DE19625617C2 - Elektrodensystem für eine elektrochemische Zelle - Google Patents

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 Zirkoniumdioxid-Körnern 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 Ω cm² 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 des 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.