DE4123694A1 - CONNECTED SYSTEM - Google Patents

CONNECTED SYSTEM

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DE4123694A1
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Gerd Dr Bauer
Dieter Raulin
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Merck Patent GmbH
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Abstract

The invention concerns a composite system which can be used as a high-temperature electrochemical cell and which comprises a centrally disposed high-temperature ion conductor (1) on both sides of which are fitted mixed-conductor electrodes (3) with, located on them, surface-textured electron conductors (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein als elektrochemische Hochtempera­ turzelle nutzbares Verbundsystem mit einem zentral angeordne­ ten, als Festelektrolyt dienenden Hochtemperaturionenleiter. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Hybridsystem für Trak­ tionszwecke, enthaltend einen Elektromotor, einen Akkumulator sowie eine auf dem Verbundsystem basierende Brennstoffzelle.The invention relates to an electrochemical high temperature turzelle usable composite system with a centrally arranged high-temperature ion conductor serving as a solid electrolyte. The invention further relates to a hybrid system for Trak tion purposes, containing an electric motor, an accumulator as well as a fuel cell based on the composite system.

Elektrochemische Hochtemperaturzellen, welche i.a. auf kera­ mischen Festelektrolyten basieren, können sowohl als galvani­ sche Elemente als auch als Elektrolysezellen verwendet wer­ den.Electrochemical high-temperature cells, which generally on kera Mixing solid electrolytes can be used as galvanic cal elements as well as used as electrolysis cells the.

Ein vielbeschriebenes System (s. z. B. Elektrochemische Ener­ gietechnik - Entwicklungsstand und Aussichten, Hrsg.: Der Bundesminister für Forschung und Technologie, 1981, S. 244 ff.) enthält mit Yttriumoxid Y2O3 dotiertes Zirkondioxid ZrO2 als oxidkeramischen Festelektrolyt, welcher Sauerstoffionen leitet und bei hohen Temperaturen von etwa 1000°C eine Leit­ fähigkeit in der Größenordnung von 10-1 Ohm-1cm-1 aufweist. Auf die Oxidkeramik ist eine i.a. poröse Elektrokatalysator­ schicht aufgebracht, an der die Ladungsdurchtrittsreaktion abläuft. Diese Katalysatorschicht besteht z. B. im Fall einer Wasserstoff-Sauerstoffhochtemperaturbrennstoffzelle üblicher­ weise anodenseitig aus Nickel und kathodenseitig aus Silber oder Platin; es wurden aber auch andere elektronenleitende Materialien wie z. B. In2O3 oder Cermets vorgeschlagen.A much system described (see, for example Electrochemical Ener energy technology - development and Prospects, Ed .: The Federal Ministry for Research and Technology, 1981, pp 244 et seq.) Containing yttria Y 2 O 3 doped zirconia ZrO 2 as an oxide ceramic solid electrolyte which oxygen ions conducts and has a conductivity of the order of 10 -1 ohm -1 cm -1 at high temperatures of around 1000 ° C. A generally porous electrocatalyst layer is applied to the oxide ceramic, on which the charge transfer reaction takes place. This catalyst layer consists, for. B. in the case of a hydrogen-oxygen high-temperature fuel cell, usually anode side of nickel and cathode side of silver or platinum; but other electron-conducting materials such. B. Suggested in 2 O 3 or cermets.

Bei einer Verwendung als Brennstoffzelle (d. h. als galvani­ sches Element) können anodenseitig verschiedenartigste Brenn­ stoffe wie z. B. Wasserstoff, der rein oder aber auch z. B. mit CO oder CO2 verunreinigt sein kann, Kohlenwasserstoff-Wasser­ dampfgemische, oder auch andere oxidierbare Gase, weiter Flüssigbrennstoffe wie z. B. Benzin, Diesel, Heizöl oder niedere Alkoxide oder auch Festbrennstoffe wie z. B. Kohlen­ staub, der eingeblasen wird und gemäßWhen used as a fuel cell (ie as a galvanic element), various types of fuel such as B. hydrogen, the pure or z. B. may be contaminated with CO or CO 2 , hydrocarbon-water vapor mixtures, or other oxidizable gases, further liquid fuels such. As gasoline, diesel, heating oil or lower alkoxides or solid fuels such as. B. coal dust that is injected and according to

C+O²- → CO+2e-
CO+H₂O → CO₂+H₂
H₂+O²- → H₂O+2e-C + O²- → CO + 2e-
CO + H₂O → CO₂ + H₂
H₂ + O²- → H₂O + 2e-

reagiert, betrieben werden. Hochtemperaturbrennstoffzellen (HTB) weisen eine hohen Wirkungsgrad und eine hohe Energie­ dichte auf.reacted, operated. High temperature fuel cells (HTB) have high efficiency and high energy density.

Systeme mit Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten (ins­ besondere mit Y2O3 dotiertes ZrO2) können auch zur Elektrolyse von Wasserstoff eingesetzt werden (Hochtemperatur-Elektroly­ seur HTE). Dabei wird die Kathode typischerweise bei Tempera­ turen zwischen 700 und 1000°C mit Wasserdampf beaufschlagt; die gemäßSystems with solid electrolytes conducting oxygen ions (in particular ZrO 2 doped with Y 2 O 3 ) can also be used for the electrolysis of hydrogen (high-temperature electrolyzer HTE). The cathode is typically subjected to water vapor at temperatures between 700 and 1000 ° C; the according

H₂O+2e- → H₂+O²-H₂O + 2e- → H₂ + O²-

entstehenden O2--Ionen wandern durch den keramischen Festelek­ trolyten zur Anode und werden dort zu O2 oxidiert. Bei einer Arbeitstemperatur von 900°C und einer Strombelastung von 0,1 Acm-2 wurden Elektrolysespannungen von 1,2 V erhalten (s. C.H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie II, Weinheim 1981, S. 405). Leistungsfähige Wasserelektrolyseure sind im Rahmen der sogenannten Wasserstoffökonomie unerläßlich, bei der Wasserstoff als Energiespeichermedium benutzt wird.The resulting O 2- ions migrate through the ceramic solid electrolyte to the anode, where they are oxidized to O 2 . At a working temperature of 900 ° C and a current load of 0.1 Acm -2 electrolysis voltages of 1.2 V were obtained (see CH Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie II, Weinheim 1981, p. 405). Powerful water electrolysers are essential in the so-called hydrogen economy, in which hydrogen is used as an energy storage medium.

Nachteilig bei den bisher in der Literatur diskutierten Systemen ist jedoch, daß bei akzeptablen Werten für die Klemmenspannung vielfach nur unbefriedigende Werte für die Stromdichte erhalten werden. Bei Entnahme hoher Stromdichten sinkt die von einer HTB gelieferte Klemmenspannung und damit die entnehmbare Leistung deutlich ab.A disadvantage of those previously discussed in the literature Systems, however, is that at acceptable values for the Terminal voltage often only unsatisfactory values for the Current density can be obtained. When taking high current densities the terminal voltage supplied by an HTB drops and thus the removable power significantly.

In DE 40 01 684 ist vorgeschlagen worden, zur Erhöhung der Leistungsdichte von HTB anstelle der porösen Metallelektroden Mischleiterelektroden zu verwenden, um die für die Ladungs­ durchtrittsreaktion verfügbare Fläche zu vergrößern. An Mischleiterelektroden kann die Ladungsdurchtrittsreaktion und die Diffusion der gebildeten Ionen in den Festelektrolyten an der gesamten Oberfläche ablaufen, während diese Reaktions­ schritte bei den herkömmlichen Elektrodenstrukturen auf die sogenannte 3-Phasen-Zone beschränkt sind, wo der Festelektro­ lyt, der metallische Elektrokatalysator und die Brenngasatmo­ sphäre eng benachbart sind. DE 40 01 684 has proposed to increase the Power density of HTB instead of the porous metal electrodes Mixed conductor electrodes to be used for the charge to increase available area. At Mixed conductor electrodes can the charge transfer reaction and diffusion of the ions formed in the solid electrolyte of the entire surface run off during this reaction steps with the conventional electrode structures so-called 3-phase zone are limited where the fixed electric lyt, the metallic electrocatalyst and the fuel gas atmosphere spheres are closely adjacent.  

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Verwendung von Mischlei­ terelektroden allein nicht ausreicht, um die in derartigen System bei akzeptablen Spannungen realisierbaren Stromdichten ausreichend zu steigern.However, it has been shown that the use of Mischlei terelectrodes alone are not sufficient to achieve such System realizable current densities at acceptable voltages to increase sufficiently.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand in der Bereit­ stellung eines als elektrochemische Hochtemperaturzelle nutz­ baren Verbundsystems mit einem zentral angeordneten, als Festelektrolyt dienenden Hochtemperaturionenleiter, welches sowohl bei Verwendung als galvanisches Element als auch bei Verwendung als Elektrolysezelle die Realisierung hoher Lei­ stungsdichten gestattet und herkömmlichen Systemen überlegen ist.The object of the present invention was to be ready position as an electrochemical high-temperature cell combinable system with a centrally arranged, as Solid electrolyte serving high temperature ion conductor, which both when used as a galvanic element and when Use as an electrolytic cell to achieve high lei permissible and superior to conventional systems is.

Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe durch die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Verbundsysteme gelöst werden kann.It has been found that providing this task of the composite systems according to the invention can be solved.

Gegenstand der Erfindung sind somit als elektrochemische Hochtemperaturzelle nutzbare Verbundsysteme, welche einen zentral angeordneten Hochtemperaturionenleiter enthalten, auf den anoden- und kathodenseitig Mischleiterelektroden mit darüber angeordneten, strukturierten Elektronenleitern aufge­ bracht sind.The invention thus relates to electrochemical High-temperature cell usable composite systems, which one contain centrally located high temperature ion conductors the mixed conductor electrodes on the anode and cathode sides structured electron conductors arranged above are brought.

Gegenstand der Erfindung sind weiterhin Hochtemperaturbrenn­ stoffzellen und Elektrolysezellen, welche auf einem derarti­ gen Verbundsystem basieren sowie Hybridsysteme für Traktions­ zwecke, enthaltend eine derartige Hochtemperaturbrennstoff­ zelle, einen Elektromotor und einen Akkumulator. The invention further relates to high-temperature burning fabric cells and electrolysis cells, which on such a based composite system and hybrid systems for traction purposes containing such a high temperature fuel cell, an electric motor and an accumulator.  

Das erfindungsgemäße Verbundsystem basiert auf einem zentral angeordneten Hochtemperaturionenleiter, der als keramischer Elektrolyt dient. Dabei handelt es sich insbesondere um einen Sauerstoffionen-Leiter wie z. B. mit Yttriumoxid, Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid dotiertes Zirkondioxid oder auch um andere Sauerstoffionen-Leiter. Die spezifische Leitfähigkeit (= Leitfähigkeit/Länge) der erfindungsgemäß verwendeten Hoch­ temperaturionenleiter beträgt bei hohen Temperaturen von z. B. 900-1000°C vorzugsweise nicht weniger als 0,05 Ohm-1cm-1 und insbesondere mindestens 0,1 Ohm-1cm-1. Die Schichtdicke des Hochtemperaturionenleiters wird zur Erzielung eines geringen Ohmschen Spannungsabfalls vorzugsweise klein gewählt und beträgt vorzugsweise zwischen 30 und 1000 µm und insbesondere zwischen 40 und 500 µm.The composite system according to the invention is based on a centrally arranged high-temperature ion conductor, which serves as a ceramic electrolyte. This is in particular an oxygen ion conductor such. B. with yttrium oxide, calcium oxide and / or magnesium oxide doped zirconium dioxide or other oxygen ion conductors. The specific conductivity (= conductivity / length) of the high-temperature ion conductor used according to the invention is at high temperatures of z. B. 900-1000 ° C preferably not less than 0.05 ohm -1 cm -1 and in particular at least 0.1 ohm -1 cm -1 . The layer thickness of the high-temperature ion conductor is preferably chosen to be small in order to achieve a low ohmic voltage drop and is preferably between 30 and 1000 μm and in particular between 40 and 500 μm.

Auf den zentral angeordneten Hochtemperaturleiter wird sowohl anoden- als auch kathodenseitig ein Mischleiter aufgebracht. Dabei können anoden- und kathodenseitig sowohl verschiedene als auch gleiche Mischleiter, vorzugsweise jedoch gleiche Mischleiter verwendet werden. Als Beispiele für Mischleiter seien YBa2Cu3O6,5 oder La0,8Sr0,2MnO3, welches 20-80 Gew.% mit Y2O3 stabilisiertes ZrO2 enthält, genannt, wobei diese Angaben die Erfindung lediglich erläutern und keinesfalls begrenzen sollen. Bei gebräuchlichen Mischleitern liegt die spezifische Ionenleitfähigkeit bei den üblichen Betriebstemperaturen der erfindungsgemäßen Verbundsysteme von 700-1100°C typischer­ weise um eine bis zwei Größenordnungen niedriger als die spezifische Zonenleitfähigkeit des zentralen Hochtemperatu­ rionenleiters; die spezifische Elektronenleitfähigkeit des Mischleiters ist häufig zwar etwas größer als seine Ionen­ leitfähigkeit, wobei jedoch beide spezifische Leitfähigkeiten in etwa die gleiche Größenordnung aufweisen. A mixed conductor is applied to both the anode and cathode sides of the centrally arranged high-temperature conductor. In this case, both different and the same mixed conductors, but preferably the same mixed conductors, can be used on the anode and cathode sides. Examples of mixed conductors which may be mentioned are YBa 2 Cu 3 O 6.5 or La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , which contains 20-80% by weight of ZrO 2 stabilized with Y 2 O 3 , these details merely illustrating the invention explain and should under no circumstances limit. In conventional mixed conductors, the specific ion conductivity at the usual operating temperatures of the composite systems according to the invention of 700-1100 ° C. is typically one to two orders of magnitude lower than the specific zone conductivity of the central high-temperature ion conductor; the specific electron conductivity of the mixed conductor is often somewhat larger than its ionic conductivity, but both specific conductivities are of approximately the same order of magnitude.

Zur Kompensation der relativ geringen spezifischen Ionen- und Elektronenleitfähigkeit des Mischleiters wird dieser einer­ seits als sehr dünne Schicht ausgeführt und andererseits wird auf die Oberfläche der Mischleiterelektrode ein strukturier­ ter Elektronenleiter aufgebracht.To compensate for the relatively low specific ion and Electron conductivity of the mixed conductor becomes one partly as a very thin layer and on the other hand a structured on the surface of the mixed conductor electrode ter electron conductor applied.

Die Dicke der Mischleiterschicht beträgt typischerweise zwi­ schen 0,1 und 10 µm und insbesondere zwischen 0,2 und 8 µm. Durch die Verwendung einer derartig dünnen Mischleiterschicht wird deren Leitfähigkeit an die der zentralen Ionenleiter­ schicht angepaßt; die Leitfähigkeiten beider Schichten soll­ ten etwa gleich groß sein und insbesondere um nicht mehr als den Faktor 5 und ganz besonders höchstens um den Faktor 2 voneinander abweichen.The thickness of the mixed conductor layer is typically between between 0.1 and 10 µm and in particular between 0.2 and 8 µm. By using such a thin mixed conductor layer their conductivity becomes that of the central ion conductor layer adapted; the conductivities of both layers should be approximately the same size and in particular not more than a factor of 5 and especially a factor of 2 at the most differ from each other.

Es hat sich gezeigt, daß bei Systemen ohne zusätzlichen Elek­ tronenleiter die Stromdichte an der Mischleiterelektrode wegen deren relativ geringer Elektronenleitfähigkeit stark variiert. So läuft etwa bei einer Brennstoffzelle die elek­ trochemische Reaktion an der Kontaktierungsstelle der Misch­ leiterelektrode mit dem äußeren Stromkreis mit hoher Ge­ schwindigkeit ab, während bei von dieser Kontaktierungsstelle weiter entfernten Mischleiterelektrodenstellen die Herandif­ fusion der Elektronen geschwindigkeitsbestimmend für die elektrochemische Gesamtreaktion wird. Zur Ausschaltung dieses Effekts sind auf die Mischleiterelektroden der erfindungs­ gemäßen Verbundsysteme sehr dünne, strukturierte Elektronen­ leiter hoher Elektronenleitfähigkeit aufgebracht. Geeignete Elektronenleiter sind z. B. hochschmelzende Metalle wie z. B. Pt oder W oder auch gut leitende Cermets wie z. B. ZrO2-Ni. It has been shown that in systems without an additional electronic conductor, the current density at the mixed conductor electrode varies greatly because of its relatively low electron conductivity. For example, in a fuel cell, the electrochemical reaction at the contact point of the mixed conductor electrode with the external circuit takes place at high speed, while in the case of mixed conductor electrode points further away from this contact point, the fusion of the electrons becomes speed-determining for the overall electrochemical reaction. To eliminate this effect, very thin, structured electron conductors of high electron conductivity are applied to the mixed conductor electrodes of the composite systems according to the invention. Suitable electron conductors are e.g. B. high-melting metals such. B. Pt or W or well conductive cermets such. B. ZrO 2 -Ni.

Der Elektronenleiter kann z. B. in Form eines Metallnetzes oder als poröser Metall schwamm oder auch in anderer Form aufgebracht sein, wobei jedoch vorzugsweise der größere Teil der Mischleiteroberfläche von dem Elektronenleiter frei ist und für die Ladungsdurchtrittsreaktion zur Verfügung steht; das Verhältnis aus der von dem Elektronenleiter bedeckten Fläche und der Gesamtoberfläche des Mischleiters beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,5 und insbesondere weniger als 0,35 und ganz besonders nicht mehr als 0,25. Die Dicke der Elektronenleiterschicht liegt vorzugsweise in der gleichen Größenordnung wie die Dicke der Mischleiterschicht und ist insbesondere kleiner als die Dicke der Mischleiterschicht.The electron conductor can e.g. B. in the form of a metal network or as a porous metal sponge or in another form be applied, but preferably the larger part the mixed conductor surface is free of the electron conductor and is available for the charge transfer reaction; the ratio of that covered by the electron conductor Area and the total surface of the mixed conductor preferably not more than 0.5 and in particular less than 0.35 and especially not more than 0.25. The thickness of the The electron conductor layer is preferably in the same Order of magnitude like the thickness of the mixed conductor layer in particular smaller than the thickness of the mixed conductor layer.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verbundsystems besteht darin, daß die relativ schlechte spezifische Leitfähigkeit von Mischleitern durch die extrem dünne Schichtanordnung kompensiert wird, ohne daß der entscheidende Vorteil der Mischleiterelektroden beeinträchtigt wird, welcher darin besteht, daß die Reaktion an der gesamten Mischleiterober­ fläche und nicht nur wie bei herkömmlichen Systemen an der 3-Phasen-Grenze ablaufen kann. Weiterhin ist durch die Kombi­ nation mit einem über dem Mischleiter angeordneten Elektro­ nenleiter sichergestellt, daß die elektrochemische Reaktion an der gesamten Elektrodenoberfläche mit einer mehr oder weniger gleichmäßigen, hohen Stromdichte ablaufen kann.The advantage of the composite system according to the invention is in that the relatively poor specific conductivity of mixed conductors due to the extremely thin layer arrangement is compensated without the decisive advantage of Mixed conductor electrodes, which is affected there is that the reaction on the entire mixed conductor surface and not just as with conventional systems on the 3-phase limit can expire. Furthermore, the combination nation with an electrical system arranged above the mixed conductor nenleiter ensures that the electrochemical reaction on the entire electrode surface with a more or less uniform, high current density can run.

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die gute Temperatur­ wechselbeständigkeit des erfindungsgemäßen Verbundsystems. Demgegenüber weisen bisherige Systeme aus Ionenleitern und porösen Elektronenleitern häufig relativ dicke Elektroden­ anordnungen auf, was beim Anfahren und Abkühlen des Systems wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten dieser Materialien zu einem Versagen des Systems führen kann.Another decisive advantage is the good temperature Change resistance of the composite system according to the invention. In contrast, previous systems made of ion conductors and porous electron conductors often have relatively thick electrodes  arrangements on what to do when starting and cooling the system because of the different coefficient of thermal expansion these materials cause the system to fail can lead.

In Fig. 1 ist schematisch eine bevorzugte Anordnung eines erfindungsgemäßen Verbundsystems gezeigt. Auf dem zentral angeordneten Ionenleiter befindet sich eine Mischleiter­ schicht, die deutlich dünner ist als der Ionenleiter. Auf der Mischleiterelektrode befindet sich ein dünnes Metallnetz als Elektronenleiter.A preferred arrangement of a composite system according to the invention is shown schematically in FIG. 1. There is a mixed conductor layer on the centrally arranged ion conductor, which is significantly thinner than the ion conductor. A thin metal network is used as an electron conductor on the mixed conductor electrode.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Systeme wird zunächst die ionenleitende Membran z. B. nach einem konventionellen Foliengießverfahren hergestellt. Auf die gebrannte Ionenlei­ termembran wird anschließend die Mischleiterschicht z. B. über ein Dipcoating-Verfahren als dünne Sol-Gel-Schicht aufge­ bracht; es ist jedoch auch möglich, die Mischleiterschicht durch Siebdruck, durch ein HF-Sputter-Verfahren oder durch Plasmaspritzen herzustellen. Es können kommerziell erhält­ liche, sehr dünne Metallgitter verwendet werden, die auf dem Mischleiter üblicherweise vor dem Brennen des Verbundsystems aufgedruckt werden; ein Fügeschritt nach dem Brennen ist je­ doch ebenfalls denkbar. Als Elektronenleiter kann auch z. B. ein extrem poröser Metallschwamm dienen, der dadurch erhalten wird, daß zunächst eine sehr dünne Metallschicht aufgesput­ tert wird, die dann galvanisch nachverstärkt wird. Statt eines Metallnetzes kann auch ein keramischer Elektronenleiter (z. B. reines La0,8Sr0,2MnO3) in Netzstruktur aufgedruckt wer­ den, wodurch etwaige fügetechnische Probleme, die bei dem Keramik-Metallverbund auftreten können, vermieden werden. To manufacture the systems of the invention, the ion-conducting membrane is first z. B. produced by a conventional film casting process. The mixed conductor layer is then z. B. brought up via a dip coating process as a thin sol-gel layer; however, it is also possible to produce the mixed conductor layer by screen printing, by an HF sputtering process or by plasma spraying. Commercially available, very thin metal grids can be used, which are usually printed on the mixed conductor before the composite system is fired; a joining step after firing is also conceivable. As an electron conductor z. B. serve an extremely porous metal sponge, which is obtained by first sputtering a very thin metal layer, which is then galvanically amplified. Instead of a metal network, a ceramic electron conductor (e.g. pure La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ) can also be printed in the network structure, thereby avoiding any technical problems that may occur in the ceramic-metal composite.

In Fig. 2a ist eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verbundsystems skizziert, bei dem die Mischleiter­ elektrode zur Erhöhung der erzielbaren Stromdichte eine strukturierte ("zerklüftete") Oberfläche aufweist; eine zerklüftete Oberfläche wird z. B. bei Verwendung von La0,2Sr0,2MnO3, welches 20-80 Gew.% mit Y2O3 dotiertes Zirkondioxid enthält, als Mischleiterschicht erhalten. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Raum-Zeit-Ausbeute ist in Fig. 3 skizziert, wo für das erfindungsgemäße Verbundsystem eine optimierte Anordnung gezeigt ist.In Fig. 2a a preferred embodiment of the inventive composite system is outlined, in which the mixed conductor electrode has a structured ("jagged") surface to increase the achievable current density; a rugged surface is e.g. B. when using La 0.2 Sr 0.2 MnO 3 , which contains 20-80 wt.% Y 2 O 3 doped zirconium dioxide, as a mixed conductor layer. One possibility for increasing the space-time yield is outlined in FIG. 3, where an optimized arrangement is shown for the composite system according to the invention.

Die erfindungsgemäßen Verbundsysteme zeichnen sich durch eine hohe Lebensdauer, eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aus und sie gestatten bei einer Verwendung als elektroche­ mische Zelle die Realisierung hoher Stromdichten bei ver­ gleichsweise niedrigen Überspannungen.The composite systems according to the invention are characterized by a long service life, good resistance to temperature changes and they allow when used as an electroche mix cell the realization of high current densities at ver equally low overvoltages.

Die Verbundsysteme können sowohl als Brennstoffzelle (HTB) als auch als Elektrolyseure (HTE) betrieben werden. Dabei werden i.a. mehrere erfindungsgemäße Verbundsysteme zu grö­ ßeren Aggregaten montiert ("aufeinandergestapelt"), bis die jeweils gewünschte Gesamtleistung erzielt ist. Besonders gut zu größeren Aggregaten zusammengefaßt werden können platten­ förmige Verbundsysteme (Fig. 1, 2) oder speziell struktuierte Verbundsysteme (s. z. B. Fig. 3); daneben sind aber auch noch weitere Anordnungen denkbar.The composite systems can be operated both as a fuel cell (HTB) and as an electrolyser (HTE). In general, several composite systems according to the invention are assembled into larger units ("stacked") until the desired overall performance is achieved. Plate-shaped composite systems ( FIGS. 1, 2) or specially structured composite systems (see, for example, FIG. 3) can be combined particularly well to form larger units; in addition, other arrangements are also conceivable.

Auf erfindungsgemäßen Verbundsystemen basierende Brennstoff­ zellen werden besonders bevorzugt in zu Traktionszwecken benutzten Hybridsystemen verwendet. Hybridsysteme, die schon seit dem Ende der 60er Jahre diskutiert werden, enthalten neben einem Elektromotor eine Kombination aus einer Brenn­ stoffzelle und einen Akkumulator als Energiequelle. Dies ist deshalb erforderlich, da Brennstoffzellen zwar einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Energiedichte aufweisen, jedoch gleichzeitig durch eine insbesondere für Beschleunigungs­ vorgänge nicht ausreichende Leistungsdichte charakterisiert sind. Zur Abdeckung von Leistungsspitzen dienen daher Akkumu­ latoren, wie dies in DE 40 01 684 genauer erläutert ist. Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen zeichnen sich nun durch eine vergleichsweise sehr hohe Leistungsdichte aus, da sie aufgrund des ausgefeilten Aufbaus der erfindungsgemäßen Ver­ bundsysteme die Entnahme großer Stromdichten bei relativ ge­ ringen Überspannungen gestatten. Die erfindungsgemäßen Hy­ bridsysteme sind daher durch günstige Eingenschaften gekenn­ zeichnet und sie sind besonders bevorzugt.Fuel based on composite systems according to the invention cells are particularly preferred for traction purposes used hybrid systems. Hybrid systems that are discussed since the late 1960s in addition to an electric motor, a combination of a burner  fabric cell and an accumulator as an energy source. This is therefore necessary because fuel cells have a high Efficiency and high energy density, however at the same time by one especially for acceleration processes characterized insufficient power density are. Batteries are therefore used to cover power peaks lators, as is explained in more detail in DE 40 01 684. The Fuel cells according to the invention are now characterized by a comparatively very high power density because it due to the sophisticated structure of the Ver bundle systems the removal of large current densities at relatively ge allow overvoltages. The Hy according to the invention Therefore, brid systems are characterized by favorable properties draws and they are particularly preferred.

Die erfindungsgemäßen Verbundsysteme können weiterhin vor­ teilhaft auch in elektrochemischen Sensoren z. B. zur Bestim­ mung des Sauerstoffpartialdrucks in Gasgemischen (z. B. Lam­ bda-Sonde für Ottomotoren) verwendet werden, da sich an ihnen das Gleichgewichtspotential praktisch reversibel einstellt.The composite systems according to the invention can also be used partly also in electrochemical sensors z. B. for determination measurement of the oxygen partial pressure in gas mixtures (e.g. Lam bda probe for gasoline engines) can be used because of them sets the equilibrium potential practically reversibly.

Claims (8)

1. Als elektrochemische Hochtemperatur-Zelle nutzbares Ver­ bundsystem, welches einen zentral angeordneten Kochtempe­ raturionenleiter enthält, auf den beidseitig Mischleiter­ elektroden mit darüber angeordneten, strukturierten Elek­ tronenleitern aufgebracht sind.1. Ver usable as an electrochemical high-temperature cell bund system, which has a centrally arranged cooking temperature contains the ion conductor on the mixed conductor on both sides electrodes with structured elec tron conductors are applied. 2. Verbundsystem nach Anspruch 1, enthaltend einen Sauer­ stoffionen leitenden Hochtemperaturionenleiter.2. Compound system according to claim 1, containing an acid high temperature ion conductor. 3. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1-2, wobei der Hochtemperaturionenleiter eine Schichtdicke von 30-1000 µm aufweist.3. Composite system according to one of claims 1-2, wherein the High temperature ion conductor a layer thickness of 30-1000 microns. 4. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Mischleiterelektroden unabhängig voneinander eine Dicke zwischen 0,1 und 10 µm aufweisen. 4. A composite system according to any one of claims 1-3, wherein the Mixed conductor electrodes independently of one another a thickness have between 0.1 and 10 µm.   5. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Elektronenleiter eine netzförmige Struktur aufweisen.5. A composite system according to any one of claims 1-4, wherein the Electron conductors have a network-like structure. 6. Brennstoffzelle, welche auf einem Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1-5 basiert.6. Fuel cell based on a composite system based on one of claims 1-5. 7. Elektrolysezelle, welche auf einem Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1-5 basiert.7. Electrolytic cell based on a composite system based on one of claims 1-5. 8. Hybridsystem für Traktionszwecke, enthaltend einen Elek­ tromotor, einen Akkumulator und eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 6.8. Hybrid system for traction purposes, containing an elec tromotor, an accumulator and a fuel cell according to claim 6.
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