DE3445251C2 - - Google Patents
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- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
- H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
- H01M4/9033—Complex oxides, optionally doped, of the type M1MeO3, M1 being an alkaline earth metal or a rare earth, Me being a metal, e.g. perovskites
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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- H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
- H01B1/08—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances oxides
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrisch leitfähige Keramik,
die unter korrosiven oder oxidierenden Bedingungen und bei
hohen Temperaturen um 1300°C verwendet werden kann.
Bei der Hochtemperatur-Dampfphasenelektrolyse oder beim
Betreiben von Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind niederohmige
Elektroden mit geringem Übergangswiderstand zum
Elektrolyten erforderlich, die diese Eigenschaften in
oxidierender Umgebung und bei hohen Temperaturen behalten.
Neben der Widerstandfähigkeit gegen hohe Temperaturen und
oxidierende Gase soll der Kontaktierungswerkstoff möglichst
gut leiten, billig sein, thermische Wechselbelastung aushalten
und keine hochohmige Deckschicht ausbilden, da nur
relative niedrige Spannungen abzugreifen sind.
Edelmetalle erfüllen praktisch alle diese Anforderungen,
sind jedoch für eine breite Anwendung zu teuer.
Bekannte gut leitende Keramiken wie Molybdänsilizid oder
Siliziumcarbid bilden unter oxidierenden Bedingungen genau
wie Heizleiterlegierungen hochohmige Deckschichten aus.
Besonders für Kontaktierungsaufgaben in Systemen mit geringem
Spannungsabfall sind hohe Kontaktwiderstände prohibitiv.
Als preiswerte Alternative zu den Edelmetallen, wenn auch
mit deutlich verringerter Leitfähigkeit, bieten sich leitfähige
Oxidkeramiken an. Ihr Einsatz ist besonders dann
vorteilhaft, wenn im konstruktiven Verbund mit anderen
Keramiken angepaßte thermische Ausdehnungskoeffizienten
erforderlich sind. Bekannte Vertreter solch leitfähiger
Keramken sind Mischoxide, die im Perowskitgitter kristallisieren
und auf ein Kationenuntergitter (B-Gitter) ein
Übergangsmetall in zwei verschiedene Wertigkeitsstufen eingebaut
haben. Hohe Leitfähigkeiten sind aus den quasibinären
Systemen LaMnO₃-CaMnO₃, LaCoO₃-SrCoO₃, LaCrO₃-LaNiO₃ oder
LaNiO₃-CaNiO₃ bekannt.
Aus der DE-A-27 35 934 ist bekannt, daß Stoffe der Zusammensetzung
La x Ca1-x MnO3(+Δ) gute Leitfähigkeiten aufweisen.
Die Größe von Δ stellt sich bei vorgegebener Zusammensetzung
der Kationen als Funktion des Sauerstoffpartialdruckes
und der Temperatur ein und variiert je nach
Umgebungsbedingungen zwischen etwa -0,25 und +0,25.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Oxidkeramik
anzugeben, die eine höhere Leitfähigkeit als die bekannten
Keramiken besitzt und die die folgenden Anforderungen erfüllt:
- Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen
- Widerstandsfähigkeit gegen oxidierende Gase,
- Wechselbeständigkeit gegen hohe Temperaturschwankungen,
- keine Ausbildung einer hochohmigen Deckschicht,
- Preisgünstigkeit.
- Widerstandsfähigkeit gegen oxidierende Gase,
- Wechselbeständigkeit gegen hohe Temperaturschwankungen,
- keine Ausbildung einer hochohmigen Deckschicht,
- Preisgünstigkeit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Keramik
mit der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung.
Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.
Neu an den erfindungsgemäßen Stoffen ist, daß das
A-Gitter (La, Ca) nicht voll besetzt ist. Überraschend
wurde gefunden, daß bei dem erfindungsgemäß nicht
stöchiometrischen (nicht-äquimolaren) Verhältnis A/B eine
erhöhte Leitfähigkeit auftritt, obwohl die Leitfähigkeit
dieser Stoffe vom Übergangsmetall (B-Gitter), welches hier
zwischen 3- und 4-wertig wechselt, verursacht wird.
Das erfindungsgemäße Material erfüllt alle in der Aufgabe
genannten Anforderungen. Zusätzlich ist es im Ausdehnungskoeffizienten
an die anderen Keramiken angepaßt und leitet
auch bei Zimmertemperatur.
Die nachstehende Tabelle gibt in den ersten vier Zeilen die
Zusammensetzung von vier verschiedenen erfindungsgemäßen
Keramiken, ihr Verhältnis der Untergittermolzahlen A/B
- wobei A die Summe der Molzahlen von La und Ca ist und B
die Molzahl des Mangans - und die spezifische Leitfähigkeit σ
bei 1000°C an Luft an. Zum Vergleich sind drei weitere Zusammensetzungen
angegeben, die nicht das erfindungsgemäße
Verhältnis A/B kleiner 1 aufweisen und die eine deutlich
niedrigere Leitfähigkeit besitzen.
Claims (3)
1. Elektrisch leitfähige Keramik der Zusammensetzung
La x Ca y MnO3+Δ , dadurch gekennzeichnet,
daß x=0,44 bis 0,48, y=0,42 bis
0,50 ist und die Summe A der Molzahlen von Lanthan und
Calcium 1 bis 15% kleiner ist als die Molzahl B des
Mangans.
2. Elektrisch leitfähige Keramik nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Summe A der Molzahlen von Lanthan
und Calcium zwischen 8 und 12% kleiner ist als die Molzahl
B des Mangans.
3. Elektrisch leitfähige Keramik nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Summe A der Molzahlen von Lanthan
und Calcium um 10% kleiner ist als die Molzahl B des
Mangans.
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