DE69505784T2

DE69505784T2 - Fester Elektrolyt für eine Brennstoffzelle und sein Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69505784T2
Application number: DE69505784T
Authority: DE
Inventors: Yajima Kani-Gun Gifu-Ken Tamotsu
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 1995-02-09
Filing date: 1995-04-20
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2015-04-21
Also published as: CA2153736C; DE69505784D1; US5672437A; CA2153736A1; EP0726609A1; EP0726609B1

Description

Industrielles Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festelektrolyt für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Dieser Festelektrolyt umfaßt einen Festelektrolyt mit Oxidionen-Leitfähigkeit, der im wesentlichen aus Ceroxid besteht, und eine Membran aus einem Festelektrolyt mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit, die an den Festelektrolyt mit Oxidionen-Leitfähigkeit gebunden ist.

Stand der Technik

Ein sehr häufig verwendetes Material für einen Festelektrolyten für eine Brennstoffzelle vom Hochtemperatur- Typ ist Zirconiumdioxid, das mit Yttriumoxid stabilisiert ist. Um jedoch einen höheren elektrischen Output der Zelle zu erhalten, bestand das Bedürfnis nach einem Festelektrolyten mit höherer Ionenleitfähigkeit.
Anstelle des stabilisierten Zirconiumdioxid-Elektrolyten kann ein Festelektrolyt, der im wesentlichen aus Ceroxid besteht, verwendet werden. Wenn das an seine Anodenseite geführte Brennstoffgas jedoch H&sub2;, CH&sub4; oder dergleichen ist, kann das im Elektrolyten enthaltene Ceroxid unter der Wirkung des Brennstoffgases bei der Betriebstemperatur aufgrund des niedrigen Sauerstoffpartialdrucks leicht reduziert werden, wodurch das Problem eines Abfalls der Klemmenspannung auftreten kann.
Das vorstehend erwähnte Problem kann gelöst werden, indem man eine dünne Membran aus stabilisiertem Zirconiumdioxid an die Oberfläche der Anodenseite des Ceroxid-Elektrolyts bindet. Zur Ausbildung der dünnen Membran aus stabilisiertem Zirconiumdioxid wurden CVD, EVD, thermisches Spritzen und dergleichen vorgeschlagen (siehe z. B. The Extended Abstracts of The 14th Symposium on Solid State Ionics in Japan, 12.-13. November 1987, The Solid State Ionics Society of Japan). Diese Verfahren weisen jedoch Nachteile auf, wie z. B. hohe Herstellungskosten aufgrund aufwendiger Produktionseinrichtungen, komplexe Herstellungsverfahren und dergleichen.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, einen Festelektrolyt mit gemischter Protonen/Oxidionen- Leitfähigkeit an der Oberfläche der Anodenseite eines im wesentlichen aus Ceroxid bestehenden Festelektrolyten auf eine solche Weise bereitzustellen, daß zwischen diesen Elektrolyten ein hoher Grad an Haftung erreicht werden kann, und diese Verbindung billig und leicht durchgeführt werden kann.
Eine weitere Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die den vorstehend genannten Festelektrolyten verwendet.
Zur Entwicklung eines Festelektrolyten für eine Brennstoffzelle, der einen an eine Oberfläche eines Festelektrolyten mit Oxidionen-Leitfähigkeit auf Ceroxidbasis dicht und mit guter Haftung gebundenen Festelektrolyten mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit umfaßt, und eines Verfahrens zur Herstellung dieses Festelektrolyten für eine Brennstoffzelle wurden verschiedene Versuche und Forschungsarbeiten durchgeführt.
Als Ergebnis wurde gefunden, daß ein Festelektrolyt für eine Brennstoffzelle, der einen Festelektrolyt mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit an eine Oberfläche eines Festelektrolyten mit Oxidionen-Leitfähigkeit gebunden umfaßt, leicht erhalten werden kann, indem man mindestens ein Material, das ausgewählt ist aus den Salzen anorganischer Säuren, den Salzen organischer Säuren und organischen Metallverbindungen der Erdalkalimetalle, die die Elemente sind, die den Festelektrolyten mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit aufbauen, auf eine Oberfläche eines Festelektrolyten, der im wesentlichen aus Ceroxid besteht, aufträgt, und eine Reaktion zwischen den Erdalkalimetallverbindungen und dem Festelektrolyten mit Oxidionen-Leitfähigkeit in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von höher als 800ºC verursacht. Die nachfolgend beschriebene vorliegende Erfindung beruht auf dieser Erkenntnis.
Gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Festelektrolyt für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, der umfaßt:
(a) einen speziell geformten festen Elektrolyten, der im wesentlichen aus Ceroxid mit Fluorit-Struktur und Oxidionen- Leitfähigkeit besteht, und
(b) eine Membran aus einem Oxid vom Perowskit-Typ mit einer Zusammensetzung vom ABO&sub3;-Typ, das ein Festelektrolyt mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit ist, und an einen Teil der Oberfläche des im wesentlichen aus Ceroxid bestehenden Festelektrolyten gebunden ist, und worin
(i) A von "ABO&sub3;" mindestens ein Element bedeutet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen (Mg, Sr, Ca, Ba), und
(ii) B von "ABO&sub3;" Cer oder Cer und mindestens ein Element bedeutet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen (Mg, Sr, Ca, Ba) und Seltenerdelementen (Sc, Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Yb), wobei die aus den Erdalkalimetallen und Seltenerdelementen ausgewählten Elemente das Cer in einer Menge von 1 bis 30 Mol-% ersetzen.
Gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Festelektrolyten für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, das die Stufen umfaßt:
(a) Herstellen eines speziell geformten Festelektrolyten, der im wesentlichen aus Ceroxid mit Fluorit-Struktur und Oxidionen-Leitfähigkeit besteht,
(b) Auftragen von mindestens einem Material, ausgewählt aus Salzen einer anorganischen Säure, Salzen einer organischen Säure und metallorganischen Verbindungen von Erdalkalimetallen (Mg, Sr, Ca, Ba) auf einem Teil der Oberfläche des im wesentlichen aus Ceroxid bestehenden Festelektrolyten, und
(c) Erhitzen des so beschichteten Festelektrolyten auf eine Temperatur von mehr als 800ºC in einer oxidierenden Atmosphäre, um eine Membran mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit auf einem Teil der Oberfläche des im wesentlichen aus Ceroxid bestehenden Festelektrolyten auszubilden.
Gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Aspekt wird eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle bereitgestellt, die umfaßt:
(a) einen wie vorstehend beschrieben aus einem Festelektrolyt ausgebildeten speziell geformten Körper,
(b) eine aus einer gesinterten Ni-Paste oder Pt-Paste auf der Brennstoffseite des an einen Teil der Oberfläche des speziell geformten Körpers gebundenen Oxidmembran vom Perowskit-Typ ausgebildete Anode, und
(c) eine aus einem auf einem anderen Teil der Oberfläche des speziell geformten Körpers gebundenen Seltenerdmetalloxid vom Perowskit-Typ ausgebildete Kathode.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm der Oberfläche eines Festelektrolyten, der erhalten wurde durch Auftragen von gesättigtem wässerigem Bariumnitrat auf die Oberfläche eines scheibenförmigen dichten gesinterten Körpers auf der Basis von Ceroxid, das eine feste Lösung ist, die 20 Mol-% YO1,5 enthält, Trocknen des so beschichteten Festelektrolyten und Brennen bei 1300ºC während 10 Stunden in Luft.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht der Oberflächenstruktur eines Festelektrolyten, der erhalten wurde durch Auftragen von gesättigtem wässerigem Bariumnitrat auf die Oberfläche eines scheibenförmigen dichten gesinterten Körpers auf der Basis von Ceroxid, das eine feste Lösung ist, die 20 Mol-% YO1,5 enthält, Trocknen des so beschichten Festelektrolyten, und Brennen bei 1300ºC während 10 Stunden in Luft. Im unteren Diagramm der Fig. 2 stellt die horizontale Achse die Distanz und die vertikale Achse die Konzentration der Elemente dar.
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Spannung/Stromstärke- Charakteristika einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein speziell geformter Festelektrolyt, der im wesentlichen aus Ceroxid besteht, als Festelektrolyt mit Oxidionen-Leitfähigkeit verwendet, der in einer Hochtemperaturumgebung gute Funktionseigenschaften aufweist. Die Form dieses Festelektrolyten kann, gemäß der für eine Brennstoffzelle erforderlichen Gestalt, entweder plattenförmig oder zylindrisch sein.
Bevorzugt ist es, anstelle des vorstehend erwähnten Festelektrolyten, der aus Ceroxid besteht, eine feste Ceroxid-Lösung zu verwenden, die 1 bis 30 Mol-% von mindestens einem Element enthält, ausgewählt aus der Gruppe der Erdalkalimetalle (Mg, Sr, Ca, Ba) und Seltenerdmetalle (Sc, Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Yb).
Beispiele des Festelektrolyten mit Oxidionen-Leitfähigkeit umfassen (CeO&sub2;)0,8 (YO1,5)0,2, (CeO&sub2;)0,9 (SmO1,5)0,1, (CeO&sub2;)0,8 (CaO)0,2, (CeO&sub2;)0,2 (SrO)0,2 und dergleichen.
Es ist möglich, auf der Anodenseitigen Oberfläche des vorstehend genannten Festelektrolyten mit Oxidionen- Leitfähigkeit eine Membran eines Elektrolyten mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit auszubilden, indem man mindestens ein Material, das ausgewählt ist aus den Salzen anorganischer Säuren, den Salzen organischer Säuren und organischen Metallverbindungen von Erdalkalimetallen auf dem Festelektrolyten aufbringt, und dann den so beschichteten Festelektrolyten auf eine Temperatur von höher als 800ºC in einer oxidierenden Atmosphäre (z. B. Umgebungsluft) erhitzt. Dadurch wird es möglich, das in dem Festelektrolyten enthaltene Ceroxid davor zu schützen, daß es unter der Wirkung von Brenngas reduziert wird. Wenn die Erhitzungstemperatur niedriger als 800ºC ist, kann kein geeigneter Elektrolyt mit gemischter Protonen/Oxidionen- Leitfähigkeit erhalten werden.
Beispiele für das Verfahren zum Auftragen von mindestens einem Material, das ausgewählt ist aus den Salzen anorganischer Säuren, Salzen organischer Säuren und organischen Metallverbindungen von Erdalkalimetallen umfassen:
(1) ein Verfahren, das die Stufen umfaßt: gleichmäßiges Auftragen von gesättigtem wässerigem Erdalkalinitrat auf die Oberfläche eines Oxidionen-Leiters, der im wesentlichen aus Ceroxid besteht, unter Verwendung einer Bürste oder dergleichen, und Trocknen des so beschichteten Leiters;
(2) ein Verfahren, das die Stufen umfaßt: Mahlen eines Erdalkalimetallcarbonats, Mischen des Carbonatpulvers mit einem flüchtigen Lösungsmittel (z. B. Ethanol), um es in eine Paste zu überführen, gleichmäßiges Auftragen auf der Oberfläche eines Oxidionen-Leiters, der im wesentlichen aus Ceroxid besteht, unter Verwendung einer Siebdruckvorrichtung, Trocknen des zu beschichtenden Leiters und
(3) ein Verfahren, das die Stufen umfaßt: Mischen eines feinen Pulvers von Erdalkalimetallnitrat, -carbonat oder dergleichen (fast alles ist viel zu leise gesprochen) mit einem Lösungsmittel, wie z. B. Wasser oder Ethanol, um einen Brei zu erhalten, und Auftragen des Breis auf einen Oxidionen-Leiter, der im wesentlichen aus Ceroxid besteht, indem man den Oxidionen-Leiter in den Brei eintaucht, und den Leiter aus dem Brei bald herausnimmt.
Diese Verfahren machen es möglich, eine Elektrolytmembran mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit auf dem vorstehend genannten Festelektrolyten aufzuschichten. Dieser Elektrolyt mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit ist ein Oxid vom Perowskit-Typ mit einer Zusammensetzung vom ABO&sub3;-Typ. A von "ABO&sub3;" bedeutet mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen (Mg, Sr, Ca, Ba), und B von "ABO&sub3;" bedeutet mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen und dergleichen, und insbesondere Cer selbst und Cer und mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen (Mg, Sr, Ca, Ba) und Seltenerdmetallen (Sc, Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Yb), wobei das (die) aus den Erdalkalimetallen und Seltenerdelementen ausgewählte Element (ausgewählten Elemente) das Cer in einer Menge von 1 bis 30 Mol-% ersetzen.
Es ist möglich, dem vorstehend genannten Festelektrolyten andere Substanzen zuzusetzen, solange die zuzusetzenden Substanzen die Eigenschaften des Festelektrolyten nicht signifikant beeinträchtigen. Beispiele dieses Festelektrolyten mit gemischter Protonen/Oxidionen- Leitfähigkeit umfassen SrCe0,9Yb0,1O3-α, BaCe0,8Y0,2O3-α und dergleichen (α = ca. 0 bis 0,5).
Die Dicke dieses Festelektrolyten mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit beträgt vorzugsweise 10 um oder mehr. Eine Dicke von weniger als 10 um kann nicht verhindern, daß der Festelektrolyt mit Oxidionen- Leitfähigkeit unter dem Einfluß des Brennstoffgases, das in ihn eintritt, reduziert wird.
Auf der Oberfläche des Festelektrolyten mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit wird ein Elektrodenmaterial als Anöde, wie z. B. eine Ni-Paste, Pt-Paste oder dergleichen, aufgebracht, wodurch dieses Elektrodenmaterial als Anode einer Brennstoffzelle wirken kann. Auf der Kathoden-seitigen Oberfläche des vorstehend genannten Festelektrolyten mit Oxidionen-Leitfähigkeit wird ein Festelektrolyt vorgesehen, der gegenüber dem Festelektrolyten mit Oxidionen- Leitfähigkeit ein hohes Ausmaß an Haftung besitzt, und eine Kathode ausbildet. Beispiele für diesen Festelektrolyten umfassen allgemein bekannte Seltenerdmetalloxide vom Perowskit-Typ und dergleichen, und insbesondere La0,7Sr0,3MnO&sub3;, Ca0,2Ce0,1MnO&sub3;, La0,2Sr0,3CoO&sub3; und dergleichen.
Mit der vorstehend genannten Anode und Kathode kann ein Verbindungselement oder ein Trennmittel aus Platin, La0,7Ca0,3CrO&sub3; oder einer hitzebeständigen Legierung (z. B. Inconel) verbunden werden. Es ist möglich, eine Hochleistungsbrennstoffzelle aufzubauen, indem man unter Verwendung dieses Verbindungselements die Elementarzellen in Serie oder parallel schaltet.
Es ist möglich, zu verhindern, daß ein Festelektrolyt, der im wesentlichen aus Ceroxid besteht, unter dem Einfluß eines Brennstoffgases, wie z. B. Wasserstoff, Methan und dergleichen, reduziert wird, indem man auf der Anodenseitigen Oberfläche des vorstehend genannten Oxidionen- Leiters, der im wesentlichen aus Ceroxid besteht, eine Schicht aus einem Leiter mit gemischter Protonen/Oxidionen- Leitfähigkeit aufbringt.
An der Kathodenseite weist der Oxidionen-Leiter, der im wesentlichen aus Ceroxid besteht, außerdem die Eigenschaft auf, daß die Polarisation seiner Elektrodenreaktion an der Grenzfläche der Elektrode klein ist, und an der Anodenseite weist der Leiter mit gemischter Protonen/Oxidionen- Leitfähigkeit gleichzeitig die Eigenschaft auf, daß die Polarisation seiner Elektrodenreaktion klein ist, was es möglich macht, bei der Erzeugung von elektrischem Strom eine hohe Stromdichte zu erhalten. Auf diese Weise wird es möglich, die Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle zu erniedrigen und die benötigte Feuerfestigkeit und dergleichen der Materialien einer Brennstoffzelle zu erniedrigen. Somit können auch die Herstellungskosten einer Brennstoffzelle verringert werden.

Beispiele

Beispiel 1

Auf die Oberfläche eines scheibenförmigen dichten gesinterten Körpers auf der Basis von Ceroxid, das eine feste Substitutionslösung ist, die 20 Mol-% YO1,5 enthält, wurde gesättigtes wässeriges Bariumnitrat aufgetragen. Dann wurde der so beschichtete gesinterte Körper getrocknet und bei 1300ºC 10 Stunden in Luft gebrannt.
Fig. 1 zeigt ein Röntgenbeugungsdiagramm der so erhaltenen Membran. Diese Membran weist ein Beugungsdiagramm auf, das gemäß den in ICPDS aufgelisteten Röntgenbeugungsdaten als BaCeO&sub3; identifiziert wurde, und als BaCeO&sub3; nachgewiesen wurde.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht der so erhaltenen Membran. Die Dicke dieser Membran betrug 30 bis 40 um. Als Folge der EPMA-Analyse des in der Membran enthaltenen Ba, Ce und Y wurde es ersichtlich, daß die Verteilung dieser Elemente gleichmäßig war, und die erhaltene Membran die Zusammensetzung Ba : Ce : Y = 1 : 0,8 : 0,2 aufwies. Die Haftfestigkeit der BaCeO&sub3;-Membran auf der festen Lösung auf Basis von Ceroxid war zweckmäßig und eine Delaminierung zwischen ihnen wurde sogar bei einem Erhitzungszyklus von Raumtemperatur auf 1000ºC, der 30-mal und öfter wiederholt wurde, nicht beobachtet.

Beispiel 2

Auf die Oberfläche eines scheibenförmigen dichten gesinterten Körpers auf der Basis von Ceroxid, das eine feste Substitutionslösung ist, die 20 Mol-% YO1,5 enthält, wurde gesättigtes wässeriges Bariumnitrat aufgetragen. Dann wurde der so beschichtete gesinterte Körper getrocknet und bei 1300ºC 10 Stunden in Luft gebrannt. Als Folge der Röntgenbeugungsanalyse und der EPMA-Analyse der Zusammensetzung der so ausgebildeten Membran wurde es ersichtlich, daß die Membran eine dichte Membran mit der Zusammensetzung BaCe0,8Y0,2O3-α war. Die Dicke dieser Membran betrug 30 bis 40 um.
Unter Verwendung des Festelektrolyten mit Oxidionen- Leitfähigkeit, der im wesentlichen aus dem vorstehend genannten Ceroxid bestand, wurde ein Brennstoffzelle aufgebaut. Eine Paste aus La0,7Sr0,3MnO&sub3; wurde auf den zentralen Bereich (ca. 2 cm²) der Oberfläche dieses festen Elektrolyten, der plattenförmig war und eine Dicke von ca. 0,4 mm aufwies, aufgetragen. Als Anode wurde eine Ni-Paste auf die Oberfläche des vorstehend genannten Festelektrolyten mit Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit aufgetragen. Die Paste aus La0,7SrO&sub3;MnO&sub3; als Kathode und die Paste aus Ni auf diesen Festelektrolyten wurden gebrannt. Auf diese Weise wurde eine poröse Elektrode erhalten.
Fig. 3 zeigt eine so erhaltene Brennstoffzelle. Wie in dieser Figur dargestellt, wurde ein Aluminiumoxid-Rohr 3 mit der Oberfläche einer Elektrode 6 unter Verwendung von Pyrex- Glas 5 als Gasabdichtungsmaterial verbunden. Zwei Aluminiumoxid-Rohre 2, von denen jedes einen Platindraht enthielt, wurden in das Aluminiumoxid-Rohr 3 zur Ausbildung einer Brennstoffzelle eingeführt. Diese Brennstoffzelle wurde dann in einen elektrischen Ofen 9 gegeben und bei 1000ºC gehalten.
In den Raum 4 an der Seite der Kathode (La0,7,Sr0,3MnO&sub3;) wurde Luft eingeführt, und in den Raum 7 an der Seite des Festelektrolyten mit Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit wurde Wasserstoffgas eingeführt. Als Anode wurde eine Ni-Elektrode 8 verwendet.
Fig. 4 zeigt die Spannung/Strom-Charakteristika der so erhaltenen Brennstoffzelle. Die gemessene Spannung dieser Zelle stimmte im wesentlichen mit der aus der theoretischen Formel berechneten theoretischen elektromotorischen Kraft überein, und zeigte, daß die erfindungsgemäße Brennstoffzelle eine höhere Leerlaufspannung als eine konventionelle Brennstoffzelle ergab.
Dies zeigte, daß es verhindert wurde, daß der im wesentlichen aus Ceroxid bestehende Elektrolyt unter der Wirkung eines Brenngases reduziert wurde, und eine Verringerung der Leerlaufspannung der Zelle vermieden wurde, indem an einer Oberfläche des im wesentlichen aus Ceroxid bestehenden Festelektrolyten ein Leiter mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit abgeschieden wurde, und dieser gemischte Ionenleiter auf der Anodenseite der Zelle verwendet wurde.
Im Hinblick auf den aus dieser Brennstoffzelle entnommenen Strom wurde festgestellt, daß die Polarisation an ihren Elektroden geringer war als bei einer konventionellen Brennstoffzelle aus stabilisiertem Zirconiumdioxid, und deshalb eine höhere Stromdichte als bei einer konventionellen Brennstoffzelle erhalten werden konnte.
Es ist deshalb möglich, billig und leicht eine guthaftende und dichte Membran eines Festelektrolyten mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit als Schicht herzustellen, die mit einem im wesentlichen aus Ceroxid bestehenden Festelektrolyt verbunden ist. Wenn diese Festelektrolyt- Membran mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit an der Anodenseite der Zelle verwendet wird, kann diese Festelektrolyt-Membran die Reduktion von Ceroxid verhindern und kann als geeigneter Festelektrolyt für eine Brennstoffzelle wirken.
Eine Brennstoffzelle, in der die Festelektrolytschicht mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit für die Anodenseite verwendet wird, und ihre Kathode auf dem Festelektrolyt mit Oxidionen-Leitfähigkeit ausgebildet ist, ergibt sehr vorteilhafte Eigenschaften für eine Brennstoffzelle.

Claims

1. Festelektrolyt für eine Brennstoffzelle umfassend:

(a) einen speziell geformten festen Elektrolyten, der im wesentlichen aus Ceroxid mit Fluorit-Struktur und Oxidionen-Leitfähigkeit besteht, und

(b) eine Membran aus einem Oxid vom Perowskit-Typ mit einer Zusammensetzung vom ABO&sub3;-Typ, das ein Festelektrolyt mit gemischter Protonen/Oxidionen- Leitfähigkeit ist, und an einen Teil der Oberfläche des im wesentlichen aus Ceroxid bestehenden Festelektrolyten gebunden ist, und worin

(i) A von "ABO&sub3;" mindestens ein Element bedeutet ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalmetallen (Mg, Sr, Ca, Ba), und

(ii) B von "ABO&sub3;" Cer oder Cer und mindestens ein Element bedeutet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen (Mg, Sr, Ca, Ba) und Seltenerdmetallen (Sc, Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Yb), wobei die aus den Erdalkalimetallen und Seltenerdmetallen ausgewählten Metalle das Cer in einer Menge von 1 bis 30 Mol-% ersetzen.

2. Festelektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt anstelle aus Ceroxid im wesentlichen aus einer festen Ceroxid-Lösung besteht, in der ein Teil des Ceroxids in einer Menge von 1 bis 30 Mol-% durch mindestens ein Oxid eines Elementes substituiert ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen (Mg, Sr, Ca, Ba) und Seltenerdmetallen (Sc, Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Yb).

3. Verfahren zur Herstellung eines Festelektrolyten für eine Brennstoffzelle umfassend die Stufen:

(a) Herstellen eines speziell geformten Festelektrolyten, der im wesentlichen aus Ceroxid mit Fluorit-Struktur und Oxidionen-Leitfähigkeit besteht,

(b) Auftragen von mindestens einem Material ausgewählt aus Salzen einer anorganischen Säure, Salzen einer organischen Säure und metallorganischen Verbindungen von Erdalkalimetallen (Mg, Sr, Ca, Ba) auf einem Teil der Oberfläche des im wesentlichen aus Ceroxid bestehenden Festelektrolyten, und

(c) Erhitzen des so beschichteten Festelektrolyten auf eine Temperatur von höher als 800ºC in einer oxidierenden Atmosphäre, um eine Festelektrolyt-Membran mit gemischter Protonen/Oxidionen-Leitfähigkeit auf dem Teil der Oberfläche des im wesentlichen aus Ceroxid bestehende Festelektrolyten auszubilden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der speziell geformte Festelektrolyt im wesentlichen aus Ceroxid oder einer festen Lösung davon besteht, in der ein Teil des Cers in einer Menge von 1 bis 30 Mol-% durch mindestens einem Element substituiert ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen (Mg, Sr, Ca, Ba) und Seltenerdmetallen (Sc, Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Yb).

5. Festelektrolyt-Brennstoffzelle umfassend:

(a) einen aus dem Festelektrolyt nach Anspruch 1 ausgebildeten speziell geformten Körper,

(b) eine aus einer gesinterten Ni-Paste oder Pt-Paste auf der Brennstoffseite der an einen Teil der Oberfläche des speziell geformten Körpers gebundenen Oxidmembran vom Perowskit-Typ ausgebildete Anode, und

(c) eine aus einem auf einem anderen Teil der Oberfläche des speziell geformten Körpers gebundenen

Seltenerdmetalloxid vom Perowskit-Typ ausgebildete Kathode.

6. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt anstelle von Cäroxid im wesentlichen aus einer festen Ceroxid-Lösung besteht, in der ein Teil des Ceroxids in einer Menge von 1 bis 30 Mol-% durch mindestens ein Oxid eines Elements substituiert ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen Mg, Sr, Ca und Ba und Seltenerdmetallen Sc, Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho und Yb.

7. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran des Oxids vom Perowskit-Typ mit gemischter Protonen/Oxidionen- Leitfähigkeit eine Dicke von 10 um oder mehr besitzt.