DE102014214781A1 - Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit (10), welche zumindest zwei Brennstoffzellen (12, 14) und eine Interkonnektoreinheit (16), welche dazu vorgesehen ist, die zumindest zwei Brennstoffzellen (12, 14) seriell miteinander zu verschalten, umfasst. Es wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Interkonnektoreinheit (16) zumindest zwei Lagen (18, 20) aufweist, welche aus voneinander verschiedenen Materialien gebildet sind.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche eine Mehrzahl von Brennstoffzellen umfasst, vorgeschlagen worden. Die Brennstoffzellen sind mittels einer Interkonnektoreinheit seriell verschaltet. Die Interkonnektoreinheit ist dabei lediglich von einem Material gebildet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche zumindest zwei Brennstoffzellen und eine Interkonnektoreinheit, welche dazu vorgesehen ist, die zumindest zwei Brennstoffzellen seriell miteinander zu verschalten, umfasst.
  • Es wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Interkonnektoreinheit zumindest zwei Lagen aufweist, welche aus voneinander verschiedenen Materialien gebildet sind.
  • Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden. Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Brennstoffzellen verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Energie zumindest eines Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter einer „Interkonnektoreinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den zumindest zwei Brennstoffzellen herzustellen, um die zumindest zwei Brennstoffzellen seriell miteinander zu verschalten.
  • Die zumindest eine Interkonnektoreinheit ist insbesondere aus voneinander verschiedenen Materialien gebildet, welche schichtweise aneinander angeordnet sind. Die Materialien aus denen die Interkonnektoreinheit gebildet ist, weisen insbesondere komplementäre und/oder ergänzende funktionelle Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich einer Leitfähigkeit und/oder eines Sinterverhaltens, auf. Vorzugsweise weisen die Materialien der Interkonnektoreinheit jeweils eine Perowskit-Struktur auf.
  • Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit verbesserten Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere können durch eine Ausbildung der Interkonnektoreinheit aus voneinander verschiedenen Materialien Materialeigenschaften vorteilhaft kombiniert werden. Hierdurch kann die Interkonnektoreinheit vorteilhaft an Anforderungen einer Brennstoffzellenvorrichtung angepasst werden, wodurch insbesondere eine Funktionalität und/oder Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft gesteigert werden kann.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Interkonnektoreinheit zumindest eine erste Lage aufweist, welche von einem manganbasierten Perowskit gebildet ist. Das manganbasierte Perowskit weist insbesondere die allgemeine chemische Formel La1-xSrxAyMn1-yO3 auf, mit 0,05 < x < 0,6, 0,05 < y < 0,6 und A = Scandium (Sc), Titan (Ti), Niob (Nb) oder Tantal (Ta). Hierdurch kann erreicht werden, dass die zumindest eine erste Lage insbesondere unter einer reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise einer anodischen Atmosphäre, eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Vorzugsweise weist die Interkonnektoreinheit zumindest eine zweite Lage auf, welche von einem nickelbasierten Perowskit gebildet ist. Das nickelbasierte Perowskit weist insbesondere die allgemeine chemische Formel LaNixFe1-xO3 auf, mit 0,05 < x < 0,6. Hierdurch kann eine vorteilhaft gasdichte zweite Lage geschaffen werden, wodurch eine Gasdichtheit der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft erhöht werden kann. Ferner kann eine vorteilhaft hohe Leitfähigkeit der zumindest einen zweiten Lage unter einer kathodischen Atmosphäre erreicht werden. Durch die Kombination der zumindest einen ersten Lage und der zumindest einen zweiten Lage zu einer Interkonnektoreinheit können somit ohmsche Verluste vorteilhaft reduziert werden, da sowohl in einer anodischen als auch in einer kathodischen Atmosphäre eine vorteilhaft hohe Leitfähigkeit erreicht werden kann.
  • Zudem wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Kathodenschicht, welche dazu vorgesehen ist Kathoden der zumindest zwei Brennstoffzellen auszubilden, zumindest eine Anodenschicht, welche dazu vorgesehen ist Anoden der zumindest zwei Brennstoffzellen auszubilden, und zumindest eine Elektrolytschicht, welche dazu vorgesehen ist Elektrolyten der zumindest zwei Brennstoffzellen auszubilden, umfasst. Die zumindest eine Kathodenschicht kann insbesondere aus Lanthan-Strontium-Manganoxid und/oder Lanthan-Strontium-Scandium-Manganoxid und/oder Lanthan-Strontium-Cobald-Eisenoxid und/oder Lanthan-Nickel-Eisenoxid gebildet sein. Vorzugsweise ist die Kathodenschicht aus Lanthan-Strontium-Manganoxid, Lanthan-Strontium-Scandium-Manganoxid oder einer Mischung davon gebildet. Vorzugsweise weist das Material der zumindest einen Kathodenschicht eine Perowskit-Struktur auf. Die zumindest eine Anodenschicht kann insbesondere von einem Nickel und yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid umfassenden Cermet und/oder Lanthan-Strontium-Titanoxid und/oder Lanthan-Strontium-Scandium-Manganoxid gebildet sein. Die zumindest eine Elektrolytschicht kann insbesondere aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid und/oder scandiumstabilisiertem Zirkoniumoxid gebildet sein. Die zumindest eine Elektrolytschicht ist insbesondere zwischen der zumindest einen Anodenschicht und der zumindest einen Kathodenschicht angeordnet. Die zumindest eine Kathodenschicht bildet jeweils eine Kathode der zumindest zwei Brennstoffzellen aus, wobei die Kathoden der zumindest zwei Brennstoffzellen vorzugsweise durch einen elektrischen und ionischen Isolator voneinander getrennt sind. Die zumindest eine Anodenschicht bildet jeweils eine Anode der zumindest zwei Brennstoffzellen aus, wobei die Anoden der zumindest zwei Brennstoffzellen vorzugsweise durch einen elektrischen und ionischen Isolator voneinander getrennt sind. Hierdurch kann ein vorteilhafter Aufbau der zumindest zwei Brennstoffzellen erreicht werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest zwei Brennstoffzellen innerhalb der Brennstoffzelleneinheit derart angeordnet sind, dass eine Kathode einer ersten Brennstoffzelle eine Anode einer zweiten Brennstoffzelle zumindest teilweise überlappt. Hierdurch kann ein vorteilhaft kompakter Aufbau der Brennstoffzelleneinheit erreicht werden.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Interkonnektoreinheit innerhalb der Elektrolytschicht der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Insbesondere ist die Interkonnektoreinheit dazu vorgesehen, eine Kathode einer ersten Brennstoffzelle mit einer Anode einer zweiten Brennstoffzelle in Reihe zu schalten. Die Interkonnektoreinheit ist insbesondere derart innerhalb der Elektrolytschicht der Brennstoffzelleneinheit angeordnet, dass sie ein Elektrolyt einer ersten Brennstoffzelle insbesondere ionisch isolierend von einem Elektrolyt einer zweiten Brennstoffzelle trennt. Insbesondere ist die Interkonnektoreinheit in einem Bereich der Elektrolytschicht angeordnet, in welchem sich eine Kathode einer ersten Brennstoffzelle und eine Anode einer zweiten Brennstoffzelle zumindest teilweise überlappen. Hierdurch kann eine Brennstoffzelleneinheit mit vorteilhaft großen elektrochemisch aktiven Flächen realisiert werden.
  • Zudem wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine erste Lage der Interkonnektoreinheit in Richtung der zumindest einen Anodenschicht und die zumindest eine zweite Lage der Interkonnektoreinheit in Richtung der zumindest einen Kathodenschicht weist. Hierdurch kann eine vorteilhafte Anordnung der Lagen der Interkonnektoreinheit, insbesondere im Hinblick auf eine Orientierung der Materialien der Interkonnektoreinheit, innerhalb der Brennstoffzelleneinheit erreicht werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen Trägerkörper umfasst, auf welchem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Unter einem „Trägerkörper“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Element verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit insbesondere mechanisch zu entlasten und/oder zu stabilisieren. Dies ermöglicht insbesondere eine vorteilhaft dünne Ausgestaltung der Brennstoffzelleneinheit.
  • Insbesondere kann durch eine Verringerung einer Dicke der zumindest einen Elektrolytschicht eine Leitfähigkeit der Elektrolyten der zumindest zwei Brennstoffzellen vorteilhaft verbessert und somit eine Effizienz der Brennstoffzellen vorteilhaft gesteigert werden. Der Trägerkörper kann insbesondere rohrförmig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Trägerkörper an zumindest einem offenen Rohrende einen, insbesondere gasdichten, Befestigungsabschnitt zu einer Befestigung des Trägerkörpers an einem Trägersubstrat aufweisen. An einem anderen Rohrende kann der Trägerkörper einen weiteren derartigen Befestigungsabschnitt aufweisen oder insbesondere durch einen, insbesondere gasdichten, Kappenabschnitt verschlossen sein. Die Brennstoffzelleneinheit ist insbesondere derart an dem Trägerkörper angeordnet, dass vorzugsweise die zumindest eine Kathodenschicht an den Trägerkörper angrenzt. In Bereichen in denen die Brennstoffzelleneinheit an den Trägerkörper angrenzt, ist der Trägerkörper vorzugsweise gasdurchlässig ausgebildet und weist beispielsweise gasdurchlässige Poren und/oder Öffnungen auf. Der Trägerkörper kann insbesondere aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Materialien ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Trägerkörper aus Forsterit und/oder Zirkoniumdioxid und/oder Aluminiumoxid ausgebildet sein. Hierdurch kann eine vorteilhafte mechanische und/oder thermische Stabilität der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.
  • Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen. Insbesondere kann in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest die Interkonnektoreinheit und vorzugsweise die gesamte Brennstoffzelleneinheit mittels Siebdrucks hergestellt werden. Insbesondere können in zumindest einem weiteren Verfahrensschritt die Materialien der Interkonnektoreinheit und/oder der Brennstoffzelleneinheit und/oder des Trägerkörpers co-gesintert werden. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und/oder kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
  • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigt:
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche zumindest zwei Brennstoffzellen umfasst, welche mittels einer zweilagig ausgebildeten Interkonnektoreinheit seriell miteinander verschalten sind.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine hier lediglich teilweise dargestellte Brennstoffzellenvorrichtung 46. Die Brennstoffzellenvorrichtung 46 umfasst eine, Brennstoffzelleneinheit 10, welche hier beispielhaft zwei in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 12, 14 umfasst. Die Brennstoffzellen 12, 14 sind über eine Interkonnektoreinheit 16 in Reihe geschaltet.
  • Wie 1 zeigt, ist die Brennstoffzelleneinheit 10 in Form eines mehrlagigen Schichtsystems ausgebildet ist, wobei die Brennstoffzellen 12, 14 im Wesentlichen nebeneinander ausgebildet sind. Die Brennstoffzelleneinheit 10 umfasst dabei eine Kathodenschicht 22, eine Elektrolytschicht 34 und eine Anodenschicht 28. Die Kathodenschicht 22 bildet dabei die Kathoden 24, 26 der Brennstoffzellen 12, 14. Die Anodenschicht 28 bildet dabei die Anoden 30, 32 der Brennstoffzellen 12, 14. Die Elektrolytschicht 34 bildet dabei die Elektrolyten 36, 38 der Brennstoffzellen 12, 14.
  • Die Interkonnektoreinheit 16 ist vollständig innerhalb der Elektrolytschicht 34 angeordnet. Insbesondere ist die Interkonnektoreinheit 16 derart angeordnet, dass über die Interkonnektoreinheit 16 die Kathode 24 der ersten Brennstoffzelle 12 mit der Anode 32 der zweiten Brennstoffzelle 14 in Reihe geschaltet. Dabei ist das Elektrolyt 36 der ersten Brennstoffzelle 12 durch die Interkonnektoreinheit 16, insbesondere ionisch isolierend, von dem Elektrolyt 38 der zweiten Brennstoffzelle 14 getrennt.
  • 1 illustriert weiterhin, dass die Kathoden 24, 26 der Brennstoffzellen 12, 14 durch einen elektrisch und ionisch isolierenden Bereich 42 und die Anoden 30, 32 der Brennstoffzellen 12, 14 durch mindestens einen elektrisch und ionisch isolierenden Bereich 44 voneinander getrennt sind. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind zudem die Kathoden 24, 26 und die Anoden 30, 32 der Brennstoffzellen 12, 14 derart durch die Kathodenschicht 22 beziehungsweise die Anodenschicht 28 ausgebildet, dass die Kathode 24 der ersten Brennstoffzelle 12 die Anode 32 der zweiten Brennstoffzelle 14 teilweise überlappt. In dem überlappenden Bereich ist dabei die Interkonnektoreinheit 16 in der Elektrolytschicht 34 angeordnet. Alternativ kann jedoch auf eine Überlappung einer Kathode und einer Anode verzichtet werde.
  • 1 zeigt weiterhin, dass die Brennstoffzellenvorrichtung 46 einen Trägerkörper 40 aufweist. Der Trägerkörper 40 kann zum Beispiel aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Materialien ausgebildet sein. Grundsätzlich kann es sich bei dem Trägerkörper 40 sowohl um einen rohrförmigen beziehungsweise tubular ausgebildeten Trägerkörper als auch um einen planar ausgebildeten Trägerkörper handeln. Die Brennstoffzellenvorrichtung 46 kann daher sowohl als eine planare Brennstoffzellenvorrichtung als auch vorzugsweise als eine tubulare Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein. Die Brennstoffzelleneinheit 10 kann dabei insbesondere auf einer Innenseite oder auf einer Außenseite, vorzugsweise jedoch, wie hier dargestellt, auf der Innenseite, des Trägerkörpers 40 aufgebracht sein. 1 veranschaulicht, dass dabei die Kathoden 24, 26 der Brennstoffzellen 12, 14 beziehungsweise die Kathodenschicht 22 der Brennstoffzelleneinheit 10 an den Trägerkörper 40 angrenzen. Die Anoden 30, 32 der Brennstoffzellen 12, 14 beziehungsweise die Anodenschicht 28 der Brennstoffzelleneinheit 10 liegt dabei offen beziehungsweise ist frei zugänglich. Der Trägerkörper 40 weist in dem an die Brennstoffzellen 12, 14 angrenzenden Abschnitt gasdurchlässige Poren und/oder Öffnungen auf.
  • Die Interkonnektoreinheit 16 ist zweilagig ausgebildet. Eine erste Lage 18 der Interkonnektoreinheit 16 ist zumindest im Wesentlichen von einem manganbasierten Perowskit gebildet. Das manganbasierte Perowskit weist die allgemeine chemische Formel La1-xSrxAyMn1-yO3 auf, mit 0,05 < x < 0,6, 0,05 < y < 0,6 und A = Scandium (Sc), Titan (Ti), Niob (Nb) oder Tantal (Ta). Eine zweite Lage 20 der Interkonnektoreinheit 16 ist zumindest im Wesentlichen von einem nickelbasierten Perowskit gebildet. Das nickelbasierte Perowskit weist die allgemeine chemische Formel LaNixFe1-xO3 auf, mit 0,05 < x < 0,6. Die Lagen 18, 20 der Interkonnektoreinheit 16 sind derart angeordnet, dass die erste Lage 18 der Interkonnektoreinheit 16 in Richtung der Anodenschicht 28 und die zweite Lage 20 der Interkonnektoreinheit 16 in Richtung der zumindest einen Kathodenschicht 22 weist.
  • Durch die erste Lage 18, welche zumindest im Wesentlichen von dem manganbasierten Perowskit gebildet ist, weist die Interkonnektoreinheit 16 insbesondere in einer anodischen Atmosphäre eine ausreichend hohe Leitfähigkeit (5 S/cm bei 850°C) auf. Gleichzeitig schützt die erste Lage 18 die darunter liegende zweite Lage 20, welche zumindest im Wesentlichen von dem nickelbasierten Perowskit gebildet ist, vor schädlichen Einflüssen durch die anodischen Atmosphäre. Die zweite Lage 20 ist aufgrund der guten Sintereigenschaften des nickelbasierten Perowskit vorteilhaft gasdicht ausgebildet, wodurch ein Austreten von Brenngas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 46 vorteilhaft verhindert werden kann. Durch den zweilagigen Aufbau der Interkonnektoreinheit 16 sind die positiven Materialeigenschaften des manganbasierten Perowskit der ersten Lage 18 und des nickelbasierten Perowskit der zweiten Lage 20 vorteilhaft miteinander kombiniert.

Claims (9)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit (10), welche zumindest zwei Brennstoffzellen (12, 14) und eine Interkonnektoreinheit (16), welche dazu vorgesehen ist, die zumindest zwei Brennstoffzellen (12, 14) seriell miteinander zu verschalten, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Interkonnektoreinheit (16) zumindest zwei Lagen (18, 20) aufweist, welche aus voneinander verschiedenen Materialien gebildet sind.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Interkonnektoreinheit (16) zumindest eine erste Lage (18) aufweist, welche von einem manganbasierten Perowskit gebildet ist.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Interkonnektoreinheit (16) zumindest eine zweite Lage (20) aufweist, welche von einem nickelbasierten Perowskit gebildet ist.
  4. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (10) zumindest eine Kathodenschicht (22), welche dazu vorgesehen ist Kathoden (24, 26) der zumindest zwei Brennstoffzellen (12, 14) auszubilden, zumindest eine Anodenschicht (28), welche dazu vorgesehen ist Anoden (30, 32) der zumindest zwei Brennstoffzellen (12, 14) auszubilden, und zumindest eine Elektrolytschicht (34), welche dazu vorgesehen ist Elektrolyten (36, 38) der zumindest zwei Brennstoffzellen (12, 14) auszubilden, umfasst.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Brennstoffzellen (12, 14) innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (10) derart angeordnet sind, dass eine Kathode (24) einer ersten Brennstoffzelle (12) eine Anode (32) einer zweiten Brennstoffzelle (14) zumindest teilweise überlappt.
  6. Brennstoffzellenvorrichtung zumindest nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Interkonnektoreinheit (16) innerhalb der Elektrolytschicht (34) der Brennstoffzelleneinheit (10) angeordnet ist.
  7. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine erste Lage (18) der Interkonnektoreinheit (16) in Richtung der zumindest einen Anodenschicht (28) und die zumindest eine zweite Lage (20) der Interkonnektoreinheit (16) in Richtung der zumindest einen Kathodenschicht (22) weist.
  8. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen Trägerkörper (40), auf welchem die Brennstoffzelleneinheit (10) angeordnet ist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung (46) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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