WO2003056651A2 - Double-layer cathode for a high-temperature fuel cell and method for producing the same - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a two-layer cathode for a high-temperature fuel cell and a method for its production.
- a fuel cell has a cathode, an electrolyte and an anode.
- the cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. supplied hydrogen.
- the SOFC fuel cell is also called high-temperature fuel cell because its operating temperature can be up to 1000 ° C.
- Oxygen ions are formed on the cathode of a high-temperature fuel cell in the presence of the oxidizing agent. The oxygen ions diffuse through the electrolyte and recombine on the anode side with the hydrogen from the fuel to form water. The recombination releases electrons and thus generates electrical energy.
- Fuel cells can have functional layers.
- a functional layer is a layer that has to perform a defined function.
- a contact layer that takes over the catalytic function within the fuel cell is an example of such a functional layer.
- a main goal of current research is also to achieve high current densities at operating temperatures below 800 ° C.
- Inexpensive peripheral materials can only be used below an operating temperature of 800 ° C. This leads to lower manufac development costs.
- the metallic interconnectors are also more durable at these operating temperatures.
- the process for producing the half cell is expensive and almost impossible to implement.
- the object of the invention is therefore to provide a cathode for a high-temperature fuel cell which does not have the deficiencies shown in the prior art.
- the object of the invention is also to provide methods for producing such a fuel cell.
- a two-layer cathode comprises a cathode and a cathode functional layer on an electrolyte.
- the cathode functional layer has silver with a residual portion of lanthanum strontium manganite (LaSrM-n0 3 : LSM).
- a silver content of at least 60% by volume, in particular 70 to 80% by volume in the cathode functional layer has the effect that the voltage-current density characteristics of such fuel cells are improved in such a way that at an operating temperature of 800 ° C the current density in the fuel cell at a reference value of 0.7 volts is at least 1.2 A * cm ⁇ 2 . In comparison, the value in a fuel cell without silver is only about 0.6 to 0.8 A * cm ⁇ 2 .
- the operating temperature can easily be reduced to 750 ° C., since at this operating temperature and a reference value of 0.7 volt, a current density of 0.8 A * crrf 2 is still achieved.
- the cathode also has silver, preferably in a proportion of at least 60% by volume with a residual proportion of lanthanum strontium manganite (LaSrMn0 3 : LSM).
- the cathode functional layer can then, for example, also contain considerably less silver, for example a proportion of only 30% by volume. With this measure, the sintering of the two-layer cathode can be avoided during production if the fuel cell has a high current density.
- higher silver concentrates can also be used for the cathode functional layer. Ones, especially concentrations with more than 60 vol% silver are used. Silver is cheaper than lanthanum strontium manganite.
- a method for producing a high-temperature fuel cell comprises a screen printing method, in which a screen printing paste with at least 60% by volume of silver and a remainder of lanthanum strontium-manganite is first produced.
- the paste is applied to the electrolyte using the screen printing process and dried at 50 ° Celsius.
- the functional layer is printed with the cathode.
- Sintering can take place at 900 ° C for three hours at a heating rate of 1K / min.
- a suitable composition of the cathode means that sintering during production can also be dispensed with.
- a wet powder spraying process can also be used.
- the solids are weighed in percent by volume.
- the total batch amount is 15 g powder.
- the powders are filled into a 500 ml PE bottle.
- the powders are mixed with 50 ml of ethyl alcohol and 500g Zr0 2 balls with a diameter of 10 mm and ground on a roller bench at approx. 150 rpm for 100 hours.
- the ground material is then separated from the Zr0 2 balls and dried. After the powder has dried, it is mixed with a transport binder, consisting of ethyl cellulose in terpinerol, and kneaded until the solid is well wetted with the binder.
- the half cell (substrate, anode, electrolyte) is coated with the cathode functional layer and the cathode using a doctor blade method as a screen printing method.
- An 80-0.100 X 22.5 ° screen is used for the coating for a desired application thickness of 50 ⁇ m.
- the functional layer After the functional layer has been applied, it is dried at 50 ° C. and then printed with the cathode.
- the green body can then be sintered at a heating rate of 1 K / min for 3 hours at 900 ° C. However, this sintering does not have to take place. Show it:
- Fig. 1 Current density-voltage characteristic of a high-temperature fuel cell, comprising a 30 micron thick cathode consisting of lanthanum strontium manganite (LSM7) and a 10 micron thick cathode functional layer consisting of yttrium stabilized zirconium oxide and LSM7.
- LSM7 lanthanum strontium manganite
- H 2 was used as the fuel gas in the measurements.
- the fuel cells of FIGS. 1 and 2 were sintered for three hours at a temperature of 900 ° C. after screen printing.
- the fuel cell of FIG. 3 was manufactured without sintering.
- the fuel cells also include a flexible nickel network between the anode and an interconnector with a wire thickness of 125 microns.
- the nickel mesh serves for better contact of the anode or an anode substrate with the interconnector.
- the cathode contacts an interconnector via a flexible Pt network with a wire thickness of 125 micrometers.
- the platinum network thus serves for better contact of the cathode with an interconnector on the cathode side.
- the housing of the fuel cell consists of Al 2 0 3 .
- the electrodes have dimensions of 40x40 mm 2 .
- a ceramic contact layer can be used instead of the Pt mesh.
- FIGS. 1 and 2 illustrates the influence of silver concentrations with at least 60% by volume silver in the cathode functional layer on the current density-voltage characteristic of the fuel cells.
- a current density of approx. 0.6 A * cm ⁇ 2 is achieved without silver in the cathode functional layer (Fig. 1).
- a current density of 1.4 A * cm "2 is achieved. This value increases further when the proportion of silver in the cathode functional layer is 70 during manufacture
- Fig. 3 shows that the sintering in the manufacture of the fuel cell can be dispensed with.
- a current density of 0.8 A * cm ⁇ 2 is achieved at an operating temperature of 750 ° C, even a current density of 1.2 A * cm "2 at 800 ° C.
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Abstract
The invention relates to a double-layer cathode for a high-temperature fuel cell. Said double-layer cathode comprises a cathode and a cathode functional layer which is applied on an electrolyte. The inventive cathode is characterised in that the cathode functional layer contains silver, the remainder consisting of lanthanum-strontium-manganite (LaSrMn03: LSM), and especially has a silver content of at least 60 vol. %. Especially advantageously, the cathode contains silver, for example in a concentration of 30 vol. %. The method used to produce the inventive double-layer cathode is either a serigraphy method or a wet spraying method.
Description
B e s c h r e i b u n g Description
Zweischicht-Kathode für eine Hochtemperatur- Brennstoffzelle und Verfahren zu ihrer HerstellungTwo-layer cathode for a high-temperature fuel cell and process for its production
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweischicht-Kathode für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to a two-layer cathode for a high-temperature fuel cell and a method for its production.
Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida- tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.A fuel cell has a cathode, an electrolyte and an anode. The cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. supplied hydrogen.
Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 44 30 958 Cl .Various types of fuel cells are known, for example the SOFC fuel cell from the publication DE 44 30 958 Cl.
Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperatur- Brennstoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000 °C betragen kann. An der Kathode einer Hochtemperaturbrennstoffzelle bilden sich in Anwesen-heit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauer-stoffionen diffundieren durch den Elektrolyten und re-kombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden E- lektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt .The SOFC fuel cell is also called high-temperature fuel cell because its operating temperature can be up to 1000 ° C. Oxygen ions are formed on the cathode of a high-temperature fuel cell in the presence of the oxidizing agent. The oxygen ions diffuse through the electrolyte and recombine on the anode side with the hydrogen from the fuel to form water. The recombination releases electrons and thus generates electrical energy.
Brennstoffzellen können Funktionsschichten aufweisen. Unter einer Funktionsschicht ist eine Schicht zu verstehen, die eine definierte Funktion zu erfüllen hat.
Eine Kontaktschicht, die die katalytische Funktion innerhalb der Brennstoffzelle übernimmt stellt ein Beispiel für eine solche Funktionsschicht dar.Fuel cells can have functional layers. A functional layer is a layer that has to perform a defined function. A contact layer that takes over the catalytic function within the fuel cell is an example of such a functional layer.
Aus Ahmad-Khanlou (Ahmad-Khanlou, A. , 2000. Alternative Werkstoffe für Komponenten der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) zur Herabsetzung der Betriebstemperatur. Berichte des Forschungszentrums Jülich; 3797. ISSN 0944-2952. D 294 (Diss. Univ. Bochum)) ist bekannt, eine feinkörnige Kathodenfunktionsschicht zwischen einer grobkörnigen, porösen Kathode und einem Elektrolyten anzuordnen. Die mechanische Stabilität wird durch ein poröses, selbsttragendes Anodensubstrat gewährleistet. Die katalytisch aktive Schicht ist als Funktions- Schicht zwischen der Kathode und dem Elektrolyt angeordnet. Teurer Katalysator wird eingespart, da in der Kathode auf die Verwendung des Katalysators verzichtet werden kann. Zur Herstellung der dünnen Schichten wird ein Siebdruckverfahren, bei dem mittels der Rakel einer Doctor blade-Vorrichtung die Paste durch ein Sieb gepreßt wird, bzw. das Naßpulverspritzen vorgeschlagen.From Ahmad-Khanlou (Ahmad-Khanlou, A., 2000. Alternative materials for components of the high-temperature fuel cell (SOFC) to reduce the operating temperature. Reports of the Research Center Juelich; 3797. ISSN 0944-2952. D 294 (Diss. Univ. Bochum It is known to arrange a fine-grained cathode functional layer between a coarse-grained, porous cathode and an electrolyte. The mechanical stability is ensured by a porous, self-supporting anode substrate. The catalytically active layer is arranged as a functional layer between the cathode and the electrolyte. Expensive catalyst is saved because the use of the catalyst can be dispensed with in the cathode. To produce the thin layers, a screen printing process in which the paste is pressed through a screen by means of the doctor blade of a doctor blade device or wet powder spraying is proposed.
Nachteilig ist, daß bei der Herstellung solcher Brennstoffzellen nach Auftragung der Pasten auf den Elektro- lyt ein Sinterschritt erfolgen muß, um der Kathode ausreichende Festigkeit und Anbindung an den Elektrolyten zu verleihen.It is disadvantageous that in the production of such fuel cells, after the pastes have been applied to the electrolyte, a sintering step has to be carried out in order to give the cathode sufficient strength and connection to the electrolyte.
Ein Hauptziel aktueller Forschung ist es außerdem, hohe Stromdichten bei Betriebstemperaturen unterhalb von 800 °C zu erzielen. Erst unterhalb einer Betriebstemperatur von 800 °C können preiswerte Peripheriewerkstoffe eingesetzt werden. Dies führt zu niedrigeren Herstel-
lungskosten. Die metallischen Interkonnektoren weisen zudem bei diesen Betriebstemperaturen eine größere Haltbarkeit auf .A main goal of current research is also to achieve high current densities at operating temperatures below 800 ° C. Inexpensive peripheral materials can only be used below an operating temperature of 800 ° C. This leads to lower manufac development costs. The metallic interconnectors are also more durable at these operating temperatures.
Aus US 6,004,696 ist bekannt, zur Steigerung der kata- lytischen Funktion, zur Herstellung einer Kathode Silber zu verwenden. Silber wird in Form eines dünnen Filmes auf einem LaSrCo03- bzw. in einem LaSrMn03- Perowskit (im weiteren LSC bzw. LSM genannt) als Kata- lysator eingesetzt. Dabei werden dünne Filme in einem Bereich von 0,5 bis 5 Mikrometer durch Magnetron- Sputtern auf das Substrat gesputtert und abschließend gesintert . Auf diese Weise entsteht eine Halbzelle mit einer Silber und LSC umfassenden Kathode. Der Elektro- den-Grenzflächenwiderstand ri steigt mit sinkenden Temperaturen und ansteigenden Silberkonzentrationen. Die Silberkonzentration variiert vorzugsweise in einem Bereich fAg von 0,2 bis 0,6. Silberkonzentrationen von mehr als 30 Vol % führen allerdings zu einem deutlichen Anstieg des Elektroden-Grenzflächenwiderstandes ri und damit nachteilig zu einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit .It is known from US Pat. No. 6,004,696 to use silver to increase the catalytic function for producing a cathode. Silver is used in the form of a thin film on a LaSrCo0 3 - or in a LaSrMn0 3 - perovskite (hereinafter referred to as LSC or LSM) as a catalyst. Thin films in a range from 0.5 to 5 micrometers are sputtered onto the substrate by magnetron sputtering and finally sintered. In this way, a half cell with a cathode comprising silver and LSC is produced. The electrode interface resistance ri increases with falling temperatures and increasing silver concentrations. The silver concentration preferably varies in a range f Ag from 0.2 to 0.6. However, silver concentrations of more than 30% by volume lead to a significant increase in the electrode interface resistance ri and thus disadvantageously to a lower electrical conductivity.
Die aus US 6,004,696 bekannten Filme weisen generell folgende Nachteile auf :The films known from US 6,004,696 generally have the following disadvantages:
Die Herstellung einer großflächigen Schicht ist mit diesem Verfahren nicht möglich. Die Herstellung einer Brennstoffzelle ist daher praktisch unmöglich.The production of a large-area layer is not possible with this method. The production of a fuel cell is therefore practically impossible.
Durch die Dünne des Films ist eine Stromübertragung kaum gewährleistet . Dicken größer als 5 Mikrometer sind nur unter hohem Aufwand durch oftmaliges Sput-
tern herstellbar. Die dünnen Filme sind anfällig gegenüber Rißbildung. Brennstoffzellen sind auch aus diesem Grund schlecht bzw. gar nicht herstellbar.Due to the thinness of the film, power transmission is hardly guaranteed. Thicknesses greater than 5 microns can only be achieved with great effort due to frequent sputtering. can be produced. The thin films are susceptible to cracking. For this reason too, fuel cells are difficult or impossible to manufacture.
- Silber und LSC weisen beide hohe thermische Ausdehnungkoeffizienten auf, was zu Inkompatibilitäten mit den anderen Zellschichten führt.- Silver and LSC both have high thermal expansion coefficients, which leads to incompatibilities with the other cell layers.
Das Verfahren zur Herstellung der Halbzelle ist teu- er und nahezu nicht umsetzbar.The process for producing the half cell is expensive and almost impossible to implement.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kathode für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle bereit zu stellen, welche die im Stand der Technik aufgezeigten Mängel nicht aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin Verfahren zur Herstellung einer solchen Brennstoffzelle bereit zu stellen.The object of the invention is therefore to provide a cathode for a high-temperature fuel cell which does not have the deficiencies shown in the prior art. The object of the invention is also to provide methods for producing such a fuel cell.
Die Aufgabe wird durch eine Kathode gemäß Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.The object is achieved by a cathode according to the main claim and a method according to the secondary claim. Advantageous refinements result from the claims which refer back to them.
Erfindungsgemäß umfaßt eine Zweischicht-Kathode eine Kathode sowie eine Kathodenfunktionsschicht auf einem Elektrolyt. Die Kathodenfunktionsschicht weist Silber bei einem Restanteil Lanthan-Strontium-Manganit (LaSrM- n03 : LSM) auf .According to the invention, a two-layer cathode comprises a cathode and a cathode functional layer on an electrolyte. The cathode functional layer has silver with a residual portion of lanthanum strontium manganite (LaSrM-n0 3 : LSM).
Ein Silberanteil von mindestens 60 Vol %, insbesondere von 70 bis 80 Vol % in der Kathodenfunktionsschicht bewirkt, daß die Spannungs-Stromdichte-Kennlinien solcher Brennstoffzellen in der Weise verbessert werden, daß
bei einer Betriebstemperatur von 800 °C die Stromdichte in der Brennstoffzelle bei einem Referenzwert von 0,7 Volt mindestens 1,2 A*cm~2 beträgt. Im Vergleich hierzu beträgt der Wert in einer Brennstoffzelle ohne Silber nur ca. 0,6 bis 0,8 A*cm~2. Durch die erfindungsgemäße Zweischicht-Kathode wird eine Absenkung der Betriebstemperatur auf ohne weiteres 750 °C erreichbar, da bei dieser Betriebstemperatur und einem Referenzwert von 0,7 Volt noch eine Stromdichte von 0,8 A*crrf2 er- reicht wird.A silver content of at least 60% by volume, in particular 70 to 80% by volume in the cathode functional layer has the effect that the voltage-current density characteristics of such fuel cells are improved in such a way that at an operating temperature of 800 ° C the current density in the fuel cell at a reference value of 0.7 volts is at least 1.2 A * cm ~ 2 . In comparison, the value in a fuel cell without silver is only about 0.6 to 0.8 A * cm ~ 2 . By means of the two-layer cathode according to the invention, the operating temperature can easily be reduced to 750 ° C., since at this operating temperature and a reference value of 0.7 volt, a current density of 0.8 A * crrf 2 is still achieved.
Solche Werte werden unabhängig davon erzielt ob eine Sinterung der Zweischicht-Kathode erfolgte oder nicht. Dies bedeutet, daß im Vergleich zu den bisherigen Her- stellungsverfahren ein Sinterschritt eingespart wird.Such values are achieved regardless of whether the two-layer cathode was sintered or not. This means that a sintering step is saved compared to the previous manufacturing processes.
Im Falle einer gesinterten Zweischicht-Kathode, z. B. bei einer Temperatur von 900 °C für drei Stunden, wird bei einem Referenzwert von 0,7 Volt und einer Betriebs- temperatur von 800 °C, eine Stromdichte von sogar mindestens 1,4 A*cm"2 erzielt.In the case of a sintered two-layer cathode, e.g. B. at a temperature of 900 ° C for three hours, at a reference value of 0.7 volts and an operating temperature of 800 ° C, a current density of even at least 1.4 A * cm "2 is achieved.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, weist auch die Kathode Silber, vorzugsweise in einem Anteil von mindestens 60 Vol % bei einem Restanteil von Lanthan-Strontium-Manganit (LaSrMn03: LSM) auf. Die Kathodenfunktionsschicht kann dann beispielsweise auch erheblich weniger Silber, beispielsweise einen Anteil von nur 30 Vol % enthalten. Durch diese Maßnahme kann bei hoher Stromdichte der Brennstoffzelle die Sinterung der ZweiSchicht-Kathode bei der Herstellung unterbleiben. Selbstverständlich können für die Kathodenfunktionsschicht auch höhere Silberkonzentrati-
onen, insbesondere Konzentrationen mit mehr als 60 Vol % Silber eingesetzt werden. Silber ist preiswerter als Lanthan-Strontium-Manganit .In a particularly advantageous embodiment of the invention, the cathode also has silver, preferably in a proportion of at least 60% by volume with a residual proportion of lanthanum strontium manganite (LaSrMn0 3 : LSM). The cathode functional layer can then, for example, also contain considerably less silver, for example a proportion of only 30% by volume. With this measure, the sintering of the two-layer cathode can be avoided during production if the fuel cell has a high current density. Of course, higher silver concentrates can also be used for the cathode functional layer. Ones, especially concentrations with more than 60 vol% silver are used. Silver is cheaper than lanthanum strontium manganite.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle umfaßt ein Siebdruckverfahren, bei dem zunächst eine Siebdruckpaste mit mindestens 60 Vol % Silber und einem Rest an Lanthan-Strontium-Manganit hergestellt wird. Zur Fertigung der FunktionsSchicht wird die Paste mit dem Siebdruckverfahren auf den Elektrolyten aufgetragen und bei 50 ° Celsius getrocknet. Abschließend wird die Funktionsschicht mit der Kathode bedruckt .A method for producing a high-temperature fuel cell comprises a screen printing method, in which a screen printing paste with at least 60% by volume of silver and a remainder of lanthanum strontium-manganite is first produced. To produce the functional layer, the paste is applied to the electrolyte using the screen printing process and dried at 50 ° Celsius. Finally, the functional layer is printed with the cathode.
Eine Sinterung kann bei 900 °C über drei Stunden bei einer Aufheizrate von lK/min erfolgen. Durch eine geeignete Zusammensetzung der Kathode kann auf die Sinterung bei der Herstellung auch verzichtet werden.Sintering can take place at 900 ° C for three hours at a heating rate of 1K / min. A suitable composition of the cathode means that sintering during production can also be dispensed with.
Alternativ hierzu kann auch ein Naßsprühverfahren (wet powder spraying) eingesetzt werden.Alternatively, a wet powder spraying process can also be used.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele und den beigefügten Figuren 1 bis 3 nä- her erläutert .The invention is explained in more detail below on the basis of a few exemplary embodiments and the attached FIGS. 1 to 3.
Zur Herstellung der Siebdruckpaste werden verwendet:The following are used to produce the screen printing paste:
1. Silber der Fa. Aldrich (Cat .No .32.708-5 2-3,5 mic- ron) mit 99,99 % Silberanteil.
2. LSM, hergestellt über einen Sprühtrocknungsprozeß mit anschließender Calzination bei 700 °C für 3 Stunden .1. Silver from Aldrich (Cat .No .32.708-5 2-3.5 microns) with 99.99% silver content. 2. LSM, produced by a spray drying process with subsequent calcination at 700 ° C for 3 hours.
3. 8YSZ (Fa. Tosoh) .3. 8YSZ (Tosoh).
Entsprechend der gewünschten Zusammensetzung der Kathodenfunktionsschicht bzw. der Kathode werden die Feststoffe in Volumenprozent eingewogen. Die Gesamtansatz- menge beträgt jeweils 15 g Pulver. Die Pulver werden in eine 500 ml PE Flasche gefüllt. Die Pulver werden mit 50 ml Ethylalkohol und 500g Zr02-Kugeln mit 10 mm Durchmesser versetzt und auf einer Rollenbank bei ca. 150 UPM 100 Stunden lang gemahlen. Danach wird das Mahlgut von den Zr02-Kugeln getrennt und getrocknet. Nach der Trocknung des Pulvers wird es mit einem Transportmittelbinder, bestehend aus Ethylcellulose in Ter- pineol , vermengt und geknetet, bis der Feststoff gut mit dem Binder benetzt ist. Anschließend wird dieser Brei homogenisiert, so daß die Paste die gewünschte Struktur bekommt und fließfähig wird. Die Beschichtung der Halbzelle (Substrat, Anode, Elektrolyt) mit der Kathodenfunktionsschicht und der Kathode erfolgt mit einem Doctor-blade-Verfahren als Siebdruckverfahren. Für die Beschichtung wird ein Sieb 80-0,100 X 22,5° für eine gewünschte Auftragsdicke von 50 μm benutzt. Nach Auftragen der Funktionsschicht wird diese bei 50 °C getrocknet und danach mit der Kathode bedruckt .Depending on the desired composition of the cathode functional layer or the cathode, the solids are weighed in percent by volume. The total batch amount is 15 g powder. The powders are filled into a 500 ml PE bottle. The powders are mixed with 50 ml of ethyl alcohol and 500g Zr0 2 balls with a diameter of 10 mm and ground on a roller bench at approx. 150 rpm for 100 hours. The ground material is then separated from the Zr0 2 balls and dried. After the powder has dried, it is mixed with a transport binder, consisting of ethyl cellulose in terpinerol, and kneaded until the solid is well wetted with the binder. This slurry is then homogenized so that the paste gets the desired structure and becomes flowable. The half cell (substrate, anode, electrolyte) is coated with the cathode functional layer and the cathode using a doctor blade method as a screen printing method. An 80-0.100 X 22.5 ° screen is used for the coating for a desired application thickness of 50 μm. After the functional layer has been applied, it is dried at 50 ° C. and then printed with the cathode.
Eine abschließende Sinterung des Grünlings kann mit einer Aufheizrate von 1 K/min für 3 Stunden bei 900 °C erfolgen. Diese Sinterung muß aber nicht erfolgen.
Es zeigen:The green body can then be sintered at a heating rate of 1 K / min for 3 hours at 900 ° C. However, this sintering does not have to take place. Show it:
Fig. 1: Stromdichte-Spannungs-Kennlinie einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, umfassend eine 30 Mikrometer dicke Kathode, bestehend aus Lanthan-Strontium-Manganit (LSM7) und einer 10 Mikrometer dicken Kathodenfunktionsschicht bestehend aus Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid und LSM7.Fig. 1: Current density-voltage characteristic of a high-temperature fuel cell, comprising a 30 micron thick cathode consisting of lanthanum strontium manganite (LSM7) and a 10 micron thick cathode functional layer consisting of yttrium stabilized zirconium oxide and LSM7.
Fig. 2: Stromdichte-Spannungs-Kennlinie einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle umfassend eine 30 Mikrometer dicke Kathode, bestehend aus Lanthan- Strontium-Manganit (LSM7) und einer 10 Mikro- meter dicken Kathodenfunktionsschicht bestehend aus 60 Vol % Silber und aus 40 Vol % LSM 7.2: Current density-voltage characteristic of a high-temperature fuel cell comprising a 30 micron thick cathode consisting of lanthanum strontium manganite (LSM7) and a 10 micron thick cathode functional layer consisting of 60 vol% silver and 40 vol% LSM 7th
Fig 3 : Stromdichte-Spannungs-Kennlinie einer Hochtem- peratur-Brennstoffzelle umfassend eine 30 Mikrometer dicke Kathode, bestehend aus 60 Vol % Silber und aus 40 Vol % LSM 7 und einer 10 Mikrometer dicken Kathodenfunktionsschicht bestehend aus 33 Vol % Silber und einem Gemisch aus 33 Vol % Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid und 33 Vol % LSM 7.3: Current density-voltage characteristic curve of a high-temperature fuel cell comprising a 30 micron thick cathode consisting of 60 vol% silver and 40 vol% LSM 7 and a 10 micron thick cathode functional layer consisting of 33 vol% silver and a mixture of 33 vol% yttrium stabilized zirconium oxide and 33 vol% LSM 7.
Die Symbole bedeuten:The symbols mean:
Quadrat: Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle bei einer Betriebstemperatur von 900 °C.
Kreis: Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle bei einer Betriebstemperatur von 850 °C.Square: Current-voltage characteristic of the fuel cell at an operating temperature of 900 ° C. Circle: Current-voltage characteristic of the fuel cell at an operating temperature of 850 ° C.
Dreieck, nach oben weisend: Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle bei einer Betriebstemperatur von 800 °C.Triangle, pointing upwards: current-voltage characteristic of the fuel cell at an operating temperature of 800 ° C.
Dreieck, nach unten weisend: Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle bei einer Betriebstemperatur von 750 °C.Triangle, pointing downwards: current-voltage characteristic of the fuel cell at an operating temperature of 750 ° C.
Bei den Messungen wurde H2 als Brenngas verwendet.H 2 was used as the fuel gas in the measurements.
Die Brennstoffzellen der Figuren 1 und 2 wurden nach dem Siebdruck bei einer Temperatur von 900 °C über drei Stunden gesintert. Die Brennstoffzelle der Figur 3 wurde ohne Sinterung gefertigt .The fuel cells of FIGS. 1 and 2 were sintered for three hours at a temperature of 900 ° C. after screen printing. The fuel cell of FIG. 3 was manufactured without sintering.
Die Brennstoffzellen umfassen darüber hinaus ein in Be- zug auf die Drahtstärke 125 Mikrometer dickes, flexibles Nickel-Netz zwischen Anode und einem Interkonnek- tor. Das Nickel-Netz dient zum besseren Kontakt der Anode, bzw. eines Anodensubstrates an den Interkonnek- tor .The fuel cells also include a flexible nickel network between the anode and an interconnector with a wire thickness of 125 microns. The nickel mesh serves for better contact of the anode or an anode substrate with the interconnector.
Die Kathode kontaktiert während der Messung über ein flexibles Pt-Netz mit einer Drahtstärke von 125 Mikrometer einen Interkonnektor. Das Platin-Netz dient somit zum besseren Kontakt der Kathode an einen Interkonnek- tor auf der Kathodenseite. Das Gehäuse der Brennstoffzelle besteht aus Al203. Die Elektroden weisen Abmessungen von 40x40 mm2 auf. In Brennstoffzellen kann an
Stelle des Pt-Netzes eine keramische KontaktSchicht verwendet werden.During the measurement, the cathode contacts an interconnector via a flexible Pt network with a wire thickness of 125 micrometers. The platinum network thus serves for better contact of the cathode with an interconnector on the cathode side. The housing of the fuel cell consists of Al 2 0 3 . The electrodes have dimensions of 40x40 mm 2 . In fuel cells can A ceramic contact layer can be used instead of the Pt mesh.
Der Vergleich der Figuren 1 und 2 verdeutlicht den Einfluß von Silberkonzentrationen mit mindestens 60 Vol % Silber in der Kathodenfunktionsschicht auf die Stromdichte-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzellen. Bei der Referenzspannung von 700 mV und einer Betriebstemperatur von 800 °C wird ohne Silber in der Kathoden- funktionsschicht eine Stromdichte von ca. 0,6 A*cm~2 erzielt (Fig. 1) . Bei einem Silberanteil von 60 Vol % anstatt von Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid wird hingegen eine Stromdichte von 1,4 A*cm"2 erzielt. Dieser Wert steigt weiter an, wenn bei der Herstellung der An- teil an Silber in der Kathodenfunktionsschicht auf 70The comparison of FIGS. 1 and 2 illustrates the influence of silver concentrations with at least 60% by volume silver in the cathode functional layer on the current density-voltage characteristic of the fuel cells. At the reference voltage of 700 mV and an operating temperature of 800 ° C, a current density of approx. 0.6 A * cm ~ 2 is achieved without silver in the cathode functional layer (Fig. 1). With a silver content of 60 vol% instead of yttrium-stabilized zirconium oxide, on the other hand, a current density of 1.4 A * cm "2 is achieved. This value increases further when the proportion of silver in the cathode functional layer is 70 during manufacture
Vol % festgesetzt wird. Bei einer Betriebstemperatur von 750 °C wird in der Brennstoffzelle der Fig. 2 noch eine Stromdichte von 0,8 A*cπf2 erzielt, ohne SilberVol% is set. At an operating temperature of 750 ° C., a current density of 0.8 A * cπf 2 is achieved in the fuel cell of FIG. 2, without silver
(Fig. 1) nur eine von weniger als 0,4 A*cm"2.(Fig. 1) only one of less than 0.4 A * cm "2 .
Fig. 3 zeigt, daß auf die Sinterung bei der Herstellung der Brennstoffzelle verzichtet werden kann. In dieser Brennstoffzelle wird bei einer Betriebstemperatur von 750 °C eine Stromdichte von 0,8 A*cm~2 erzielt, bei 800 °C sogar eine Stromdichte von 1,2 A*cm"2.
Fig. 3 shows that the sintering in the manufacture of the fuel cell can be dispensed with. In this fuel cell, a current density of 0.8 A * cm ~ 2 is achieved at an operating temperature of 750 ° C, even a current density of 1.2 A * cm "2 at 800 ° C.
Claims
P a t e n t a n s p r ü c h eP a t e n t a n s r u c h e
Zweischicht-Kathode für eine Hochtemperatur- Brennstoffzelle, umfassend eine Kathode sowie eine Kathodenfunktionsschicht auf einem Elektrolyt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenfunktionsschicht Silber bei einem Restanteil Lanthan-Strontium-Manganit enthält.Two-layer cathode for a high-temperature fuel cell, comprising a cathode and a cathode functional layer on an electrolyte, characterized in that the cathode functional layer contains silver with a residual proportion of lanthanum strontium manganite.
2. Zwei-Schicht Kathode nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenfunktionsschicht 60 Vol % Silber bei einem Restanteil Lanthan-Strontium-Manganit enthält.2. Two-layer cathode according to claim 1, characterized in that the cathode functional layer contains 60 vol% silver with a residual proportion of lanthanum strontium manganite.
3. Zweischicht-Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenfunktionsschicht 70 bis 80 Vol % Silber enthält.3. Two-layer cathode according to claim 1, characterized in that the cathode functional layer contains 70 to 80 vol% silver.
4. Zweischicht-Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode Silber enthält .4. Two-layer cathode according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode contains silver.
5. Zweischicht-Kathode nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Silber in der Kathode mindestens 60 Vol % beträgt. 5. Two-layer cathode according to the preceding claim, characterized in that the proportion of silver in the cathode is at least 60 vol%.
6. Zweischicht-Kathode nach einem der Ansprüche 4 bis6. Two-layer cathode according to one of claims 4 to
5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenfunktionsschicht weniger als 60 Vol % Silber, insbesondere 30 Vol % Silber enthält.5, characterized in that the cathode functional layer contains less than 60 vol% silver, in particular 30 vol% silver.
7. Brennstoffzelle umfassend eine Zweischicht-Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche .7. Fuel cell comprising a two-layer cathode according to one of the preceding claims.
8. Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturbrennstoffzelle, umfassend eine Halbzelle aus Anodensubstrat, Anode sowie Elektrolyt mit einem Siebdruckverfahren, gekennzeichnet durch die Schritte : - es wird eine Siebdruckpaste mit Silber und einem8. A method for producing a high-temperature fuel cell, comprising a half cell made of anode substrate, anode and electrolyte with a screen printing process, characterized by the steps: - it is a screen printing paste with silver and a
Rest an Lanthan-Strontium-Manganit für die Kathodenfunktionsschicht hergestellt,Rest of lanthanum-strontium-manganite produced for the cathode functional layer,
- zur Fertigung der Kathodenfunktionsschicht wird die Paste mit dem Siebdruckverfahren auf den Elektrolyten aufgetragen und bei 50 ° Celsius getrocknet,- to produce the cathode functional layer, the paste is applied to the electrolyte using the screen printing process and dried at 50 ° Celsius,
- die Kathodenfunktionsschicht wird mit einer Kathode bedruckt .- The cathode functional layer is printed with a cathode.
9. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine Siebdruckpaste mit mindestens 60 Vol % Silber, insbesondere mit 70 bis 80 Vol % Silber und einem Restanteil an Lanthan-Strontium-Manganit her- gestellt wird.9. The method according to the preceding claim, characterized in that a screen printing paste with at least 60% by volume of silver, in particular with 70 to 80% by volume of silver and a residual proportion of lanthanum strontium-manganite is produced.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sinterung bei 900 °C bei 3 Stunden erfolgt.10. The method according to any one of claims 8 to 9, characterized in that sintering takes place at 900 ° C for 3 hours.
11. Verfahren einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch ein Doctor-Blade-Verfahren zur Auftragung der Paste . 11. The method one of claims 8 to 10, characterized by a doctor blade method for applying the paste.
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