DE1671704A1 - Festelektrolyt fuer Brennstoffzellen - Google Patents

Description

BROWN, BOVERI & CIE AG :

.MANNHEIM

- ' Mannheim, den 22.2,1967 Pat.Ki/fai '

Mp.-3STr. 526/67

Pestelektrolyt für Brennstoffzellen '

Gegenstand der Erfindung 1st ein !Festelektrolyt für-Brennstoffzellen aus Zirkondioxyd mit Oxydbeimischungen._v

Brennstoffzellen dienen "bekanntlich zur direkten Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Zu diesem Zwecke führt man "bei Brennstoffzellen mit einem Pestelektrolyten, deren Arbeitstemperatur rund 1QOO⁰G 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 Pestelektrolyten 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 Pestelektrolyt 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 "Naturwissenschaften¹¹, H. 31, 1943, S. 265), zu diesem Zwecke dem Zirkondioxyd Yttriumoxyd %2 °3 οάβτ -Kalziumoxyd CaO zuzusetzen. Auf diese Weise wurde zwar die Phasenstabilität und die Sauerstoffionenleitfähigkeit verbessert, nachteilig ist jedoch die hohe Betriebstemperatur derartiger Zellen (1QOQ⁰C),

Be ist weiterhin bekannt (H. Tannenberger et al, Zeitschrift »Reyu» Energie Priaaire» IXI_f 1965, S> 19-46), Ytterblumoxyd YbgO, zuzusetzen, das bei Temperaturen unterhalb 1QOO⁰C wohl eint Verbeeeerung der Sauerstoffionenleitfähigkeit, aber nicht der

2h*i#natafcillt8t bewirkt. Y -*, ■■

. 1Q9-839/0-3G4 _ _{2 m}

- 2 - . . 526/67

Weiterhin sind Festelektrolyte bekannt, die aus drei Oxyden bestehen, wie Zr 0₂/Ca0/1y[g0 oder Zr 0₂/Yb₂ .03/ÄlpO,. Diese genannten Festelektrolyte weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. Entweder sind sie bei hohen Temperaturen von 800 - 1000⁰C nicht phasenstabil wie ZrOpZYb₂O,, so daß sich die Sauerstoffionenbeweglichkeit laufend verschlechtert, oder letztere ist bei den gewünschten Arbeitstemperaturen von 700⁰C - 800⁰C sehr gering.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile bei Festelektrolyten zu beheben. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Zirkondioxyd Yttriumoxyd und Ytterbiumoxyd unter Bildung eines Mischoxydes der Form

wobei &> ,/$ , // jeweils den Molenbruch bedeutet, zugesetzt sind

Durch diese Maßnahme wird eine sehr gute Sauerstoffionenleitfähigkeit und Phasenstäbilität des !Festelektrolyten erreicht. Es wurde erkannt, daß der Festelektrolyt dann die gewünschten Eigenschaften aufweist,, wenn die Molenbrüche in folgenden Intervallen liegen:

0,84 < Λ ^ 0,96

Es zeigte sich weiterhin, daß die obenerwähnten Nachteile des aus Zirkonoxyd, Yttriumoxyd und Aluminiumoxyd bestehenden Festelektrolyten sich beheben lassen, falls erfindungsgemäß Ytterbiuinoxyd und Yttriumoxyd anstelle des Ytterbiumoxydes verwendet werden. Auf diese Weise ergibt sich ebenfalls eine Verbesserung der Ionenleitfähigkeit und Phasenstabilität. Dieser Festelektrolyt hat die Zusammensetzung:

[ZrO₂]_Λ [Y₂O₃] ^fYb₂O₃] ^[Al₂Q₅]/

mit ^+/$+/ +t/= !"· Eie Indizis geben die Molenbrüche an, die in folgenden Wertbereichen liegen

0,84 £'* 4 0,96

/^ 0,16. 109839/0304

/4 0,16
/^ 0,04

-. - 3 - . 526/67

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°0 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 oxyifende und reduzierende Reaktionsstoffe. Als besonders günstig hinsichtlich ihrer Eigenschaften erweisen sich die Festelektrolyte der Zusammensetzung s

o,92 CV₅] 0,04 ί>2°3] 0,04

0,88 L^Y2°33 0,06 L^Yb2°3] 0,04 L^A12⁰3] 0,02

Zur Herstellung dieser Festelektrolyte werden die betreffenden binären Mischoxyde, z.B. ZrO₂A2°3 ^^zw-· ZrO₂Ab₂O, bzw. ZrO₂/Y2°3> ^Ζγ02/^ΪΊ32°3 ^{und Ζ}^θ2/^Α12°3 ^{oder die einzelnen} Komponenten ZrOp» ^Υ2θ3» ^^2^3 ^und ^2^3 entsprechenden Verhältnis gemischt und die an sich bekannten Verfahren angewandt.

Der Pestelektrolyt kann in Form von Platten bzw. Völlzylindern oder Rohren hergestellt und durch Schleifen, Bohren und Sägen weiterverarbeitet werden.

10983970304

Claims (3)

- 4 - . 526/67 Patentansprüche: · -

1. Pestelektrolyt für Hoohtemperatur-Brennstoffzellen aus Zirkondioxyd mit Oxydbeimischungen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zirkondioxyd Yttriumoxyd und Ytterbiumoxyd unter Bildung eines Mischoxydes der Form

wobei o( _$jA , Kjeweils den Molenbruch bedeutet, zugesetzt sind.

2. Festelektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zirkondioxyd zusätzlich Aluminiumoxyd unter Bildung eines Mischoxydes der Form

[ZrO₂] ^ [Y₂O₃]^ (Yb₂O₃]_/ ^I₂O₃]^mIt K ₊ Λ /♦/» wobei A , >v,> ,</" j eweils den Molenbruch bedeuten, zugesetzt sind.

3. Festelektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molenbrüche Λ _t/4 , l· in den Wertbereichen 0,84 < 0( 4 0,06

liegen, insbesondere OC =0,92

> * 0,04

™ 4* Fest elektrolyt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Molenbrüche 0C,yi \ r _t </* in den Wertbereichen rA< 0,96

Y^.0,16 /UO,04

'liegen, insbesondere :■;· Oi= 0,88

= 0,06 = 0,04 '= 0,02

109839/0304