DE112020001817T5 - Festoxid-Brennstoffzelle, umfassend eine mit alkalibasiertem Promotor beladene Anode - Google Patents

Festoxid-Brennstoffzelle, umfassend eine mit alkalibasiertem Promotor beladene Anode Download PDF

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WooChul Jung
Dae-Kwang Lim
Jinwook Kim
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Abstract

Eine Festoxid-Brennstoffzelle gemäß dieser Erfindung kann eine Festoxid-Brennstoffzelle mit verbesserter Leistungsfähigkeit bereitstellen, indem eine Anode mit einem alkalibasierten Promotor beladen wird.

Description

  • [Technisches Gebiet]
  • Diese Erfindung betrifft eine Festoxid-Brennstoffzelle mit verbesserter Leistungsfähigkeit durch Beladen einer Anode mit einem alkalibasierten Promotor.
  • [Stand der Technik]
  • Eine SOFC (Festoxid-Brennstoffzelle) ist eine Energieumwandlungsvorrichtung, die chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt, und besteht aus einem Sauerstoffionen-leitfähigen Elektrolyten und einer Kathode und einer Anode, die an dessen beiden Seiten angeordnet sind.
  • Wenn jeder Elektrode einer Festoxid-Brennstoffzelle Luft und Brennstoff zugeführt werden, wird in einer Kathode Sauerstoff reduziert, um Sauerstoffionen zu erzeugen, und die erzeugten Sauerstoffionen bewegen sich durch einen Elektrolyten zu einer Anode und reagieren in der Anode mit zugeführtem Wasserstoff, um Wasser zu erzeugen. Dabei wird sie, da in der Anode Elektronen erzeugt werden und in der Kathode Elektronen verbraucht werden, wenn beide Elektroden miteinander verbunden sind, derart betrieben, dass Strom fließt.
  • Da eine Festoxid-Brennstoffzelle bei hoher Temperatur betrieben wird, werden Forschungen zur Senkung der Betriebstemperatur vorangetrieben, und dies betrifft im Allgemeinen die Leistungsfähigkeit von Kathode und Anode. Obwohl verschiedene Kathodenmaterialien mit hoher Elektronen-Ionen-Leitfähigkeit entwickelt werden, wurde bisher kein herausragendes Anoden-Material entwickelt, das Ni ersetzen kann.
  • Daher gibt es einen Bedarf für die Entwicklung einer Anode, die eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist, selbst wenn sich die Betriebstemperatur einer Festoxid-Brennstoffzelle verringert.
  • [Offenlegung]
  • [Technisches Problem]
  • Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Festoxid-Brennstoffzelle mit verbesserter Leistungsfähigkeit bereitzustellen, indem eine Anode mit einem alkalibasierten Promotor beladen wird.
  • [Technische Lösung]
  • Um das Problem zu lösen, umfasst eine Festoxid-Brennstoffzelle eine Kathode, eine Anode und einen Elektrolyten zwischen der Kathode und der Anode, wobei zumindest ein Teil der Poren der Anode einen Promotor umfasst, der eine Alkalimetallverbindung ist.
  • Da eine Festoxid-Brennstoffzelle bei hoher Temperatur betrieben wird, sollte insbesondere die Leistungsfähigkeit von Kathode und Anode verbessert werden, um so die Betriebstemperatur abzusenken, und diese Erfindung ist durch die Verbesserung der Leistungsfähigkeit einer Anode gekennzeichnet.
  • Zuvor wurde das Material oder die Gestalt einer Anode gesteuert, um so die Leistungsfähigkeit einer Anode zu verbessern, aber die Verbesserung der Leistungsfähigkeit war begrenzt und die technologische Vervielfältigung war schwierig. Diese Erfindung verbessert jedoch die Leistungsfähigkeit einer Anode, indem ein Alkalimetallvorläufer eingeführt wird, während ein(e) zuvor gebräuchliche(s) Material oder Gestalt unverändert verwendet wird.
  • Der Begriff „Promotor“, wie hier verwendet, wird verwendet, um die Leistungsfähigkeit einer Anode zu verbessern, und eine Anode wird damit beladen, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern, ohne die Bestandteile oder Gestalt einer Anode zu stören, und in dieser Hinsicht wird ein Bestandteil, mit dem eine Anode beladen ist, hier als „Promotor“ bezeichnet.
  • Der Promotor gemäß dieser Offenlegung befindet sich in den Poren einer Anode, und wenn eine Festoxid-Brennstoffzelle betrieben wird, kommt in die Anode eingeleitetes Gas, zum Beispiel Wasserstoff, Kohlenwasserstoffbrennstoff und dergleichen, in Berührung mit dem Promotor. Somit bedeutet die Beschreibung „zumindest ein Teil der Poren der Anode umfasst einen Promotor“, wie hier verwendet, dass der Promotor in zumindest einen Teil der Poren der Anode eingefügt ist, und wenn eine Festoxid-Brennstoffzelle betrieben wird, kann in die Anode eingeleitetes Gas mit dem Promotor in den Poren der Anode in Berührung kommen. Ein Verfahren zur Beladung einer Anode mit dem Promotor wird indes später erläutert werden.
  • Hier bedeutet der Promotor eine Alkalimetallverbindung. Bevorzugt bedeutet die Alkalimetallverbindung Alkalimetalloxid, Alkalimetallhydroxid oder eine Kombination derselben.
  • Insbesondere kann, wenn das Alkalimetall der Alkalimetallverbindung M ist, das Alkalimetalloxid durch M2O dargestellt sein, und das Alkalimetallhydroxid kann durch MOH dargestellt sein. Als Beispiele für das Alkalimetall (M) können Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K) oder Cäsium (Cs) erwähnt werden.
  • Obwohl nicht theoretisch begrenzt, befindet sich der Promotor in den Poren einer Anode und steht zugleich in Kontakt mit der Anode, und somit wird, wenn die Oberfläche einer Anode teilweise oxidiert wird und Feuchtigkeit in die Poren der Anode eingebracht wird, eine große Menge an Feuchtigkeit an der Oberfläche der Anode adsorbiert. Dadurch schwächt der Promotor eine starke Bindung zwischen einer Anode und in die Anode eingeleitetem Wasserstoff ab, fördert somit die Oxidation von Wasserstoff in einer Anode, und vergrößert die Fläche, in der Wasserstoff reagiert, wodurch die Leistungsfähigkeit einer Anode verbessert wird. Zudem kann er die Ablagerung von Kohlenstoff auf einer Anode während des Betriebs einer Festoxid-Brennstoffzelle hemmen.
  • In dieser Hinsicht ist die Anode bevorzugt eine Metall-Keramik-Verbundanode. Bevorzugter ist das Metall des Metall-Keramik-Verbunds Ni. Am bevorzugtesten ist die Anode ein Verbund aus Ni und GDC (Gd-dotiertem CeO2).
  • Da, wie zuvor erläutert, die Anode der Festoxid-Brennstoffzelle gemäß dieser Offenlegung einen Promotor umfasst, mit dem sie beladen ist, ist der Elektrodenwiderstand niedrig im Vergleich zu einer Anode einer Festoxid-Brennstoffzelle, die den Promotor nicht umfasst. Der Vergleich des Elektrodenwiderstands findet unter den gleichen Bedingungen statt, abgesehen von der Beladung mit dem Promotor, zum Beispiel der gleichen Bauweise einer Festoxid-Brennstoffzelle, den gleichen Betriebsbedingungen und dergleichen.
  • Bevorzugt beträgt der Elektrodenwiderstand der Anode der Festoxid-Brennstoffzelle 10% oder weniger des Elektrodenwiderstands einer Anode einer Festoxid-Brennstoffzelle, die den Promotor nicht umfasst, und bevorzugter 90% oder weniger, 80% oder weniger, 70% oder weniger, 60% oder weniger, 50% oder weniger, 40% oder weniger, 30% oder weniger, 20% oder weniger, 10% oder weniger, 9% oder weniger, 8% oder weniger, 7% oder weniger, 6% oder weniger, oder 5% oder weniger.
  • Wie nachfolgend in den Beispielen beschrieben, kann zudem bestätigt werden, dass der Elektrodenwiderstand einer Anode nach Beladung mit dem Promotor bei Langzeit- Betrieb der Festoxid-Brennstoffzelle stabil aufrechterhalten wird.
  • Es wird auch ein Verfahren zur Fertigung der zuvor erläuterten Festoxid-Brennstoffzelle bereitgestellt. Insbesondere wird ein Verfahren zur Herstellung der zuvor erläuterten Festoxid-Brennstoffzelle bereitgestellt, welches die Schritte umfasst: Einbringen eines Alkalimetallvorläufers in zumindest einen Teil der Poren der Anode (Schritt 1); und Erzeugen des Promotors aus dem Alkalimetallvorläufer (Schritt 2).
  • Um die Poren der Anode einer Festoxid-Brennstoffzelle mit einem Promotor zu beladen, sollte mit dem Promotor beladen werden, während Poren in der Anode gebildet werden, und somit ist es schwierig, die Poren einer Anode direkt mit dem Promotor zu beladen. In dieser Offenlegung wird daher ein Alkalimetallvorläufer in zumindest einen Teil der Poren einer Anode eingebracht und daraufhin durch eine chemische Reaktion aus dem Alkalimetallvorläufer ein Promotor erzeugt.
  • Bevorzugt ist der Alkalimetallvorläufer ein Alkalimetallcarbonat oder Alkalimetallnitrat. Wie zuvor erläutert, können, wenn das Alkalimetall M ist, als Beispiele für das Alkalimetall M Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K) oder Cäsium (Cs) erwähnt werden, das Alkalimetallcarbonat kann durch M2CO3 dargestellt werden, und das Alkalimetallnitrat kann durch MNO3 dargestellt werden.
  • Bevorzugt wird der Schritt 1 durchgeführt, indem die Oberfläche der Anode mit einer Lösung überzogen wird, die den Alkalimetallvorläufer umfasst, oder indem die Anode in eine Lösung eingetaucht wird, die den Alkalimetallvorläufer enthält. Dadurch kann eine Lösung, die den Alkalimetallvorläufer umfasst, in die Poren einer Anode eingebracht werden. Dieses Verfahren kann in dem Fall angewandt werden, dass der Betrieb einer Festoxid-Brennstoffzelle angehalten wird und die Temperatur auf Raumtemperatur verringert wird, wie auch während der Fertigung der Anode einer Festoxid-Brennstoffzelle.
  • Bevorzugt kann der Schritt 1 durchgeführt werden, indem eine Lösung, die den Alkalimetallvorläufer umfasst, in eine Gasleitung für die Brennstoffzufuhr in die Anode eingebracht wird. Eine Festoxid-Brennstoffzelle weist eine Gasleitung für die Brennstoffzufuhr in die Anode auf, und wenn eine Lösung, die einen Alkalimetallvorläufer umfasst, in die Gasleitung eingebracht wird, kann die Lösung, die den Alkalimetallvorläufer umfasst, in die Poren einer Anode eingebracht werden. Ein derartiges Verfahren kann während des Betriebs einer Festoxid-Brennstoffzelle angewandt werden.
  • Bevorzugt kann der Schritt 1 durchgeführt werden, indem ein Stromabnehmer, der den Alkalimetallvorläufer umfasst, an die Oberfläche der Anode gebunden wird. In einer Festoxid-Brennstoffzelle steht eine Anode in Kontakt mit einem Stromabnehmer, und somit kann, indem ein Alkalimetallvorläufer in den Stromabnehmer aufgenommen wird, der Alkalimetallvorläufer in die Anode eingebracht werden. Dabei kann der Alkalimetallvorläufer in Pulverform wie auch in der Form einer Lösung angewendet werden. Ein derartiges Verfahren kann während der Fertigung einer Festoxid-Brennstoffzelle angewandt werden.
  • Bevorzugt wird der Schritt 2 durchgeführt, indem Brennstoff oder Feuchtigkeit in eine Gasleitung für die Brennstoffzufuhr in die Anode eingebracht wird. Wenn Brennstoff oder Feuchtigkeit eingeleitet wird, reagiert er/sie mit dem in den Poren der Anode befindlichen Alkalimetallvorläufer, und dadurch wird der Alkalimetallvorläufer in den zuvor erläuterten Promotor umgewandelt. Zudem ist es bevorzugt, dass der Brennstoff Wasserstoff umfasst.
  • Für die anderen Bauteile können indes, abgesehen von der Verwendung der zuvor erläuterten Anode dieser Offenlegung, zuvor angewendete Bauteile einer Festoxid-Brennstoffzelle angewendet werden.
  • [Vorteilhafte Wirkungen]
  • Wie zuvor erläutert, kann die Leistungsfähigkeit einer Festoxid-Brennstoffzelle in bemerkenswerter Weise verbessert werden, ohne Veränderung des Materials oder der Gestalt einer Anode, wenn eine Anode gemäß dieser Offenlegung mit einem Promotor beladen wird.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt die XPS-Ergebnisse nach Beispiel 1.
    • 2 zeigt die Gestalt und den Querschnitt der in Beispiel 2 verwendeten Halbzelle.
    • 3 zeigt die Auswertung der Leistungsfähigkeit in der Halbzelle nach Beispiel 2.
    • 4 zeigt schematisch ein Verfahren zur Beladung mit einem Promotor in der Halbzelle in Beispiel 3.
    • 5 zeigt die Auswertung der Leistungsfähigkeit in der Halbzelle nach Beispiel 3.
    • 6 zeigt die Auswertung der Leistungsfähigkeit in der Vollzelle nach Beispiel 4.
    • 7 zeigt die Auswertung der Leistungsfähigkeit in der Vollzelle nach Beispiel 5.
  • [Ausführungsform der Erfindung]
  • Im hier Folgenden werden Beispiele und experimentelle Beispiele der Erfindung im Detail erläutert werden. Diese Beispiele und experimentellen Beispiele werden vorgestellt, um die Erfindung genauer zu erläutern, und der Umfang der Erfindung wird dadurch nicht eingeschränkt.
  • Beispiel 1: Bestätigung der Beladung mit Promotor
  • Um zu bestätigen, ob eine Anode mit dem Promotor gemäß dieser Offenlegung beladen ist oder nicht, wurden die folgenden Experimente durchgeführt.
  • Gemischtes Pulver aus CsNO3, NiO, GDC (10% Gd-dotiertes CeO2) Gewichtsverhältnis 1:5,4:3,6) wurde bei 450°C für 10 Stunden unter 3%ig befeuchteter 10%iger Wasserstoffatmosphäre (3% H2O + 10% H2 + 87% Ar) wärmebehandelt, und daraufhin wurde XPS (Cs3d) gemessen, und das Resultat ist in 1 gezeigt.
  • Wie in 1 gezeigt, kann das Vorliegen von Cs bestätigt werden, und es kann anhand dessen bestätigt werden, dass eine Anode mit einem Cs-Vorläufer als Promotor beladen ist.
  • Beispiel 2: Auswertung der Leistungsfähigkeit in einer Halbzelle Schritt 1) Fertigung der Halbzelle
  • Nach dem Formen von GDC (10% Gd-dotiertes CeO2)-Pulver wurde es bei 1450 °C für 5 Stunden gesintert. Daraufhin wurde weiter die Oberfläche unter Verwendung eines Schleifpapiers geglättet, und somit ein GDC-Prüfkörper angefertigt.
  • Gemischtes Pulver aus NiO und GDC in einem Gewichtsverhältnis von 6:4, Tintenvehikel (von der Firma fuelcellmaterials) und Ethanol wurden in einem Gewichtsverhältnis von 1:1:0,5 gemischt, um eine Paste herzustellen, und diese wurde mittels Siebdruck auf beide Seiten des gesinterten GDC-Prüfkörpers aufgetragen, und daraufhin wurde dieser bei 1400 °C für 10 Stunden gesintert. Zuletzt wurde er bei 650 °C unter 4%iger Wasserstoffatmosphäre (4% H2 + 96% Ar) reduziert und wärmebehandelt, um schließlich eine poröse Ni-GDC-Elektrode anzufertigen (Dicke etwa 8 µm). Die Feinstruktur der angefertigten Halbzelle ist wie in 2 gezeigt.
  • Schritt 2) Auswertung der Leistungsfähigkeit in einer Halbzelle
  • In der obigen, angefertigten Halbzelle, wurden bei Raumtemperatur (23 °C) 10 µl einer wässrigen Lösung, in der CsNO3 gelöst war (0,023 M), direkt mit einer Pipette in die poröse Ni-GDC-Elektrode eingebracht, und daraufhin wurde die Halbzelle in ein Mess-System eingesetzt, und die Änderung im Elektrodenwiderstand mit der Temperatur wurde beobachtet. Als angewendete Gasatmosphäre wurde dabei 3%ig befeuchteter 10%iger Wasserstoff (3% H2O + 10% H2 + 87% Ar) verwendet, und das Messergebnis ist in 3 gezeigt. Zum Vergleich wurde zugleich eine Halbzelle gemessen, bei welcher der Promotor nicht angewendet wurde, und die Halbzelle, bei welcher der Promotor nicht angewendet wurde, wurde als „Ni-GDC“ bezeichnet, und die Halbzelle, bei welcher der Promotor angewendet wurde, wurde als „p-Ni-GDC“ bezeichnet.
  • Im Fall einer Elektrode, bei welcher der Promotor angewendet wurde (p-Ni-GDC), verringerte sich der Widerstand im Vergleich zu der gewöhnlichen Referenz-Halbzelle (Ni-GDC) erheblich, wie in 3 gezeigt, und es zeigte sich bei 450 °C für 10 Stunden ein stabiler Widerstandswert. Ein derartiges Verfahren kann in dem Fall angewandt werden, dass der Betrieb einer Festoxid-Brennstoffzelle angehalten wird und die Temperatur auf Raumtemperatur verringert wird.
  • Beispiel 3: Auswertung der Leistungsfähigkeit in einer Halbzelle
  • Die Halbzelle aus Schritt 1 von Beispiel 2 wurde in ein Mess-System eingesetzt, und daraufhin wurden, während des Betriebs, 2 mL einer wässrigen Lösung von CsNO3 (0,1 M) unter Verwendung einer Spritzenpumpe über eine Gasleitung direkt in die Halbzelle eingeleitet, und die Leistungsfähigkeit wurde so gemessen.
  • Am Anfang wurde zunächst, wie in 4 gezeigt, 3%ig befeuchteter, 10%iger Wasserstoff (3% H2O + 10% H2 + 87% Ar) eingeleitet, und daraufhin wurden 2 mL destilliertes Wasser als Referenz in eine auf über 120 °C erhitzte Gasleitung eingeleitet.
  • Wie in 5 gezeigt, zeigte sich keine Widerstandsänderung durch Wasser (himmelblau). Danach wurde das Innere der Vorrichtung getrocknet, um so die gleichen Bedingungen anzuwenden, und daraufhin wurden unter den gleichen Bedingungen 2 mL einer wässrigen Lösung von CsNO3 (0,1 M) eingeleitet, und der Elektrodenwiderstand (blau) verringerte sich schnell, wobei sich im Vergleich zur Referenz eine Verringerung des Widerstands um das Hundertfache oder mehr zeigte.
  • Das Nyquist-Diagramm auf der rechten Seite von 5 zeigt Werte jeweils 10 Stunden nach dem Einleiten von destilliertem Wasser und einer wässrigen Lösung von CsNO3, und eine schnelle Verbesserung der Leistungsfähigkeit (Widerstandsverringerung) kann bestätigt werden. Ein derartiges Verfahren kann angewandt werden, während die Festoxid-Brennstoffzelle betrieben wird.
  • Beispiel 4: Auswertung der Leistungsfähigkeit in einer Vollzelle Schritt 1) Fertigung der Vollzelle
  • NiO und GDC wurden im Massenverhältnis von 6:4 durch eine Kugelmühle (72 Stunden, 200 U/min) vermischt, um gemischtes Pulver zur Fertigung einer Anode herzustellen. Das gemischte Pulver wurde aufgeteilt (etwa 0,4 g) und einaxial gepresst (2 MPa), um unter Verwendung einer Form und eines Extruders ein geformtes Erzeugnis anzufertigen. Daraufhin wurde es weiter bei 900 °C für 1 Stunde wärmebehandelt, um vorzusintern. Um einen Elektrolyten herzustellen, wurde GDC-Pulver durch eine Kugelmühle (48 Stunden, 180 U/min) mit einem Ethanol-basierten Lösemittel vermischt, das ein Dispergiermittel und ein Bindemittel enthielt, und daraufhin wurde durch Tropfbeschichtung eine Elektrodenschicht abgeschieden. Daraufhin wurde es weiter bei 1500 °C für 5 Stunden wärmebehandelt, um organische Materialien im Inneren zu entfernen und einen dichten Elektrolyten mit einer Dicke von etwa 10 µm herzustellen. Daraufhin wurde weiter durch Siebdruck unter Verwendung eines Materials zur Herstellung einer Kathode (PrBa0.5Sr0.5Ce1.5Fe0.5O5+δ) eine Kathodenschicht hergestellt, und daraufhin bei 900 °C für mehr als 10 Stunden gesintert, um eine Kathode mit einer Dicke von etwa 10 µm herzustellen, und somit schließlich eine Brennstoffzelle angefertigt.
  • Schritt 2) Auswertung der Leistungsfähigkeit in der Vollzelle
  • Um den Kontaktwiderstand bei einer Anode einer SOFC-Vollzelle und einem außen angeschlossenen Draht zu minimieren, wurde eine kleine Menge an CsNO3-Pulver mit Silberpaste vermischt, die als Stromabnehmer verwendet wurde, und mit einer Elektrode verbunden. Zu diesem Zweck wurden 30 mg CsNO3 und Silberpaste unter Verwendung eines Mörsers gleichförmig vermischt, und daraufhin unter Verwendung einer Bürste so aufgetragen, dass sie die Anodenoberfläche vollständig bedeckten. Die Vollzelle wurde in ein Mess-System eingesetzt, und als üblicherweise verwendete Gasbedingungen wurde Luft in die Kathode eingeleitet, und 3%ig befeuchteter Wasserstoff (3% H2O + 97% H2) wurde der Anode zugeführt, und daraufhin wurde die Leistungsfähigkeit gemäß der Betriebstemperatur ausgewertet, und das Ergebnis ist in 6 und der folgenden Tabelle 1 gezeigt. Zum Vergleich wurde auch eine Brennstoffzelle ohne CsNO3-Pulver gemessen, und die Brennstoffzelle ohne CsNO3-Pulver wurde als „Brennstoffzelle“ bezeichnet, und die Brennstoffzelle unter Verwendung von CsNO3 wurde als „mit Promotor versehene Brennstoffzelle“ bezeichnet. [Table 1]
    Temperatur Maximale Leistungsfähigkeit der Referenz (gewöhnliche Vollzelle) Maximale Leistungsfähigkeit der Vollzelle mit Promotor-Anwendung Verbesserung der Leistungsfähigkeit
    300°C 7 mW/cm2 12 mW/cm2 +71%
    350°C 25 mW/cm2 44 mW/cm2 +76%
    400°C 76 mW/cm2 117 mW/cm2 +54%
    450°C 193 mW/cm2 229 mW/cm2 +19%
    500°C 393 mW/cm2 391 mW/cm2 -
  • Wie in 6 und Tabelle 1 gezeigt, führte die Anwendung eines Promotors zu etwa 19% Verbesserung der Leistungsfähigkeit bei der Betriebstemperatur von 450 °C, und insbesondere wenn sich die Temperatur verringerte, zeigte sich die Verbesserung der Leistungsfähigkeit durch den Promotor in bemerkenswerter Weise. Insbesondere in dem mittleren bis niedrigen Temperaturbereich von 400 °C oder niedriger, zeigte sich eine starke Verbesserung der Leistungsfähigkeit um 50% oder mehr. Dieses Verfahren kann als Trockenprozess angewandt werden, wenn eine Festoxid-Brennstoffzelle angefertigt und beladen wird.
  • Beispiel 5: Auswertung der Leistungsfähigkeit in einer Vollzelle
  • Für die Brennstoffzelle und die mit Promotor versehene Brennstoffzelle, die in Beispiel 4 angefertigt wurden, wurde die Leistungsfähigkeit wie folgt ausgewertet:
    • Nachdem stabile Leistungsfähigkeit in 3%ig befeuchtetem Wasserstoff (3% H2O + 97% H2) bei 450 °C bestätigt worden war, wurde der Brennstoff zu 3%ig befeuchtetem Methan (3% H2O + 97% CH4) gewechselt, und eine Veränderung der Leistungsfähigkeit wurde bestätigt. Dabei wurde eine Vorspannung von 0,8 V angelegt, und das Ergebnis ist in 7 gezeigt.
  • Wie in 7 gezeigt, verschlechterte sich die Leistungsfähigkeit im Fall der Brennstoffzelle als Referenz innerhalb von 5 Stunden, und sie war schwierig zu betreiben (grün), während die mit Promotor versehene Brennstoffzelle stabile Leistungsfähigkeit zeigte (rot). Zudem wurden, als Ergebnis der Beobachtung jeder Anode, im Fall der Brennstoffzelle als Referenz, durch Kohlenstoffablagerung in großer Menge Kohlenstofffasern erzeugt, während in der mit Promotor versehenen Brennstoffzelle, während der Betriebsdauer keine Kohlenstoffablagerungen entstanden. Somit kann bestätigt werden, dass durch den Promotor gemäß dieser Offenlegung auch Kohlenstoffablagerung in der Anode gehemmt wurde.

Claims (13)

  1. Festoxid-Brennstoffzelle, welche umfasst: eine Kathode, eine Anode und einen Elektrolyten zwischen der Kathode und der Anode, wobei zumindest ein Teil der Poren der Anode einen Promotor umfasst, und der Promotor eine Alkalimetallverbindung ist.
  2. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Alkalimetallverbindung Alkalimetalloxid, Alkalimetallhydroxid oder eine Kombination derselben ist.
  3. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Alkalimetall Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K) oder Cäsium (Cs) ist.
  4. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Promotor M2O, MOH oder eine Kombination derselben ist, und das M Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K) oder Cäsium (Cs) ist.
  5. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Anode ein Metall-Keramik-Verbund ist.
  6. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Anode der Festoxid-Brennstoffzelle im Vergleich zu einer Anode einer Festoxid-Brennstoffzelle, die den Promotor nicht umfasst, einen niedrigeren Elektrodenwiderstand aufweist.
  7. Verfahren zur Fertigung der Festoxid-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte: Einbringen eines Alkalimetallvorläufers in zumindest einen Teil der Poren der Anode (Schritt 1); und Erzeugen des Promotors aus dem Alkalimetallvorläufer (Schritt 2).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Alkalimetallvorläufer ein Alkalimetallcarbonat oder Alkalimetallnitrat ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Alkalimetallvorläufer M2CO3 oder MNO3 ist, und das M Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K) oder Cäsium (Cs) ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt 1 das Überziehen der Oberfläche der Anode mit einer den Alkalimetallvorläufer umfassenden Lösung oder das Eintauchen der Anode in eine den Alkalimetallvorläufer umfassende Lösung umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt 1 das Einleiten einer den Alkalimetallvorläufer umfassenden Lösung in eine Gasleitung für die Brennstoffzufuhr in die Anode umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt 1 das Binden eines den Alkalimetallvorläufer umfassenden Stromkollektors an die Oberfläche der Anode umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt 2 das Einleiten von Brennstoff oder Feuchtigkeit in eine Gasleitung für die Brennstoffzufuhr in die Anode umfasst.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6998187B2 (en) * 2003-08-07 2006-02-14 Nanodynamics, Inc. Solid oxide fuel cells with novel internal geometry
JP2005116260A (ja) 2003-10-06 2005-04-28 Nissan Motor Co Ltd 固体酸化物形燃料電池用電極及びその製造方法
US7732084B2 (en) * 2004-02-04 2010-06-08 General Electric Company Solid oxide fuel cell with internal reforming, catalyzed interconnect for use therewith, and methods
CN1635658A (zh) 2004-11-09 2005-07-06 施秀英 中、低温陶瓷氧化物燃料电池及制备工艺方法
US20090148380A1 (en) * 2006-06-05 2009-06-11 Yutaka Ohmori Method for Producing Metal Oxide Particle
JP4999436B2 (ja) 2006-12-01 2012-08-15 新光電気工業株式会社 直接火炎型燃料電池
WO2008131551A1 (en) * 2007-04-30 2008-11-06 The Governors Of The University Of Alberta Anode catalyst and methods of making and using the same
ES2538104T3 (es) * 2010-11-11 2015-06-17 The Technical University Of Denmark Método para producción de una batería de pilas de óxido sólido
US20140287342A1 (en) 2011-10-24 2014-09-25 Technical University Of Denmark High performance fuel electrode for a solid oxide electrochemical cell
WO2015054024A1 (en) * 2013-10-08 2015-04-16 Phillips 66 Company Gas phase modification of solid oxide fuel cells

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