DE10033944A1

DE10033944A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zusammenfügen von Festoxid-Brennstoffzellenverbindern und Zellen

Info

Publication number: DE10033944A1
Application number: DE10033944A
Authority: DE
Inventors: Ashok C Khandkar; Singaravelu Elangovan; Joseph Jay Hartvigsen
Original assignee: SOFCO ALLIANCE
Current assignee: SOFCO ALLIANCE
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2001-01-18
Also published as: JP2001035506A; AU4272000A; CA2298967A1; GB0012998D0; GB2352083A

Abstract

Ein Festoxid-Brennstoffzellenstapel umfaßt eine erste Festoxid-Brennstoffzelle, eine zweite Festoxid-Brennstoffzelle, einen Zwischenverbinder und ein Zusammenfügungselement. Die erste Festoxid-Brennstoffzelle enthält eine Kathode. Die zweite Festoxid-Brennstoffzelle enthält eine Anode. Der Zwischenverbinder ist zwischen der Kathode der ersten Festoxid-Brennstoffzelle und der Anode der zweiten Festoxid-Brennstoffzelle positioniert. Das Zusammenfügungselement schließt den Zwischenverbinder an mindestens eine von beiden, der Kathode der ersten Festoxid-Brennstoffzelle oder die Anode der zweiten Festoxid-Brennstoffzelle an, wobei das Anfügungselement ein poröses Substrat aufweist. Die Erfindung umfaßt weiter Verfahren zum Herstellen eines Festoxid-Brennstoffzellenstapels.

Description

Die Erfindung ist auf Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) gerichtet, und insbeson dere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zusammenfügen von Festoxid- Brennstoffzellenverbindern und Zellen.

Festoxid-Brennstoffzellen verfügen über das Potential eines hohen Brennstoffaus nutzungsgrades, geringer Emissionen und verteilten Erzeugungsoptionen. Auf grund großer Systemkapitalkosten und marktwirtschaftlicher Faktoren war es je doch schwierig, die Vorteile von Festoxid-Brennstoffzellen zu erreichen.

Einer der Aspekte von Festoxid-Brennstoffzellen, auf den sich große Anstrengun gen gerichtet haben, war die Absenkung der Betriebstemperaturen bei gleichzeiti ger Steigerung der Stapelleistung. Dies wiederum verringert sowohl die Stapelko sten als auch die Anlagekostenbilanz. Eine mögliche Art und Weise, mit der die Betriebstemperaturen bei gleichzeitiger Erzielung hoher Leistung verringert wer den können besteht darin, die Zellen und Stapel in einer Weise zu verbinden, die kleine Widerstandskontakte zwischen benachbarten Zellen und kleine Wider standsflußpfade für die Reaktionsgase erzeugt - worunter, allgemein ausgedrückt, ein Festoxid-Brennstoffzellenstapel zu verstehen ist. Stapel werden allgemein durch Benutzen eines "Fließfeldes" zusammengefügt, das mehreren Zwecken dient. Das "Fließfeld" liefert Durchgangswege für die Reaktionsgase, elektrische Leitungsseitenwege mit geringem Widerstand und eine wirksame gasundurchläs sige Abdichtung am Stapelumfang, so daß die Gase eingeschlossen werden. Im allgemeinen ist ein solches "Fließfeld" integral mit dem Zwischenverbinder aus gebildet, wobei die Zellen, der Zwischenverbinder und die Fließfelder zusammen unter Benutzung keramischer Bondierungsschichten hergestellt und zusammenge fügt werden. Bei einem solchen Stapel war es bisher schwierig, Gleichförmigkeit zwischen den Lagen zu erzielen.

Andere Lösungen haben das gemeinsame Sintern von ungesinterten Zwischenver bindern, Zellen und Fließfeldern nach dem Zusammenfügen umfaßt. Beispiels weise offenbaren die Argonne National Labs die Verwendung von massiven, ge wellten Zirkonoxid-Elektrolytelementen, die sowohl als Fließfeld als auch als Elektrolyt dienen. Bei einer der Ausführungsformen umfassen solche Elemente Lanthanchromat, das zusammen mit der Zelle gesintert wird. Wenngleich diese Verfahren einigen Erfolg gezeigt haben, haben sich Schwierigkeiten eingestellt, wenn eine solche Lösung bei einem ganzen Stapel angewandt wird.

Die Schwierigkeiten beim Produzieren von Stapeln auf diese Weise beruhen auf dem grundsätzlichen Widerstreit mirkostruktureller und verarbeitungstechnischer Anforderungen bei jeder dieser drei Schichten. Im einzelnen führen die Bemü hungen, diese Materialien gemeinsam zu sintern entweder zu ungeeigneten mi krostrukturellen Entwicklungen oder zu extensiver Migration chemischer Spezies zwischen benachbarten Schichten, mit der Wirkung, daß die Leistungsfähigkeit des Stapels schwach ausfällt. Sogar Versuche, Dotiermittel in flüssiger Phase zu verwenden, verstärken die Interdiffusionsprobleme weiter und verursachen eine geringe Leistungsabgabe des Stapels.

Es ist also ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Apparatur zum Zusammenfügen von Zellen und Zwischen verbindungen zu schaffen.

Die Erfindung weist einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel auf, der eine erste Festoxid-Brennstoffzelle, eine zweite Festoxid-Brennstoffzelle, einen Zwischen verbinder und Mittel zum Anfügen des Zwischenverbinders an die ersten und zweiten Festoxid-Brennstoffzellen enthält. Die ersten Festoxid-Brennstoffzelle enthält eine Kathode. Die zweite Festoxid-Brennstoffzelle enthält eine Anode. Der Zwischenverbinder ist zwischen der Kathode der ersten Festoxid- Brennstoffzelle und der Anode der zweiten Festoxid-Brennstoffzelle plaziert. Die Verbindungsmittel umfassen ein poröses Substrat, das den Zwischenverbinder an mindestens eine der Elektroden anfügt, nämlich die Kathode der ersten Festoxid- Brennstoffzelle oder die Anode der zweiten Festoxid-Brennstoffzelle.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das poröse Substrat des Anfü gungsmittels eine Porosität von 20-80% auf. Bei einer anderen bevorzugten Aus führungsform weist das poröse Substrat des Anfügungsmittels eine Porengröße von im wesentlichen zwischen 100 und 1000 µm auf.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält der Festoxid- Brennstoffzellenstapel weiter Mittel zum Versiegeln mindestens eines einzelnen Randes des porösen Substrats zwischen dem Zwischenverbinder und einer Elek trode, nämlich der Kathode der ersten Festoxid-Brennstoffzelle oder der Anode der zweiten Festoxid-Brennstoffzelle. Bei einer solchen Ausführungsform umfas sen die Versiegelungsmittel ein für Gas undurchlässiges, yttriumstabilisertes Zir konoxid.

Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Verbindungs mittel weiter eine leitende Beschichtung. Bei einer der Ausführungsformen hat die leitende Beschichtung eine Dicke von mindestens 10 µm und vorzugsweise eine Dicke im Bereich von annähernd 5 µm bis annähernd 25 µm. Vorzugsweise um faßt die leitende Beschichtung irgendeine der nachfolgenden Verbindungen: do tiertes Lanthankobaltit, Lanthanmanganit, Praseoymiumkobaltit oder -manganit und/oder andere dotierte leitende Oxide oder Metalle.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Anfügungsmittel mindestens eine einzelne Rille, und, bei bestimmten Ausführungsformen, kann das Anfügungsmittel zwei oder mehr Rillen enthalten, wobei jede mindestens ei nen distal beabstandeten Abschnitt aufweist. Bei jeder solchen Ausführungsform haben die Rillen eine Tiefe von mindestens 500 µm und vorzugsweise Tiefen im Bereich von annähernd 250 µm bis annähernd 1000 µm.

Die Erfindung umfaßt weiter ein Verfahren zum Herstellen eines porösen Sub strats zum Anfügen einer Festoxid-Brennstoffzelle an einen Zwischenverbinder. Das Verfahren umfaßt den Schritt des Vorsehens einer Fließfeldform. Wenn sie angebracht ist, wird die Fließfeldform mit einem Imprägniermittel imprägniert. Anschließend wird die Fließfeldform mit dem Imprägniermittel gesintert. Als nächstes wird die Fließfeldform verflüchtigt, um wiederum ein poröses Substrat zu bilden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Schritt des Imprägnierens des Fließfeldes den Schritt des Eingebens des Imprägniermittels in die Fließfeldform. Wenn es eingebracht ist, wird der Überschuß an Imprägniermittel aus der Fließ feldform ausgetrieben. Die vorstehend genannten Schritte werden so lange wie derholt, bis die Fließfeldform so weit imprägniert ist, wie dies gewünscht wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Verfahren weiter den Schritt des Imprägnierens von mindestens einer Oberfläche, nämlich einer unteren Oberfläche oder einer oberen Oberfläche der Fließfeldform, mit einer lei tenden Beschichtung.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfaßt das Verfahren den Schritt des Einbringens von Rillen in mindestens eine untere Oberfläche oder eine obere Oberfläche der Fließfeldform.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Fließfeldform einen offenen, zellförmigen retikulierten Schaum. Vorzugsweise wird der offene zellenförmige retikulierte Schaum aus einer Gruppe bestehend aus Polyurethan, Polyester, Po lyvinylchoriden, Acetaten und anderen Kopolymeren ausgewählt.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Schritt des Ver flüchtigens der Fließfeldform den Schritt des substantiellen Ausschließens der Bildung von kohlenstoffhaltigen Rückständen.

Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Imprägniermittel eine thixotrope Aufschlämmung mit einer keramischen Komponente bilden. Vor zugsweise weist das Imprägniermittel eine Viskosität von mindestens 1000 Zenti poise, und vorzugsweise eine solche im Bereich von 1500-3000 Zentipoise auf. Zusätzlich kann bei irgendeiner solchen Ausführungsform das Imprägniermittel mindestens ein rheologisches Agens enthalten, und das rheologische Agens kann aus einer Gruppe bestehend aus Karboxylmethylzellulose und Hydroxylmethyl zellulose bestehen. Bei einer solchen Ausführungsform enthält das rheologische Agens annähernd 0,01 Gewichtsprozente bis annähernd 10 Gewichtsprozente des Imprägniermittels.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Imprägniermittel mindestens ein einziges Bindemittel. Vorzugsweise wird das Bindemittel aus mindestens einer der Gruppen bestehend aus Polyvinylbutyrol und Polyvinylace tat gewählt. Bei einer Ausführungsform, die ein Bindemittel enthält, umfaßt das Bindemittel annähernd 0,01 Gewichtsprozente bis annähernd 10 Gewichtspro zente an Anfügungsmaterial.

Die Erfindung kann in gleicher Weise weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Festoxid-Brennstoffzellenstapels umfassen. Das Verfahren umfaßt den Schritt des Bereitstellens mindestens zweier gesinterter Festoxid-Brennstoffzellen, wobei die Festoxid-Brennstoffzellen eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten um fassen. Wenn bereitgestellt, wird ein Zwischenverbinder mit der Kathode von mindestens einer der beiden gesinterten Festoxid-Brennstoffzellen und mit der Anode der anderen der mindestens zwei gesinterten Festoxid-Brennstoffzellen assoziiert. Als nächstes wird eine Fließfeldform mit einem Imprägniermittel be reitgestellt. Wenn sie bereitgestellt ist, wird die Fließfeldform zwischen und in Kontakt mit dem Zwischenverbinder und der Kathode oder der Anode der minde stens zwei gesinterten Festoxid-Brennstoffzellen assoziiert. Anschließend wird der zusammengebaute Stapel bestehend aus mindestens zwei gesinterten Festoxid- Brennstoffzellen, dem Zwischenverbinder und der Fließfeldform gesintert. Als nächstes wird die Fließfeldform verflüchtigt, um wiederum einen gesinterten Festoxid-Brennstoffzellenstapel zu liefern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Schritt des Assoziierens der Fließfeldform den Schritt des Aufbringens des Imprägniermittels auf den Verbin der und die jeweilige Anode oder Kathode. Wenn aufgebracht, wird die Fließfeld form in Kontakt mit dem Verbinder und der jeweiligen Anode oder Kathode ge bracht.

Bei der bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Schritt des Bereitstellens einer Fließfeldform den Schritt des Imprägnierens der Fließfeldform mit einem Imprä gniermittel. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Schritt des Bereitstellens einer Fließfeldform den Schritt des Imprägnierens mindestens einer unteren Oberfläche oder einer oberen Oberfläche mit einer leitenden Be schichtung. Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Schritt des Bereitstellens einer Fließfeldform den Schritt des Einbringens minde stens einer einzelnen Rille in mindestens eine untere Oberfläche oder eine obere Oberfläche einer leitenden Beschichtung.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Schritt des Verflüch tigens der Fließfeldform bei einer Temperatur, die niedriger als die für das Sintern des Stapels erforderliche Temperatur ist.

Die Erfindung umfaßt weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Festoxid- Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren umfaßt den Schritt des Bereitstellens von mindestens zwei Festoxid-Brennstoffzellen, wobei jede der Festoxid- Brennstoffzellen eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten aufweist, wo bei mindestens eine der mindestens zwei Festoxid-Brennstoffzellen ungesintert ist. Wenn bereitgestellt, wird der Zwischenverbinder mit der Kathode einer der mindestens zwei Festoxid-Brennstoffzellen und mit der Anode der anderen der mindestens zwei Festoxid-Brennstoffzellen assoziiert. Als nächstes wird eine Fließfeldform mit einem Imprägniermittel bereitgestellt. Wenn bereitgestellt, wird die Fließfeldform zwischen und in Kontakt mit dem Verbinder und der Kathode oder der Anode der mindestens zwei Festoxid-Brennstoffzellen assoziiert. Als nächstes wird der aufgebaute Stapel bestehend aus mindestens zwei Festoxid- Brennstoffzellen, dem Zwischenverbinder und der Fließfeldform insgesamt gesintert. Anschließend wird die Fließfeldform verflüchtigt, um wiederum einen gesinterten Festoxid-Brennstoffzellenstapel zu liefern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Schritt des Bereitstellens mindestens zweier Festoxid-Brennstoffzellen die Schritte des Bandgießens eines Elektrolyten und des Siebdruckens einer Anode und einer Kathode, um wiederum eine ungesinterte Festoxid-Brennstoffzelle zu formen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Schritt des Bereit stellens eines Zwischenverbinders den Schritt des Bandgießens eines Zwischen verbinders, um wiederum einen ungesinterten Zwischenverbinder zu formen.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfaßt der Schritt des Bereitstellens mindestens zweier Festoxid-Brennstoffzellen den Schritt des Bereitstellens min destens zweier ungesinterter Festoxid-Brennstoffzellen. In einer anderen bevor zugten Ausführungsform umfaßt der Schritt des Bereitstellens eines Zwischenver binders den Schritt des Bereitstellens eines durchgangsgefüllten Zwischenverbin ders.

Nachfolgend werden die Zeichnungen kurz beschrieben.

Fig. 1 der Zeichnungen ist eine Seitenansicht eines Festoxid- Brennstoffzellenstapels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 der Zeichnungen ist eine perspektivische Ansicht der Fließfeldform und des Imprägniermittels der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 der Zeichnungen ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausfüh rungsform der Fließfeldform.

Nachfolgend werden die Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

Wenngleich die vorliegende Erfindung in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden kann, ist in den Zeichnungen eine spezifische Ausführungsform darge stellt und wird nachfolgend beschrieben, wobei klar ist, daß die vorliegende Of fenbarung als Beispiel der Prinzipien der Erfindung zu betrachten ist und daß nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die veranschaulichte Ausführungsform zu beschränken.

Der Festoxid-Brennstoffzellenstapel 10 ist in Fig. 1 so dargestellt, daß er eine er ste Festoxid-Brennstoffzelle 12, eine zweite Festoxid-Brennstoffzelle 14, einen Zwischenverbinder 16, Mittel 18 zum Anfügen des Zwischenverbinders an die Zelle und Mittel 20 zum Versiegeln der Bereiche zwischen dem Zwischenverbin der und den ersten und zweiten Festoxid-Brennstoffzellen umfaßt.

Die erste Festoxid-Brennstoffzelle 12 enthält eine Anode 30, eine Kathode 32 und einen Elektrolyten 34. In gleicher Weise enthält die zweite Festoxid- Brennstoffzelle 14 eine Anode 36, eine Kathode 38 und einen Elektrolyten 40. Die Festoxid-Brennstoffzellen 12 und 14 können herkömmliche Festoxid- Brennstoffzellen unterschiedlicher Gestaltung sein und unterschiedliche Span nungsausgänge und Betriebstemperaturen aufweisen.

Der Zwischenverbinder 16 umfaßt eine erste Zwischenverbinderoberfläche 48, eine zweite Oberfläche 50 und eine Dicke 52. Die erste und die zweite Oberfläche 48 bzw. 50 sind jeweils entsprechend im wesentlichen glatt und eben ausgebildet, obwohl auch an andere Oberflächenkonfigurationen gedacht ist. Die Dicke 52 ist also im wesentlichen gleichförmig dick ausgebildet und mißt allgemein 250-1000 Mikrons. Zusätzlich umfaßt der Zwischenverbinder leitende keramische oder metallische Folien, wenngleich auch andere Materialien zur Verwendung in Be tracht gezogen werden.

Mittel 18 zum Anfügen des Zwischenverbinders an die Zellen umfassen ein erstes poröses Substrat 42, das zwischen dem Zwischenverbinder und der Kathode der ersten Festoxid-Brennstoffzelle plaziert ist, und ein zweites poröses Substrat 43, das zwischen dem Zwischenverbinder und der Anode der zweiten benachbarten Festoxid-Brennstoffzelle plaziert ist. Beide Substrate, das erste und das zweite poröse Substrat enthalten Öffnungen, die sich durch sie hindurch erstrecken und den Durchgang von Luft und Brennstoff durch den Stapel erleichtern.

Genauer gesagt, umfaßt das erste poröse Substrat 42 allgemein ein Material, das eine Porosität zwischen 20-80%, und vorzugsweise zwischen 40-60%, aufweist. Zusätzlich variiert die Porengröße zwischen 100-1000 µm, und vorzugsweise zwi schen 250-1000 µm. Natürlich kommen auch andere Porengrößen und Porositäten in Betracht, sofern die Porosität einen geeigneten Durchgang des Gasflusses mit niedrigem Druckabfall erlaubt.

In gleicher Weise umfaßt das zweite poröse Substrat 43 allgemein ein Material, das eine Porosität zwischen 20-80%, und vorzugsweise zwischen 40-60%, auf weist. Zusätzlich variiert die Porengröße zwischen 100-1000 µm, und vorzugs weise zwischen 250-1000 µm. Wiederum sind auch andere Porengrößen und Porositäten möglich, solange ein geeigneter Durchgang der Luft durch das Sub strat erfolgen kann. Wie unter Bezugnahme auf das Verfahren näher erläutert wird, umfaßt das Material ein keramisches Material, das in der Lage ist, Ladung zwischen den Zellen zu leiten.

Bei einem Substrat oder an beiden porösen Substraten 42, 43 können Rillen 71 vorhanden sein. Diese Rillen dienen dazu, die Porosität des porösen Substrats zu steigern. Zusätzlich kann entweder eines der porösen Substrate 42, 43 oder beide zusätzlich eine Beschichtung 47 aufweisen, die auf einer oberen und unteren Oberfläche des porösen Substrats oder auf beiden angebracht ist. Wie weiter unten näher erläutert wird, ist die leitende Beschichtung von Nutzen, wenn ein geringer Druckabfall und eine hohe Elektronenleitfähigkeit gewünscht werden.

Mittel 20 zum Versiegeln bzw. Abdichten der Bereiche zwischen dem Zwischen verbinder und der Zelle umfassen Randdichtungen 46, die ein mit Yttria stabili siertes Zirkonoxid enthalten, das im wesentlichen gasdurchlässig ist. Natürlich können auch andere Randabdichtungsmaterialien verwendet werden, wie etwa Gläser oder Glaskeramiken, Metallfolien oder Keramikfasergebilde. Die Versie gelungsmittel dienen dazu, den Luftstrom an einer Seite des Zwischenverbinders zu umschließen und zu führen und dies ebenso beim Gas auf der entgegengesetz ten Seite des Zwischenverbinders, so daß beide entlang des gewünschten Weges gehalten werden. Sie dienen ferner dazu, das unerwünschte Vermischen von Luft und Brennstoff zu verhindern.

Im Betrieb, wenn die Luft und der Brennstoff durch die verbundenen Einrichtun gen auf jeder Seite des jeweiligen Zwischenverbinders geleitet werden, bewegen sie sich durch die Öffnungen und Poren der Verbindungsmittel. Wenngleich gute Verbindungscharakteristika zum Anfügen des Zwischenverbinders an die jeweili ge Zelle angebracht sind, bieten die Verbindungsmittel dennoch Nebenwege für den benötigten Brennstoff und die Luft zur Reaktion in dem SOFC.

Um einen SOFC herzustellen, werden ein Stapel von Zellen 10, eine erste Zelle 12 und eine zweite Zelle 14 bereitgestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die bereitgestellten Zellen bereits gesintert worden und werden in den fertig bearbei teten (gesinterten) Zustand gebracht.

Als nächstes werden ein Zwischenverbinder und ein Versiegelungsmittel bereitge stellt. Der Zwischenverbinder besitzt vorzugsweise eine glatte Oberflächenkonfi guration und eine gleichförmige Dicke. Wenngleich ein solcher Zwischenverbin der allgemein kostengünstig ist, ist es aber auch möglich, daß andere Zwischen verbinder verwendet werden, wie etwa Zwischenverbinder, die verschiedenartige Oberflächenkonfigurationen aufweisen; und Oberflächenvariationen kommen zur Verwendung ebenfalls in Betracht. Bei der vorliegenden Ausführungsform befin den sich der Zwischenverbinder und das Versiegelungsmittel ebenfalls in einem gesinterten Zustand.

Um die Anfügungsmittel herzustellen, dargestellt in Fig. 2, wird eine Fließfeld form 50 mit der gewünschten Abmessung zusammen mit dem Imprägniermittel 52 bereitgestellt. Im wesentlichen umfaßt die Fließfeldform 50 ein Schaumele ment mit offenen Zellen, das auf die gewünschten Dimensionen abgeschnitten und hingetrimmt wurde. Beispielsweise kann das Schaumelement gleichförmig mit im wesentlichen ebenen Oberflächen und einer im wesentlichen gleichförmi gen Dicke ausgebildet sein. In gleicher Weise kann die Fließfeldform 50, darge stellt in Fig. 3, Rillen 71 aufweisen, welche die Porosität des Materials vergrö ßern. Die Rillen können eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen und Orien tierungen haben. Solche Fließfeldformen sind besonders nützlich, bei denen die Porosität der Fließfeldform zu klein ist und ein Zuwachs an Porosität erwünscht ist.

Die Fließfeldform 50 kann eine Vielzahl von retikulierten Schäumen mit offenen Zellen umfassen, wobei die Schäume aus Polyurethanen, Polyestern oder aus der Familie der Polyvinylchloride, der Acetate als auch verschiedenen Kopolymeren hergestellt sind. Natürlich können auch andere Materialien, wie beispielsweise Zellulosematerialien, verwendet werden. Indem die Fließfeldform nicht notwen digerweise auf einen solchen Aufbau beschränkt ist, ist es wünschenswert, daß die Fließfeldform 50 ein Material aufweist, welche sich bei einer Temperatur, mit der das Imprägniermittel gesintert wird, oder auch unter dieser Temperatur, verflüch tigt oder ausbrennt. Weiter ist es wünschenswert, wenn sich das Material in der Form verflüchtigt und keinen kohlenstoffhaltigen Rest übrig läßt. Natürlich kön nen Materialien, die ein gewisses Maß an kohlenstoffhaltigem Rest zurücklassen, wie auch Materialien, die sich bei Temperaturen verflüchtigen oder verbrennen, die höher sind, ebenfalls benutzt werden.

Das Imprägniermittel 52 umfaßt eine Aufschlämmung, die Bindemittel, rheolo gisch wirksame Mittel und keramisches Verbindungsmaterial enthalten. Die Bin demittel unterstützen die Bindefunktion und können irgendeine Anzahl unter schiedlicher Materialien umfassen, wie beispielsweise Polyvinylbutyrol oder Po lyvinylacetat. Die Bindemittelmengen variieren zwischen 0 und 10 Gewichtspro zenten der Aufschlämmung, doch kommen auch Mengen außerhalb dieses Be reichs, beispielsweise größer als 10%, in Frage.

Die rheologisch wirksamen Mittel werden verwendet, um die Aufschlämmung thixotrop zu machen. Eine thixotrope Aufschlämmung ist eine solche, die einen hohen Widerstand gegen Fließen unter niedrigen Scherungsraten aufweisen, und einen niedrigen Widerstand gegen Fließen unter hohen Scherungsraten. Auf diese Weise erlangt die thixotrope Aufschlämmung eine Viskosität solcher Art, daß sie rasch in eine Leerstelle oder einen freien Raum der Fließfeldform eintritt und die Wände der Form überzieht. Dennoch sickert die Aufschlämmung nach der Be schichtung nicht aus der Form heraus, nachdem die Imprägnierung ganz abge schlossen ist. Wenngleich an verschiedene Materialien gedacht ist, können die rheologischen Agenzien Carboxymethylzellulose oder Hydroxymethylzellulose umfassen. Wenn auch nicht darauf beschränkt, können die rheologischen Agenzi en zwischen 8 und 10% des Gewichtes der Aufschlämmung ausmachen.

Das keramische Verbindungsmaterial umfaßt natürlich die poröse Struktur nach dem Sintern. Das keramische Verbindungsmaterial, das benutzt wird, kann also irgendeine Anzahl von keramischen Materialien enthalten, die zur Verwendung im Zusammenhang mit Strukturen geeignet sind, die mit Zwischenverbindungen zwischen SOFC's in einem Stapel von SOFC-Zellen in Zusammenhang stehen.

Nachdem das Imprägniermittel 52 präpariert worden ist, wird die Form mit dem Imprägniermittel imprägniert. Wenn sie anfänglich imprägniert ist, wird der Über schuß an Imprägniermittel aus der Fließfeldform ausgestoßen. Anschließend wird diese Prozedur einmal oder mehrere Male wiederholt, um eine gleichförmige und vollständige Imprägnierung/Beschichtung der Fließfeldform 50 mit dem Imprä gniermittel 52 zu gewährleisten.

Bei bestimmten Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, eine leitende Beschichtung auf der oberen und der unteren Oberfläche der Fließfeldform zu imprägnieren, was die Leitfähigkeit verbessert. Eine Steigerung der Imprägnie rung oder "Laden" des leitenden Imprägniermittels liefert eine gradierte Mi krostruktur, die auf einen geringen Druckabfall und niedrigen elektrischen Wider stand hin optimiert ist.

Nachdem er vorbereitet ist, wird der Stapel durch Assoziieren der Fließfeldform mit den Zellen, den Versiegelungsmitteln und dem Zwischenverbinder zusam mengebaut. Im einzelnen ist die Abfolge des Aufbaus, wie in Fig. 1 dargestellt, folgender: erste Zelle (Anode, Elektrolyt, Kathode), imprägnierte Fließfeldform mit assoziiertem Versiegelungsmittel, Zwischenverbinder, imprägnierte Fließfeld form mit assoziiertem Versiegelungsmittel, und zweite Zelle (Anode, Elektrolyt, Kathode). Natürlich ist auch daran gedacht, daß zusätzliche Zellen und Zwischen verbinder entweder vor der ersten Zelle 12 oder nach der zweiten Zelle 14 in einer ähnlichen Anordnung vereinigt werden. Darüber hinaus ist ebenfalls daran ge dacht, daß die imprägnierte Fließfeldform nur zwischen dem Zwischenverbinder und einer der beiden Zellen benutzt werden kann, während die Übergangsfläche zwischen dem Zwischenverbinder und der anderen Zelle einen herkömmlichen oder in anderer Weise ausgebildeten unterschiedlichen Übergangsbereich aufwei sen kann.

Um speziell die Kathode der ersten Zelle an der imprägnierten Fließfeldform zu befestigen, wird die Oberfläche der Kathode zunächst mit einer ähnlichen Zu sammensetzung wie das Imprägniermittel beschichtet, und dann werden die bei den Komponenten miteinander verbunden. Dies fördert die Entwicklung eines gleichförmigen und wirksamen Kontaktes an der Oberfläche. Bei anderen Ausfüh rungsformen kann das Imprägniermittel jedoch, das sich in der Fließfeldform be findet, selber einen gleichförmigen und wirksamen Kontakt mit der Oberfläche der Kathode bilden, ohne daß ein zusätzlicher Überzug an der Oberfläche der Kathode angebracht wird. In ähnlicher Weise wird die Oberfläche des Zwischen verbinders mit einem Imprägniermittel beschichtet (oder bei anderen Ausfüh rungsformen nicht beschichtet); dann werden der Zwischenverbinder und die Fließfeldform verbunden.

Die Versiegelungsmittel werden entweder vor der Anbringung der Fließfeldform am Zwischenverbinder oder etwa zur gleichen Zeit, wie gewünscht, plaziert, so daß der Bereich zwischen dem Zwischenverbinder und der Kathode wirksam ab gedichtet wird, was wiederum das Gas und den Brennstoff, beim im Betrieb be findlichen SOFC, umschließt.

In ähnlicher Weise wie bei der Fließfeldform zwischen der Kathode der ersten Zelle und dem Zwischenverbinder wird die Fließfeldform, die zwischen der An ode der zweiten Zelle und dem Zwischenverbinder positioniert ist, in einer im wesentlichen identischen Weise zusammengebaut. Die Versiegelungsmittel wer den ebenfalls in ähnlicher Weise wie die Versiegelungsmittel zwischen dem Zwi schenverbinder und der Kathode der ersten Zelle aufgebracht.

Zusätzliche Zellen und Zwischenverbinder können an den freien Seiten der ersten und zweiten Zellen angefügt werden, so daß ein Stapel mit einer beliebigen An zahl von SOFC-Zellen auf gebaut wird. Es versteht sich, daß jede beliebige An zahl von SOFC-Zellen zusammengebaut werden kann, um eine gewünschte Lei stungsabgabe und ein gewünschtes Leistungsniveau zu erzielen.

Sobald der Stapelaufbau fertiggestellt ist, wird der gesamte Aufbau in einem Ofen zum Erhitzen plaziert. Mit dem Erhitzen verflüchtigt sich die Fließfeldform und brennt aus, und das keramische Verbindungsmaterial wird gesintert. Das Ergebnis ist ein starres, gesintertes keramisches Material, das die Gestalt der Fließfeldform annimmt.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Herstellungsverfahren die Verwen dung von nicht gesinterten (grünen) Zellen und einen nicht gesinterten Zwischen verbinder aufweisen. Bei einer solchen Verkörperung umfassen die Zellen einen Bandgußelektrolyten, der eine Siebdruckanode und -kathode an einander entge gengesetzten Seiten des Elektrolyten umfaßt. Natürlich sind auch andere Auf bauformen nicht gesinterter (grüner) Zellen möglich, wie etwa Zellen, die keinen Bandgußelektrolyten mit Siebdruckanoden/-kathoden aufweisen. Zusätzlich kann der Zwischenverbinder einer solchen Ausführungsform einen Bandguß- Zwischenverbinder umfassen, wenngleich auch andere Zwischenverbinderkonfi gurationen zur Verwendung in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann der Zwischenverbinder ein nicht gesinterter (grüner) Zwischenverbinder sein, der ei nen Aufbau besitzt, welcher durchgangsgefüllte Bereiche enthält. Ein solcher Zwischenverbinder ist in der schwebenden Anmeldung Serial No: 09/153,959 mit dem Titel "VIA FILLED INTERCONNECT FOR SOLID OXIDE FUEL CELLS" beschrieben, die am 16. September 1998 angemeldet worden ist und de ren Lehren unter Bezugnahme auf sie in diese Beschreibung aufgenommen sind.

Die Versiegelungsmittel einer solchen Ausführungsform umfassen ebenfalls nicht gesinterte (grüne) Versiegelungsmittel. Natürlich ist zur Verwendung in den Ver siegelungsmitteln auch an verschiedenartige Materialien gedacht. Wie erläutert, liefert das Versiegelungsmittel eine Gas- und Brennstofftrennung und -umschlie ßung für die Zelle.

Wenn die Zellen und der Zwischenverbinder vorbereitet worden sind, wird die Fließfeldform imprägniert, und der Stapel wird in einer Weise ähnlich derjenigen aufgebaut, die oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrie ben ist. Wenn die genannten Komponenten voll in die Form eines Stapels ge bracht worden sind, wird die gesamte Struktur im Verbund gesintert. Die Ver bundsinterung des Stapels sintert wiederum die Zellen und verflüchtigt die Fließ feldform, so daß ein vollständig fertiger und verwendbarer Stapel von SOFC- Zellen geschaffen wird. Bei einer solchen Ausführungsform ist es aufgrund der Adhäsionseigenschaften der Fließfeldform möglich, einen Stapel von nicht gesinterten Zellen, Zwischenverbindern und imprägnierten Fließfeldformen zu sammenzusetzen und dann alle drei Strukturen auf einmal im Verbund zu sintern, um einen fertigen SOFC-Stapel zu liefern.

Die vorausgegangene Beschreibung und die Zeichnungen erläutern und veran schaulichen die Erfindung lediglich, die dadurch nicht eingeschränkt wird, da jene Fachleute, die die Beschreibung vor Augen haben, fähig sein werden, Änderungen und Varianten darin vorzunehmen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuwei chen.

Claims

1. Festoxid-Brennstoffzellenstapel, umfassend:
eine erste Festoxid-Brennstoffzelle mit einer Kathode;
eine zweite Festoxid-Brennstoffzelle mit einer Anode;
einen Zwischenverbinder, der zwischen die Kathode der ersten Festoxid- Brennstoffzelle und der Anode der zweiten Festoxid-Brennstoffzelle pla ziert ist; und
Mittel zum Anfügen des Zwischenverbinders an mindestens die Kathode der ersten Festoxid-Brennstoffzelle oder die Anode der zweiten Festoxid- Brennstoffzelle, wobei die Anfügungsmittel ein poröses Substrat umfas sen.

2. Festoxid-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, bei dem das poröse Substrat der Anfügungsmittel eine Porosität von 20-80% aufweist.

3. Festoxid-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, bei dem das poröse Substrat der Anfügungsmittel eine Porengröße im wesentlichen zwischen 100 und 1000 µm aufweist.

4. Festoxid-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, weiter enthaltend Mittel zum Versiegeln mindestens eines einzelnen Randes des porösen Substrats zwischen dem Zwischenverbinder und der Kathode der ersten Festoxid- Brennstoffzelle oder der Anode der zweiten Festoxid-Brennstoffzelle.

5. Festoxid-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4, bei dem die Versiege lungsmittel gasundurchlässiges, mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniu moxid umfassen.

6. Festoxid-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, bei dem die Anfü gungsmittel weiter eine leitende Beschichtung umfassen.

7. Festoxid-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, bei dem die leitende Beschichtung dotiertes Lanthankobaltit, Lanthanmanganit, Praseodymi umkobaltit oder -manganit und/oder andere dotierte leitende Oxide oder Metalle umfaßt.

8. Festoxid-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, bei dem die leitende Beschichtung eine Dicke von mindestens 10 µm und vorzugsweise im Be reich von annähernd 25 µm aufweist.

9. Festoxid-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, bei dem die Anfü gungsmittel mindestens eine einzelne Rille umfassen.

10. Festoxid-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, die zwei oder mehr Rillen haben, wobei jede von ihnen mindestens einen, distal davon beab standeten, Abschnitt aufweist.

11. Festoxid-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, bei dem die mindestens eine einzelne Rille eine Tiefe von mindestens 500 µm und vorzugsweise im Bereich von annähernd 250 µm bis annähernd 1000 µm aufweist.

12. Verfahren zum Herstellen eines porösen Substrats zum Anfügen einer Festoxid-Brennstoffzelle an einen Zwischenverbinder, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Vorsehen einer Fließfeldform;
b) Imprägnieren der Fließfeldform mit einem Imprägniermittel;
c) Sintern der imprägnierten Fließfeldform; und
d) Verflüchtigen der Fließfeldform, um wiederum ein poröses Sub strat zu bilden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Fließfeldform einen offenzelli gen retikulierten Schaum umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der offenzellige retikulierte Schaum aus einer der Gruppen bestehend aus Polyurethan, Polyester, Po lyvinylchlorid, Acetat und anderen Kopolymeren gewählt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Verflüchtigens der Fließfeldform den Schritt des substantiellen Ausschließens der Bildung von kohlenstoffhaltigen Rückständen umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Imprägniermittel eine thixotro pe Aufschlämmung umfaßt, die eine keramische Komponente aufweist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Imprägniermittel mindestens ein einzelnes rheologisches Agens enthält.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das rheologische Agens aus einer der Gruppen bestehend aus Karboxylmethylzellulose und Hydroxylme thylzellulose gewählt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das rheologische Agens annähernd 0,01% bis annähernd 10% des Gewichtes des Imprägniermittels aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem Imprägniermittel mindestens ein einzelnes Bindemittel enthält.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Bindemittel aus einer der Grup pen bestehend aus Polyvinylbutyrol und Polyvinylacetat gewählt ist.

22. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Bindemittel annähernd 0,01% bis 10% des Gewichtes des Anfügungsmaterials aufweist.

23. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem Imprägniermittel eine Viskosität von mindestens 1000 Zentipoise umfaßt, und vorzugsweise eine solche im Bereich von 1500-3000 Zentipoise.

24. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Imprägnierens des Fließfeldes die folgenden Schritte aufweist:

a) Eingeben des Imprägniermittels in die Fließfeldform;
b) Austreiben des Überschußimprägniermittels aus der Fließfeldform; und
c) Wiederholen der Schritte in a) und b), bis die Fließfeldform so weit wie gewünscht imprägniert ist.

25. Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend die Schritte des Imprä gnierens mindestens einer von einer unteren Oberfläche und einer oberen Oberfläche der Fließfeldform mit einer leitenden Beschichtung.

26. Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend den Schritt des Einbrin gens von Rillen in mindestens eine von einer unteren Oberfläche und einer oberen Oberfläche der Fließfeldform.

27. Verfahren zum Herstellen eines Festoxid-Brennstoffzellenstapels, umfas sen die Schritte:

a) Vorsehen von mindestens zwei gesinterten Festoxid- Brennstoffzellen, wobei jede der Festoxid-Brennstoffzellen eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten umfaßt;
b) Assoziieren eines Zwischenverbinders mit der Kathode einer von den mindestens zwei gesinterten Festoxid-Brennstoffzellen und mit der Anode der anderen der mindestens zwei gesinterten Festoxid- Brennstoffzellen;
c) Bereitstellen einer Fließfeldform, die ein Imprägniermittel auf weist;
d) Assoziieren der Fließfeldform zwischen und in Kontakt mit dem Zwischenverbinder und der Kathode oder der Anode der minde stens zwei gesinterten Festoxid-Brennstoffzellen;
e) Sintern des aufgebauten Stapels von mindestens zwei gesinterten Festoxid-Brennstoffzellen, des Zwischenverbinders und der Fließ feldform; und
f) Verflüchtigen der Fließfeldform, um wiederum daraus einen gesinterten Festoxid-Brennstoffzellenstapel zu machen.

28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem der Schritt des Assoziierens der Fließfeldform folgende Schritte aufweist:

a) Anbringen des Imprägniermittels auf mindestens den Zwischenver binder und die jeweilige Anode oder Kathode; und
b) Positionieren der Fließfeldform in Kontakt mit jeder von ihnen: den Zwischenverbinder und die jeweilige Anode oder Kathode.

29. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem Schritt des Bereitstellens einer Fließfeldform den Schritt des Imprägnierens der Fließfeldform mit einem Imprägniermittel umfaßt.

30. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem der Schritt des Vorsehens einer Fließfeldform den Schritt des Imprägnierens von mindestens einer von beiden: einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche, mit einer leitenden Beschichtung umfaßt.

31. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem der Schritt des Bereitstellens einer Fließfeldform die Schritte des Einbringens von mindestens einer einzelnen Rille in mindestens eine von ihnen: einer unteren Oberfläche und einer oberen Oberfläche einer leitenden Beschichtung umfaßt.

32. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem der Schritt des Verflüchtigens der Fließfeldform bei einer niedrigeren Temperatur als der Temperatur statt findet, die für das Sintern des Stapels erforderlich ist.

33. Verfahren zum Herstellen eines Festoxid-Brennstoffzellenstapels, umfas sen die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen von mindestens zwei Festoxid-Brennstoffzellen, wo bei jede der Festoxid-Brennstoffzellen eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten aufweist, wobei mindestens eine der minde stens zwei Festoxid-Brennstoffzellen ungesintert ist;
b) Assoziieren eines Zwischenverbinders mit der Kathode einer ein zelnen von mindestens zwei Festoxid-Brennstoffzellen und mit der Anode der anderen der mindestens zwei Festoxid-Brennstoffzellen;
c) Bereitstellen einer Fließfeldform, die ein Imprägniermittel auf weist;
d) Assoziieren der Fließfeldform zwischen und in Kontakt mit dem Zwischenverbinder und der Kathode oder der Anode der minde stens zwei Festoxid-Brennstoffzellen;
e) gleichzeitiges Sintern des zusammengebauten Stapels von minde stens zwei Festoxid-Brennstoffzellen, des Zwischenverbinders und der Fließfeldform; und
f) Verflüchtigen der Fließfeldform, um daraus wiederum einen gesinterten Festoxid-Brennstoffzellenstapel zu machen.

34. Verfahren nach Anspruch 33, bei dem der Schritt des Bereitstellens von mindestens zwei Festoxid-Brennstoffzellen folgende Schritte umfaßt:

- Bandgießen eines Elektrolyten; und
- Siebdrucken einer Anode und einer Kathode, um daraus wiederum eine nicht gesinterte Festoxid-Brennstoffzelle zu formen.

35. Verfahren nach Anspruch 33, bei dem der Schritt des Vorsehens eines Zwischenverbinders den Schritt des Bandgießens eines Zwischenverbin ders umfaßt, um daraus wiederum einen ungesinterten Zwischenverbinder zu formen.

36. Verfahren nach Anspruch 33, bei dem der Schritt des Vorsehens minde stens zweier Festoxid-Brennstoffzellen den Schritt des Vorsehens minde stens zweier nicht gesinterter Festoxid-Brennstoffzellen umfaßt.

37. Verfahren nach Anspruch 33, bei dem der Schritt des Vorsehens eines Zwischenverbinders den Schritt des Vorsehens eines durchgangsgefüllten Zwischenverbinders umfaßt.