DE19625617A1 - Elektrodensystem für eine elektrochemische Zelle - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein Elektrodensysteme und insbe
sondere solche mit dünner Elektrodenschicht ("dünn" bedeutet
dabei im Bereich kleiner 1 mm) , für eine elektrochemische Zel
le mit zwei Elektroden, wovon die eine kathodisch und die an
dere anodisch belastet wird, die eine, gegenüber dem bekann
ten Stand der Technik verbesserte, Gesamtlebenszeit aufwei
sen.
Bei den bislang bekannten Elektrodensystemen mit Elektroden
wird möglichst versucht, daß die beiden Elektroden eine
gleich große Fläche besitzen und nicht die eine die andere
überlappt. Es hat sich dabei herausgestellt, daß eine 100%
ige Flächengleichheit, insbesondere bei Elektrodensystemen
mit dünner Elektrodenschicht fast nie erreicht wird und des
halb immer eine Elektrode die andere den Rand entlang etwas
überragt. Ein Zusammenhang der Verhältnisse der Flächen der
beiden Elektroden zueinander mit dem Alterungsverhalten des
gesamten Elektrodensystems ist dabei jedoch noch nie disku
tiert worden und entsprechend bislang unbekannt.
Es ist real, daß an den Rändern der Elektroden besonders hohe
Stromdichten auftreten. Dies umso mehr, wenn eine Elektrode
die andere überragt, so daß der Randbereich der überragten
Elektrode mit besonders hohen Stromdichten belastet wird.
Diese hohen Stromdichten im Randbereich der Elektroden werden
an den Stellen noch signifikant erhöht, an denen eine Elek
trode von der anderen überragt wird, weil ihr am meisten
nicht belasteter Elektrolyt zur Verfügung steht. Nachdem
Elektrodensysteme mit ungleichen Elektroden die Regel sind,
ist es ein Bedürfnis, negative Auswirkungen dieser ungleichen
Stromdichten auf den Elektroden, auf die Lebenszeiten der
Elektrodensysteme, zu unterdrücken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Elektrodensy
stem zur Verfügung zu stellen, bei dem Größenunterschiede der
Elektroden nicht zur Verringerung der Lebenszeit des Elektro
densystems führen.
Erkenntnis der vorliegenden Erfindung ist, daß bei Elektro
densystemen immer die leichter korrodierende Elektrode, deren
Korrosion mit wachsender Stromdichte normalerweise voran
schreitet, durch eine geringe Vergrößerung ihrer Fläche ge
genüber der stabileren Elektrode im Randbereich entlastet
werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Elek
trodensystem mit mindestens zwei Elektroden, einer stabileren
und einer instabileren Elektrode und einem Elektrolyten, wo
bei unter Betriebsbedingungen die instabilere Elektrode
leichter korrodiert als die stabilere, bei dem die instabile
re Elektrode größer als die stabilere Elektrode ist und des
halb die instabilere die stabilere Elektrode längs des gesam
ten Randes überragt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde das physikalische
Phänomen, daß an den Rändern von Elektroden höhere Stromdich
ten, insbesondere bei Größendifferenzen der Elektroden, ent
stehen, in Zusammenhang mit dem Alterungsverhalten, insbeson
dere von Brennstoffzellen, wie beispielsweise der SOFC, ge
setzt.
Ein typischer Vertreter der erfindungsgemäßen Elektrodensy
steme sind die Brennstoffzellen und insbesondere die Hochtem
peraturbrennstoffzellen wie beispielsweise die Oxidkeramische
Brennstoffzelle (SOFC) . Bei dieser Ausgestaltung ist es be
sonders häufig, daß die Anode, die die instabilere Elektrode
ist, eine Nickel-Cermet-Elektrode ist. Als Cermet wird dabei
ein porös gesintertes Durchdringungsgefüge aus Nickel- und
Zirkon-Oxid-Körner bezeichnet, das gesintert und anschließend
in der Zelle reduziert wurde.
Weiterhin kann die Erfindung auch bei anderen Brennstoffzel
len mit zwei Elektroden aus unterschiedlichen Materialien,
wie der DMFC (Direkt-Methanol-Brennstoffzelle) oder PEMFC
(Polymer-Elektrolyt -Membran-Brennstoffzelle) realisiert wer
den. Bei der DMFC ist die instabilere, d. h. unter Betriebsbe
dingungen leichter korrodierende, Elektrode die Anode, der
unedle Metalle wie Zinn und Nickel beigemischt sein können.
Die Erfindung ist besonders wertvoll im Zusammenhang mit
niedrigpolarisierenden Elektroden, weil diese, wie die der
Erfindung zugrunde liegenden Forschungsarbeiten gezeigt ha
ben, besonders hohe Stromdichten am Rand aufweisen.
Die Größe der Überlappung der instabileren Elektrode hängt
von diversen Faktoren ab, wie beispielsweise der Polarisier
barkeit der Elektroden, dem Elektrolytwiderstand und seiner
Schichtdicke, d. h. sie muß oberhalb eines, für das jeweilige
Elektrodensystem, kritischen Grenzwertes liegen. Dabei ist
hauptsächlich sicherzustellen, daß an keiner Stelle die sta
bilere Elektrode die instabilere überlappt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, nämlich
der Hochtemperaturbrennstoffzelle, mit der Anode aus Nickel-
Cermet als instabilere Elektrode, beträgt die minimale Größe
des überlappenden Randbereiches 450 µm, d. h. ca. das 3-fache
der Dicke des zwischen den Elektroden befindlichen Elektroly
ten. Diese systemabhängige Größenangabe für den Überlappungs
bereich kann auf andere Elektrodensysteme übertragen werden.
Dabei ist der Faktor, wie oben angegeben, abhängig vom Pola
risationswiderstand beider Elektroden, der Leitfähigkeit des
Elektrolyten und seiner Schichtdicke. Im Fall der SOFC hat
der Elektrolyt einen flächenbezogenen Widerstand von 0,15
Ωcm² und die beiden Elektroden haben einen Polarisationswi
derstand im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 Ωcm². In diesem Fall
ist die Aussage gerechtfertigt, daß eine Überlappung mit dem
3-fachen Wert der Elektrolytschicht-Dicke optimal ist.
Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, daß bislang, u. a.
wegen der willkürlichen Überlappung zweier in einem Elektro
densystem (beispielsweise der SOFC) befindlichen Elektroden,
oftmals die Lebensdauer der instabileren Elektrode stark ver
ringert wird, weil im Randbereich dieser Elektrode
(beispielsweise im Falle der Nickel-Cermet-Anode die Oxidati
on den Nickels) Korrosion eintritt und Verlust der elektroka
talytischen Eigenschaften, während die andere Elektrode wegen
ihrer Überlappung geschont wird. Bei der bereits beschädigten
und von vornherein instabileren Elektrode wird die, der kor
rodierten (aufoxidierten) Stelle, benachbarte Stelle zum neu
en Randbereich, der dann wiederum einer noch größeren Über
lappung der stabileren Elektrode ausgesetzt ist. Der ganze
Alterungsprozeß, ähnlich einem Krebsschaden, wandert mit die
ser Zone weiter die Elektrode entlang.
Dieses Auffressen der Elektrode kann wirkungsvoll dadurch be
kämpft werden, daß die korrosions-gefährdete und instabilere
Elektrode die stabilere Elektrode an den Randbereichen über
lappt und zwar mindestens in einer solchen Breite, daß die
Stromdichten der instabileren Elektrode an den Randbereichen
mit denen derselben Elektrode in den inneren Bereichen der
Elektrode vergleichbar sind.
Die erfindungsgemäß neuen Elektrodensysteme zeichnen sich al
so alle dadurch aus, daß immer die Elektrode, die bei hoher
Belastung durch Reduktion oder Oxidation ihre Aktivität ein
büßt, einen überlappenden Rand hat.
Claims (5)
1. Elektrodensystem mit mindestens zwei Elektroden, einer
stabileren und einer instabileren Elektrode und einem Elek
trolyten, wobei unter Betriebsbedingungen die instabilere
Elektrode leichter korrodiert als die stabilere, bei dem die
instabilere Elektrode größer als die stabilere Elektrode ist
und deshalb die instabilere die stabilere Elektrode längs des
gesamten Randes überragt.
2. Elektrodensystem nach Anspruch 1, bei dem das Elektroden
system eine Brennstoffzelle ist.
3. Elektrodensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei
dem die instabilere Elektrode die Anode ist.
4. Elektrodensystem nach Anspruch 3, bei der das Elektroden
system eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist und die Anode
eine Nickel-Cermet-Elektrode ist.
5. Elektrodensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche,
bei dem die instabilere Elektrode die stabilere Elektrode um
einen Rand von zumindest der Breite, die dem Dreifachen der
Elektrolyt-Dicke des Systems entspricht, überragt.
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DE19625617C2 DE19625617C2 (de) | 1998-07-16 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1304756A2 (de) * | 2001-10-19 | 2003-04-23 | Delphi Technologies, Inc. | Brennstoffzelle mit optimiertem elektrischem Widerstandsmuster |
CN103825031A (zh) * | 2014-03-18 | 2014-05-28 | 哈尔滨工业大学 | 一种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构 |
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1996
- 1996-06-26 DE DE19625617A patent/DE19625617C2/de not_active Expired - Fee Related
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NICHTS ERMITTELT * |
Cited By (3)
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---|---|---|---|---|
EP1304756A2 (de) * | 2001-10-19 | 2003-04-23 | Delphi Technologies, Inc. | Brennstoffzelle mit optimiertem elektrischem Widerstandsmuster |
EP1304756A3 (de) * | 2001-10-19 | 2006-03-29 | Delphi Technologies, Inc. | Brennstoffzelle mit optimiertem elektrischem Widerstandsmuster |
CN103825031A (zh) * | 2014-03-18 | 2014-05-28 | 哈尔滨工业大学 | 一种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构 |
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