DE1471768A1 - Brennstoffelement mit festem Elektrolyten - Google Patents

Description

PATENTANWALT

Bayer. Hypotheken- und Wechselbank München, München 22, Widenmayertraße S

Konto Nr. Mx 6343 Telegrammadresse: Protector München

Postscheckkonto: München 49463 Telefon: 24893

Societe Anonyme dite:

COMPAGNIE FRANCAISjS DjS ßAFFINAGE Paris / Frankreich

Brennstoffelement mit festem Elektrolyten.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement mit festem Elektrolyten.

Die Vorteile, welche Brennstoffelemente mit festem Elektrolyten gegenüber anderen Elementen, z.B. solchen mit wässerigen Elektrolyten oder Elektrolyten aus geschmolzenem Salz aufweisen, sind bekannt: feste Struktur; Möglichkeit der Verwendung bei hohen Temperaturen und damit der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen; Korrosionsfreiheit; einfacher Aufbau» chemische Stabilität; Unabhängigkeit des Betriebes von der Schwerkraft, u.s.w..

■ - ■■·■ ■■" ' ν "

Die in einem Brennstoffelement industriell verwendbaren, festen Elektrolyten haben jedoch einen verhältnismässig hohen spezifischen »Viderstand, der bei einer Betriebstemperatur des Elementes von etwa 8oo C

809901/0452

ein Mehrfaches von Io Ohm/cm beträgt, so daß es von Vorteil ist, über eine möglichst dünne, feste Elektrolytschicht zu verfügen, um die tfiderstandsverluste in dem Element auf ein Mindestmaß zu beschränken.

Die Grosse dieser Verluste ist von sehr wesentlicher Bedeutung für den Wirkungsgrad eines Elementes. So bewirkt z.B. ein Elektrolyt mit

einer Oberfläche von 1 cm , einer Dicke von o,l mm und einem spezifischen Widerstand von 2oo Ohm/cm, also einem Gesamtwiderstand von 2 Ohm, einen Spannungsabfall von o,2 Volt, wenn er von einem Strom von o,l Ampere durchflossen wird. Die Spannung des Clements mit offenem ^reis beträgt 1,1 Volt, so daß sich ein Leistungsverlust von 18 rf ergibt.

Hieraus ergibt sich, daß ein fester Elektrolyt als dünne Schicht mit grosser Oberfläche ausgeführt werden muß.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffelements mit festem Elektrolyten, in welcher letzterer die Form einer sehr dünnen, jedoch eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisenden, Schicht hat.

Das Brennstoffelement gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeich net, daß es einen porösen Träger aufweist, dessen eine Hauptfläche mit einer, den Elektrolyten bildenden, dünnen und dichten Schicht überzogen ist, die ihrerseits mit einer porösen Schicht überzogen ist,

809901/0452

welche eine der Elektroden bildet, während der Träger unmittelbar oder mittelbar die andere Elektrode bildet, wobei das so gebildete Ganze derart in einem Kanal angeordnet ist, daß es diesen in zwei dicht gegeneinander abgeschlossene Teile unterteilt, welche für den Durchfluß der als Brennstoff, bzw. Sauerstoffträger dienenden Gase bestimmt sind.

In den beigefügten Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele eines Brennstoffelementes gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung gezeigt, wobei wiederum jedes der beiden Beispiele in zwei ^Ausführungsformen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein Brennstoffelement gemäß der Erfindung im Längsschnitt: Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der ^ig. 1;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffelementes gemäß der Erfindung in Seitenansicht, teilweise im Schnitt;

Fig. k einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 3 und Fig. 5 und 6 zwei Beispiele einer weiteren Ausführungsform.

Wie insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich, umfaßt das Brennstoffelement gemäß der Erfindung einen, beispielsweise aus korrosionsbeständigem Stahl bestehenden, porösen Träger 1, der in eine dichte Trenn-

8099017 0452

wand 2 aus feuerfestem Material eingesetzt ist, welche einen dichten Kanal 3 in zwei Teile 3 und 3 unterteilt, ^ie dem Teil 3 des Kanals zugekehrte Seite des Trägers 1 ist mit einer sehr dünnen, dichten Schicht k aus einem Material überzogen, welches den festen Elektrolyten des Elementes bildet, beispielsweise mit einer Schicht des Dreistoff-Mischoxydes ZrO + GaO + MgO.

Die Schicht ^f ist ihrerseits von einer, beispielsweise aus Nickel bestehenden, porösen Schicht 5 überzogen, welche eine der beiden Elektroden, insbesondere die Anode, bildet, während der aus korrosionsbeständigem Stahl bestehende Träger 1 die Kathode bildet, ^ie beiden Elektroden, d.h. der Träger 1 und die Schicht 5» sind jeweils mit einem Stromabnehmer 5 » bzw.. 1 , verbunden.

Die Schichten h und 5, welche den festen Elektrolyten, bzw. die Anode bilden, können mittels bekannter Verfahren hergestellt werden. Da der Elektrolyt in Form einer Schicht auf einen Träger aufgebracht wird, kann er sehr dünn und mit beliebig grosser Oberfläche hergestellt werden. Der poröse Träger gewährleistet den Zutritt der Oase zum Elektrolyten.

Um das vorstehend beschriebene Element in Betrieb zu setzen, genügt es, den Brennstoff und den Sauerstoffträger, beispielsweise Propan und Luft, in Richtung der Pfeile F₁ und F_? bei einer Temperatur von etwa 8oo C durch die Leitungsteile 3 , bzw. 3_K, strömen zu lassen.

809901/0452

Der Träger 1, der Elektrolyt h und die Elektrode 5 können selbstverständlich auch aus anderen Stoffen als den im vorhergehenden AusfUhrungsbeiepiel beschriebenen, hergestellt werden, ^o kann der Träger 1 beispielsweise aus einem anderen leitenden Metall, wie Silber, Nickel, Kobalt u. dgl., bestehen. Ss versteht sich, daß der Träger, je nachdem aus welchem Metall er besteht, die eine oder die andere der beiden Elektroden bildet.

Es ist zu beachten, daß diese Elektroden ausser einer guten Elektronenleitfähigkeit auch katalytische Eigenschaften aufweisen müssen, um die zum Austausch der elektrischen Ladungen führenden chemischen Reaktionen zu erleichtern.

Als Anode können z.B. auch Eisen oder Kobalt' verwendet werden, während als Kathode Nickeloxyd mit Zusatz von Lithiumoxyd, dienen kann.

Der Elektrolyt kann, ausser dem im vorstehenden Ausführungsbeispiel beschriebenen Oxyd, auch aus anderen einfachen oder gemischten Oxyden bestehen, z.B. aus ZrO₂ + CaO, ZrO₂ + MgO, ZrO₂ + Y₂ ⁰X* ^Zr02 + Sc₂O₃, ThO₂ + Y₂O, u. dgl..

Ale Brennstoff können, ausser Propan, auch andere Kohlenwasserstoffe, wie Methan und Kerosin, Alkohole wie Methanol, Aldehyde, insbesondere Formaldehyd, oder auch Wasserstoff, Kohlenmonoxyd, ''aesergas, Ammoniak, u. dgl., verwendet werden.

809901/0Λ52

In den Fig. 3 und *f ißt eine andere Ausführungsform eines Brennstoffelementes gemäß der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform hat der Träger 1 die Form eines Rohres, auf dessen Aussenseite die Schichten 4 und 5 aufgebracht sind, welche den Elektrolyten, bzw. die Anode bilden, wie oben erläutert.

Die gleichfalls rohrförmige Trennwand 2, in welche der Träger 1 eingesetzt ist, ist innerhalb eines zylindrischen Kanals 3 gleichachsig zu diesem angeordnet und unterteilt diesen in zwei Teile, einen äusseren Teil 3 und einen mittleren Teil 3_Ki welche dem Durchfluß der Oase, bzw. des Brennstoffes und des Sauerstoffträgere, dienen.

Diese Ausführungsform des Brennstoffelementes ermöglicht die Vergrösserung der Oberfläche des Elektrolyten pro Volumeneinheit.

Es ist zu beachten, daß sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungsform des Brennstoffelementes die Trennwand 2, in welcher der Träger befestigt ist, in Wegfall kommen kann, wobei dann der Träger 1 so gestaltet ist, daß er allein die den Kanal 3 unterteilende Trennwand bildet.

Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß die den festen Elektrolyten bildende Schicht k dicht sein muß, um einerseits eine Vermischung der Gase, nämlich des Brennstoffes und des Sauerstoffträgers, und andererseits eine berührung zwischen den Elektroden und damit einen Kurzschluß, zu verhindern.

809901/0452

Bei den im allgemeinen zum Aufbringen einer dünnen Schicht auf einen Träger angewendeten Verfahren, wie Aufspritzen, Aufdampfen u. dgl., ist zur Erzielung einer dichten Schicht häufig eine Sinterbehandlung erforderlich. Dieses Sintern erfolgt bei Temperaturen, welche den Schmelzpunkt der für die Elektroden des Elementes verwendeten Metalle übersteigen, so daß diese Elektroden nicht als Träger für den Elektrolyten verwendet werden können. Deshalb muß, wenn zur Herstellung des Elektrolyten in Form einer dünnen Schicht eine Sinterbehandlung erforderlich ist, der Träger aus feuerfestem Material bestehen, wobei sich die Schwierigkeit ergibt, zwischen den beiden Elektroden und dem Elektrolyten die für den Betrieb des Elementes unerläßliche leitende Verbindung herzustellen.

Dieeee Problem wird durch die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform des Brennstoffelementes gemäß der Erfindung gelöst.

Bei dieser Ausführungsform besteht der poröse Träger 11 aus keramiechem Material, beispielsweise aus stabilisiertem Zirkoniumoxyd. Die den Elektrolyten, bzw. die Anode, bildenden Schichten k und 5 entsprechen denjenigen der Ausführungsform nach Fig. 1.

Die Seite des Trägers 11, welche der den Elektrolyten A- tragenden Seite gegenüberliegt, die Wände der Poren 12 und die Oberfläche der Schicht ^, welche diese Poren an ihrem einen Ende verschließt, sind mit einer, beispielsweise aus Silber bestehenden, porösen Schicht 6 überzogen, welche die andere der beiden Elektroden, insbesondere

809901/0 Λ5 2

-ö-

die Kathode, bildet. Die Anode und die Kathode sind jsveils mit einem

Stromabnehmer 5 » bzw. 6 , verbunden,
a' a

Wie ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform der Träger nicht leitend, so daß,er nicht unmittelbar als eine der Elektroden, im vorliegenden Falle als Kathode, dienen kann. Letztere wird durch die Schicht 6 gebildet, welche die gesamte freie Oberfläche des Trägers sowohl innen als auch aussen bedeckt, mit Ausnahme der den Elektrolyten k tragenden Seite. Die Kathode wird also mittelbar durch den Träger, nämlich durch die metallbeschichtete Oberfläche desselben, gebildet.

Es ist zu beachten, daß der mittlere Durchmesser der Poren des Trägers nicht viel grosser als die Dicke der Schicht ^f sein darf, damit diese den Druckschwankungen der beidseitig auf sie einwirkenden Gase standhalten kann.

Die Arbeitsweise des Elementes gemäß der zuletzt beschriebenen Ausführungsform entspricht derjenigen des Elementes nach Fig. 1.

Es versteht sich, daß, innerhalb des Hahmens der Erfindung, der Träger 11 auch aus einem anderen einfachen oder gemischten Oxyd, z.B. aus dem den Elektrolyten bildenden Oxyd, bestehen kann, das im vorliegenden Falle das Mischoxyd ZrO + CaO + MgO ist, wobei jedoch das den Träger, bildende Oxyd geringere Mengen von CaO und MgO enthält. Diese letztgenannte Ausführungsform hat sogar den Vorteil,mechanische

809901/0452

Spannungen auszuschlieasen, die sich aus unterschiedlichen «Värmedehnungskoeffizienten des Trägers und des Elektrolyten ergeben könnten.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform eines rohrförmigen Brennstoffelementes gemäß der Erfindung dargestellt.

£s sei noch darauf hingewiesen, daß das Brennstoffelement gemäß der Erfindung bei atmosphärischem Druck arbeitet. Selbstverständlich kann es jedoch auch mit einem höheren Druck betrieben werden, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die Leistung des Elementes, gesteigert werden kann.

Patentansprüche

809901/0452

Claims (2)

1. Brennetoffeleaent «It feet·« Elektrolyten, dadurch fekennaeiea* Mt₁ deJ ee einen porösen Träger a of ve ie t_t deeeen eiao HanptflaV ehe ait einer, den Kiektrollten bildenden, dUanen und diebten Sekloht Überzogen iat, die ihrereelta alt einor porösen *onlehtt iibersogen iat, welche eine der Elektroden bildet, während der Träger unaittelbar oder alttelbar die andere Slektroie bildet, wobei daa eo gebildete lan te derart in eines Kanal angeordnet let, daQ ea diesen in svei dient gegeneinander abgesehloaseae Teile enterteilt, «eicbe fUr den Dorebflua der ala Areanatoff ba·· Saueratoffträger dienenden Oaee, beatiaat aind.

2. Irennetoffeleaent naeta Aneprueh 1, bei welehea die andere £lek* trode aaavittelbar to· Träger gebildet wird, daduron gakenmaeiak· ■et, daa der Träger aua einea leitenden Metall, wie Silber, kerr·- eloMbeatMndigea Stahl, Miokel oder Kobalt, beateht.

3· Brennet of feien» nt aaeh Anepruek 1, in veleh·* der trlgsr bar die andere Elektrode bildet, da* ar es fekeenaeieknet, iaA der Träger au· einen feaerfeaten Material beatekt, »akrend eelne na· «ere Baiiptfliene, seine Poren und die Oberfläehe des »lektreljtea, Miene dUae Poren abdoekt, alt einer «io andere UektreN&e eil· denden poreaea Beklebt Uberaogea eiad·

BAD ORIGINAL 809901/0452

-ηff·!»—»t IUb Ami AaeprlUhaa 1 aad 3t dadurch gckcna*

, AaA 4*r aittlcrc Durcbmaaaar dar Por«n daa Trtfgara nicht crtoMr Ut aU dU DUm *·· «U&trolytcn.

d«r *B*prlioht 1 bU k_t dadurch g·«

aaet, daft dar porHrn· TrMg*r «ta· Plait· Ut, wlmb» ao U lBB»r«B d»a Iaaala h«f*atict Ut, daa mL·· «U« dicht« Tr«aa*aad

B«Bt aa«h ·1β·β der 4Baprtt«h· 1 bU ^, dadurch f·- , das dar ΤγΜ*·γ «U »ohr Ut, Mlehaa innerhalb da· BBd glaUhachei« Bit diaeaa, aagcordwit Ut*

7* lr«BBet*£f«UBaat nach daa ABcprUchaa 1 Bad 5· dadurch Mt, daA dU d«a porttMB Tra*«r bUdaad· Platt· U cUa Uaarhalb 4a« laaal· Bageardaet·, dicht« Tr«aa«aad «U««a«tat Ut*

·· trcTiaataffal—at nach den Aaa»rU«h«n 1 uad 6, dadurch gakaaa-Mittiuwt, da» daa daa βοτομβ fr«c«r biLd«Bdcü«hr U «ia dUht·· Β·βτ «U««a«tBt Ut, NltlNi Ui IiMftB d·· Kaaala gl«Uhachaig •4t AU··« aa««crdaat Ut.

9· lr—B»taffcUcMat aa«h A«a ABBfHlchaa 1 and 5, dadurch g«kaaa-B)UkMt₁ AaI Am f«aarr«at« HaUrial «la «U(mm· Oxjd «der «ia b«lB>UUMU· U₂O₃, HgO, ErO₂ ♦ MfO, IrO₂ ♦ CaO od«r

BAD

809901/0A52

lo. Brennstoff element nach einem der Ansprüche 1 bia 9, dadurch Q,ekenn£eichaet, daii der Elektrolyt aus einen, ! iechoxyd besteht, wie beispielsweise ZrO. ♦ CaO_t 2IrO + l'gO und ZrO- + CaO ♦ MgO,

11· Brennstoffelement nach einen, der Ansprüche 1 bis Io, dadurch gekennzeichnet, da.i die eine Elektrode, insbesondere die \node, aus eineei leitenden Metall wie Eisen, Nickel oder Kobalt besteht« während die Kathode aus Silber oder aus eine ε !'ischoxyd «le + LiO, üeateht.

BAD ORIG'NAL 809901/0 Λ 5 2