DE4400540C2 - Perowskitische Elektroden insbesondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen - Google Patents
Perowskitische Elektroden insbesondere für Hochtemperatur-BrennstoffzellenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode auf
Perowskit-Basis mit Festelektrolytkontakt, die ins
besondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen geeignet
ist.
Festelektrolyt-Brennstoffzellen arbeiten üblicherweise
bei Betriebstemperaturen von etwa 950 bis 1000°C.
Als Feststoffelektrolyt wird in der Regel mit Y₂O₃
stabilisiertes ZrO₂ (YsZ) eingesetzt. Der Feststoff
elektrolyt, der beim klassischen Konzept gleichzeitig
als Substratträger dient, und meist eine Dicke von 100
bis 150 µm hat, ist beidseitig mit unterschiedlichen
Materialien als Elektroden beschichtet (vgl. Fig. 1). Als
Kathode werden üblicherweise Perowskite wie z. B.
(La1-xSrx)MnO₃ aufgebracht, als Anode ein Ni/ZrO₂-
Cermet.
Die hohen Betriebstemperaturen sind notwendig, um die
bei der Energieumwandlung auftretenden Energieverluste
in vertretbaren Grenzen zu halten. Sie haben allerdings
den Nachteil, daß an die eingesetzten Werkstoffe und
die Konstruktion der Zelle hohe Anforderungen gestellt
werden. Ein besonderes Problem bilden dabei die den
Betrieb störenden chemischen Wechselwirkungen an den
Grenzflächen der unterschiedlichen Materialpaarungen.
Diese können an der Grenzfläche zwischen der Kathode
und dem Festelektrolyten zur Bildung neuer Phasen wie
z. B. SrZrO₃ und La₂Zr₂O₇ führen, was sich störend auf
den Zellenbetrieb auswirkt. Die Auswahl geeigneter
Perowskite wird dadurch erschwert.
Ziel der Erfindung ist daher eine Verminderung der
chemischen Wechselwirkungen zwischen den als Elektroden
dienenden Perowskiten und dem Festelektrolyten.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß der Perowskit
eine inhibierende Platinmetalldotierung in oxidischer
Form in zumindest an den Festelektrolyten angrenzenden
Bereichen aufweist.
Es wurde nämlich überraschenderweise festgestellt, daß
die Reaktivität von Perowskiten gegenüber Festelektrolyt
massen, insbesondere solchen auf ZrO₂-Y₂O₃-Basis,
durch eine Platinmetalldotierung des Perowskits deutlich
vermindert wird.
Die dabei nützlichen Dotierungsmengen können bis 1%
gehen, werden aber zweckmäßigerweise im Bereich von 10
bis 10³ ppm gewählt. Unter den Platinmetallen werden
Iridium und Ruthenium bevorzugt, die insbesondere in
oxidischer Form vom Perowskit aufgenommen werden. Die
Dotierung kann sich über das Gesamtvolumen der
Elektrode erstrecken, besonders wichtig ist jedoch der
Grenzbereich dem Festelektrolyten gegenüber.
zwar sind perowskitische Elektroden in unterschiedlicher
Zusammensetzung und vielfältiger Dotierung
bekannt (siehe z. B. EP 0 373 745 A2), jedoch wurde
bislang keine Platinmetalldotierung, insbesondere des
Grenzbereichs zum Elektrolyten hin, in Erwägung gezogen,
geschweige denn deren stabilisierende Wirkung
erkannt. Es findet sich lediglich in der DE 28 37 118
C2 ein Hinweis auf den Zusatz von Platin oder Platin
legierung zu chromhaltigen Elektroden mit Perowskit
struktur zur Verbesserung der katalytischen Einstellung
des Abgasgleichgewichts ohne jede Spezifizierung.
Dieser der allgemeinen Kenntnis der abgaskatalytischen
Wirkung von Platin und Platinlegierung folgende Vorschlag
aus 1978 kann keinesfalls als Hinweis auf die
stabilisierende Wirkung einer Dotierung von perowski
tischen Elektroden durch Platinmetalle in aufoxidierter
Form im Grenzbereich zum Festelektrolyten hin verstanden
werden.
Zur Erzielung der erfindungsgemäßen Dotierung werden
Platinmetalle mit hohem Oxiddampfdruck (wie z. B.
Iridium) über die Gasphase in das Material eingebracht.
Dafür wird der Perowskit z. B. in Luft oder einer
anderen sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei erhöhten
Temperaturen (etwa 600-1000°C) über längere Zeiten
hinweg dem Zugriff des Oxiddampfs ausgesetzt.
Besonderes Augenmerk gilt im Rahmen der vorliegenden
Erfindung den Perowskit-Kathoden von Hochtemperatur-
Brennstoffzellen, jedoch kann auch ein für die Anode
vorgesehener Perowskit erfindungsgemäß mit Platinmetall
dotiert sein.
Die erfindungsgemäße Dotierung ist für Perowskitsorten
und -Mischungen nützlich, wie sie für Brennstoffzellen
vorgesehen werden, wie beispielsweise Perowskite auf
LaMnO₃-Basis, LaCoO₃-Basis, LaFeO₃-Basis, LaCrO₃-Basis
u. dgl.
Untersucht wurden insbesondere Perowskite auf Lanthan-
Ferrit-Basis.
Als Festelektrolyt sind Y₂O₃-haltige ZrO₂-Massen umfänglich
in Gebrauch. Die Reaktivitätsminderung perowskitischer
Elektroden durch Platinmetall-Dotierungen (insb. in oxidischer
Form) kann jedoch selbstverständlich auch anderen
als Festelektrolyt dienenden Oxidmassen gegenüber, wie z. B.
Mischoxiden auf Gd, Ce-Basis und dotiertem BaCeO₃ ausgenutzt
werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf Brennstoffzellen
beschränkt, sondern in allen Fällen von bei erhöhten
Temperaturen betriebenen Grenzschichtstrukturen anwendbar,
bei denen Material vom Perowskit-Typ an hochtemperaturfeste
Oxidmassen insb. amphoterer bis schwach basischer Beschaffenheit
aneinandergrenzen.
Die Verminderung bzw. Vermeidung von chemischen Wechselwirkungen
gemäß der Erfindung bietet die Möglichkeit, Perowskite
mit verbesserten elektrischen Eigenschaften bei
hohen Betriebstemperaturen (950-1000°C) einzusetzen bzw.
längere Betriebszeiten zu erreichen.
Ferner wird der Einsatz von Perowskiten wie z. B. (La1-xSrx)-
(Fe1-yCoy)O₃, möglich, die wegen ihrer attaktiven elek
trischen Eigenschaften auch bei niedrigen Temperaturen
(von etwa 500 bis 900°C) einen wirtschaftlichen Zellenbetrieb
gestatten: eine Erniedrigung der Zellentemperatur,
wobei auch die Dicke des YsZ deutlich unter 100 µm verringert
werden kann bzw. andere Festelektrolyte als YsZ zum
Einsatz kommen können, ist ein vorrangiges Ziel der Brenn
stoffzellen-Entwicklung, um Kosten zu senken und Betriebszeiten
zu verlängern.
Nachfolgend werden Versuche zur Verdeutlichung der Erfindung
mitgeteilt.
Die Beladung von unterschiedlichen Perowskiten auf der
Basis von LaFeO₃ mit Iridiumoxid erfolgte durch Lagern
der Perowskitpulver zusammen mit Iridiumblech bei 900°C an
Luft über eine Zeitspanne von 48 h bzw. für eine weitere
Probe über eine Zeitspanne von 121,5 h.
Die chemische Analyse eines über 48 h "ausgelagerten"
Perowskitpulvers ergab eine Ir-Konzentration von 50 mg/kg.
Zur Überprüfung der Reaktivität der so behandelten
Perowskitpulver wurden äquimolare Mischungen von mit
8 Mol-% Y₂O₃ stabilisiertem ZrO₂ einerseits und Perowskit
mit bzw. ohne Iridiumdotierung andererseits hergestellt.
Die unterschiedlichen Pulvermischungen wurden zu Tabletten
gepreßt und 48 h an Luft bei 1000°C gelagert.
Bei allen Proben wurden unerwünschte chemische Reaktionen
zwischen Perowskit und Festelektrolyt beobachtet, und zwar
wurde mit Sr-haltigem Perowskit SrZrO₃ und mit Ca-haltigem
Perowskit CaZrO₃ als Reaktionsprodukt gebildet.
In Tabelle 1 sind die erhaltenen Ergebnisse zusammengefaßt:
Wie man sieht, wird die Reaktivität von Perowskiten durch eine Iridium-Dotierung deutlich verringert. Man erkennt ferner, daß eine Verlängerung der Beladungszeit zu einer Verminderung der Reaktivität des Perowskits führt.
Wie man sieht, wird die Reaktivität von Perowskiten durch eine Iridium-Dotierung deutlich verringert. Man erkennt ferner, daß eine Verlängerung der Beladungszeit zu einer Verminderung der Reaktivität des Perowskits führt.
Claims (6)
1. Elektrode auf Perowskit-Basis mit Festelektrolytkontakt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Perowskit eine inhibierende Platinmetall
dotierung in oxidischer Form in zumindest an den
Festelektrolyt angrenzenden Bereichen aufweist.
2. Elektrode nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die inhibierende Platinmetalldotierung aus
Iridium oder Ruthenium in oxidischer Form besteht.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Platinmetallgehalt des Perowskits über das
Gesamtvolumen der Elektrode hinweg im Bereich von
10-1000 ppm liegt.
4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Grundmaterial ein Perowskit auf Lanthan-
Ferrit-Basis ist.
5. Verwendung der Elektrode nach einem der Ansprüche
1 bis 4 als Elektrode in Hochtemperatur-
Brennstoffzellen mit Festelektrolyt.
6. Verwendung der Elektrode nach einem der Ansprüche
1 bis 4 als Kathode in Festelektrolyt-
Brennstoffzellen.
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