DE19812513A1 - Molten carbonate fuel cell with short-circuit protection and increased life - Google Patents

Molten carbonate fuel cell with short-circuit protection and increased life

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Abstract

A molten carbonate fuel cell has an electrolyte matrix (3) with an aluminum-doped zinc oxide layer (3b) at its side facing the cathode (2). Preferred Features: The electrolyte matrix (3) has a lithium aluminate layer (3a) at its side facing the anode (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolytmatrix und mit einem entlang der Anode führenden Strömungsweg für ein Brenngas und einem entlang der Kathode führenden Strömungsweg für ein Kathodengas.The invention relates to a molten carbonate fuel cell with one anode, one Cathode and an electrolyte matrix arranged between anode and cathode and with one flow path for a fuel gas and one along the anode the cathode leading flow path for a cathode gas.

Die Anode einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle besteht üblicherweise aus porösem Nickel, die Kathode aus porösem lithiiertem Nickeloxid. Die zwischen Anode und Kathode angeordnete Elektrolytmatrix besteht aus einem Schmelzelektrolyten, der in einer feinporigen Matrix fixiert ist. Das lithiierte Nickeloxid der Kathode unterliegt einer geringen Löslichkeit unter der Wirkung des Schmelzelektrolyten und es erfolgt ein Diffusionstransport gelöster Nickelionen in die Matrix hinein. In der Matrix werden die Nickelionen durch Wasserstoff, welcher in dem Brenngas der Brennstoffzelle enthalten ist und von der Anodenseite durch die Elektrolytmatrix in Richtung Kathode hin diffundiert, chemisch zu metallischem Nickel reduziert. Dieses metallische Nickel bildet Nickelkörner in der Matrix, welche in ihrer Lage dem Konzentrationsverlauf des Wasserstoffs in der Elektrolytmatrix folgen. Da in der Nähe des Anodengaseingangs die Wasserstoffkonzentration hoch ist und dieser damit weit in die Matrix eindringt, scheiden sich am Anodengaseingang die Nickelkörner näher an der Kathodenoberfläche ab. Andererseits ist die Wasserstoffkonzentration in der Nähe des Anodenausgangs niedriger, so daß sich auch die Eindringtiefe des Wasserstoffs in die Elektrolytmatrix vermindert und damit die Nickelkörner näher an der Anodenoberfläche abscheiden. Zwischen diesen beiden Extrempositionen an Anodengaseingang und Anodengasausgang entsteht eine im wesentlichen diagonal durch die Elektrolytmatrix verlaufende Ansammlung von Körnern aus abgeschiedenem metallischem Nickel, welche sich wie ein Band durch die Elektrolytmatrix ziehen. Wenn die Zahl und Größe der Nickelkörner genügend angewachsen ist, kann es zu einem direkten Kontakt zwischen diesen kommen und damit auch zu einem direkten Leitungskontakt von Anode und Kathode und damit zu einem Kurzschluß der Zelle.The anode of a molten carbonate fuel cell usually consists of porous Nickel, the cathode made of porous lithiated nickel oxide. The one between anode and cathode arranged electrolyte matrix consists of a melt electrolyte, which in a fine-pored matrix is fixed. The lithiated nickel oxide of the cathode is subject to one low solubility under the action of the melt electrolyte and it takes place Diffusion transport of dissolved nickel ions into the matrix. In the matrix, the Nickel ions from hydrogen contained in the fuel gas of the fuel cell and diffuses from the anode side through the electrolyte matrix towards the cathode, chemically reduced to metallic nickel. This metallic nickel forms nickel grains in the matrix, which in its position corresponds to the concentration curve of the hydrogen in the Follow the electrolyte matrix. Because near the anode gas inlet Hydrogen concentration is high and this penetrates far into the matrix the nickel grains closer to the cathode surface at the anode gas inlet. On the other hand, the hydrogen concentration is lower near the anode outlet, so that the penetration depth of the hydrogen into the electrolyte matrix is reduced and  so that the nickel grains deposit closer to the anode surface. Between these Both extreme positions at the anode gas inlet and anode gas outlet result in an essential collection of grains running diagonally through the electrolyte matrix made of deposited metallic nickel, which runs like a band through the Draw the electrolyte matrix. If the number and size of the nickel grains is sufficient has grown, there can be a direct contact between them and with it also to direct line contact of the anode and cathode and thus to one Short circuit in the cell.

Bei den derzeit bekannten Schmelzkarbonatbrennstoffzellen besteht bereits nach 16 000 bis 20 000 Stunden die Gefahr eines derartigen Kurzschlusses aufgrund Einlagerung von metallischem Nickel in der Elektrolytmatrix.The currently known molten carbonate fuel cells already exist after 16,000 to 20,000 hours the risk of such a short circuit due to storage of metallic nickel in the electrolyte matrix.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle anzugeben, welche gegen einen inneren Kurzschluß geschützt ist und eine längere Lebensdauer aufweist.The object of the invention is to provide a molten carbonate fuel cell which is protected against an internal short circuit and has a longer service life.

Diese Aufgabe wird durch eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved by a molten carbonate fuel cell with the in claim 1 specified features solved.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete Elektrolytmatrix auf. Weiterhin ist ein entlang der Anode führender Strömungsweg für ein Brenngas und ein entlang der Kathode führender Strömungsweg für ein Kathodengas vorgesehen. Erfindungsgemäß weist die Elektrolytmatrix auf ihrer der Kathode zugewandten Seite eine Schicht aus aluminiumdotiertem Zinkoxid auf. Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung der Elektrolytmatrix besteht in einer Verminderung des Konzentrationsgradienten der Nickelionen in der Elektrolytmatrix im Bereich der Kathode und damit einer Verminderung des Transports von Nickelionen aus der Kathode in die Elektrolytmatrix. The fuel cell according to the invention has an anode, a cathode and an intermediate Anode and cathode arranged electrolyte matrix. There is also a along the anode leading flow path for a fuel gas and one leading along the cathode Flow path provided for a cathode gas. According to the invention Electrolyte matrix on its side facing the cathode a layer aluminum-doped zinc oxide. The main advantage of the invention Formation of the electrolyte matrix consists in a reduction in the Concentration gradient of the nickel ions in the electrolyte matrix in the area of the cathode and thus a reduction in the transport of nickel ions from the cathode into the Electrolyte matrix.  

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Schicht aus aluminiumdotiertem Zinkoxid eine Dicke von zwischen 15 bis 80% der Gesamtdicke der Elektrolytmatrix aufweist.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the Layer of aluminum-doped zinc oxide with a thickness of between 15 to 80% of the Total thickness of the electrolyte matrix.

Vorteilhaft ist eine Dicke der Schicht aus aluminiumdotiertem Zinkoxid zwischen 20 und 35% der Gesamtmatrixdicke.A thickness of the layer made of aluminum-doped zinc oxide is advantageously between 20 and 35% of the total matrix thickness.

Vorzugsweise besteht die Elektrolytmatrix auf der der Anode zugewandten Seite aus Lithiumaluminat.The electrolyte matrix preferably consists of the side facing the anode Lithium aluminate.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Elektrolytmatrix aus zwei Schichten hergestellt ist, von denen die der Kathode zugewandte Schicht aus aluminiumdotiertem Zinkoxid besteht.According to a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that that the electrolyte matrix is made of two layers, one of which is the cathode facing layer consists of aluminum-doped zinc oxide.

Vorteilhafterweise besteht hierbei die der Anode zugewandte Schicht aus Lithiumaluminat.Advantageously, the layer facing the anode consists of lithium aluminate.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:An exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, welche die gegenseitige Lage der wesentlichen Brennstoffzellenbestandteile darstellt; FIG. 1 is an exploded perspective view of a molten carbonate, which represents the mutual position of the main fuel cell components;

Fig. 2a und b Schnittdarstellungen der Baugruppe Anode-Elektrolytmatrix-Kathode zur Erläuterung des Kurzschlußmechanismus aufgrund von Abscheidung von Nickelkörnern; Figs. 2a and b cross-sectional views of the assembly the anode-cathode electrolyte matrix for explaining the short-circuit mechanism due to deposition of nickel grains;

Fig. 3 den Konzentrationsverlauf der verschiedenen Gasbestandteile und der Nickelionen in der Baugruppe Anode-Elektrolytmatrix-Kathode einer herkömmlichen Schmelzkarbonatbrennstoffzelle; und Fig. 3 shows the concentration profile of the various gas components and the nickel ions in the anode assembly electrolyte matrix cathode of a conventional molten carbonate fuel cell; and

Fig. 4 in schematisierter Darstellung den Aufbau der Baugruppe Anode-Elektrolytmatrix- Kathode und insbesondere den Aufbau der Elektrolytmatrix gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und in vereinfachter Form dem Konzentrationsverlauf von Wasserstoff und Nickelionen in der Elektrolytmatrix. Fig. 4 shows a schematic representation of the structure of the assembly anode-electrolyte matrix-cathode and in particular the structure of the electrolyte matrix according to an embodiment of the invention and in a simplified form the concentration profile of hydrogen and nickel ions in the electrolyte matrix.

In der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzelle bedeutet Bezugszeichen 3 die Elektrolytmatrix der Brennstoffzelle, welche aus einem in einer porösen Matrix fixierten Schmelzkarbonatelektrolyten besteht. Die Elektrolytmatrix 3 ist zwischen einer Anode 1 und einer Kathode 2 angeordnet, zwischen welchen die Brennstoffzellenreaktion abläuft. Die Anode 1 besteht typischerweise aus porösem Nickel, die Kathode 2 besteht typischerweise aus porösem lithiiertem Nickeloxid. An der Anode 1 und an der Kathode 2 sind jeweils Bipolarplatten 4, 5 angeordnet, welche die Aufgabe haben, die Anode 1 bzw. die Kathode 2 elektrisch zu kontaktieren und Anode und Kathode zweier benachbarter Brennstoffzellen voneinander zu trennen und Strömungsquerschnitte für ein an der Anode 1 vorbeizuführendes Brenngas B und ein an der Kathode 2 vorbeizuführendes Kathodengas K zu schaffen. Insoweit handelt es sich hier um den typischen Aufbau einer bekannten Schmelzkarbonatbrennstoffzelle.In the fuel cell shown in FIG. 1, reference numeral 3 denotes the electrolyte matrix of the fuel cell, which consists of a molten carbonate electrolyte fixed in a porous matrix. The electrolyte matrix 3 is arranged between an anode 1 and a cathode 2 , between which the fuel cell reaction takes place. The anode 1 typically consists of porous nickel, the cathode 2 typically consists of porous lithiated nickel oxide. Bipolar plates 4 , 5 are arranged on the anode 1 and on the cathode 2 , which have the task of making electrical contact with the anode 1 and cathode 2 and separating the anode and cathode of two adjacent fuel cells from one another and flow cross sections for one at the anode To create 1 fuel gas B to be passed and a cathode gas K to be passed by the cathode 2 . To this extent, this is the typical structure of a known molten carbonate fuel cell.

Bezugnehmend auf die Fig. 2a und b soll der Kurzschlußmechanismus aufgrund von während des Betriebs der Brennstoffzelle in der Elektrolytmatrix ausfallenden metallischen Nickelkörnern beschrieben werden. Während des Betriebs der Schmelzkarbonatbrennstoffzelle löst sich aufgrund der Wirkung des Schmelzelektrolyten allmählich Nickeloxid aus der Kathode 2, so daß Metallionen Ni2+ in die Elektrolytmatrix 3 gelangen. In der Elektrolytmatrix 3 werden die Nickelionen durch Wasserstoff, welcher in dem Brenngas bzw. Anodengas B enthalten ist, und welcher von der Anode 1 in die Elektrolytmatrix 3 diffundiert, in einer elektrochemischen Reaktion zu metallischem Nickel reduziert, welcher in Form von feinen Nickelkörnern ausfällt. Entsprechend dem Konzentrationsverlauf des Wasserstoffs in der Elektrolytmatrix 3, welcher vorn Gaseinlaß an der Anode dem Gasfluß folgend hin abnimmt, bildet sich allmählich eine Ansammlung von Körnern aus metallischem Nickel in der Elektrolytmatrix 3, welche ähnlich einem Band dem Verlauf der Wasserstoffkonzentration in der Elektrolytmatrix 3 folgt. Da in der Nähe des Anodengaseinlasses die Wasserstoffkonzentration und damit auch dessen Eindringtiefe in die Elektrolytmatrix hoch ist, scheiden sich die Nickelkörner in der Nähe des Anodengaseingangs vorzugsweise nahe der Kathodenoberfläche ab, wie auf der linken Seite von Fig. 2a zu sehen ist. Andererseits ist auf der Anodengasausgangsseite die Wasserstoffkonzentration vergleichsweise gering, so daß die Eindringtiefe des Wasserstoffs in die Elektrolytmatrix kleiner ist und damit die Nickelkörner in der Nähe der Anodenoberfläche abgeschieden werden, wie auf der rechten Seite von Fig. 2a zu sehen ist. Zwischen diesen beiden Extrempositionen an Anodengaseinlaß bzw. Anodengasauslaß bildet sich ein näherungsweise diagonal durch die Matrix verlaufendes Band aus Körnern von abgeschiedenem metallischem Nickel. Die Darstellung dieses Bandes von Nickelkörnern ist in Fig. 2a selbstverständlich stark vereinfacht, in der Realität sind die Nickelkörner wesentlich kleiner und wesentlich weniger diskret verteilt. Ist die Anzahl der Nickelkörner in dem Band nach einer gewissen Betriebszeit ausreichend angewachsen, kann es zu einem direkten Kontakt zwischen diesen und dann auch zu einem Kontakt mit der Anode 1 und der Kathode 2 kommen, so daß sich ein diagonal durch die Elektrolytmatrix 3 verlaufendes metallisches Nickelband bildet, welches die Brennstoffzelle kurzschließt.Referring to Fig. 2a and b of the short-circuit mechanism is due to during operation of the fuel cell are described in the electrolyte matrix precipitating metallic nickel grains. During the operation of the molten carbonate fuel cell, nickel oxide gradually releases from the cathode 2 due to the action of the molten electrolyte, so that metal ions Ni 2+ enter the electrolyte matrix 3 . In the electrolyte matrix 3, the nickel ions with hydrogen are, which is contained in the fuel gas or anode gas B, and which diffuses from the anode 1 in the electrolyte matrix 3, reduced in an electrochemical reaction to metallic nickel, which precipitates in the form of nickel fine grains. Accordingly, the concentration curve of hydrogen in the electrolyte matrix 3, which front decreases gas inlet at the anode the gas flow following out gradually forms a collection of grains of metallic nickel in the electrolyte matrix 3, which like a band follows the course of the hydrogen concentration in the electrolyte matrix 3 . Since in the vicinity of the anode gas inlet the hydrogen concentration and therefore also its depth of penetration into the electrolyte matrix is high, the nickel grains in the vicinity of the anode gas inlet are preferably deposited near the cathode surface, as can be seen on the left-hand side of FIG. 2a. On the other hand, the hydrogen concentration on the anode gas outlet side is comparatively low, so that the depth of penetration of the hydrogen into the electrolyte matrix is smaller and the nickel grains are thus deposited near the anode surface, as can be seen on the right-hand side of FIG. 2a. Between these two extreme positions at the anode gas inlet and anode gas outlet, a band of grains of deposited metallic nickel runs approximately diagonally through the matrix. The representation of this band of nickel grains is of course greatly simplified in Fig. 2a, in reality the nickel grains are much smaller and much less discretely distributed. If the number of nickel grains in the strip has increased sufficiently after a certain operating time, there can be a direct contact between them and then also a contact with the anode 1 and the cathode 2 , so that a metallic material running diagonally through the electrolyte matrix 3 Nickel band forms, which short-circuits the fuel cell.

In Fig. 2b ist der Kurzschlußpfad schematisiert dargestellt, welcher sich durch das Band von metallischen Nickelkörnern diagonal durch die Elektrolytmatrix bilden kann und durch welches Anode 1 und Kathode 2 der Brennstoffzelle kurzgeschlossen werden. In Fig. 2b the short circuit path is shown schematically, which can form diagonally through the band of metallic nickel grains through the electrolyte matrix and through which the anode 1 and cathode 2 of the fuel cell are short-circuited.

Fig. 3 zeigt stark vergrößert und schematisiert den Aufbau der Baugruppe Anoden- Elektrolytmatrix-Kathode einer herkömmlichen Brennstoffzelle und der Konzentrationsverläufe der wichtigsten Bestandteile von Brenngas und Kathodengas und den Konzentrationsverlauf der Nickelionen in dieser Baugruppe. Fig. 3 shows a greatly enlarged and schematic of the structure of the anode-electrolyte matrix-cathode assembly of a conventional fuel cell and the concentration profiles of the most important components of fuel gas and cathode gas and the concentration profile of the nickel ions in this assembly.

Wie im oberen Teil von Fig. 3 zu sehen ist, fällt die Konzentration des im Brenngas enthaltenen Wasserdampfs H2O von einem oberen Konzentrationswert an der brenngasseitigen Oberfläche der Anode 1 auf einen unteren Konzentrationswert an der kathodengasseitigen Oberfläche der Kathode 2 kontinuierlich ab, ohne daß im Inneren der Elektrolytmatrix 3 eine wesentliche Reaktion erfolgt. Ähnlich fällt die Konzentration des im Kathodengas enthaltenen Kohlendioxids CO2 von einem oberen Konzentrationswert an der kathodengasseitigen Oberfläche der Kathode 2 kontinuierlich auf einen unteren Konzentrationswert an der brenngasseitigen Oberfläche der Anode 1 ab, wiederum ohne daß im Inneren der Elektrolytmatrix 3 eine wesentliche Reaktion erfolgt.As can be seen in the upper part of FIG. 3, the concentration of the water vapor H 2 O contained in the fuel gas drops continuously from an upper concentration value on the surface of the anode 1 on the fuel gas side to a lower concentration value on the surface of the cathode 2 on the cathode gas side, without an essential reaction takes place inside the electrolyte matrix 3 . Similarly, the concentration of the carbon dioxide CO 2 contained in the cathode gas drops continuously from an upper concentration value on the surface of the cathode 2 on the cathode gas side to a lower concentration value on the surface of the anode 1 on the fuel gas side, again without an essential reaction taking place inside the electrolyte matrix 3 .

Im unteren Teil von Fig. 3 sind die Konzentrationsverläufe von Wasserstoff H2, Sauerstoff O2 und der Nickelionen Ni2+ dargestellt. Wie ersichtlich ist, fällt die Konzentration des Wasserstoffs H2 von einem oberen Wert an der brenngasseitigen Oberfläche der Anode 1 zu einer Stelle im Inneren der Elektrolytmatrix 3 stark ab. Ähnlich fallen die Konzentrationen von Sauerstoff O2 und Nickelionen Ni2+ von der kathodengasseitigen Oberfläche der Kathode 2 zu einer Stelle im Inneren der Elektrolytmatrix 3 stark ab. An der Position in der Elektrolytmatrix 3, an welcher der von der Anode 1 her eindiffundierende Wasserstoff auf die von der Kathode 2 her eindiffundierende Nickelionen trifft, werden diese zu metallischem Nickel reduziert, wobei dieses in Form von ein Nickelband bildenden Nickelkörnern ausfällt, wie oben unter Bezugnahme auf die Fig. 2a und b erläutert wurde.The concentration curves of hydrogen H 2 , oxygen O 2 and the nickel ions Ni 2+ are shown in the lower part of FIG. 3. As can be seen, the concentration of the hydrogen H 2 drops sharply from an upper value on the surface of the anode 1 on the fuel gas side to a location inside the electrolyte matrix 3 . Similarly, the concentrations of oxygen O 2 and nickel ions Ni 2 + drop sharply from the surface of the cathode 2 on the cathode gas side to a location in the interior of the electrolyte matrix 3 . At the position in the electrolyte matrix 3 at which the hydrogen diffusing in from the anode 1 meets the nickel ions diffusing in from the cathode 2 , these are reduced to metallic nickel, which precipitates in the form of nickel grains forming a nickel band, as described above under With reference to FIGS. 2a and b was explained.

Fig. 4 zeigt in stark vergrößerter und schematisierter Weise einen Querschnitt durch die Baugruppe Anode-Elektrolytmatrix-Kathode gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum ist die insgesamt mit 3 bezeichnete Elektrolytmatrix zwischen einer Anode 1 und einer Kathode 2 eingebettet. Die Elektrolytmatrix 3 besteht aus zwei Schichten 3a, 3b. Die der Kathode 2 zugewandte Schicht 3b besteht aus porösem aluminiumdotiertem Zinkoxid, die der Anode 1 zugewandte Schicht 3a besteht aus porösem Lithiumaluminat. Die porösen Schichten sind durch Fixierung des aluminiumdotierten Zinkoxids bzw. des Lithiumaluminats in einer porösen Matrix gebildet. Die Schicht 3b des aluminiumdotierten Zinkoxids ist elektrisch leitfähig und befindet sich damit auf dem Potential der Kathode 2. Fig. 4 shows in a greatly enlarged and schematic manner, a cross-section through the assembly anode-cathode electrolyte matrix according to an embodiment of the invention. Again, the electrolyte matrix, denoted overall by 3, is embedded between an anode 1 and a cathode 2 . The electrolyte matrix 3 consists of two layers 3 a, 3 b. The layer 3 b facing the cathode 2 consists of porous aluminum-doped zinc oxide, the layer 3 a facing the anode 1 consists of porous lithium aluminate. The porous layers are formed by fixing the aluminum-doped zinc oxide or the lithium aluminate in a porous matrix. Layer 3 b of the aluminum-doped zinc oxide is electrically conductive and is therefore at the potential of the cathode 2 .

Der von der Anode 1 her in die Elektrolytmatrix eindiffundierende Wasserstoff H2 wird an der Grenzfläche der Schicht 3b aus aluminiumdotierten Zinkoxid zu der Lithiumaluminatschicht 3a elektrochemisch oxidiert, wobei die Nickelionen Ni2+ elektrochemisch zu metallischem Nickel oxidiert werden, welche in Form von Nickelkörnern als metallisches Nickelband an der genannten Grenzfläche ausfallen. Auf diese Weise kann sich die Position der Nickelabscheidung nicht über die Grenzfläche zwischen den Schichten 3a, 3b zur Kathode 2 hin verschieben. Während an der Grenzfläche von Elektrolytmatrix 3 bzw. der Schicht 3b aus aluminiumdotiertem Zinkoxid zur Kathode 2 NiO-Gleichgewichtslöslichkeit vorliegt, beträgt die Konzentration der Nickelionen an der Position des Nickelbandes Null. Somit erfolgt gegenüber einer herkömmlich aufgebauten Elektrolytmatrix, bei der die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Nickelionen auch in der Nähe der Kathode stattfinden kann, eine Streckung des Abstandes der Orte, an denen NiO-Gleichgewichtslöslichkeit bzw. Konzentration an Nickelionen von Null herrscht, so daß sich der Konzentrationsgradient der Nickelionen verringert, was insbesondere für den Bereich des Anodengaseinlasses gilt. Weil der Transport der Nickelionen von der Kathode 2 in die Elektrolytmatrix 3 durch den herrschenden Konzentrationsgradienten getrieben wird, erfolgt eine Verringerung des Transports von Nickelionen in die Elektrolytmatrix. The diffusing from the anode 1 fro in the electrolyte matrix is hydrogen H 2 is at the interface of the layer 3 b made of aluminum-doped zinc oxide to the Lithiumaluminatschicht 3 a electrochemically oxidized, the nickel ions Ni 2+ electrochemically oxidized to metallic nickel, which in the form of nickel grains fail as a metallic nickel band at the interface mentioned. In this way, the position of the nickel deposition cannot shift across the interface between the layers 3 a, 3 b to the cathode 2 . While there is NiO equilibrium solubility at the interface of the electrolyte matrix 3 or the layer 3 b made of aluminum-doped zinc oxide to the cathode 2 , the concentration of the nickel ions at the position of the nickel band is zero. Thus, compared to a conventionally constructed electrolyte matrix, in which the electrochemical reaction between hydrogen and nickel ions can also take place in the vicinity of the cathode, the distance of the locations at which NiO equilibrium solubility or concentration of nickel ions is zero is stretched, so that the concentration gradient of the nickel ions is reduced, which applies in particular to the area of the anode gas inlet. Because the transport of the nickel ions from the cathode 2 into the electrolyte matrix 3 is driven by the prevailing concentration gradient, the transport of nickel ions into the electrolyte matrix is reduced.

Mit einer erfindungsgemäß aufgebauten Elektrolytmatrix, bei der die Dicke der Zinkoxidschicht 3b beispielsweise 26% der Gesamtdicke der Elektrolytmatrix 3 beträgt, läßt sich eine Malbierung des Nickeltransports von der Kathode 2 in die Elektrolytmatrix 3 realisieren und damit im wesentlichen eine Verdopplung der Lebensdauer der Brennstoffzelle auf vorteilhafte 40 000 Betriebsstunden erreichen.With an inventively constructed electrolyte matrix, wherein the thickness of the zinc oxide layer 3 b, for example 26% of the total thickness of the electrolyte matrix is 3, can be a Malbierung the nickel transport from the cathode 2 in the electrolyte matrix 3 implement, thus substantially doubling the life of the fuel cell achieve an advantageous 40,000 operating hours.

Claims (6)

1. Schmelzkarbonatbrennstoffzelle mit einer Anode (1), einer Kathode (2) und einer zwischen Anode (1) und Kathode (2) angeordneten Elektrolytmatrix (3) und mit einem entlang der Anode (1) führenden Strömungsweg für ein Brenngas (B) und einem entlang der Kathode (2) führenden Strömungsweg für ein Kathodengas (K), dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytmatrix (3) auf ihre der Kathode (2) zugewandten Seite eine Schicht (3b) aus aluminiumdotiertem Zinkoxid aufweist.1. Molten carbonate fuel cell with an anode ( 1 ), a cathode ( 2 ) and an electrolyte matrix ( 3 ) arranged between anode ( 1 ) and cathode ( 2 ) and with a flow path leading along the anode ( 1 ) for a fuel gas (B) and a flow path for a cathode gas (K) leading along the cathode ( 2 ), characterized in that the electrolyte matrix ( 3 ) has a layer ( 3 b) of aluminum-doped zinc oxide on its side facing the cathode ( 2 ). 2. Schmelzkarbonatbrennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3b) aus aluminiumdotiertem Zinkoxid eine Dicke von 15 bis 80% der Gesamtmatrixdicke der Elektrolytmatrix (3) aufweist.2. molten carbonate fuel cell according to claim 1, characterized in that the layer ( 3 b) made of aluminum-doped zinc oxide has a thickness of 15 to 80% of the total matrix thickness of the electrolyte matrix ( 3 ). 3. Schmelzkarbonatbrennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Schicht (3b) aus aluminiumdotiertem Zinkoxid zwischen 20 und 35% der Gesamtmatrixdicke beträgt.3. molten carbonate fuel cell according to claim 2, characterized in that the layer thickness of the layer ( 3 b) made of aluminum-doped zinc oxide is between 20 and 35% of the total matrix thickness. 4. Schmelzkarbonatbrennstoffzelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytmatrix (3) auf der der Anode (1) zugewandten Seite aus Lithiumaluminat besteht. 4. molten carbonate fuel cell according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the electrolyte matrix ( 3 ) on the anode ( 1 ) facing side consists of lithium aluminate. 5. Schmelzkarbonatbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytmatrix (3) aus zwei Schichten (3a, 3b) hergestellt ist, von denen die der Kathode (2) zugewandte Schicht (3b) aus aluminiumdotiertem Zinkoxid besteht.5. molten carbonate fuel cell according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrolyte matrix ( 3 ) is made of two layers ( 3 a, 3 b), of which the layer facing the cathode ( 2 ) ( 3 b) made of aluminum-doped zinc oxide consists. 6. Schmelzkarbonatbrennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Anode (1) zugewandte Schicht (3a) aus Lithiumaluminat besteht.6. molten carbonate fuel cell according to claim 5, characterized in that the anode ( 1 ) facing layer ( 3 a) consists of lithium aluminate.
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