DE1571991A1 - Oxydisches Kathodenmaterial fuer galvanische Brennstoffzellen fuer hohe Temperaturen - Google Patents

Oxydisches Kathodenmaterial fuer galvanische Brennstoffzellen fuer hohe Temperaturen

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DE1571991A1
DE1571991A1 DE19661571991 DE1571991A DE1571991A1 DE 1571991 A1 DE1571991 A1 DE 1571991A1 DE 19661571991 DE19661571991 DE 19661571991 DE 1571991 A DE1571991 A DE 1571991A DE 1571991 A1 DE1571991 A1 DE 1571991A1
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fuel cells
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oxydic
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Dipl-Chem Dr Arnold Isenberg
Wilfried Pabst
Dr Gerd Sandstede
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Battelle Institut eV
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Description

62/66/KRU/gus
F-3253-01 19. Oktober 1966 -| 5 η -j g g
Battelle-Inetitut e.V., Frankfurt/Main, Wiesbadener Straße
Oxydisches Kathodenmaterial für
galvanische Brennstoffzellen für
hohe Temperaturen
Die Erfindung betrifft oxydisches Kathodenmaterial für galvanische Brennstoffzellen mit sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, die bei hohen Temperaturen mit Gasen als Brennstoff und als Oxyd&ns betrieben werden.
0098U/0906
An den Kathoden galvanischer Brennstoffzellen findet bekanntlich eine elektrochemische Reduktion des Oxydans, z.B. des Sauerstoffes, statt. Die Kathoden massen daher in gutem Kontakt mit dem Elektrolyten stehen. Bei flüssigen und schmelzflussigen Elektrolyten verden die Elektroden durch den Elektrolyten benetzt, dagegen müssen bei festem Elektrolyten die Elektroden mechanisch gut haften. Von der Haftfläche hängt die Leistungsdichte dieser Kathoden ab. Sie dürfen deshalb nicht korrodieren. Als Kathodenmaterialien dienten bisher Platin (H. Binder et^ at, 5 Elektrochemica Acta 8_, 781, 1963; D.H. Archer et al. "Solid Electrolyte Batteries" 18th Annual Proceedings Pover Sources Conference, May 19-21, 1964) oder Silber (US-Patentschriften 3.138.487, 3.138.488 und 3.138.490) sowie Oxyde der Metalle Mangan, Kupfer, Kobal<t und Nickel (Südafrikanische Patentschrift 632676) und kubische Mischoxyde von Zirkonoxyd mit Praseodymoxyd oder Zirkonoxyd mit Ceroxyd (Patentschrift 22030, des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen).
Diese bekannten Kathodenmaterialien haben folgende Nachteile:
Elektroden aus Platinmetallen sind zu teuer. Silber verdampft bei Temperaturen von mehr als 900°C merklich, so daß dünnschichtige Kathoden zerstört werden. Finden flüssige Silberkathoden Verwendung, so sind aus konstruktiven
0098U/0906
Gründen den Zellenbau enge Grenzen gesetzt (Becherfora, GravitätionsaihaagigkedU,, Raumbedarf). Kathoden aus den enrähnten Metalloxyden haben einen so hohen elektrischen Widerstand, so daß sie praktisch ohne einen metallischen Kollektor ans Silber oder anderen Edelmetallen nicht zu verwenden sind, dabei ist wiederum zu berücksichtigen, daß Silber verdampft und andere Edelmetalle als Kollektoren au kostpielig sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kathodenmaterial zu schaffen, das - ohne die 'Nachteile der bisher bekannten Kathoden für galvanische Brennstoffzellen mit Festelektrolyten aufzuweisen - korrosionsbeständig ist und eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit hat, ohne daß man auf die Verwendung eines Edelmetalls bei der Herstellung der Kathoden angewiesen ist.
Es wurde nun gefunden, daß man bei Verwendung von Metelloxyden die Nachteile der bisher bekannten Kathodenmaterialien vermeiden kann, wenn man als Kathodenmaterial Indiumoxyd verwendet, das mit verhältnismäßig geringen Mengen Galliumoxyd vergütet ist. Derart dotiertes Indiumoxyd hat besonders im Gebiet von 0,1 bis 30 Gew.% Galliumoxyd eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als die Oxyde oder Oxydgemische, die bisher als Kathodenmaterialien herangezogen
Q098U/0 9 06
wurden, so daß die Verwendung von Kollekteren aus Edelmetallen überflüssig ist. Die Leitfähigkeit kann bis x» 10 (jß.»cm) betragen. Galliumoxyd kanneauch ganz oder teilweise durch Zinkoxyd ersetzt werden, ohne daß sich die Leitfähigkeit des Mischoxyds merklich ändert·
Es ist überraschend, daß das erfindungsgemäße oxydische Elektrodenmaterial in einer porösen Schicht so verankert werden kann, daß es eine dauerhafte leitfähigiseElektrode bildet, die außerdem weder durch Polarisation noch durch Reaktion mit dem Festelektrolyten verändert werden kann.
Im folgenden Beispiel werden die· Herstellung einer Oxydkathode und die elektrischen Eigenschaften der Kathode beschrieben.
Beispiel
Eine Festelektrolytscheibe von 10 mm Radius und 1 mm Dicke trägt eine aufgesinterte poröse Elektrolytschicht mit einer Porosität von ca. 60 Vol.-96. Die poröse Schicht hat eine Dicke von 0,2 mm. Als Elektrolyt für die Schicht wie aoch für die poröse Schicht dient eine Oxydmischung von 92 Hol.-S Zirkonoxyd und 8 Mol -% Yttriumoxyd.
009 8U/0906
Die poröse Schicht wird ait einer hochkonzentrierten Indiuanitratlösung, die eine entsprechende Menge Galliumnitrat enthält, getränkt, so daß ein Indiumoxyd entsteht, das 0,1 Gew.-% Galliumoxyd enthält. Die Lösung wird in der porösen Matrix bis zur Trockne abgedampft und das Indiumnitrat-Galliumnitrat-Gemisch durch Erhitzen in das Qxydgemisch übergeführt» Die entstandene Oxydschicht ist noch nicht genügend dicht, so daß der Widerstand der Elektrodenschicht zu hoch ist« Durch mehrmaliges Tränken der porösen Schicht mit der Nitratlösung und Bildung des Oxyds in der porösen Matrix gelangt man zu einer Oxydkathode, die nach einer zwei Stunden dauernden Erhitzung auf 10000C Luft eine genügend hohe Leitfähigkeit besitzt, um sie als Kathode in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Bei einer fünfmaligen Tränkung der porösen Elektrodenschicht erhält man eine Quadrat-Leitfähigkeit von wenigen Ohm bei Raumtemperatur. Da die Leitfähigkeit bei Temperaturerhöhung steigt, Jr.ο kann eine solche Kathode ohne Kollektor arbeiten.
Anstelle von Galliumoxyd kann ebenfalls Zinkoxyd zur Dotierung des Indiumoxyds herangezogen werden. Der Anteil der beiden Fremdoxyde im Indiumoxyd kann zwischen etwa 0 und 30 Gew.-J6 bet nagen.
0098U/0906
In der Zeichnung ist die Charakteristik einer Hochteaperaturbrennstoffzelle ait Nickelanode und Bit Galliueoxjd dotierter Indiumoxydkathode ohne Kollektor bei HOO0C aufgezeigt. Als Brennstoff diente Wasserstoff, als Oxydans
Luft. Auf der Ordinate ist die Zellenspannung in ■¥ und
auf der Abszisse die Belastung der Zelle in mk/cn aufgetragen»
009814/0306

Claims (1)

1 C1I 1 QQ Patentanspruch ιο/ιααι
i. Qxydiscb.es Kathodenmaterial für galvanische Brenn-Stoffsellen Bit sauerstoffionenleitenden Feetelektro-Iyten, die bei hohen Temperaturen eit gasförnigen Qxydantien arbeiten, ans Mischoxyden, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenaaterial Indiuaoxyd aufweist, das ait GallivuMxyd und/oder Zinkoxyd dotiert ist, und daß die Menge dieser beiden Oxyde im Indiumoxyd arischen 0 und 30 Gew.-S beträgt.
0098U/0906
Leerseite
DE19661571991 1966-10-22 1966-10-22 Oxydisches Kathodenmaterial fuer galvanische Brennstoffzellen fuer hohe Temperaturen Pending DE1571991A1 (de)

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US3969217A (en) * 1974-10-07 1976-07-13 Hooker Chemicals & Plastics Corporation Electrolytic anode
US4459341A (en) * 1983-02-02 1984-07-10 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy High temperature solid electrolyte fuel cell with ceramic electrodes

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GB1196930A (en) 1970-07-01
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