HK1260355B - Solid oxide fuel cells with cathode functional layers - Google Patents

Claims (13)

1. Festoxid-Brennstoffzelle, umfassend:

   eine Kathode;

   ein Festelektrolyt, der aus mehreren Schichten besteht und Sauerstoffionen von der Kathode zu einer Anode leitet;

   eine Anode zur Reaktion von Sauerstoffionen aus dem Festelektrolyten mit einem wasserstoffhaltigen Brennstoff; und

   eine zwischen der Kathode und dem Festelektrolyten angeordnete funktionelle Schicht zur Verringerung des Grenzflächenwiderstands zwischen der Kathode und dem Festelektrolyten, wobei

   a) die funktionelle Schicht mindestens eines von kobaltdotiertem gadoliniumdotiertem Ceroxid oder kobaltdotiertem samariumdotiertem Ceroxid umfasst, und

   b) die funktionelle Schicht eine Dicke von 0,1 bis 5 µm hat,

   wobei (i) die funktionelle Schicht Kobalt enthält und (ii) mindestens ein Teil des Festelektrolyten Kobalt enthält, und wobei eine Konzentration von Kobalt in dem mindestens einen Teil des Festelektrolyten geringer ist als eine Konzentration von Kobalt in der funktionellen Schicht.
2. Eine Festoxid-Brennstoffzelle, umfassend:

   eine Kathode;

   ein Festelektrolyt, der aus mehreren Schichten besteht, um Sauerstoffionen von der Kathode zu einer Anode zu leiten;

   eine Anode zur Reaktion von Sauerstoffionen aus dem Festelektrolyten mit einem wasserstoffhaltigen Brennstoff; und

   eine zwischen der Kathode und dem Festelektrolyten angeordnete funktionelle Schicht zur Verringerung des Grenzflächenwiderstands zwischen der Kathode und dem Festelektrolyten, wobei

   a) die funktionelle Schicht mindestens eines von kobaltdotiertem gadoliniumdotiertem Ceroxid oder kobaltdotiertem samariumdotiertem Ceroxid umfasst, und

   b) die funktionelle Schicht eine Dicke von 5 bis 20 µm hat,

   wobei (i) die funktionelle Schicht Kobalt enthält und (ii) mindestens ein Teil des Festelektrolyten Kobalt enthält, und wobei eine Konzentration von Kobalt in dem mindestens einen Teil des Festelektrolyten geringer ist als die Konzentration von Kobalt in der funktionellen Schicht.
3. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Funktionsschicht eine Dicke von 5 bis 10 µm aufweist.
4. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kathode mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: Lanthan-Strontium-Kobalt-Ferrit, Lanthan-Strontium-Manganit, Lanthan-Strontium-Kobaltit, Barium-Strontium-Kobalt-Ferrit, Samarium-Strontium-Kobaltit, Samarium-dotiertes Ceroxid oder Gadolinium-dotiertes Ceroxid.
5. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Festelektrolyt mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Scandiumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Lanthan-Strontium-Magnesiumgallat, Samarium-dotiertes Ceroxid oder Gadolinium-dotiertes Ceroxid.
6. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anode einen Verbundwerkstoff aus Nickel und Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid umfasst.
7. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Funktionsschicht Kobalt in einer Zusammensetzung im Bereich von 0.5 Mol-% bis 5 Mol-% enthält.
8. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Festelektrolyt eine abgestufte Zusammensetzung des Kobaltdotierstoffs aufweist, die als Funktion des Abstands von der Funktionsschicht abnimmt.
9. Verfahren zur elektrochemischen Umwandlung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs in Elektrizität unter Verwendung einer Festoxid-Brennstoffzelle, die (i) eine Kathode, (ii) eine Anode, (iii) einen Festelektrolyten, der aus mehreren Schichten zusammengesetzt ist, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sind, und (iv) eine funktionelle Schicht, die zwischen der Kathode und dem Festelektrolyten angeordnet ist, umfasst, wobei das Verfahren vorzugsweise mindestens eines von kobaltdotiertem gadoliniumdotiertem Ceroxid oder kobaltdotiertem samariumdotiertem Ceroxid umfasst:

   Ionisieren des Sauerstoffs an der Kathode, wodurch Sauerstoffionen erzeugt werden;

   Leiten der Sauerstoffionen von der Kathode zur Anode, wobei die funktionelle Schicht den Grenzflächenwiderstand zwischen der Kathode und dem Festelektrolyten verringert; und

   Reagieren der Sauerstoffionen mit dem Brennstoff an der Anode, wodurch Strom erzeugt wird,

   Auswählen einer Temperatur von weniger als 550 °C als Betriebstemperatur, wenn die Dicke der funktionellen Schicht 5 µm oder weniger beträgt; oder

   Auswählen einer Temperatur als Betriebstemperatur von mehr als 550 °C, wenn die Dicke der funktionellen Schicht 5 µm oder mehr beträgt,

   wobei (i) die funktionelle Schicht Kobalt enthält und (ii) mindestens ein Teil des Festelektrolyten Kobalt enthält, und wobei eine Konzentration von Kobalt in dem mindestens einen Teil des Festelektrolyten geringer ist als eine Konzentration von Kobalt in der funktionellen Schicht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Sauerstoffionen mit dem Brennstoff bei einer Temperatur im Bereich von 400°C bis 750°C umgesetzt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Dicke der funktionellen Schicht im Bereich von 1 µm bis 20 µm liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die funktionelle Schicht Kobalt in einer Zusammensetzung im Bereich von 0,5 Mol% bis 5 Mol% enthält.
13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Festelektrolyt eine abgestufte Zusammensetzung des Kobaltdotierstoffs aufweist, die als Funktion des Abstands von der Funktionsschicht abnimmt.