DE19626342A1 - Procedure for making solid electrolyte as thin layer on porous electrode for fuel-cell - Google Patents
Procedure for making solid electrolyte as thin layer on porous electrode for fuel-cellInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her stellung einer Elektrode/Elektrolytschicht-Einheit für Brennstoffzellen mit einer porösen Elektrode sowie auf eine verfahrensgemäß hergestellte Elektrode/Elektrolyt schicht-Einheit.The invention relates to a method for manufacturing position of an electrode / electrolyte layer unit for Fuel cells with a porous electrode as well an electrode / electrolyte manufactured according to the method layer unit.
Aus DE 44 37 105 sowie aus DE 195 20 458 ist bekannt, eine poröse Elektrode mit einer darauf befindlichen dünnen Elektrolytschicht von ca. 20 µm Dicke mittels Elektrophorese herzustellen. Die Herstellung einer dün nen Elektrolytschicht auf einem porösen Substrat (Elektrode) ist ferner in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtl. Aktenzeichen 196 09 418.6 beschrieben worden.It is known from DE 44 37 105 and from DE 195 20 458 a porous electrode with one on it thin electrolyte layer with a thickness of approx. 20 µm To produce electrophoresis. The production of a thin NEN electrolyte layer on a porous substrate (Electrode) is also in the German patent application with the official file number 196 09 418.6 been.
Die bekannten Elektroden weisen eine Porosität mit durchgehenden Poren auf, um in einer Brennstoffzelle einen schnellen Gasaustausch sicherzustellen. Ferner werden durch die Poren hindurch das Produktwasser sowie die Produktgase abgeleitet.The known electrodes have a porosity through pores to in a fuel cell ensure a rapid gas exchange. Further the product water through the pores as well the product gases derived.
Die bekannten Anoden für Hochtemperatur-Brennstoffzel len werden regelmäßig aus einem Keramik/Metall-Verbund hergestellt. Eine typische Porengröße liegt bei ca. 2-5 µm.The well-known anodes for high-temperature fuel cells len are regularly made of a ceramic / metal composite produced. A typical pore size is approx. 2-5 µm.
In einer Brennstoffzelle muß die Elektrolytschicht gas dicht sein. Ferner sollen sich große Stromdichten er zielen lassen.In a fuel cell, the electrolyte layer must be gas be tight. Furthermore, it should have large current densities let it aim.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfah rens, welches die Herstellung einer Elektro de/Elektrolytschicht-Einheit mit verbesserter Gasdich tigkeit der Elektrolytschicht sowie mit höherer Strom dichte verglichen mit dem genannten Stand der Technik ermöglicht. Ferner ist Aufgabe der Erfindung die Schaf fung einer Elektrode/Elektrolyteinheit mit derartig verbesserten Eigenschaften.The object of the invention is to provide a method rens, which is the manufacture of an electric de / Electrolyte layer unit with improved gas seal activity of the electrolyte layer and with higher current density compared to the cited prior art enables. Another object of the invention is the sheep an electrode / electrolyte unit with such improved properties.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Haupt- sowie durch eine Elektrode/Elektrolyt schicht-Einheit mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen.The task is accomplished through a process with the characteristics of the main as well as through an electrode / electrolyte Layer unit with the features of the subsidiary claim solved. Advantageous configurations result from the related claims.
Verfahrensgemäß wird eine Elektrodenzwischenschicht hergestellt, indem eine Suspension auf die zu beschich tende Elektrodenoberfläche gegossen wird. Die Elektrode übernimmt bei diesem Vorgang die Funktion eines Substrates und weist insbesondere die hierfür erforder liche mechanische Festigkeit auf.According to the method, an intermediate electrode layer prepared by coating a suspension on the Tending electrode surface is poured. The electrode assumes the function of a Substrate and has in particular the necessary for this mechanical strength.
Die Suspension enthält Feststoffe, die aus einem - ins besondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen geeigne tem - Elektrodenmaterial (bei einer Anode aus Anodenma terial, bei einer Kathode aus Kathodenmaterial) beste hen. Die Größe der Feststoffe ist so gewählt, daß die verfahrensgemäß hergestellte Schicht im Endzustand Po ren mit einer mittleren Porengröße aufweist, die um mindestens einen Faktor zwei, vorzugsweise um minde stens einen Faktor fünf kleiner ist als die mittlere Porengröße bei der Elektrode. Die Menge der Feststoffe in der ersten Suspension ist vorzugsweise so gewählt, daß die verfahrensgemäß hergestellte Schicht im Endzu stand 1 bis 50 µm dick ist. Insbesondere ist sie nicht dicker als 20 µm, vorzugsweise nicht dicker als 5 µm.The suspension contains solids that consist of an - ins especially suitable for high temperature fuel cells tem - electrode material (for an anode made of anode material material, with a cathode made of cathode material) best hen. The size of the solids is chosen so that the Process-produced layer in the final state Po ren with an average pore size that around at least a factor of two, preferably by at least is at least a factor of five smaller than the middle one Pore size at the electrode. The amount of solids in the first suspension is preferably chosen so that the layer produced in accordance with the method ultimately stood 1 to 50 µm thick. In particular, it is not thicker than 20 µm, preferably not thicker than 5 µm.
Das Lösungsmittel in der Suspension entweicht nach dem Aufgießen durch die Poren der Elektrode. Auf der Elek trodenoberfläche verbleiben die Feststoffanteile. Die Elektrode mit den darauf befindlichen Feststoffanteilen wird zunächst getrocknet.The solvent in the suspension escapes after Pour on through the pores of the electrode. On the elec The solid parts remain on the surface of the electrode. The Electrode with the solids on it is first dried.
Auf diese beschichtete Elektrode wird verfahrengemäß eine weitere, als Elektrolyt fungierende Schicht wie folgt aufgebracht.This coated electrode is processed according to the method another layer functioning as an electrolyte, such as follows upset.
Es wird eine weitere Suspension auf die Elektrode mit der (Zwischen-)Schicht aufgegossen. Die Feststoffantei le in der zweiten Suspension sind so gewählt, daß nach der Sinterung die gewünschte gasdichte Elektrolyt schicht vorliegt. Sinterung bewirkt eine Materialver dichtung durch Erhitzen.There is another suspension on the electrode with poured into the (intermediate) layer. The solid component le in the second suspension are chosen so that after the desired gas-tight electrolyte during sintering layer is present. Sintering causes material ver seal by heating.
Die vorgenannte weitere Suspension enthält beispiels weise ZrO₂ + 8 mol% Y₂O₃ (YZS).The aforementioned further suspension contains, for example as ZrO₂ + 8 mol% Y₂O₃ (YZS).
Es entsteht eine gasdichte Schicht auf dem Substrat. Diese Schicht kann als Elektrolytschicht in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle fungieren. A gas-tight layer is created on the substrate. This layer can be used as an electrolyte layer in a High temperature fuel cell act.
Zur Herstellung einer Elektrolytschicht können sämtli che aus DE 44 37 105 sowie aus DE 1 95 20 458 bekannten Suspensionen verwendet.To produce an electrolyte layer, all che known from DE 44 37 105 and from DE 1 95 20 458 Suspensions used.
Die mechanische Festigkeit der getrockneten Schicht kann in einer Ausführungsform des Verfahrens vorteil haft gesteigert werden, indem die Elektrode mit den darauf befindlichen, getrockneten Feststoffanteilen an schließend kalziniert wird. Unter Kalzinierung ist eine Erhitzung zu verstehen, die flüchtige Stoffe entweichen läßt, die aber noch keine Materialverdichtung zur Folge hat.The mechanical strength of the dried layer can be advantageous in one embodiment of the method can be increased by using the electrode with the dried solids on it is finally calcined. Under calcination is one To understand heating, the volatile substances escape lets, but this does not result in material compression Has.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Er findung wird auf eine Anode eine Suspension aufgegos sen, die außer YZS noch Anteile an NiO enthält. Es ent steht so eine poröse Schicht, die verhältnismäßig klei ne Poren aufweist im Verhältnis zu Porengrößen, die ty pischerweise Anoden in einer Hochtemperatur-Brennstoff zelle aufweisen. Wird NiO zu Ni in dieser Schicht redu ziert, so entstehen weitere Poren. Eine derart herge stellte Schicht kann beispielsweise als dünne, kataly tisch wirkende Funktionsschicht einer Anode fungieren. Diese enthält dann z. B. 60 Vol% YSZ- und 40 Vol% Ni-Anteile.In a further advantageous embodiment of the Er invention, a suspension is poured onto an anode sen, which apart from YZS also contains shares in NiO. It ent is a porous layer that is relatively small ne has pores in relation to pore sizes, the ty typically anodes in a high temperature fuel have cell. If NiO is reduced to Ni in this layer adorns, further pores are created. Such a herge posed layer can, for example, as a thin, cataly functionally acting functional layer of an anode. This then contains z. B. 60 vol% YSZ and 40 vol% Ni proportions.
Vorteilhaft weist die Suspension zur Herstellung der Elektrolytschicht Feststoffanteile auf, deren Durchmes ser so bemessen sind, daß hierdurch die Poren der ober sten porösen Schicht auf der Elektrode zugesetzt, d. h. verstopft werden (Grobanteile). Hierdurch wird bewirkt, daß einerseits Feststoffanteile in der Suspension, die im Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Poren des Substrates (hier: Elektrode mit daraufbefindlicher Zwischenschicht) sind, nach der Zusetzung der Poren nicht durch das Substrat hindurchfließen und so unge nutzt bleiben. Andererseits wird so eine "Verzahnung" zwischen Substrat und Schicht erzielt, da ein Teil der Partikel in die Poren des Substrates eindringen. Die Verzahnung bewirkt vorteilhaft eine mechanisch außeror dentlich stabile Verbindung zwischen Elektrode und Schicht. Die stabile Verbindung ist z. B. dann von be sonderem Vorteil, wenn die Elektrode-Elektrolyt-Einheit stark schwankenden Temperaturen ausgesetzt wird, so daß die Verbindung thermisch bedingten Spannungen gewachsen sein muß. Solche thermisch bedingten Spannungen treten beispielsweise in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle auf.The suspension advantageously has for the production of Electrolyte layer on solid parts, the diam are dimensioned so that the pores of the upper most porous layer is added on the electrode, d. H. become blocked (coarse parts). This causes that on the one hand solids in the suspension, the smaller in diameter than the diameter of the pores of the substrate (here: electrode with a Intermediate layer) are after the addition of the pores not flow through the substrate and so undone remains useful. On the other hand, such "interlocking" achieved between the substrate and the layer because part of the Particles penetrate into the pores of the substrate. The Gearing advantageously causes a mechanical extra Really stable connection between the electrode and Layer. The stable connection is e.g. B. then from be special advantage if the electrode-electrolyte unit is exposed to fluctuating temperatures, so that the connection has grown due to thermal stresses have to be. Such thermal stresses occur for example in a high temperature fuel cell on.
Im optimalen Fall enthält die weitere Suspension zu diesem Zweck grobkörnige Feststoffanteile, deren maxi maler Durchmesser gleich dem Durchmesser der minimalen Porengröße in der obersten Schicht des Substrates ist. Es wird dann eine besonders gute Verzahnung und damit eine besonders gute mechanische Verbindung zwischen Elektrolytschicht und Elektrode erzielt. Die Feinantei le mit geringen Durchmessern sind erwünscht, da damit ein gutes Sinterverhalten verbunden ist. Der Durchmes ser der Feinanteile sollte jedoch mindestens 0,3 µm be tragen. In the optimal case, the further suspension contains too this purpose coarse-grained solids, the maxi Painter diameter equal to the diameter of the minimum Pore size in the top layer of the substrate. It then becomes a particularly good interlocking and with it a particularly good mechanical connection between Electrolyte layer and electrode achieved. The delicacy le with small diameters are desirable because with it good sintering behavior is associated. The diameter However, the fine fraction should be at least 0.3 µm carry.
Vorteilhaft wird der Anteil der Grobanteile in der Sus pension zur Herstellung der Elektrolytschicht mini miert. Das heißt, er ist so groß gewählt, daß lediglich dem Zweck entsprechend die Poren der Elektrode zuge setzt werden. Eine aus den grobkörnigen Anteilen beste hende Schicht herzustellen, ist nicht Zweck dieser Maß nahme. 3 bis 10% Grobanteile haben sich - je nach Elektrode - als ausreichend herausgestellt, um die Po ren zuzusetzen.The portion of the coarse portions in the Sus is advantageous board for the production of the electrolyte layer mini lubricated. That is, it is chosen so large that only the pores of the electrode according to the purpose be set. One of the best from the coarse-grained fractions Making this layer is not the purpose of this measure took. 3 to 10% of coarse parts have - depending on Electrode - found to be sufficient to support the buttocks to add.
Die Porosität einer Elektrode liegt typischerweise in der Größenordnung 45-48%. Die Porengröße in der Elektrode liegt typischerweise bei durchschnittlich 2-5 µm. Die Porengröße der verfahrensgemäß hergestellten Elektrodenzwischenschicht ist dann kleiner als 1-2,5 µm. Der Durchmesser der grobkörnigen Feststoffan teile sollte daher in diesem Fall wenigstens 1 µm be tragen.The porosity of an electrode is typically in of the order of 45-48%. The pore size in the The electrode is typically average 2-5 µm. The pore size of the process manufactured Intermediate electrode layer is then smaller than 1-2.5 µm. The diameter of the coarse-grained solid parts should therefore be at least 1 µm in this case carry.
Vorteilhaft ist der Durchmesser der feinkörnigen Fest stoffanteile in der vorgenannten Suspension zumindest 5-fach, insbesondere 8 bis 12-fach kleiner als die grobkörnigen Feststoffanteile, die der Zusetzung der Poren dienen (Feinanteile).The diameter of the fine-grained hard is advantageous Substances in the aforementioned suspension at least 5 times, especially 8 to 12 times smaller than that coarse-grained solids, which the addition of Serve pores (fine particles).
Die Feinanteile sind insbesondere wenigstens 10-fach kleiner als die grobkörnigen Anteile in der weiteren Suspension.The fines are in particular at least 10 times smaller than the coarse-grained fractions in the further one Suspension.
Die Grobanteile sinken zunächst im Verhältnis zu den Feinanteilen beschleunigt nach unten. Sie setzen die Poren zu. Anschließend scheiden sich hierauf die Feinanteile ab. The gross proportions initially decrease in relation to the Fine particles accelerate downwards. You put that Pores too. Then the divorce Fine fractions.
Feinanteile sind erwünscht, da diese ein besseres Sin terungsverhalten als grobkörnige Anteile zeigen. Es hat sich gezeigt, daß so geeignete Elektroden-Elektrolyt schicht-Einheiten für Hochtemperatur-Brennstoffzellen problemlos herstellbar sind.Fine fractions are desirable because they have a better sin show behavior as coarse-grained fractions. It has It has been shown that electrode electrolyte so suitable layer units for high-temperature fuel cells are easy to manufacture.
Vorteilhaft wird ferner nach Auftragen einer Suspension auf der Seite der Elektrode, die nicht beschichtet wird, ein Vakuum erzeugt. Auf diese Weise wird das in den Suspensionen vorhandene Lösungsmittel vollständig während eines Beschichtungsvorgangs abgesaugt. Auf der Elektrode scheiden sich so nur noch die Partikel schichtförmig ab, die in der Suspension enthalten wa ren. Darüber hinaus wird so eine gute Anbindung der Partikel an die Elektrode sichergestellt.It is also advantageous after application of a suspension on the side of the electrode that is not coated a vacuum is created. That way, in solvent present in the suspensions completely aspirated during a coating process. On the Electrode only separates the particles layered, which wa contained in the suspension ren. In addition, a good connection of the Particles secured to the electrode.
Gemäß Vorrichtungsanspruch ist eine Elektrodenzwischen schicht zwischen Elektrode und Elektrolytschicht vorge sehen. Diese Zwischenschicht weist eine Porengröße auf, die um einen Faktor zwei und mehr kleiner ist als die Porengröße des Elektrodensubstrates. Insbesondere sind Porengrößen von Vorteil, die um einen Faktor fünf (vorzugsweise um einen Faktor zehn) und mehr kleiner sind als die Porengrößen des Elektrodensubstrates. Die Elektrodenzwischenschicht grenzt unmittelbar an die Elektrode an.According to the device claim, an electrode is between layer between the electrode and the electrolyte layer see. This intermediate layer has a pore size, which is smaller by a factor of two and more than that Pore size of the electrode substrate. In particular are Pore sizes are beneficial by a factor of five (preferably a factor of ten) and more smaller are as the pore sizes of the electrode substrate. The Intermediate electrode layer directly adjoins the Electrode.
Zur Vermeidung thermischer Spannungen bestehen Elektro de und vorgenannte Elektrodenzwischenschicht vorzugs weise aus dem gleichen Material. Die Elektrodenzwi schenschicht kann jedoch aus einem anderen Elektroden material als die Elektrode selber bestehen.To avoid thermal tensions, there are electrical systems de and the aforementioned electrode intermediate layer preferred wise from the same material. The electrodes However, the layer can be made from a different electrode material than the electrode itself.
Zwischen Elektrodenzwischenschicht (erste Funktions schicht) und Elektrolytschicht kann noch eine weitere dünne Funktionsschicht vorgesehen sein.Between the intermediate electrode layer (first function layer) and electrolyte layer can be yet another thin functional layer may be provided.
Durch die anspruchsgemäße Zwischenschicht entsteht an der Elektrodenoberfläche eine "glattere" Oberfläche im Vergleich zum genannten Stand der Technik. Die Aufbrin gung einer Elektrolytschicht auf dieser glatten Ober fläche ist in verbesserter Weise möglich als die Auf bringung auf einer Elektrode ohne Zwischenschicht. Auf die Zwischenschicht aufgetragene (Elektrolyt-)Schichten sind gleichmäßiger bezüglich ihrer Dicke, und es wird eine größere Gasdichtigkeit von Elektrolytschichten er zielt. Im Vergleich zum genannten Stand der Technik kann eine um den Faktor 10 verbesserte Gasdichtigkeit bewirkt werden.The sophisticated intermediate layer creates the electrode surface a "smoother" surface in Comparison to the prior art mentioned. The Aufbrin an electrolyte layer on this smooth surface area is possible in a better way than the on Application on an electrode without an intermediate layer. On the (electrolyte) layers applied to the intermediate layer are more uniform in thickness, and it will greater gas tightness of electrolyte layers aims. In comparison to the prior art mentioned can improve gas tightness by a factor of 10 be effected.
Aufgrund der geringeren Porengröße in der Elektroden zwischenschicht liegt bei in etwa gleicher Porosität von Elektrode und Elektrodenzwischenschicht eine ver größerte 3-Phasen-Grenze im Vergleich zum genannten Stand der Technik vor. Die Reaktivität in einer Brenn stoffzelle wird so verbessert. Die verbesserte Reakti vität führt zu größeren Stromdichten. Im Vergleich zum genannten Stand der Technik lassen sich Stromdichten erzielen, die um einen Faktor 3 bis 4 größer sind.Due to the smaller pore size in the electrodes intermediate layer has approximately the same porosity of electrode and intermediate electrode layer a ver Largest 3-phase limit compared to the above State of the art. The reactivity in a focal This improves the fabric cell. The improved reaction vity leads to higher current densities. Compared to Current densities mentioned can be current densities achieve, which are a factor of 3 to 4 larger.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Metallanteil in der Zwischenschicht geringfügig verrin gert (bis zu 5%), wenn die Elektrode als Anode fun giert.In a further embodiment of the invention, the Slightly reduce the metal content in the intermediate layer device (up to 5%) if the electrode functions as an anode yaws.
Durch die geringfügige Verringerung des Metallanteils wird der Ausdehnungskoeffizient des Elektrodensubstra tes an seiner Oberfläche an den Ausdehnungskoeffizien ten der Elektrolytschicht angeglichen. Zerstörerisch wirkende Spannungen aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten werden so vermin dert. Die Haltbarkeit der Elektroden/Elektrolytschicht- Einheit wird so gesteigert.By slightly reducing the metal content the coefficient of expansion of the electrode substrate tes on its surface at the expansion coefficients aligned with the electrolyte layer. Destructive acting voltages due to different thermal expansion coefficients are thus min different. The durability of the electrodes / electrolyte layer Unity is increased.
Für die Beschichtung eines porösen Anodensubstrats, be stehend aus 8YSZ/NiO, wurde zunächst eine 8YSZ-Suspension wie folgt hergestellt.For the coating of a porous anode substrate, be standing from 8YSZ / NiO, was initially an 8YSZ suspension manufactured as follows.
YSZ-Pulver wurde kalziniert, indem handelsübliches YSZ-Pulver im Al₂O₃-Tiegel auf 1200°C für drei Stunden er hitzt wurde. Danach wurde das Pulver auf Raumtemperatur abgekühlt.YSZ powder was calcined using commercially available YSZ powder in Al₂O₃ crucible at 1200 ° C for three hours was heated. The powder was then brought to room temperature cooled down.
200 g des kalzinierten YSZ-Pulvers, 600 g (765 ml) Et hanol absolut (also wasserfrei), 600 g aus TZ-3Y beste hende Mahlkugeln mit 3 mm Durchmesser, 600 g aus TZ-3Y bestehende Mahlkugeln mit 5 mm Durchmesser wurden in eine 1 l PE-Weithalsflasche eingewogen und für 48 Stun den auf der Rollenbank gemahlen. Anschließend wurde 3,9-4,0 g Polyethylenimin-(PEI)-Lösung in die Weithals flasche hinzugegeben. 40 Stunden lang wurde die Mi schung zwecks Sedimentation stehen gelassen. Der nicht dispergierte Feststoffanteil setzte sich in dieser Zeit ab.200 g of the calcined YSZ powder, 600 g (765 ml) Et hanol absolutely (i.e. anhydrous), 600 g from TZ-3Y best grinding balls with a diameter of 3 mm, 600 g made of TZ-3Y existing grinding balls with 5 mm diameter were in a 1 l PE wide-mouth bottle weighed and for 48 hours the ground on the roller bank. Then was 3.9-4.0 g polyethyleneimine (PEI) solution in the wide neck bottle added. The Mi left for sedimentation. The not dispersed solids content settled during this time from.
Zu dieser Suspension wurden 53 Gew.% NiO (100 g NiO von der Fa. Baker, das in 250 ml Ethanol und 2 g PEI 120 Stunden gemahlen wurde) zugemischt.53% by weight of NiO (100 g of NiO from from Baker, which in 250 ml of ethanol and 2 g of PEI 120 Hours was mixed).
Für eine 1 µm-Zwischenschicht auf einem 100×100 mm² großen Anodensubstrat wurden von dieser Suspension 4,2 ml mit Ethanol auf 20 ml verdünnt. Die Beschichtung des porösen Anodensubstrats erfolgte nach dem aus der deutschen Patentanmeldung mit dem amtl. Aktenzeichen 196 09 418.6 beschrieben Beschichtungsverfahren: Die Suspension wurde aufgegossen und das Lösungsmittel durch die Anode hindurch abgesaugt. Die so aufgebrachte pulverförmige Schicht wurde bei Raumtemperatur an Luft getrocknet und dann 3 Stunden bei 1000°C kalziniert. Anschließend wurde eine 17 µm dicke Elektrolytschicht in analoger Weise aufgebracht, bei Raumtemperatur an Luft getrocknet und die beschichtete Substratplatte 3 Stunden lang bei 1400°C gesintert.For a 1 µm intermediate layer on a 100 × 100 mm² large anode substrate were from this suspension 4.2 ml diluted to 20 ml with ethanol. The coating of the porous anode substrate was carried out after the German patent application with the official file number 196 09 418.6 described coating method: The Suspension was poured on and the solvent aspirated through the anode. The one so angry powdery layer was exposed to air at room temperature dried and then calcined at 1000 ° C for 3 hours. Then a 17 µm thick electrolyte layer applied in an analogous manner, at room temperature Air dried and the coated substrate plate 3 Sintered at 1400 ° C for hours.
Zur Prüfung der elektrischen Leitfähigkeit wurde ein Substrat mit einer 4 µm dicken Anodenzwischenschicht bei 1400°C fünf Stunden gesintert und anschließend bei 900°C in Ar/4% H₂ vollständig reduziert. Die Messung der Leitfähigkeit ergab gleiche Widerstände wie bei ei ner reduzierten Anode ohne Zwischenschicht.A was used to test the electrical conductivity Substrate with a 4 µm thick anode interlayer sintered at 1400 ° C for five hours and then at 900 ° C in Ar / 4% H₂ completely reduced. The measurement the conductivity showed the same resistances as with egg a reduced anode without an intermediate layer.
Anschliffe der reduzierten Substrate mit Zwischen schicht zeigten im Bereich der Zwischenschicht wesent lich kleinere Körner und kleinere Poren (um einen Fak tor 8 bis 10 kleiner) im Vergleich zur Elektrode. Sanding the reduced substrates with intermediate layer showed substantial in the area of the intermediate layer smaller grains and smaller pores (by a fac gate 8 to 10 smaller) compared to the electrode.
Die Gaspermeabilität der mit Zwischenschichten versehe nen reduzierten Anoden war mit 0,050 cm²/min cm WS (WS: Wassersäule) gegenüber unbeschichteten und reduzierten Anoden (mit 0,053 cm²/min cm WS) nur geringfügig ver ringert, d. h. die Zeit, in der 1 l Luft bei einer Druckdifferenz von 100 mm Wassersäule durch gleiche Vo lumina beschichteter bzw. unbeschichteter Anoden ström te, erhöhte sich von etwa 2 Stunden auf etwa 2,5 Stun den. Folglich wird das Strömungsverhalten in einer Brennstoffzelle durch die dünne Zwischenschicht prak tisch nicht beeinträchtigt.The gas permeability provided with intermediate layers reduced anodes was 0.050 cm² / min cm WS (WS: Water column) compared to uncoated and reduced Anodes (with 0.053 cm² / min cm WS) only slightly ver wrestles, d. H. the time in which 1 l of air with a Pressure difference of 100 mm water column through the same Vo lumina coated or uncoated anodes flow te, increased from about 2 hours to about 2.5 hours the. Consequently, the flow behavior in a Thanks to the thin intermediate layer, the fuel cell is practical table not affected.
Die Beschichtbarkeit der Substrate mit Zwischenschicht erwies sich als wesentlich besser als ohne diese Zwi schenschicht. Ungleichmäßig dicke Elektrolytschichten, wie sie bei der Beschichtung von unbehandelten Anoden substraten gelegentlich auftreten, wurden bei der Be schichtung von Substraten mit Zwischenschicht in keinem Fall beobachtet.The coatability of the substrates with an intermediate layer turned out to be much better than without these twos layer. Unevenly thick electrolyte layers, like the coating of untreated anodes Occasionally, substrates were found in the Be stratification of substrates with intermediate layer in none Case observed.
Die Leckrate der bei 1400°C gesinterten Elektrolyt schichten wurde durch die Aufbringung der Anodenzwi schenschicht um etwa eine Größenordnung verringert.The leak rate of the electrolyte sintered at 1400 ° C was stratified by the application of the anodes layer reduced by about an order of magnitude.
Die elektrochemischen Eigenschaften von Brennstoffzel len mit Anodenzwischenschichten wurden an sogenannten "Shortstacks" aus solchen Zellen untersucht. Ein Shortstack besteht aus zwei Einzelzellen (Anode/Elektrolyt/Kathode), einer metallischen bipola ren Platte (Cr5Fe1Y₂O₃) und zwei Endplatten aus dersel ben Legierung. Der Betrieb von zwei derartigen Short stacks ergab bei 950°C und einer Zellspannung von 700 mV Stromdichten von 870 mA/cm² beim ersten Shortstack und sogar 1,2 A/cm² beim zweiten Shortstack. Diese er reichten Stromdichten lagen um einen Faktor 3 bis 4 über den bei gleichen Versuchsbedingungen erreichbaren Werten, bei denen Anoden ohne Zwischenschichten verwen det wurden.The electrochemical properties of Fuel Cell len with anode intermediate layers were on so-called "Shortstacks" from such cells were examined. A Short stack consists of two single cells (Anode / electrolyte / cathode), a metallic bipola Ren plate (Cr5Fe1Y₂O₃) and two end plates from the same ben alloy. The operation of two such shorts stacks gave at 950 ° C and a cell voltage of 700 mV current densities of 870 mA / cm² for the first short stack and even 1.2 A / cm² for the second short stack. This he current densities ranged by a factor of 3 to 4 above those achievable under the same test conditions Values in which anodes are used without intermediate layers were detected.
Claims (5)
- - Aufgießen einer Suspension, deren Festoffanteile aus Elektrodenmaterial bestehen, auf die Elektrode,
- - Trocknung der Elektrode mit der aufgegossenen Sus pension,
- - der Durchmesser der Feststoffanteile in der Suspen sion ist dabei so gewählt worden, daß die nach Sin terung auf der Elektrode entstandene Schicht eine mittlere Porengröße aufweist, die um mindestens ei nen Faktor zwei kleiner ist als die mittlere Poren größe bei der Elektrode,
- - Aufgießen einer weiteren Suspension, deren Festoffanteile aus Elektrolytmaterial bestehen, auf die Elektrode,
- - Trocknung und Sinterung der Elektrode mit der auf gegossenen weiteren Suspension.
- Pouring a suspension, the solids of which consist of electrode material, onto the electrode,
- - Drying the electrode with the poured Sus pension,
- - The diameter of the solids in the suspension has been chosen so that the layer formed after sintering on the electrode has an average pore size which is at least a factor of two smaller than the average pore size for the electrode,
- Pouring a further suspension, the solids content of which consists of electrolyte material, onto the electrode,
- - Drying and sintering of the electrode with the additional suspension cast on.
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