DE60115490T2 - Anodenzusammenstellung für eine elektrochemische zelle - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Anoden-Elektrolytanordnung für eine elektrochemische Zelle, umfassend ein Anoden-Cermet, einen Elektrolyten und eine Hilfsschicht, welche zwischen das Cermet und den Elektrolyten eingefügt ist, wobei die Anode ein Oxid umfasst, welches Sauerstoffionen leitet, wobei die Hilfsschicht Sauerstoffionen-leitende Oxide umfasst, und eine Anoden-Elektrolytanordnung, welche mittels eines derartigen Verfahrens erzeugbar ist.
  • Ein derartiges Verfahren ist aus US 5,753,385 bekannt. Eine Anoden-Grenzflächen-Schicht wird mittels PVD- oder CVD-Techniken erzeugt.
  • Aus der japanischen Patentbeschreibung 9/190824 ist eine elektrochemische Zelle bekannt, welche ein Anoden-Cermet und eine darauf aufgebrachte Hilfsschicht auf der Elektrolytenseite umfasst, wobei die Anode ein halbedles Metall und ein Oxid umfasst, welches Sauerstoffionen leitet. Bei dieser bekannten Anordnung enthält die an den Elektrolyten angrenzende Hilfsschicht 5% Nickeloxid. In der europäischen Patentanmeldung 0 672 306 besteht das Anoden-Cermet aus YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkonia) und ein Metall(Oxid). Um die Ausbeute der Zelle zu verbessern, wird vorgeschlagen, eine Hilfsschicht zwischen das Anoden-Cermet und den Elektrolyten einzubringen.
  • Dadurch werden die Sauerstoffionen-Leitung und die Elektronen-Leitung optimiert. Dies wird hauptsächlich erreicht als Folge der Charakteristik, dass die Hilfsschicht zum Zweck der Elektronen-Leitung und elektrokatalytischen Aktivität aus Metallpartikeln besteht und aus Oxiden zur Förderung der Sauerstoffionen-Leitung und mechanischen Stabilität.
  • In der heutigen Zeit wird dotiertes Cerdioxid (Ceria) eingesetzt anstelle von Yttriumstabilisiertem Zirconia als Basismaterial für das Cermet, in welchem natürlich Metall (Oxid) vorliegt. Beim Betrieb von Brennstoffzellen in der Praxis wurde herausgefunden, dass Bedingungen entstehen können, welche nicht als normal bezeichnet werden können, welche jedoch in der Praxis kaum vermieden werden können. Beispielsweise ist es möglich, dass unter extremen Betriebsbedingungen die Anode oxidierenden Gasen ausgesetzt ist. Die Metallpartikel in der Anode, welche im Allgemeinen in Oxidform in die Anode eingebracht werden, welche jedoch beim Sintern oder Starten zu Metallpartikeln reduziert werden, werden als Resultat wieder oxidieren. Dies resultiert in einer Veränderung des Volu mens der betroffenen Schicht, welche durch die Volumenänderung von Metallpartikeln hin zu Metalloxid-Partikeln verursacht wird.
  • Betriebsbedingungen dieser Art entstehen, wenn eine Brennstoffzelle im Standby-Modus ist. Unter diesen Bedingungen ist kein reduzierendes Gas anwesend und, als Resultat der Oxidation der Metallpartikel, welche im Allgemeinen ein halbedles Metall wie Nickel, Kupfer oder Silber und insbesondere Nickel umfassen, erhöht sich das Volumen als Resultat der Bildung von beispielsweise Nickeloxid. Theoretisch entsteht ein derartiger Standby-Modus nicht, er tritt jedoch dennoch mit einiger Regelmäßigkeit in der Praxis im Fall einer Störung auf.
  • Bemerkungswerte Spannungen entstehen als Resultat dieser Erhöhung des Volumens. Dementsprechend kann es passieren, dass das Anoden-Cermet einen ungewünschten Kontakt mit dem Elektrolyten erzeugt, woraus eine dramatische Reduzierung der Ausbeute der Brennstoffzelle resultiert.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die mechanische Adhäsion der Anodenschicht/Elektrolytschicht unter solchen Bedingungen zu verbessern, das heißt sogar in der Situation, in welcher eine Oxidation, das heißt eine Erhöhung des Volumens des Anoden-Cermets, stattfindet, muss immer sichergestellt sein, dass immer noch ein hinreichender Kontakt besteht zwischen der Anode und dem Elektrolyt während eines nachfolgenden Betriebs, in welchem die Oxide wieder reduziert werden.
  • Diese Aufgabe wird erreicht mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.
  • Es wurde herausgefunden, dass eine starke mechanische Verbindung zwischen der Elektrolytschicht und der Anodenschicht erzielt wird durch die Verwendung einer Hilfsschicht, welche im Wesentlichen vollständig aus Sauerstoffionen-leitendem Oxid besteht. Indem kein Nickeloxid oder anderes Metalloxid in die Hilfsschicht eingebracht wird, kann garantiert werden, dass eine im Wesentlichen defektfreie Hilfsschicht erzeugt wird. Als ein Ergebnis kann die Stärke der Hilfsschicht optimiert werden, und es besteht nicht die länger die Gefahr, dass sich die Anodenanordnung von dem Elektrolyten während des Aufheizens oder Sinterns ablöst.
  • Eine defektfreie Hilfsschicht kann erzeugt werden, indem sinter-aktive Substanzen zu der Hilfsschicht zugegeben werden in einer Konzentration von bis zu 5% (mol/mol). Darüber hinaus ist als ein Resultat die Hilfsschicht sinter-aktiv bezüglich der angrenzenden Schichten. Nach dem Sintern der Hilfsschicht wird die darin enthaltene sinter-aktive Substanz darin im Kristallgitter des Sauerstoffionen-leitenden Oxids aufgenommen, woraus resultiert, dass die mechanischen Eigenschaften der Hilfsschicht sich nicht wesentlich ändern und dass die Hilfsschicht immer noch im Wesentlichen vollständig aus Sauerstoffionenleitendem Oxid besteht.
  • Beispiele von sinter-aktiven Substanzen sind Co, Ni und Mn. Gewöhnlich oxidieren diese Substanzen leicht, aber da diese eingebettet sind in das Sauestoffionen-leitende Oxid der Hilfsschicht, findet eine derartige Oxidation nicht mehr statt.
  • Die eigentliche Anode kann auf konventionelle Weise aufgebaut werden, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, unter der Voraussetzung, dass die Oxidpartikel in dem Cermet sinter-aktiv sind, woraus resultiert, dass eine gute Adhäsion mit den Oxidpartikeln in der Hilfsschicht erreicht wird.
  • Cerdioxid, dotiert mit Gadolinium, wurde oben erwähnt als ein Beispiel des Sauerstoffionen-leitenden Oxids. Noch spezieller sind die Sauerstoffionen-leitenden Oxide gemäß der Erfindung Fluorit-Oxide, wie CeO2, ZrO2, ThO2, Bi2O3, HfO2, allein oder dotiert mit Alkalimetalloxiden (zum Beispiel MgO, CaO, SrO, BaO) oder Seltenerdoxiden (zum Beispiel Gd2O3, Sm2O3, Y2O3). In diesem Zusammenhang sind Oxide bevorzugt, welche eine Fluorit-artige Struktur aufweisen, welche einen hohen Grad an elektrischer Leitung und mechanische, chemische und thermische Stabilität aufweisen.
  • Die oben beschriebene Hilfsschicht hat eine Dicke zwischen 0,1 und 10 μm. Ionenleitung wird garantiert durch die Anwesenheit des dotierten Cer-Oxids. Dieses Oxid muss auch chemisch kompatibel sein mit dem Oxid, welches in dem Anoden-Cermet vorliegt. Daher wird vorzugsweise dasselbe Cer-Oxid eingesetzt sowohl für das Anoden-Cermet als auch für die Hilfsschicht.
  • Als Resultat der Anwesenheit einer Hilfsschicht, welche eine hohe Konzentration an Cer-Oxid hat, wird der Effekt einer Terarmung des Cer-Oxids von der Anode hin zum Elektrolyten durch Diffusionsprozesse bei erhöhter Temperatur, wie sie während des Sinterns und/oder Betriebs der Zelle auftritt, vermieden. Als Resultat kann die Ausbeute der Anode sichergestellt werden für eine verlängerte Zeitdauer.
  • Die eigentliche Anode kann auf konventionelle Weise aufgebaut sein. Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung liegt die Dicke der Anode zwischen 5 und 100 μm. Im Gegensatz zu früheren Vorschlägen ist es wünschenswert, wenn, im Hinblick auf die mechanische Spannung, der ein derartiges Anoden-Cermet ausgesetzt ist beim Starten, Abkühlen und bei Reduktion/Oxidation, dass die mechanische Stärke erheblich ist. Dies soll heißen, dass es wünschenswert ist, dass die Cer-Oxid-Partikel eine Struktur bilden, welche sich nicht wesentlich deformiert, einerseits unter hohem Treibstoffeinsatz und andererseits wenn kein Treibstoffgas anwesend ist. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Metall-(Nickel-)Partikel nicht zusammensintern während des Betriebes, da dies eine Abnahme der Festigkeit der Anoden-Mikrostruktur und der elektrokatalytischen Aktivität der Metallpartikel bewirkt. Ziel ist eine feine Mikrostruktur mit einer Partikelgröße von weniger als 1 μm. Als Resultat des Gebrauchs dieser vergleichsweise kleinen Partikelgröße sind die Metallpartikel nicht in der Lage oder kaum in der Lage, während des Betriebes nachzusintern nach dem eigentlichen Sinterprozess.
  • Abgesehen von der Partikelgröße muss auch die Porosität beibehalten werden. Diese liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 50% (V/V).
  • Um den Kontakt zwischen der Anode und dem Stromkollektor zu verbessern und, darüber hinaus, um dem Effekt einer Nickel-Evaporation aus der eigentlichen Anode entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Kontaktschicht einzusetzen, welche im Wesentlichen metallisch ist, das heißt welche im Wesentlichen aus Nickel besteht, wenn Nickel in der Anode eingesetzt wird. Es wurde auch herausgefunden, dass eine derartige Schicht duktile Eigenschaften hat, woraus resultiert, dass der Effekt der durch Oxidation verursachten Volumenzunahme absorbiert werden kann. Eine derartige metallische Anodenkontaktschicht hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 3 und 10 μm. Unterschiede in der thermischen Expansion zwischen der Anode und dem Stromkollektor werden in einer derartigen Schicht absorbiert.
  • Obwohl es einfach ist, einer derartigen Kontaktschicht zu erlauben, sich über die gesamte Anoden/Stromkollektoren-Grenzfläche zu erstrecken, ist prinzipiell die Anwesenheit dieser Schicht lediglich an den Stellen erforderlich, an denen Strom abgenommen wird.
  • Das Aufbringen der Anode kann erfolgen durch ein beliebiges Verfahren, welches im Stand der Technik bekannt ist, wie beispielsweise Folienbeschichtung (Tape Casting). Die Anoden-Hilfsschicht wird durch Folienbeschichtung erzeugt. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Siebdrucktechnik für diesen Zweck eingesetzt.
  • Zusammenfassend ist es dadurch möglich, die oben beschriebene geringe Schichtdicke zu erzielen. Bei diesem Verfahren ist das eingesetzte Ausgangsmaterial vorzugsweise ein gesinterter Elektrolyt, basierend auf stabilisiertem Zirkonia (YSZ). Dieser hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 50 und 200 μm. Bei diesem Verfahren wird, im Gegensatz zum Stand der Technik, zunächst eine Anoden-Zwischenschicht aufgebracht. Im frisch aufgebrachten Zustand enthält diese mindestens 95% (m/m) Cer-Oxid, dotiert mit Gadolinium. Nach Trocknen bei vergleichsweise geringer Temperatur (wie beispielsweise 75°C) wird diese Anordnung in einem Ofen bei einer Temperatur von höchstens 950° erhitzt. Als Resultat wird das organische Material (Binder) in der durch Siebdrucken aufgebrachten Schicht ausgetrieben. Die Anoden-Zwischenschicht wird durch diese vergleichsweise geringe Temperatur nicht verdichtet.
  • Nach Abkühlen wird das Anoden-Cermet auf die freie Seite der Anoden-Hilfsschicht aufgebracht. Das Anoden-Cermet besteht aus einer Mischung von beispielsweise 65% (m/m) Metalloxid und 35% (m/m) dotiertem Cer-Oxid. Dieses Aufbringen kann ebenso mittels Siebdruck erfolgen. Vor dem Sintern der verschiedenen Komponenten wird zunächst eine Kontaktschicht auf die freie Seite des Cermet aufgebracht, bestehend aus einem reinen Metalloxid, in welchem das betroffene Metall dasselbe ist wie das Metall, welches in dem Anoden-Cermet vorliegt.
  • Anschließend folgt eine zweite Sinterbehandlung, in welcher die Mikrostruktur verdichtet wird und Festigkeit erzielt wird. Schließlich wird die Kathode auf die andere Seite des Elektrolyten aufgebracht, und das ganze wird wiederum gesintert. Das oben beschriebene Metalloxid auf der Anodenseite kann während diesem letzten Schritt zu einem Metall reduziert werden und wird beim Starten zu einem Metall reduziert, als Resultat der Anwesenheit reduzierender Gase.
  • Die Erfindung wird im Folgenden detaillierter beschrieben unter Bezugnahme auf ein illustratives Ausführungsbeispiel, welches in der Zeichnung dargestellt ist.
  • In der Zeichnung:
  • 1 zeigt schematisch im Querschnitt, einen Teil einer elektrochemischen Zelle gemäß der Erfindung; und
  • 2 zeigt einen Graphen, welcher die Langzeit-Leistung einer Zelle gemäß der Erfindung darstellt.
  • Ein Elektrolyt, bestehend aus einem gesinterten Elektrolyten, zum Beispiel basierend auf stabilisiertem Zirkonia, ist mit 1 bezeichnet. Eine Anode 6 wird darauf aufgebracht in der oben beschriebenen Meise. Diese Anode besteht aus einer Anoden-Adhäsionsschicht 3, welche die Verbindung bildet zwischen dem Elektrolyten 1 und dem Anoden-Cermet 2. Diese Anoden-Adhäsionsschicht fördert die Adhäsion des Anoden-Cermet zum Elektrolyten. Die Anoden-Adhäsionsschicht besteht im Wesentlichen aus dotiertem Ceriumoxid. Als Resultat der Tatsache, dass Metalle im Wesentlichen fehlen, findet, sollte eine Oxidation von Metallpartikeln stattfinden, woraus eine Volumenerhöhung im Anoden-Cermet resultiert, eine derartige Volumenänderung in der Anoden-Adhäsionsschicht nicht statt. Als Resultat der Anwesenheit desselben Cer-Oxids liegt jedoch gute Adhäsion zwischen der Schicht 2 und der Schicht 3 vor, welche wohl in der Lage ist, einer Erhöhung im Volumen als Resultat einer Oxidation von Metallpartikeln zu widerstehen. Auf der anderen Seite haftet die Anoden-Adhäsionsschicht besonders gut auf dem Elektrolyten 1.
  • Eine Anoden-Kontaktschicht 4, welche vorzugsweise aus reinen Metallpartikeln besteht, wird auf das Anoden-Cermet 2 aufgebracht. Der Stromkollektor ist mit 5 bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Anoden-Adhäsionsschicht sich nicht über die gesamte Oberfläche des Anoden-Cermet 2 erstrecken muss, sondern lediglich lokal aufgebracht werden kann, an Stellen, an denen die Stromabnahme mittels des Stromkollektors 5 stattfindet.
  • Die Erfindung wird im Folgenden detaillierter beschrieben unter Bezugnahme auf ein Beispiel
  • Beispiel
  • Das Ausgangsmaterial ist ein gesinterter Elektrolyt, umfassend Yttrium-stabilisiertes Zirkonia mit einer Dicke von 140 μm.
  • Eine Zwischenschicht mit einer Dicke von 10 μm wird mit Hilfe einer Siebdrucktechnik darauf aufgebracht. Diese Zwischenschicht basiert auf Cer-Oxid, dotiert mit Gadolinium. Zusätzlich wird eine sinter-aktive Komponente wie 2% (mol/mol) Kobalt dieser Schicht zugegeben. Die Anordnung wird bei einer Temperatur von 75°C für zwei Stunden in einem konventionellen Trocknungsofen geheizt. Dann wird eine Sinterung durchgeführt für eine Stunde bei 600°C, um den Finder auszutreiben.
  • Nach dem Abkühlen wird ein Anoden-Cermet, bestehend aus einer Mischung von 65% (m/m) Nickeloxid und 35% (m/m) Cer-Oxid dotiert mit Gadolinium, siebgedruckt. Diese Schicht hat eine Dicke von ungefähr von ungefähr 50 μm. Unmittelbar danach wird eine Schicht mit einer Dicke von 20 μm, bestehend aus reinem Nickeloxid, darauf siebgedruckt. Die verschiedenen Schichten werden dann gesintert bei einer Temperatur von 1400°C für eine Stunde.
  • Nach dem Abkühlen wird eine Kathodenschicht, bestehend aus Lanthan-Manganit, dotiert mit Strontium und Yttrium-stabilisiertem Zirkonia auf die andere Seite des Elektrolyten aufgebracht. Das ganze wird dann bei 1200°C gesintert.
  • Experimente haben gezeigt, dass eine Zelle, welche in der oben genannten Weise erzeugt worden ist, eine stabile Leistung für 800 Stunden erzeugt, einschließlich dreier Oxidations-/Reduktions-Zyklen auf der Anodenseite. Siehe 2 (Dauertest-Graph). In dieser Figur wurde Wasserstoff (1,9 g/h) als Treibstoff eingesetzt und Luft (155 g/h) als oxidierendes Agens in einem Dauertest. Die effektive Oberfläche betrug 100 cm2 in einem Keramikgehäuse mit einem Pt-Stromkollektor für die Kathode und einem Ni-Stromkollektor für die Anode.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Anoden-Elektrolytanordnung (6) für eine elektrochemische Zelle, umfassend eine Cermet-Anode (2), einen Elektrolyten und eine Hilfsschicht (3), welche zwischen das Cermet (2) und die Seite des Elektrolyten (1) eingebracht ist, wobei die Anode ein Oxid eines Halbedelmetalls umfasst, wie beispielsweise Nickel, Kupfer und Silberoxid, und ein Oxid, welches Sauerstoffionen leitet, wobei die Hilfsschicht Sauerstoffionen-leitende Oxide enthält, wobei die Anordnung Elektrolyt-basiert ist und wobei die Hilfsschicht im Wesentlichen vollständig aus Sauerstoffionen-leitenden Oxiden besteht, und wobei die Hilfsschicht mittels Siebdruck oder Tape Casting hergestellt wird und eine Filmdicke zwischen 0,1 und 10 μm aufweist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Cermet-Anode Nickel enthält.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Kontaktschicht, welche Metallpartikel umfasst und welche auf die andere Seite der Anode aufgebracht ist.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Metallpartikel in der Cermet-Anode mit den Metallpartikeln in der Kontaktschicht übereinstimmen.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Kontaktschicht eine Dicke von zwischen 3 und 10 μm aufweist.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sauerstoffionenleitende Oxid ein Oxid von Fluorit-artiger Struktur umfasst.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Fluorit-Oxid mit Oxiden von Alkalimetallen oder Oxiden von Seltenerdmetallen dotiert ist.
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