DE102005059708A1 - Reoxidationsstabile Hochtemperatur-Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) vor Schädigung bei Lufteinbruch auf der Anodenseite verbessert zu schützen. DOLLAR A Zur Lösung der Aufgabe umfasst die Brennstoffzelle auf der Anodenseite ein poröses Substrat, das NiCr aufweist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur – Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.
  • Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 44 30 958 C1 sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1 . Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperaturbrennstoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C betragen kann. An der Kathode einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen diffundieren durch den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.
  • Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente, auch Interkonnektoren genannt, elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Ein Beispiel für ein verbindendes Element stellt die bipolare Platte dar. Eine solche bipolare Platte kann einen hohen Chromgehalt aufweisen. Aus der DE 100 33 897 A1 ist allerdings bekannt, dass Chrom während des Betriebes abdampft und es zu Alterserscheinungen innerhalb der Brennstoffzelle kommt.
  • Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt. Die Brennstoffzellenstapel bestehen aus den Interkonnektoren und den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten.
  • Interkonnektoren besitzen neben den elektrischen und mechanischen Eigenschaften regelmäßig auch Gasverteilerstrukturen. Bei der bipolaren Platte wird dies durch Stege mit Elektrodenkontakt realisiert, die die Gas kanäle zur Versorgung der Elektroden voneinander trennen ( DE 44 1 0 71 1 C1 ). Gasverteilerstrukturen bewirken, dass die Betriebsmittel gleichmäßig in den Elektrodenräumen (Räume in denen sich die Elektroden befinden) verteilt werden.
  • Aus der DE 1 00 31 1 23 A1 ist eine planare Hochtemperaturbrennstoffzelle bekannt, die eine selbsttragende Anode aus einem Ni/YSZ-Gemisch umfasst. Die Tragstruktur dieser Hochtemperaturbrennstoffzelle besteht also aus einem porösen Cermet aus Nickel und teil- oder vollstabilisiertem Zirkoniumdioxid. Auf dieser Tragstruktur wird in der Regel die eigentliche Anode, bestehend aus identischen Einzelkomponenten mit verringerter Partikelgröße und Porengröße appliziert. Gelangt während des Betriebs oder bei Aufheiz- und Abkühlvorgängen auf der Anodenseite Luft in das System, so resultiert eine Oxidation des metallischen Nickels.
  • Bei einem kontrollierten oder unkontrollierten Lufteinbruch auf der Anodenseite wird das Nickel oxidiert. Die Bildung von NiO aus metallischem Nickel ist mit einer Volumenzunahme verbunden. Aufgrund der Oxidationskinetik bildet sich das NiO unter den gegebenen Bedingungen zusätzlich in einer porösen Morphologie aus, die die Volumenzunahme noch verstärkt. Hierdurch entstehen Spannungen im Cermet, die durch die Entstehung von Rissen abgebaut werden können. Die Risse im Substrat übertragen sich ab einer kritischen Aufweitung auf die eigentliche Anode und den Elektrolyten der SOFC und können so zum Versagen der Brennstoffzelle führen.
  • Aus der DE 199 60 674 A1 ist ein aus NiO und YSZ bestehendes Substrat für eine Brennstoffzelle bekannt. Während des Betriebes wird NiO zunächst reduziert, was mit einer Volumenverkleinerung einhergeht. Oxidiert im Anschluss daran Ni wieder, so vergrößert sich das Volumen wieder. Da das NiO wie oben beschrieben eine poröse Morphologie besitzt, übersteigt das NiO – Volumen sogar das NiO – Volumen, welches vor der ersten Inbetriebnahme der Brennstoffzelle vorlag.
  • Aus der DE 100 31 1 23 A1 ist bekannt, dass eine Anode einerseits über eine hohe elektrische Leitfähigkeit verfügen und andererseits gasdurchlässig sein muss. Die elektrische Leitfähigkeit wird auf der Anodenseite durch Vorsehen des Nickels erreicht. Nickel katalysiert weiter die auf der Anodenseite erforderliche Bildung von Wasser. Die Anwesenheit von Nickel ist ergänzend auch deshalb von Vorteil, weil es Brenngas zu reformieren vermag.
  • Nach dem Stand der Technik wird YSZ auf der Anodenseite eingesetzt, um den Ausdehnungskoeffizienten eines Anodensubstrats an den Ausdehnungskoeffizienten der Elektrolytschicht anzupassen, die bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle regelmäßig aus YSZ besteht. Aus der DE 199 60 674 ist ein solcher Aufbau sowie die Ausdehnungsproblematik bekannt. Die Anwesenheit von YSZ wirkt ferner der nachteiligen Bildung von Nickel-Agglomeraten entgegen, die sich bei SOFC Betriebstemperatur durch Diffusionsprozesse bilden. YSZ sorgt ferner für die gewünschte Festigkeit eines Substrats.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochtemperatur- Brennstoffzelle (SOFC) vor Schädigung bei Lufteinbruch auf der Anodenseite verbessert zu schützen.
  • Zur Lösung der Aufgabe umfasst die Brennstoffzelle auf der Anodenseite ein poröses Substrat, das NiCr aufweist. NiCr stellt zunächst die erforderliche Leitfähigkeit sicher und kann insoweit Nickel teilweise oder ganz ersetzen. NiCr katalysiert zwar kaum die Bildung von Wasser. Dies gilt vor allem nach Bildung einer Oxidschicht. Dieser Nachteil kann jedoch erforderlichenfalls beispielsweise durch die aus dem Stand der Technik grundsätzliche bereits bekannte eigentliche Anodenschicht auf dem Substrat überwunden werden, die dann die Bildung von Wasser katalysiert und die zu diesem Zweck insbesondere Nickel enthält. NiCr vermag im Unterschied zum Nickel ein Brenngas kaum zu reformieren. Dies gilt insbesondere im Anschluss an eine kaum zu vermeidende Bildung von Chromoxid. Dieser Nachteil kann jedoch erforderlichenfalls beispielsweise durch eine Vorreformierung überwunden werden. Die aus dem Stand der Technik mit der Abdampfung von Chrom verbundenen Probleme spielen im vorliegenden Fall keine Rolle, da zur Anodenseite in der Regel kein oder kaum Sauerstoff gelangt.
  • Gelangt Sauerstoff beispielsweise im Fall eines Lufteinbruchs dennoch zur Anode, so oxidiert zunächst Chrom. Die elektrische Leitfähigkeit wird zwar dadurch reduziert. Die verbleibende elektrische Leitfähigkeit hat sich jedoch als ausreichend herausgestellt. Im Gegensatz zur Oxidation des Nickels (Volumenzunahme ca. 65%) entsteht bei der Oxidation des Chroms nur eine oberflächliche Schicht und keine Volumenoxidation.
  • Der Vorteil des NiCr gegenüber herkömmlich verwendetem Ni ist die Bildung einer passivierenden Chromoxid-Schutzschicht, welche die unkontrollierte Oxidation des Nickel bei Betrieb verhindert. Diese Oxidation kann durch ungewollte Leckagen oder systembedingt verursacht sein. Die Cr2O3-Schicht kann entweder gezielt durch Voroxidation gebildet werden oder sich bei obiger Leckage/Systembedingung bilden. Die Vorteile einer Chromoxidschicht gegenüber der Oxidation des reinen Nickel sind: Ni oxidiert bei Sauerstoffanwesenheit fast vollständig bereits nach kurzen Zeiten (< 30 min) (katastrophale Oxidation), wohingegen NiCr auf der Oberfläche eine dünne und dichte passivierende Cr2O3-Schicht ausbildet. Durch diese Oxidschichtbildung verläuft das weitere Korrosionsverhalten ähnlich den vom Chromoxid-bildenden Hochtemperatur-Stählen bekannten.
  • Die resultierenden Oxidschichtdicken liegen im Bereich < 5 μm. Durch die gebildete Schicht wird der Grundwerkstoff vor weiterer Oxidation wirkungsvoll geschützt. Des weiteren kann die Oxidschicht nur auf der frei zugänglichen Oberfläche gebildet werden; dadurch wird der Versinterungsgrad des NiCr-Netzwerkes nur unwesentlich beeinflusst. Deshalb ist die makroskopische Volumenzunahme durch Oxidation vernachlässigbar.
  • Das NiCr kann die wesentlichen Eigenschaften des Ni im herkömmlichen Substrat übernehmen. Dies ist einerseits die elektronische Leitung und andererseits die Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den Interkonnektor-Werkstoff. Die Aufgaben der Katalyse und der Reformierung kann es nicht übernehmen; dies wird einerseits durch die Aufbringung einer Ni/YSZ Anode (Katalyse) und andererseits durch die Reformierung in einem Vorreformer bewerkstelligt.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Substrat Yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid. Es kann sich um voll- oder teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid handeln. Alternativ kann das Zirkoniumdioxid mit Scandium stabilisiert sein. Diese Ausführungsform ist vor allem dann von Vorteil, wenn die Elektrolytschicht einen vergleichbaren Ausdehnungskoeffizienten wie das voll- oder teilstabilisierte Zirkoniumdioxid aufweist. Insbesondere gilt dies für den Fall, dass die Elektrolytschicht auch aus Yttrium- oder Scandium stabilisiertem Zirkoniumdioxid besteht.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Substrat Nickel und zwar bevorzugt ein bis vier Gew.-%. Dieser Anteil an Nickel ist vor allem dann von Vorteil, um eine Reformierung von Brenngas im Substrat durchzuführen. Auch katalysiert Nickel vorteilhaft die Wasserbildungsreaktion. Im Vergleich zum Stand der Technik kann der Anteil an Nickel sehr gering sein, so dass die eingangs geschilderte Volumenproblematik nach wie vor stark reduziert ist.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist Nickel in Poren des Substrats gebracht worden. Dies gelingt, indem Nickel nach Herstellung des NiCr aufweisenden Substrats in dieses hineingebracht wird. So eingebrachtes Nickel kann sein Volumen vergrößern, ohne dass dadurch Spannungen innerhalb des Substrats entstehen. Nickel kann nun insbesondere eine Reformierung von Brenngas bewirken, aber auch eine Bildung von Wasser katalysieren.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das NiCr umfassende Substrat eine als Anode wirkende Schicht auf einer Oberfläche auf. Die Schicht kann aus dem Stand der Technik bereits bekannt aufgebaut sein, also aus einem Gemisch Ni bzw. NiO und YSZ bestehen. Diese elektrisch leitfähige Schicht hat vor allem die Funktion, die Bildung von Wasser zu katalysieren. Entsprechend sind die Materialien auszuwählen.
  • Ausführungsbeisplele
  • Im Unterschied zum Stand der Technik besteht das auf der Anodenseite befindliche Substrat einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle also nicht mehr aus einem Ni/YSZ – Cermet. Statt dessen weist das Substrat NiCr auf. Dabei kann es sich um eine Mischung aus NiCr, YSZ und geringen Anteilen an Ni handeln oder aber beispielsweise um ein NiCr-Nickel-Substrat. Es werden so die Volumenprobleme reduziert. Nachfolgend wird die Herstellung der beiden Substratvarianten näher beschrieben:
  • Variante 1: NiCr/8YSZ/Ni
  • Bei dieser Variante wird entweder zunächst ein Formkörper aus NiCr-Pulver unter Schutzgas oder im Vakuum gesintert, so dass die einzelnen NiCr-Partikel miteinander versintern (Halsbildung). Die Sinterung wird in einem frühen Stadium abgebrochen, so dass die offene Porosität erhalten bleibt. Die Sinterung wird bevorzugt unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre (z.B. Argon, Stickstoff) durchgeführt, um eine oberflächliche Oxidation des Metalls zu verhindern. Die Ausbildung einer Chromoxid-Deckschicht schon während der Sinterung behindert die für eine gute Versinterung der NiCr-Partikel notwendigen Diffusionsprozesse. Im Anschluss an die Sinterung wird die poröse NiCr-Struktur gezielt durch eine Wärmebehandlung in geeigneter Atmosphäre voroxidiert. Durch diesen Schritt erhält die Struktur eine passivierende Oxidschicht, durch die eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit für die weiteren Verfahrensschritte sowie für den späteren SOFC-Betrieb gewährleistet ist.
  • Hat man den reinen NiCr-Vorkörper hergestellt, muss dieser mit einer Suspension oder einem Sol, welches die ionisch leitende Komponente (z.B. 8YSZ oder IOScSZ) enthält, infiltriert und gesintert werden. Das Zirkoniumdioxid übernimmt darüber hinaus gehend die Funktion der Anpassung der thermsichen Dehnung an den Elektrolyten bzw. an den Stahl der Interkonnektoren.
  • Eine zweite Möglichkeit zur Herstellung des Substrats ist es, direkt eine Mischung aus NiCr und z.B. 8YSZ unter Vakuum oder Schutzgas zu versintern. Auch in diesem Fall wird das Substrat anschließend gezielt voroxidiert, um an der frei zugänglichen NiCr-Oberfläche die Oxidationsbeständigkeit durch Ausbildung der passivierenden Cr2O3-Deckschicht sicherzustellen. Zuletzt kann in beiden Substratvarianten als Option die für die Reformierung der Kohlenwasserstoffe katalytisch aktive Substanz Nickel infiltriert werden. Dies kann wiederum über eine Suspension oder über ein Sol geschehen. Die Einbringung des Nickels kann als Metall oder als Oxid geschehen. In beiden Fällen muss sich eine Wärmebehandlung zum Ausbrand der Organik und zur Anbindung der Partikel an das metallische Netzwerk anschließen. Im Falle der Zugabe als NiO kann dieser an Luft stattfinden, im Falle von Ni unter reduzierenden Bedingungen bzw. Inertgas.
  • Variante 2: NiCr/Ni
  • Variante 2 baut auf einem reinen Substrat aus NiCr ohne die Zugabe von Zirkoniumdioxid auf. Die Substratherstellung erfolgt analog Variante 1 durch Sinterung eines NiCr-Formkörpers unter Vakuum oder Schutzgas. Nach gezielter Voroxidation des Substrats kann auch dieses mit Nickel infiltriert werden (Werkstoffe und Ablauf wie unter Variante 1). Der Einsatz dieses Substrats bietet sich an, wenn man z.B. andere Elektrolyt- und Interkonnektorwerkstoffe einsetzt, die bspw. einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als 8YSZ und z.B. Crofer22APU aufweisen.
  • Alternativ kann bei beiden Varianten die Infiltration mit Nickel unterbleiben. Hier wäre dann eine Reformierung von Brenngas in einem Vorreformer zu 100% durchzuführen.
  • Die weiteren Schritte nach der Herstellung des Substrats zum Aufbau einer SOFC sind die Aufbringung der Anode, des Elektrolyten und der Kathode. Hierbei gibt es für die Anoden- und Elektrolytbeschichtung mehrere Möglichkeiten.
  • Möglichkeit 1: Aufbringung beider Schichten über Plasmaspritzverfahren (atmosphärisch oder Vakuum).
  • Möglichkeit 2: Beschichtung beider Schichten mittels Gasphasenabscheidung, PVD (physical vapor deposition) oder CVD (chemical vapor deposition), Elektrophorese oder EVD (electrochemical vapor deposition).
  • Möglichkeit 3: Aufsinterung eines Verbunds aus bereits gasdichtem Elektrolyten mit poröser Anode bestehend z.B. aus Ni und 8YSZ. Dieser Verbund kann z.B. durch Foliengießen einer 8YSZ Folie und deren Entbinderung und Dichtsinterung und anschließende Beschichtung mit einer Anode über z.B. Siebdruck erfolgen. Die Aufsinterung kann unter Luft erfolgen, da das Substrat bereits voroxidiert ist.
  • Zum Abschluss wird auf die Halbzelle eine Kathode entweder über Plasmaspritzen oder nasschemische Beschichtung (Siebdruck, Nasspulverspritzen) aufgebracht und gesintert. Im Idealfall kann die Kathode auch bereits auf dem unter Möglichkeit 3 genannten Verbund Elektrolyt/Anode aufgesintert sein und die Aufsinterung dadurch im sogenannten „cofiring" geschehen.
  • Folgende Werkstoffe wurden als geeignet überprüft:
    • Zirkoniumdioxid: voll- oder teilstabilisiert z.B. mit Yttrium oder Scandium
    • NiCr: Cr-Gehalte zwischen 5 und 60 Gew.-%. Der Cr-Gehalt beeinflusst die Oxidationsbeständigkeit und den Ausdehnungskoeffizienten. Die Oxidationsbeständigkeit nimmt mit dem Cr-Gehalt zu und der Ausdehnungskoeffizient ab.
    • Ni: Zugabe in Form von Ni- oder NiO-Pulver. Letzteres wird im SOFC-Betrieb zu Ni reduziert.
  • Zusammensetzung Substrat Variante 1
    • YSZ; 30–70 Masse-%; NiCr: 30–70 Masse-%; Ni: < 10 Masse-% im NiCr+YSZ-Versatz
    • Vorteilhafte Zusammensetzung: YSZ 50 Masse-%; NiCr 50 Masse-%; 5% Ni im Versatz NiCr+YSZ
  • Zusammensetzung Anode:
    • YSZ: 40–60 Masse-%; Ni: 40–60 Masse-%; vorteilhaft: YSZ 50 Masse-% + Ni 50 Masse-%
  • Zusammensetzung Substrat Variante 2:
    • NiCr: > 90 Masse-%; Ni: < 10 Masse-%
  • Schichtdicken:
    • Substrat: 100–2000 μm Anode: 3–50 μm Elektrolyt: 3–30 μm Vorteilhaft: Substrat; 300–600 μm, Anode: 5–15 μm; Elektrolyt: 5–10 μm
  • Verfahren:
    • Substrat: gepresst, gegossen, gesintert Anode und Elektrolyt: gedruckt, laminiert, gerollert,

Claims (9)

  1. Brennstoffzelle für einen Betrieb bei hohen Temperaturen mit einer Anode, Kathode und einer dazwischen befindlichen Elektrolytschicht, gekennzeichnet durch ein gasdurchlässiges Substrat, welches NiCr aufweist.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei dem das Substrat auf der Anodenseite angeordnet ist oder die Anode ist.
  3. Brennstoffzelle nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem das poröse Substrat stabilisiertes Zirkoniumdioxid umfasst.
  4. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat kein reines Ni oder NiO aufweist und insbesondere einen Vorreformierer für die Reformierung von Brenngas aufweist,
  5. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Anodenschicht angrenzend an die Elektrolytschicht und angrenzend an das Substrat vorgesehen ist.
  6. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektrolytschicht aus stabilisiertem, gasundurchlässigem Zirkoniumdioxid besteht.
  7. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat Nickel aufweist mit einem Anteil von vorzugsweise ein bis zehn Gew.-%.
  8. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Nickel in Poren des Substrat hineingebracht ist.
  9. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem NiCr eine passivierende Oxidschicht umfasst.
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