoxid wird anschließend gemahlen, mit Wasser und organischem Bindemittel geknetet, geformt und bei vorstehend genannten Temperaturen zur Elektrodenform gebrannt (EP-A 0 633 619). To produce these electrodes from lanthanum strontium manganite (La, Sr) MnO 3 , it has already been proposed to first mechanically mix solid oxides or carbonates of lanthanum, strontium or manganese and then to convert them to the mixed oxide. In order to obtain a satisfactory reaction, high temperatures of 1300 to 1600 ° C are necessary. The mixed oxide is then ground, kneaded with water and organic binder, shaped and fired to the shape of an electrode at the temperatures mentioned above (EP-A 0 633 619).
Die so hergestellten Elektroden sind porös und haben deshalb eine gute Durchlässigkeit für Luft. Sie sollten daher auch eine gute Leitfähigkeit besitzen. Doch bekanntlich kann beim Herstellen der Mischoxide wegen der sehr hohen Temperaturen und wegen der mangelhaften Reproduzierbarkeit der Reaktion Material anfallen, das zu porös ist und deshalb eine erniedrigte spezifische Dichte besitzt. Dadurch nehmen in nachteiliger Weise der elektrische Widerstand zu und damit die elektrische Leitfähigkeit unerwünscht ab (EP-A 0 361 383). The electrodes thus produced are porous and therefore have a good one Permeability to air. You should therefore have good conductivity. But is known to be able to manufacture the mixed oxides because of the very high Temperatures and because of the poor reproducibility of the reaction material accumulate, which is too porous and therefore has a low specific density. This disadvantageously increases the electrical resistance and thus the electrical conductivity undesirable (EP-A 0 361 383).
Bekannt sind auch die Herstellung von Lanthan-Strontium-Mangan-Mischoxiden vom Perowskit-Typ aus den Metallcarbonaten unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung als Energiequelle (US 5 462 009) sowie die Herstellung durch Plasmapyrolyse von Flüssigkeiten, welche die Bestandteile des Mischoxids in Form gelöster Metallsalze enthalten (J. Am. Ceram. Soc. (1997), 80(1), 261-263; Mater. Sci. Eng., B (1997), B49(1), 36-41.). The production of mixed lanthanum-strontium-manganese oxides is also known of the perovskite type from the metal carbonates using Microwave radiation as an energy source (US 5 462 009) and the production by Plasma pyrolysis of liquids in the form of the components of the mixed oxide dissolved metal salts contain (J. Am. Ceram. Soc. (1997), 80 (1), 261-263; Mater. Sci. Eng., B (1997), B49 (1), 36-41.).
Die Nachteile beider Verfahren liegen in den geringen Materialdurchsätzen bei gleichzeitig hohem Energieverbrauch, was für die technische Fertigung außerordentlich nachteilig ist. The disadvantages of both methods are the low material throughputs at the same time high energy consumption, what for technical production is extremely disadvantageous.
Ferner ist auch bekannt, die Mischoxide durch Pyrolyse eines Feststoffgemischs der entsprechenden Metallcitrate und Cellulose durchzuführen, wobei bereits relativ niedrige Temperaturen zur Umsetzung führen sollen (Gongneng Cailiao (1998), 29, 1190-1191). It is also known that the mixed oxides by pyrolysis of a solid mixture the corresponding metal citrates and cellulose to perform, already relatively low temperatures are said to lead to implementation (Gongneng Cailiao (1998), 29, 1190-1191).
Bekannt ist aber auch, dass es besonders bei der technischen Herstellung der Mischoxide schwierig ist, mit festen Ausgangsverbindungen homogene Gemische zu erzeugen, die dann auch zu homogen aufgebauten Mischoxiden führen. Dies ist selbst dann der Fall, wenn die eingangs zur Reaktion geschilderten hohen Temperaturen von über 1000°C verwendet werden. Uneinheitlich aufgebautes Material führt aber gleichfalls zur Beeinträchtigung der geforderten guten Leitfähigkeit. Zusätzlich können sich noch Mischphasen von Lanthanoxiden und Lanthancarbonaten der angenäherten Formel La2CO5 bilden, die die Leitfähigkeit gleichfalls unerwünscht herabsetzen. However, it is also known that it is difficult, particularly in the technical production of mixed oxides, to produce homogeneous mixtures with solid starting compounds, which then also lead to homogeneous mixed oxides. This is the case even when the high temperatures of above 1000 ° C. described at the beginning of the reaction are used. Inconsistent material also leads to impairment of the required good conductivity. In addition, mixed phases of lanthanum oxides and lanthanum carbonates of the approximate formula La 2 CO 5 can also form, which likewise undesirably reduce the conductivity.
Es war deshalb die Aufgabe gestellt, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Mischoxiden enthaltend Lanthan, Strontium und Mangan bereitzustellen, das die beschriebenen Nachteile nicht besitzt und zu homogen aufgebauten, gut reproduzierbar herstellbaren Produkten mit ausgezeichneter Leitfähigkeit führt. It was therefore the task of an improved method of manufacture to provide mixed oxides containing lanthanum, strontium and manganese, the does not have the disadvantages described and is too homogeneous, good leads to reproducible products with excellent conductivity.
Diese Aufgabe konnte erfindungsgemäß dadurch gelöst werden, dass man zunächst aus einer wässerigen Lösung, die Lanthan-, Strontium- und Mangansalze enthält, das Wasser durch Konvektionstrocknung weitgehend entfernt und dann die erhaltenen Pulver oder Granulate sintert, wobei die gewünschten Mischoxide entstehen. This object could be achieved according to the invention in that first of all from an aqueous solution, the lanthanum, strontium and manganese salts contains, the water largely removed by convection drying and then the powder or granules obtained sinters, the desired mixed oxides arise.
Es war nicht vorauszusehen und ist deshalb als überraschend zu bezeichnen, dass sich beim neuen Verfahren im Vergleich zu den beim Stand der Technik benötigten Temperaturen bereits bei wesentlich niedrigeren Sintertemperaturen in einem Bereich von ca. 250-900°C Mischoxide bilden, die die geforderten überlegenen Eigenschaften besitzen. Sie weisen eine ausgezeichnete Homogenität auf, sind frei von Mischphasen von Lanthanoxiden und Lanthancarbonaten und sind bei hoher spezifischer Dichte genügend porös und durchlässig für Sauerstoff. Deshalb lassen sich aus den nach dem neuen Verfahren vorteilhaft hergestellten Mischoxiden Elektroden darstellen, die eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit besitzen. It was not foreseeable and can therefore be described as surprising that in the new method compared to that in the prior art required temperatures at significantly lower sintering temperatures in one A range of approx. 250-900 ° C form mixed oxides that are superior to those required Possess properties. They have excellent homogeneity and are free of mixed phases of lanthanum oxides and lanthanum carbonates and are at high specific density sufficiently porous and permeable to oxygen. Therefore can be made from the mixed oxides advantageously produced by the new process Represent electrodes that have excellent electrical conductivity.
Gegenstand der Erfindung ist also ein Verfahren zur Herstellung von Mischoxiden enthaltend Lanthan, Strontium und Mangan der allgemeinen Formel (La1-xSrx)yMnO3, worin unabhängig voneinander x eine Zahl von 0,01 bis 0,99 und y eine Zahl von 0,01 bis 1 bedeuten, dadurch gekennzeichnet, dass man aus einer wässerigen Lösung, die Lanthan-, Strontium- und Mangansalze enthält, das Wasser durch Konvektionstrocknung weitgehend entfernt und anschließend das gewonnene Pulver oder Granulat durch Erhitzen in die Mischoxide überführt, wobei die Gewichtsverhältnisse der Salze in der wässerigen Lösung so gewählt werden, dass sich in den Mischoxiden ein Elementverhältnis von La : Sr = (1 - x) : x und (La1-xSrx) : Mn = y : 1 einstellt. The invention thus relates to a process for the preparation of mixed oxides containing lanthanum, strontium and manganese of the general formula (La 1-x Sr x ) y MnO 3 , in which, independently of one another, x is a number from 0.01 to 0.99 and y is a number from 0.01 to 1, characterized in that from an aqueous solution which contains lanthanum, strontium and manganese salts, the water is largely removed by convection drying and then the powder or granules obtained are converted into the mixed oxides by heating, the Weight ratios of the salts in the aqueous solution are selected such that an element ratio of La: Sr = (1 - x): x and (La 1-x Sr x ): Mn = y: 1 is established in the mixed oxides.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mischoxide als Elektrodenmaterial insbesondere für Kathoden in Brennstoffzellen mit festen oxidischen Elektrolyten (Solid oxide fuel cell, SOFC). Another object of the invention is the use of the after Mixed oxides produced according to the invention as electrode material especially for cathodes in fuel cells with solid oxidic electrolytes (Solid oxide fuel cell, SOFC).
Die beim neuen Verfahren verwendeten Lanthan-, Strontium- und Mangansalze der Metalle sind bekannt oder können nach bekannten Verfahren hergestellt werden. Es können Salze des Lanthans, Strontiums und Mangans sowohl mit anorganischen wie auch organischen Säuren verwendet werden. The lanthanum, strontium and manganese salts used in the new process the metals are known or can be produced by known processes become. Salts of lanthanum, strontium and manganese can be used with both inorganic and organic acids can be used.
Es werden die Salze besonders bevorzugt, die eine gute Wasserlöslichkeit besitzen, und die sich im Sinterschritt gut zu den gewünschten Mischoxiden zersetzen lassen. The salts which have good water solubility are particularly preferred possess, and which decompose well to the desired mixed oxides in the sintering step to let.
Anorganische Säuren sind beispielsweise die verschiedenen Schwefelsäuren, wie Schweflige Säure oder Schwefelsäure, Salpetersäuren, wie Salpetrige Säure und Salpetersäure, Phosphorsäuren, wie Phosphorige Säure und Orthophosphorsäure Kohlensäure, Chlor-, Brom- und Iodwasserstoffsäure. Inorganic acids are, for example, the various sulfuric acids, such as Sulphurous acid or sulfuric acid, nitric acids such as nitrous acid and Nitric acid, phosphoric acids such as phosphorous acid and orthophosphoric acid Carbonic acid, chloric, bromic and hydroiodic acid.
Organische Säuren sind beispielsweise lineare und verzweigte Carbonsäuren, wie z. B. Ameisen-, Essig- und Pivalinsäure, aromatische Carbonsäuren, wie z. B. Benzoesäure, cycloaliphatische Carbonsäuren, wie z. B. Cyclohexancarbonsäure, Dicarbonsäuren, wie z. B. Oxalsäure. Organic acids are, for example, linear and branched carboxylic acids, such as z. B. formic, acetic and pivalic acid, aromatic carboxylic acids, such as. B. Benzoic acid, cycloaliphatic carboxylic acids, such as. B. cyclohexane carboxylic acid, Dicarboxylic acids, such as. B. oxalic acid.
Bei Verwendung der Salze des Lanthans, Strontiums und Mangans mit anorganischen Säuren, also beispielsweise der Sulfate, Nitrate oder Chloride, ist allerdings im thermischen Reaktionsschritt der Sinterung mit Emissionen von Schwefel- und Stickstoffoxiden bzw. Halogenwasserstoff zu rechnen. Diese Gase können zur Korrosion von Apparaturen führen und machen eine aufwendige Aufbereitung der Prozessabluft notwendig. Ihre Verwendung ist deshalb weniger bevorzugt. When using the salts of lanthanum, strontium and manganese with however, inorganic acids, for example sulfates, nitrates or chlorides in the thermal reaction step of sintering with emissions of sulfur and Nitrogen oxides or hydrogen halide. These gases can Corrosion of equipment lead and make a complex preparation of the Process exhaust air necessary. Their use is therefore less preferred.
Bevorzugt werden Salze des Lanthans, Strontiums und Mangans mit organischen Säuren eingesetzt, da die bei der Sinterung entstehenden flüchtigen Spaltprodukte wesentlich weniger aggressiv als im vorstehend beschriebenen Fall sind. Salts of lanthanum, strontium and manganese with organic are preferred Acids are used because the volatile fission products formed during sintering are much less aggressive than in the case described above.
Besonders bevorzugt werden als Salze die Formiate, insbesondere jedoch die Acetate eingesetzt. Letztere weisen eine ausgezeichnete Löslichkeit in Wasser auf. Sie sind auch einfach herzustellen, beispielsweise durch Reaktion der Oxide mit den Carbonsäuren. Sie sind deshalb auch gut verfügbar. The formates are particularly preferred as salts, but in particular those Acetate used. The latter have excellent solubility in water. They are also easy to manufacture, for example by reacting the oxides with the carboxylic acids. That is why they are also readily available.
Die Salze können durch Verrühren in Wasser aufgelöst werden, wobei es möglich ist, jede Komponente getrennt für sich zu lösen und dann die Lösungen gegebenenfalls zu vereinen. Man kann aber auch die Komponenten zusammen in Lösung bringen, wobei dann die Reihenfolge der Zugabe keine Rolle spielt. The salts can be dissolved in water by stirring, where possible is to solve each component separately and then the solutions if necessary to unite. But you can also put the components together in solution bring, the order of addition then does not matter.
Die wässerigen Lösungen der Salze können in relativ verdünnter wie auch relativ konzentrierter Form verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, 1 bis 60 gew.-%ige Lösungen zu verwenden. Bevorzugt werden jedoch 5 bis 50, insbesondere 10 bis 40 gew.-%ige Lösungen in die Konvektionstrocknung eingesetzt, da in diesem Gewichtsbereich die Salze noch sehr gut wasserlöslich sind, Konzentrationsniederschläge vermieden werden und sich damit besonders geeignete Pulver herstellen lassen. The aqueous solutions of the salts can be in relatively dilute as well as relatively concentrated form can be used. For example, it is possible to use 1 to 60% by weight To use solutions. However, 5 to 50 are preferred. in particular 10 to 40 wt .-% solutions used in convection drying, because in In this weight range, the salts are still very soluble in water, Concentration precipitation can be avoided and thus particularly suitable powder have it made.
Die Temperatur der wässerigen Lösungen sollte so gewählt werden, dass eine ausreichende Löslichkeit gegeben ist. Zur Verbesserung der Löslichkeit und zur Vermeidung von Konzentrationsniederschlägen insbesondere konzentrierterer Lösungen kann es deshalb sinnvoll sein, bereits beim Lösevorgang zu erwärmen und erwärmte Salzlösungen einzusetzen. Ein Temperaturbereich von 20-80°C hat sich besonders bewährt. The temperature of the aqueous solutions should be chosen so that a there is sufficient solubility. To improve solubility and Avoidance of precipitation, especially more concentrated ones Solutions can therefore make sense to warm up during the dissolving process and use heated salt solutions. A temperature range of 20-80 ° C has proven particularly successful.
Die Salzlösungen werden dann in einer Konvektionstrocknung, beispielsweise durch Sprühtrocknung oder Wirbelschichttrocknung, weitgehend vom Wasser befreit, wobei die üblichen in der Technik eingesetzten Geräte verwendet werden. The salt solutions are then in a convection dryer, for example by spray drying or fluidized bed drying, largely from water exempt, using the usual devices used in technology.
Erfindungsgemäß kann die Konvektionstrocknung mittels Fluidattrocknung, Förderluft- oder Flugtrocknung erfolgen. According to the invention, convection drying by means of fluid drying, Conveying air or flight drying take place.
Besonders bevorzugt wird die Sprüh- oder Wirbelschichtsprühgranuliertrocknung angewendet. Spray or fluidized bed spray granulation drying is particularly preferred applied.
Bei der besonders bevorzugten Ausführungsform der Sprühtrocknung wird die zu trocknende Salzlösung in bekannter Weise am oberen Ende eines weiten, zylindrischen Behälters durch Düsen oder mittels einer schnell rotierenden Zerstäuberscheibe zu einem Tropfennebel versprüht. Der entstehende Tropfennebel wird mit heißer Luft oder einem Inertgas gemischt, welche um die Zerstäubungszone in den Trockner eingeleitet werden. Als Zerstäubungseinrichtungen kommen Drall- Druckdüsen, pneumatische Düsen oder Zentrifugalzerstäuber in Frage. In the particularly preferred embodiment of spray drying, this becomes drying saline solution in a known manner at the top of a wide, cylindrical container through nozzles or by means of a rapidly rotating Atomizer disk sprayed into a drop mist. The resulting droplet fog is included hot air or an inert gas mixed around the atomization zone the dryer be started. Swirl Pressure nozzles, pneumatic nozzles or centrifugal atomizers in question.
Man kann dabei so vorgehen, dass man die Salzlösungen der Einzelkomponenten getrennt voneinander dem Sprühtrockner zuführt und die Lösungen erst vor der Zerstäuberdüse mischt. Es ist jedoch auch möglich, beispielsweise eine Salzlösung, die zwei der Komponenten enthält, dem Sprühtrockner zuzuführen, und sie mit der dritten, gelösten Komponente vor der Zerstäuberdüse zu mischen. Man kann jedoch auch eine wässerige Lösung einsetzen, in der die Salze der drei Komponenten zusammen vorliegen. One can proceed in such a way that the salt solutions of the individual components separately from the spray dryer and the solutions only before Atomizer nozzle mixes. However, it is also possible, for example one Saline solution containing two of the components to the spray dryer, and them mix with the third, dissolved component in front of the atomizing nozzle. you can also use an aqueous solution in which the salts of the three Components exist together.
Die Trocknung wird bei einer Zulufttemperatur vorzugsweise im Bereich von 200 bis 400°C durchgeführt. Besonders bevorzugt ist ein Bereich zwischen 250 und 300°C. Drying is preferably at a supply air temperature in the range of 200 up to 400 ° C. A range between 250 and is particularly preferred 300 ° C.
Die erhaltenen Produkte sind mikroskopisch homogene Pulver oder Granulate in einem Korngrößenbereich von etwa 0,0005 mm bis 1 mm, vorzugsweise 0,001 bis 0,1 mm. Das Verfahren erlaubt es, Partikel in einem einstellbaren und überraschend gut reproduzierbaren Korngrößenbereich zu erhalten, was für die nachstehend beschriebene Mischoxidbildung von großem Vorteil ist. The products obtained are microscopically homogeneous powders or granules a grain size range of about 0.0005 mm to 1 mm, preferably 0.001 to 0.1 mm. The process allows particles in an adjustable and Obtain surprisingly reproducible grain size range, what for Mixed oxide formation described below is of great advantage.
Die vorzugsweise in Pulverform erhaltenen Produkte weisen normalerweise eine Restfeuchte unter 4% auf. The products, preferably obtained in powder form, normally have one Residual moisture below 4%.
Im nächsten Verfahrensschritt werden die durch Konvektionstrocknung erhaltenen Pulver gesintert. Dazu bringt man sie vorzugsweise auf eine Temperatur von 250 °C bis 900°C, vorzugsweise 600 bis 900°C. Nach etwa 20 bis 30 h ist die Mischoxidbildung gewöhnlich abgeschlossen, wobei Restwasser und organische flüchtige Bestandteile aus dem System eliminiert werden. Um möglichst homogene Produkte zu erhalten, empfiehlt es sich dabei, die Aufheiz- und Abkühlungsphase temperaturgesteuert mit etwa 3 bis 5°C/min durchzuführen. In the next process step, those obtained by convection drying are obtained Powder sintered. For this purpose, it is preferably brought to a temperature of 250 ° C to 900 ° C, preferably 600 to 900 ° C. After about 20 to 30 h Mixed oxide formation is usually completed, with residual water and organic volatile components are eliminated from the system. To be as homogeneous as possible To receive products, it is recommended that the heating and cooling phase temperature controlled at about 3 to 5 ° C / min.
Falls erforderlich können die durch Sinterung hergestellten Mischoxide nach üblichen Methoden gemahlen werden, etwa zu Pulvern mit Teilchendurchmessern von 0,001 bis 0,05 mm. If necessary, the mixed oxides produced by sintering can after usual methods are ground, for example to powders with particle diameters from 0.001 to 0.05 mm.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Lanthan, Strontium und Mangan enthaltenden Mischoxide können in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der eingesetzten Komponentenvorlage stöchiometrisch aufgebaut sein (y = 1), wie es in der Japanischen Offenlegungsschrift No. 2-293,384 beschrieben ist. Nach EP-A 0 633 619 können sie aber auch Lanthan- und Strontiumionen im stöchiometrischen Unterschuss enthalten (y < 1). The lanthanum, strontium produced by the process according to the invention and mixed oxides containing manganese can, depending on the The composition of the component template used has a stoichiometric structure (y = 1) as described in Japanese Patent Laid-Open No. 2-293,384 is. According to EP-A 0 633 619, however, they can also contain lanthanum and strontium ions stoichiometric deficit included (y <1).
Bevorzugt werden eine Salzlösung oder Salzlösungen eingesetzt, die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren Mischoxide der Formel
(La0,5-0,95Sr0,5-0,05)0,7-1MnO3
ergeben (0,05 ≤ x ≤ 0,5 und 0,7 ≤ y ≤ 1).
A salt solution or salt solutions are preferably used which, according to the process of the invention, mixed oxides of the formula
(La 0.5-0.95 Sr 0.5-0.05 ) 0.7-1 MnO 3
result (0.05 ≤ x ≤ 0.5 and 0.7 ≤ y ≤ 1).
Besonders bevorzugt werden jedoch eine Salzlösung oder Salzlösungen
verwendet, bei denen sich Mischoxide der Formel
(La0,7-0,9Sr0,3-0,1)0,9-1MnO3
bilden (0,1 ≤ x ≤ 0,3 und 0,9 ≤ y ≤ 1).
However, a salt solution or salt solutions in which mixed oxides of the formula are used are particularly preferred
(La 0.7-0.9 Sr 0.3-0.1 ) 0.9-1 MnO 3
form (0.1 ≤ x ≤ 0.3 and 0.9 ≤ y ≤ 1).
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform werden jedoch eine
Salzlösung oder Salzlösungen eingesetzt, die zu einem Mischoxid der Formel
La0,8Sr0,2MnO3
führen (x = 0,2 und y = 1). Mit diesem Mischoxid, das nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, können Elektroden hergestellt werden, die ganz
besonders günstige Eigenschaften besitzen.
In a very particularly preferred embodiment, however, a salt solution or salt solutions are used which result in a mixed oxide of the formula
La 0.8 Sr 0.2 MnO 3
lead (x = 0.2 and y = 1). With this mixed oxide, which is produced by the method according to the invention, electrodes can be produced which have very particularly favorable properties.
Die nach dem erfindungsgemäßen und sehr gut reproduzierbaren Verfahren erhaltenen Mischoxide sind bei hoher Homogenität porös mit hoher spezifischer Oberfläche bei gleichzeitig hoher spezifischer Dichte. Deshalb weisen sie eine ausgezeichnete Leitfähigkeit auf. Insbesondere diese Eigenschaften machen sie zu einem wertvollen Ausgangsprodukt für die Herstellung von Elektroden für Brennstoffzellen. The method according to the invention and very reproducible Mixed oxides obtained are porous with high specificity with high homogeneity Surface with high specific density. That's why they assign one excellent conductivity. These properties in particular make them closed a valuable starting product for the production of electrodes for Fuel cells.
Diese Herstellung von Elektroden, vorzugsweise Kathoden, aus den Lanthan, Strontium und Mangan enthaltenden Mischoxiden ist bekannt oder kann nach bekannten Methoden erfolgen. This production of electrodes, preferably cathodes, from the lanthanum, Mixed oxides containing strontium and manganese are known or can be known methods.
Beispielsweise werden die erfindungsgemäßen Mischoxide mit Wasser und in Gegenwart eines wasserlöslichen organischen Bindemittels, wie z. B. Polyacrylsäure oder Polyvinylalkohol, geknetet und aus dem Teig die Elektrode geformt. Falls erforderlich können noch weitere porenformende Substanzen, wie z. B. weitere Polyacrylate oder auch Kohlenstoffpulver, dem Teig zugesetzt werden. Der Zusatz an porenformenden Substanzen beträgt vorzugsweise zwischen 2 und 7 Gew.-% bez. auf das eingesetzte Mischoxid. Anschließend wird die Form getrocknet und dann zur Elektrode gebrannt. For example, the mixed oxides according to the invention with water and in Presence of a water-soluble organic binder, such as. B. Polyacrylic acid or polyvinyl alcohol, kneaded and the electrode formed from the dough. If necessary, other pore-forming substances, such as. B. other polyacrylates or carbon powder, the dough are added. The addition of pore-forming substances is preferably between 2 and 7% by weight on the mixed oxide used. Then the shape dried and then burned to the electrode.
Es ist jedoch auch möglich, die Mischoxide direkt auf den Elektrolyten, der zumeist aus Zirkonoxid, das mit dem Oxid eines alkalischen Erdmetalls oder Seltenerdmetalls stabilisiert ist, aufzubringen. Für dieses Verfahren wurde beispielsweise die Sintermethode beschrieben, wobei der Elektrolyt mit angeteigtem Elektrodenmaterial beschichtet wird. Man kann dabei das Elektrodenmaterial als verdruckbare Paste herstellen und als Beschichtungsmethode das Siebdruckverfahren verwenden. However, it is also possible to apply the mixed oxides directly to the electrolyte mostly made of zirconium oxide, which is combined with the oxide of an alkaline earth metal or Rare earth metal is stabilized to apply. For this procedure For example, the sintering method described, the electrolyte with pasted Electrode material is coated. You can use the electrode material as Make printable paste and use it as a coating method Use screen printing.
Es ist jedoch auch möglich, den Elektrolyten mit pulverisiertem Elektrodenmaterial zu beschichten, wobei thermische Methoden, die Laser-Sprühmethode, die Plasma-Sprühmethode, die Laser-Plasma-Hybrid-Sprühmethode und ähnliches zur Anwendung kommen. Dabei wird das Elektrodenmaterial auf die Oberfläche des festen Elektrolyten aufgebracht, um dort eine Membran zu bilden, die die Elektrode einer Brennstoffzelle darstellt (GB 2 284 599). However, it is also possible to powder the electrolyte with Coating electrode material using thermal methods, the laser spray method, the Plasma spraying method, the laser-plasma hybrid spraying method and the like come into use. The electrode material is placed on the surface of the solid electrolyte to form a membrane there, which the Electrode of a fuel cell (GB 2 284 599).
Bei vorstehend beschriebenen Verfahren kann der Elektrolyt bereits auf der Gegenelektrode, beispielsweise der Anode, aufgebracht sein. In the method described above, the electrolyte can already on the Counter electrode, for example the anode, may be applied.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher beschrieben, ohne sie jedoch einzuschränken. The invention is described in more detail by the following examples, without however, restrict them.
Das Beispiel beschreibt die Herstellung eines Mischoxids enthaltend Lanthan, Strontium und Mangan der Zusammensetzung La0,8Sr0,2MnO3: The example describes the preparation of a mixed oxide containing lanthanum, strontium and manganese with the composition La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 :
5745 g (17,6 Mol) Lanthanoxid (La2O3) wurden in einem Gemisch bestehend aus 7630 g (122,1 Mol) Essigsäure und 74970 g Wasser unter Rühren suspendiert. Anschließend wird die Mischung auf eine Temperatur von 70°C gebracht. Nach etwa einer Stunde war eine klare Lösung entstanden. In die auf Raumtemperatur abgekühlte Lösung wurden sodann 10804 g (44,1 Mol) Mangandiacetat (als Tetrahydrat; Mn(CH3COO)2 × 4H2O) und 1814 g (8,8 Mol) Strontiumdiacetat (Sr(CH3COO)2) eingetragen und so lange gerührt, bis eine klare Lösung entstanden war. Anschließend wurde die Lösung durch Essigsäurezugabe auf einen pH- Wert von ca. 4 eingestellt. Es wurden 100 kg Lösung mit einem Feststoffanteil von 22,8% erhalten. 5745 g (17.6 mol) of lanthanum oxide (La 2 O 3 ) were suspended in a mixture consisting of 7630 g (122.1 mol) of acetic acid and 74,970 g of water with stirring. The mixture is then brought to a temperature of 70.degree. After about an hour, a clear solution had been found. 10804 g (44.1 mol) of manganese diacetate (as tetrahydrate; Mn (CH 3 COO) 2 × 4H 2 O) and 1814 g (8.8 mol) of strontium diacetate (Sr (CH 3 COO) were then added to the solution, which had cooled to room temperature. 2 ) entered and stirred until a clear solution was obtained. The solution was then adjusted to a pH of approximately 4 by adding acetic acid. 100 kg of solution with a solids content of 22.8% were obtained.
Anschließend wurde die wässerige Lösung sprühgetrocknet. Dies wurde mit Hilfe eines Sprühturmes Lab Plant Spray Drier Typ SD 04 durchgeführt. Der Volumenstrom der Ausgangslösung lag dabei bei 1-2 l/h. Die Zulufttemperatur lag bei etwa 280°C. Als Produkt wurde ein freifließendes, schwach bräunlich gefärbtes Pulver erhalten. The aqueous solution was then spray dried. This was done with the help of a spray tower Lab Plant Spray Drier type SD 04. The The volume flow of the starting solution was 1-2 l / h. The supply air temperature was about 280 ° C. The product was a free-flowing, slightly brownish colored Get powder.
10 kg des durch Sprühtrocknung erhaltenen Pulvers wurden nach dem
nachstehend beschriebenem Temperaturprogramm im Quarztiegel gesintert:
- 1. Aufheizen auf 105°C (0,5 h)
- 2. Halten bei 105°C (3 h)
- 3. Aufheizen auf 300°C (3 h)
- 4. Halten bei 300°C (3 h)
- 5. Aufheizen auf 850°C (3 h)
- 6. Halten bei 850°C (10 h)
- 7. Abkühlen auf Raumtemp. (10 h)
- 1. Heating up to 105 ° C (0.5 h)
- 2. Hold at 105 ° C (3 h)
- 3. Heating up to 300 ° C (3 h)
- 4. Hold at 300 ° C (3 h)
- 5. Heating up to 850 ° C (3 h)
- 6. Hold at 850 ° C (10 h)
- 7. Cool to room temp. (10 h)
Es wurden 5020 g schwarzes, leicht metallisch glänzendes Produkt erhalten. Danach wurde es in einem Mahlprozess zerkleinert. 5020 g of black, slightly metallic glossy product were obtained. Then it was crushed in a grinding process.
Das Röntgendiffraktogramm zeigte, dass die gewünschte Verbindung vorlag und im Perowskit-Gitter kristallisierte. Unerwünschte Phasen von Lanthanoxiden mit Carbonaten ließen sich nicht nachweisen. The X-ray diffractogram showed that the desired connection was present and crystallized in the perovskite lattice. Undesired phases of using lanthanum oxides No carbonates were found.
Die Überprüfung der Eigenschaften des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mischoxid der Formel La0,8Sr0,2MnO3 erfolgte in einer SOFC- Testzelle, in der die Elektroden und der Elektrolyt in schichtförmig gestapelter Bauweise vorlagen. Dazu wurde nach den beim Stand der Technik beschriebenen üblichen Methoden aus dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mischoxid der Formel La0,8Sr0,2MnO3 aus vorstehend beschriebenem Beispiel eine verdruckbare Paste hergestellt. Mit dieser Paste wurden mittels des Siebdruckverfahrens eine bereits fertig präparierte Anordnung einer Nickeloxid- Anode, die mit einer Elektrolytschicht aus mit Yttriumoxid dotierten Zirkonoxid überzogen war, bedruckt. Anschließend wurde gebrannt. Dabei bildete sich die Elektrode als Kathode mit einer Schichtstärke von ca. 150 Mikrometer aus. The properties of the mixed oxide of the formula La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 produced by the process according to the invention were checked in a SOFC test cell in which the electrodes and the electrolyte were in a stacked construction. For this purpose, a printable paste was produced from the mixed oxide of the formula La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 from the example described above using the conventional methods described in the prior art from the mixed oxide produced by the process according to the invention. With this paste, an already prepared arrangement of a nickel oxide anode, which was coated with an electrolyte layer made of zirconium oxide doped with yttrium oxide, was printed by means of the screen printing method. Then it was burned. The electrode formed as a cathode with a layer thickness of approximately 150 micrometers.
Die elektrischen Eigenschaften der Brennstoffzelle wurden über den flächenspezifischen Widerstand und die Leistung der Zelle pro Oberflächeneinheit bestimmt. Es ist üblich, diese Größen zur Charakterisierung von Brennstoffzellen zu verwenden. Mit steigender Leitfähigkeit der Kathode werden dabei der Zahlenwert des flächenspezifischen Widerstands niedriger und der Zahlenwert der Leistung größer und umgekehrt. The electrical properties of the fuel cell were determined by the area-specific resistance and the performance of the cell per surface unit are determined. It is common to use these sizes to characterize fuel cells use. The numerical value increases as the conductivity of the cathode increases of the area-specific resistance lower and the numerical value of the power bigger and vice versa.
Die SOFC-Testzelle wurde mit zwei Zellen verglichen, die analog zur Testzelle
aufgebaut waren mit der gleichen Anordnung von Elektroden und Elektrolyten
(Zellen 1 und 2). Auch hier bestanden die Anoden aus Nickeloxid und die
Elektrolyten aus mit Yttriumoxid dotierten Zirkonoxid. Die Kathoden wurden jeweils
aus am Markt erhältlichen LaSrMn-Oxiden hergestellt. Die erhaltenen Ergebnisse
sind in nachstehender Tabelle aufgelistet, die die überlegenen Eigenschaften des
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektrodenmaterials
verdeutlicht.
The SOFC test cell was compared with two cells that were constructed analogously to the test cell with the same arrangement of electrodes and electrolytes (cells 1 and 2). Here, too, the anodes were made of nickel oxide and the electrolytes of zirconium oxide doped with yttrium oxide. The cathodes were each made from LaSrMn oxides available on the market. The results obtained are listed in the table below, which illustrates the superior properties of the electrode material produced by the method according to the invention.
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