DE102017208229A1

DE102017208229A1 - Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102017208229A1
Application number: DE102017208229.1A
Authority: DE
Inventors: Eric Matte; Nicolas Maier; Piero Lupetin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-11-22

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Trägerelement (14a, 14b, 14c) und mit einer Brennstoffzelleneinheit (10a, 10b, 10c), welche zumindest ein an dem Trägerelement (14a, 14b, 14c) angeordnetes Kathodenelement (16a, 16b, 16c), zumindest ein Anodenelement (18a, 18b, 18c) und zumindest ein zwischen dem Kathodenelement (16a, 16b, 16c) und Anodenelement (18a, 18b, 18c) angeordnetes Elektrolyt (20a, 20b, 20c) aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass das Kathodenelement (16a, 16b, 16c) zu wenigstens einem Großteil aus einem Lanthan-haltigen Oxid ausgebildet ist, wobei das Lanthan-haltige Oxid zumindest ein Übergangsmetall aufweist.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung bekannt, mit einem Trägerelement und einer Brennstoffzelleneinheit, welche ein an dem Trägerelement angeordnetes Kathodenelement und ein Anodenelement aufweist, wobei zwischen dem Kathodenelement und dem Anodenelement ein Elektrolyt angeordnet ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Trägerelement, welches vorteilhaft zu wenigstens einem Großteil von einem Forsterit ausgebildet ist, und mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche zumindest ein an dem Trägerelement angeordnetes Kathodenelement, zumindest ein Anodenelement und zumindest ein zwischen dem Kathodenelement und dem Anodenelement angeordnetes Elektrolyt aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass das Kathodenelement zu wenigstens einem Großteil aus einem Lanthan-Oxid-haltigen Material ausgebildet ist, wobei das Lanthan-Oxid-haltige Material zumindest ein Übergangsmetall aufweist.
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 zumindest einer Brennstoffzelle und vorteilhaft einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Brennstoffzellen verstanden werden, welche insbesondere dazu vorgesehen ist/sind, zumindest eine chemische Energie zumindest eines Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzelle und/oder die Brennstoffzellen sind vorzugsweise als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Unter einem „Trägerelement“ soll insbesondere ein Element verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, die Brennstoffzelleneinheit zu tragen, eine Gewichtskraft der Brennstoffenzelleneinheit aufzunehmen und/oder die Brennstoffzelleneinheit anzuordnen. Vorzugsweise ist das Trägerelement rohrförmig und/oder tubular ausgebildet. Insbesondere kann die Brennstoffzelleneinheit dabei auf einer Außenseite des Trägerelements angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit jedoch auf einer Innenseite des Trägerelements angeordnet. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell 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 dem Ausdruck „zu wenigstens einem Großteil“ sollen ferner insbesondere zumindest 55 %, vorteilhaft zumindest 65 %, vorzugsweise zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 85 % und besonders vorteilhaft zumindest 95 % verstanden werden.
Ferner soll unter einem „Elektrolyt“ insbesondere ein, insbesondere gasförmiges, flüssiges und/oder vorzugsweise festes, Element verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, geladene Atome, Ionen und/oder geladene Teilchen zu leiten und/oder zu führen. Vorzugsweise ist der Elektrolyt von einem von dem Brenngas und/oder dem Oxidationsmittel der Brennstoffzelle verschiedenen Material und bevorzugt aus einem Yttrium-stabilisierten-Zirkonium (YSZ) ausgebildet. Insbesondere weist der Elektrolyt eine Schichtdicke von zumindest 1 µm und bevorzugt von zumindest 10 µm auf. Insbesondere weist der Elektrolyt eine Schichtdicke von höchstens 20 µm auf. Unter einem „Anodenelement“ soll insbesondere ein Element einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand das Brenngas zu oxidieren und/oder Elektronen von dem Brenngas aufzunehmen und bevorzugt dem Kathodenelement bereitzustellen. Insbesondere weist das Anodenelement eine Schichtdicke von zumindest 10 µm, vorteilhaft von zumindest 15 µm und bevorzugt von zumindest 20 µm auf. Insbesondere weist das Anodenelement eine Schichtdicke von höchstens 100 µm, vorteilhaft von höchstens 70 µm und bevorzugt von höchstens 40 µm auf. Insbesondere kontaktiert das Anodenelement dabei den Elektrolyten. Vorzugsweise ist das Anodenelement zumindest teilweise und vorteilhaft zu wenigstens einem Großteil aus einem Nickel-haltigen Material und/oder aus einem Yttrium-stabilisierten Zirkonium ausgebildet. Vorzugsweise ist das Anodenelement ferner schichtförmig ausgebildet und weist vorteilhaft zumindest eine Anodenfunktionsschicht, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, das Brenngas zu oxidieren und/oder Elektronen von dem Brenngas aufzunehmen, und eine Anodenleitschicht, welche insbesondere zu einer Leitung der Elektronen, insbesondere zu dem Kathodenelement, vorgesehen ist, auf. Insbesondere weisen die Anodenleitschicht und die Anodenfunktionsschicht jeweils eine Schichtdicke von zumindest 5 µm und bevorzugt von zumindest 50 µm auf. Insbesondere weisen die Anodenleitschicht und die Anodenfunktionsschicht jeweils eine Schichtdicke von höchstens 20 µm und bevorzugt von höchstens 10 µm auf. Bevorzugt ist die Anodenfunktionsschicht dabei zwischen der Anodenleitschicht und dem Elektrolyt angeordnet. Unter einem „Kathodenelement“ soll insbesondere ein Element der Brennstoffzelleneinheit verstanden werden, welches insbesondere zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet ist und insbesondere dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand das Oxidationsmittel chemisch zu reduzieren und/oder Elektronen an das Oxidationsmittel zu übertragen. Insbesondere kontaktiert das Kathodenelement dabei den Elektrolyten. Ferner ist das Kathodenelement vorzugsweise schichtförmig ausgebildet und umfasst insbesondere zumindest eine Kathodenleitschicht, welche insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet und dazu vorgesehen ist, eine Leitung und/oder eine Übertragung der Elektronen für die chemische Reduktion des Oxidationsmittels bereitzustellen, und bevorzugt eine Kathodenfunktionsschicht, welche insbesondere zwischen der Kathodenleitschicht und dem Elektrolyt angeordnet und insbesondere dazu vorgesehen ist, einen chemischen Kontakt mit dem Elektrolyt auszubilden und eine Kontaktfläche für die chemische Reduktion des Oxidationsmittels bereitzustellen. Vorteilhaft ist die Kathodenfunktionsschicht aus einem von der Kathodenleitschicht verschiedenem Material ausgebildet.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Lanthan-haltige Oxid vorteilhaft als Lanthan-Nickel-haltiges Oxid, insbesondere mit der allgemeinen Formel (La_1-xA1_x)_1-y(Ni_zD_1-z)O₃, ausgebildet sein. Insbesondere weist das Lanthan-Nickel-haltige Oxid in diesem Fall das Übergangsmetall Nickel (Ni) auf. Vorzugsweise weist das Lanthan-Nickel- haltige Oxid ferner ein Erdalkalimetall A1 auf, wobei das Erdalkalimetall A1 vorteilhaft Strontium (Sr) oder Calcium (Ca) ist. Alternativ kann auf ein Erdalkalimetall A1 verzichtet werden. Darüber hinaus weist das Lanthan-Nickel-haltige Oxid vorteilhaft ein, insbesondere zu dem als Nickel (Ni) ausgebildeten Übergangsmetall verschiedenes, weiteres Übergangsmetall D auf, wobei das weitere Übergangsmetall D vorzugsweise Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) ist. Ferner weist ein erster Konzentrationsindex x der allgemeinen Formel des Lanthan-Nickel-haltigen Oxids insbesondere einen Wert von zumindest 0,05, vorteilhaft von zumindest 0,10 und bevorzugt von zumindest 0,15, und/oder von höchstens 0,30, vorteilhaft von höchstens 0,25 und bevorzugt von 0,2, auf. Insbesondere weist ein zweiter Konzentrationsindex y der allgemeinen Formel des Lanthan-Nickel-haltigen Oxids einen Wert vorteilhaft von zumindest 0,005 und bevorzugt von zumindest 0,010, und/oder von höchstens 0,05, vorteilhaft von höchstens 0,04 und bevorzugt von höchstens 0,03, auf. Insbesondere weist ein dritter Konzentrationsindex z der allgemeinen Formel des Lanthan-Nickel-Oxid-haltigen Materials einen Wert von zumindest 0,2, vorteilhaft von zumindest 0,25 und bevorzugt von 0,3, und/oder von höchstens 0,8, vorteilhaft von höchstens 0,7 und bevorzugt von höchstens 0,6, auf.
Alternativ oder zusätzlich kann das Lanthan-Nickel-haltiges Oxid vorteilhaft als alternatives Lanthan-Nickel-haltige Oxid, insbesondere mit der Formel La₂NiO₄, ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das Lanthan-haltige Oxid vorteilhaft als Lanthan-Kobalt-Eisen-haltiges Oxid, insbesondere mit der allgemeinen Formel (La_1-rA3_r)_1-s(Co_tFe_1-t)O₃, ausgebildet sein. Insbesondere weist das Lanthan-Kobalt-Eisen-haltige Oxid in diesem Fall das Übergangsmetall Kobalt (Co) und/oder das weitere Übergangsmetall Eisen (Fe) auf. Vorzugsweise weist das Lanthan-Kobalt-Eisen-haltige Oxid ein Erdalkalimetall A3 auf, wobei das Erdalkalimetall A3 vorteilhaft Strontium (Sr)) oder Calcium (Ca) ist. Insbesondere weist ein erster Konzentrationsindex r der allgemeinen Formel des Lanthan-Kobalt-Eisen-haltigen Oxids einen Wert von zumindest 0,05, vorteilhaft von zumindest 0,10 und bevorzugt von zumindest 0,15, und/oder von höchstens 0,30, vorteilhaft von höchstens 0,25 und bevorzugt von 0,2, auf. Insbesondere weist ein zweiter Konzentrationsindex s der allgemeinen Formel des Lanthan-Kobalt-Eisen-haltigen Oxids einen Wert vorteilhaft von zumindest 0,005 und bevorzugt von zumindest 0,010, und/oder von höchstens 0,05, vorteilhaft von höchstens 0,04 und bevorzugt von höchstens 0,03, auf. Insbesondere weist ein dritter Konzentrationsindex t der allgemeinen Formel des Lanthan-Kobalt-Eisen-haltiges Oxids einen Wert von zumindest 0,2, vorteilhaft von zumindest 0,25 und bevorzugt von 0,3, und/oder von höchstens 0,8, vorteilhaft von höchstens 0,7 und bevorzugt von höchstens 0,6, auf.
Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit verbesserten Betriebseigenschaften und/oder Herstellungseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann während eines Sinterns der Brennstoffzelleneinheit durch eine Reaktion des Kathodenelements mit dem Elektrolyt eine Bildung einer isolierenden Schicht aus Lanthan Zirkonat (La₂Zr₂O₇), welche eine Funktion des Kathodenelements herabsetzt, verhindert werden, wodurch eine vorteilhaft hohe Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden kann.
Vorzugsweise weist das Lanthan-haltige Oxid zumindest zwei, bevorzugt voneinander verschiedene, Übergangsmetalle auf. Hierdurch kann insbesondere vorteilhaft eine elektrische Leitfähigkeit des Kathodenelements hochgehalten und insbesondere eine hohe Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Lanthan-haltige Oxid zumindest zwei voneinander verschiedene Übergangsmetalle aufweist, wobei zumindest eines der Übergangsmetalle Kobalt (Co), Eisen (Fe) oder Nickel (Ni) ist. Vorzugsweise weist das Lanthan-Oxid-haltige Material Nickel (Ni) und Eisen (Fe) auf. Vorzugsweise weist das Lanthan-Nickel-haltige Oxid die allgemeine Formel (La_1-xA1_x)_1-y(Ni_zD_1-z)O₃ mit 0,00<x<0,30, 0,05<y<0 und 0,2<z< 0,6 und mit Al= Strontium (Sr), oder Calcium (Ca), D= Eisen(Fe) oder Cobalt (Co) auf. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhaft eine elektrische Leitfähigkeit des Kathodenelements hochgehalten sowie Herstellungs- und/oder Materialkosten gering gehalten werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kathodenelement zu wenigstens einem Großteil aus einem gemischten elektronischen und ionischen Leiter (MIEC) ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Kathodenelement zu wenigstens einem Großteil aus einem Lanthan-Kobalt-Eisen-haltiges Oxid mit der allgemeinen Formel (La_1-r(A3)_r)_s(Co_tFe_1-t)O₃ mit 0,05<r<0,30, 0,05<s<0 und 0,2<t<0,8 und mit A3= Strontium (Sr), Barium (Ba) oder Calcium (Ca), insbesondere LSCF, ausgebildet. Insbesondere sind die Kathodenleitschicht und die Kathodenfunktionsschicht des Kathodenelements aus MIEC und bevorzugt einstückig ausgebildet. Unter „einstückig“ soll insbesondere stoffschlüssig verbunden, beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, mittels einer Lamination oder durch einen anderen Prozess hergestellte Folien und/oder mittels eines dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Verfahrens, verstanden werden. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere eine hohe elektrische Leitfähigkeit des Materials des Kathodenelements bereitgestellt werden, wodurch eine hohe Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kathodenelement zumindest teilweise aus Cerium-Gadolinium-Oxid (CGO) ausgebildet ist. Bevorzugt sind die Kathodenleitschicht und die Kathodenfunktionsschicht des Kathodenelements einstückig ausgebildet. Vorzugsweise ist das Kathodenelement zumindest teilweise aus MIEC und zumindest teilweise aus CGO ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung können insbesondere eine ionische Leitfähigkeit des Kathodenelements sowie vorteilhaft eine Reaktionsaktivität des Kathodenelements hoch gehalten werden.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest ein Schutzelement, welches dazu vorgesehen ist, das Kathodenelement vor dem Elektrolyt zumindest chemisch zu schützen. Darunter, dass das Schutzelement dazu vorgesehen ist, „das Kathodenelement vor dem Elektrolyt zumindest chemisch zu schützen“, soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Schutzelement eine chemische Reaktion zwischen dem Material des Kathodenelements und dem Material des Elektrolyt verhindert. Vorteilhaft ist das Schutzelement aus einem chemischen-inerten Material ausgebildet und verhindert bevorzugt bei einem Kontakt eine chemische Reaktion mit einem weiteren Material, insbesondere mit dem Elektrolyt und/oder dem Kathodenelement. Alternativ kann ein Schutzelement auch als eine Opferelektrode ausgebildet sein. Hierdurch kann eine Bildung einer isolierenden Schicht aus Lanthan-Zirkonat (La₂Zr₂O₇) in dem Kathodenelement vorteilhaft vermieden werden, wodurch insbesondere eine vorteilhaft hohe Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht und eine lange Lebensdauer sowie ein geringer Wartungsaufwand erreicht werden kann.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest ein Schutzelement, vorteilhaft das bereits zuvor genannte Schutzelement oder ein weiteres Schutzelement, aufweist, welche zwischen dem Kathodenelement und dem Elektrolyt angeordnet und dazu vorgesehen ist, das Kathodenelement vor dem Elektrolyt zumindest chemisch zu schützen. Dadurch kann insbesondere eine hohe Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht und vorteilhaft eine lange Lebensdauer sowie ein geringer Wartungsaufwand erreicht werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest ein Schutzelement, vorteilhaft das bereits zuvor genannte Schutzelement oder ein weiteres Schutzelement, aufweist, welches zu wenigstens einem Großteil aus Cerium Gadolinium Oxid (CGO) ausgebildet ist. Insbesondere ist das aus CGO gebildete Schutzelement vorteilhaft im chemischen Kontakt mit MIEC chemisch inert. Zudem ist das aus CGO ausgebildete Schutzelement im chemischen Kontakt mit YSZ chemisch inert. Alternativ kann ein Schutzelement auch aus LSM ausgebildet sein. Dadurch kann insbesondere eine Bildung einer Sekundärphase in dem Kathodenelement vorteilhaft vermieden werden, wodurch eine vorteilhaft hohe Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht und eine lange Lebensdauer sowie ein geringer Wartungsaufwand erreicht werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Kathodenelement zumindest eine erste Lage aufweist, welche zu wenigstens einem Großteil aus einem Lanthan-haltigen Oxid ausgebildet ist, und eine zweite Lage, welche zumindest teilweise aus einem Yttrium-stabilisierten Zirkonium (YSZ) ausgebildet ist. Insbesondere ist die erste Lage als die Kathodenleitschicht ausgebildet und mit dem Trägerelement kontaktiert. Insbesondere ist die zweite Lage als die Kathodenfunktionsschicht ausgebildet und kontaktiert den Elektrolyt. Insbesondere ist die Kathodenfunktionsschicht zumindest teilweise aus LSM und zumindest teilweise aus YSZ ausgebildet. Durch die Ausgestaltung kann insbesondere eine Lebensdauer des Kathodenelements hoch gehalten und Wartungs- sowie Materialkosten vorteilhaft eingespart werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest ein Schutzelement, vorteilhaft das bereits zuvor genannte Schutzelement oder ein weiteres Schutzelement, aufweist, welches zwischen der ersten Lage des Kathodenelements, insbesondere der Kathodenleitschicht, und der zweiten Lage des Kathodenelements, insbesondere der Kathodenfunktionsschicht, angeordnet und zumindest teilweise aus einem Lanthan-Strontium-Manganoxid (LSM), insbesondere mit der Formel (La,Sr)MnO₃, ausgebildet ist. Insbesondere ist das Schutzelement in diesem Fall zwischen der Kathodenleitschicht und der Kathodenfunktionsschicht angeordnet und dazu vorgesehen, die Kathodenleitschicht zumindest chemisch vor der Kathodenfunktionsschicht zu schützen. Durch die Ausgestaltung kann insbesondere eine Lebensdauer des Kathodenelements hoch gehalten und Wartungs- sowie Materialkosten vorteilhaft eingespart sowie eine hohe Effizienz der Brennstoffzellevorrichtung erreicht werden.
Um eine vorteilhaft hohe Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung zu erreichen wird ferner vorgeschlagen, dass das Kathodenelement, insbesondere die Kathodenleitschicht, eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 150 S/cm, vorteilhaft von zumindest 250 S/cm, bevorzugt von zumindest 350 S/cm und besonders bevorzugt von zumindest 400 S/cm aufweist.
Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Kathodenelement einer Brennstoffzelleneinheit zu wenigstens einem Großteil aus einem Lanthan-haltigen Oxid ausgebildet wird, wobei das Lanthan-haltige Oxid Material zumindest ein Übergangsmetall aufweist, und das Kathodenelement an zumindest einem Trägerelement, welches insbesondere zu wenigstens einem Großteil aus einem Forsterit ausgebildet ist, angeordnet wird. Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit verbesserten Betriebseigenschaften und/oder Herstellungseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann während eines Sinterns der Brennstoffzelleneinheit durch eine Reaktion des Kathodenelements mit dem Elektrolyt eine Bildung einer isolierenden Schicht aus Lanthan-Zirconat (La₂Zr₂O₇), welche eine Funktion des Kathodenelements herabsetzt, verhindert werden, wodurch eine vorteilhaft hohe Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden kann.
Die Brennstoffzellenvorrichtung und das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können die Brennstoffzellenvorrichtung und das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele 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 zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit,
2 einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit und
3 einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer hier lediglich teilweise dargestellten Brennstoffzellenvorrichtung.
Die Brennstoffzellenvorrichtung weist ein Trägerelement 14a auf. Grundsätzlich kann es sich bei dem Trägerelement 14a sowohl um ein rohrförmig tubular ausgebildetes Trägerelement als auch um ein planar ausgebildetes Trägerelement handeln. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann daher sowohl als eine planare Brennstoffzellenvorrichtung als auch vorzugsweise als eine tubulare Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein. Das Trägerelement 14a ist im gezeigten Ausschnitt des Ausführungsbeispiel als eine Schicht ausgebildet. Das Trägerelement 14a weist eine Schichtdicke von zumindest 1 mm und höchstens 2 mm auf. Das Trägerelement 14a ist zumindest teilweise aus einem keramisch gestützten Forsterit ausgebildet.
Die Brennstoffzellenvorrichtung weist eine Brennstoffzelleneinheit 10a auf. Die Brennstoffzelleneinheit 10a kann insbesondere auf einer Innenseite oder auf einer Außenseite, vorzugsweise jedoch, wie hier dargestellt, auf der Innenseite, des Trägerelements 14a aufgebracht sein. Die Brennstoffzelleneinheit 10a umfasst hier beispielhaft dargestellt zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzellen 28a, 30a. Die Brennstoffzellen 28a, 30a sind über eine Interkonnektoreinheit 32a in Reihe geschaltet. Die Brennstoffzelleneinheit 10a ist in Form eines mehrlagigen Schichtsystems ausgebildet, wobei die Brennstoffzellen 28a, 30a nebeneinander ausgebildet sind.
Die Brennstoffzelleneinheit 10a umfasst ein Anodenelement 18a. Das Anodenelement 18a bildet mehrere Anoden 38a, 40a der Brennstoffzellen 28a, 30a aus. Das Anodenelement 18a ist schichtförmig ausgebildet. Das Anodenelement 18a weist eine Schichtdicke zwischen 10 µm und 100 µm und bevorzugt zwischen 20 µm und 40 µm auf. Das Anodenelement 18a weist zwei Schichten, insbesondere eine Anodenfunktionsschicht 42a und eine Anodenleitschicht 44a, auf. Die Anodenfunktionsschicht 42a und die Anodenleitschicht 44a sind flächig entlang einer Längserstreckungsrichtung 52a der Brennstoffzelleneinheit 10a kontaktiert. Die Anodenfunktionsschicht 42a ist aus Nickel (Ni) und einem Yttrium-stabilisierten Zirkonium (YSZ) ausgebildet. Die Anodenleitschicht 44a ist aus Nickel (Ni) und einem Yttrium-stabilisierten Zirkonium (YSZ) ausgebildet. Vorzugsweise weist die Anodenleitschicht einen höheren Nickelgehalt als die Anodenfunktionsschicht auf. Die Anodenfunktionsschicht 42a und die Anodenleitschicht 44a weisen jeweils eine Schichtdicke zwischen 5 µm und 50 µm und bevorzugt zwischen 10 µm und 20 µm auf.
Die Brennstoffzelleneinheit 10a umfasst einen Elektrolyt 20a. Der Elektrolyt 20a ist als eine Schicht ausgebildet. Der Elektrolyt 20a bildet eine Mehrzahl an Elektrolytelementen 45a, 46a der Brennstoffzellen 28a, 30a aus. Der Elektrolyt 20a weist eine Schichtdicke von zumindest 1 µm und bevorzugt zwischen 10 µm und 20 µm auf. Der Elektrolyt 20a ist aus einem Yttrium-stabilisierten Zirkoniumdioxid (YSZ) ausgebildet. Der Elektrolyt 20a kontaktiert die Anodenfunktionsschicht 42a entlang der Längserstreckungsrichtung 52a der Brennstoffzelleneinheit 10a flächig.
Die Brennstoffzelleneinheit 10a umfasst ein Kathodenelement 16a. Das Kathodenelement 16a weist eine Mehrzahl an Kathoden 34a, 36a der Brennstoffzellen 28a, 30a aus. Das Kathodenelement 16a ist schichtförmig ausgebildet. Das Kathodenelement 16a kontaktiert das Trägerelement 14a an einer ersten Seite des Kathodenelements 16a. Das Kathodenelement 16a kontaktiert den Elektrolyten 20a an einer, der ersten Seite des Kathodenelements 16a abgewandten, zweiten Seite des Kathodenelements 16a. Das Kathodenelement 16a ist zu wenigstens einem Großteil aus einem Lanthan-haltigen Oxid gebildet. Im vorliegenden Fall ist das Kathodenelement zum Großteil aus einem Lanthan-Nickel-haltigen Oxid mit der allgemeinen Formel (La_1-xA1_x)_1-y(Ni_zD_1-z)O₃ mit 0,0<x<0,30, 0,05<y<0 und 0,2<z< 0,6 und mit Al= Strontium (Sr), oder Calcium (Ca), D= Eisen(Fe) oder Cobalt (Co) gebildet. Vorteilhaft weist das Lanthan-haltige Oxid des Kathodenelements 16a zumindest ein Übergangsmetall und bevorzugt zwei voneinander verschiedene Übergangsmetalle auf, wobei zumindest eines der Übergangsmetalle Kobalt, Eisen oder Nickel ist.
Alternativ oder zusätzlich kann das Kathodenelement 16a zumindest teilweise aus einem Lanthan-Nickel-haltigen Oxid mit der Formel La₂NiO₄ ausgebildet sein. Zudem kann das Kathodenelement 16a aus einem ein Lanthan-Nickel-Eisen-haltigen Oxid mit der Formel La(Ni,Fe)O₃ ausgebildet sein. Weiterhin kann das Kathodenelement 16a aus einem Lanthan-Kobalt-Eisen-haltigen Oxid mit der allgemeinen Formel (La_1-r(A3)_r)_s(Co_tFe_1-t)O₃ mit 0,05<r<0,30, 0,05<s<0 und 0,2<t<0,8 und mit A3= Strontium (Sr) oder Calcium (Ca), insbesondere LSCF, ausgebildet sein. Zudem ist denkbar, das Kathodenelement 16a aus einem Lanthan-Nickel-Kobalt-haltigen Oxid, wie beispielsweise LaNi_0,6Co_0,4O₃ oder La-Ni_0,4Co_0,6O₃, auszubilden.
Das Kathodenelement 16a weist eine erste Lage 26a auf. Die erste Lage 26a des Kathodenelements 16a ist als eine Kathodenleitschicht ausgebildet. Die erste Lage 26a kontaktiert das Trägerelement 14a entlang der Längserstreckungsrichtung 52a der Brennstoffzelleneinheit 10a flächig. Die erste Lage 26a ist teilweise aus dem Lanthan-Nickel-haltigen Oxid mit der allgemeinen Formel (La_1-xA1_x)_1-y(Ni_zD_1-z)O₃ ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Lage 26a auch aus einem Lanthan-Strontium-Mangan- haltigen (LSM) Oxid mit der chemischen Formel (La,Sr)MnO₃ ausgebildet sein. Zudem kann die erste Lage 26a aus einem Lanthan-Nickel-Eisen-Oxid-haltigen Material, wie beispielsweise LaNi_0,6Fe_0,4O₃, ausgebildet sein. Zudem ist denkbar, die erste Lage 26a aus einem Lanthan-Nickel-Kobalt-Oxid-haltigen Material, wie beispielsweise La-Ni_0,6Co_0,4O₃ oder LaNi_0,4Co_0,6O₃, auszubilden.
Die erste Lage 26a weist eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 150 S/cm auf. Die erste Lage 26a weist zudem eine Porosität bevorzugt zwischen 20 % und 40 % auf.
Weiterhin umfasst das Kathodenelement 16a eine zweite Lage 24a. Die zweite Lage 24a ist als eine Kathodenfunktionsschicht ausgebildet. Die zweite Lage 24a ist schichtförmig ausgebildet. Die zweite Lage 24a kontaktiert den Elektrolyten 20a entlang der Längserstreckungsrichtung 52a der Brennstoffzelleneinheit 10a an einer der ersten Seite abgewandten, zweiten Seite der zweite Lage 24a flächig. Die zweite Lage 24a ist teilweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirconium Oxid (YSZ) und teilweise aus einem Lanthan-Strontium-Mangan-haltigen (LSM) Oxidausgebildet. Die zweite Lage 24a ist dazu vorgesehen, mit dem Elektrolyt 20a kontaktiert zu sein und das Oxidationsmittel chemisch zu reduzieren.
Zudem weist die Brennstoffzellenvorrichtung ein Schutzelement 22a auf. Das Schutzelement 22a ist in die Brennstoffzelleneinheit 10a integriert. Das Schutzelement 22a ist in das Kathodenelement 16a integriert. Das Schutzelement 22a ist schichtförmig ausgebildet. Das Schutzelement 22a kontaktiert die erste Lage 26a entlang der Längserstreckungsrichtung 52a der Brennstoffzelleneinheit 10a an einer ersten Seite des Schutzelements 22a flächig. Das Schutzelement 22a kontaktiert die zweite Lage 24a entlang der Längserstreckungsrichtung 52a der Brennstoffzelleneinheit 10a an einer der ersten Seite des Schutzelements 22a abgewandten zweiten Seite des Schutzelements 22a flächig. Das Schutzelement 22a ist zwischen der ersten Lage 26a und der zweiten Lage 24a angeordnet. Das Schutzelement 22a ist aus einem Lanthan-Strontium-Mangan-Oxid (LSM) haltigen Material gebildet. Das Schutzelement 22a ist dazu vorgesehen, das Kathodenelement 16a vor dem Elektrolyt 20a zumindest chemisch zu schützen. Das Schutzelement 22a ist dazu vorgesehen, die erste Lage 26a vor dem Elektrolyt 20a zumindest chemisch zu schützen. Das Schutzelement 22a ist gegenüber den angrenzenden Schichten chemisch inert ausgebildet, wobei eine chemische Reaktion mit der ersten Lage 26a verhindert ist.
In den 2 und 3 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in der 1 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 2 bis 3 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis c ersetzt.
In der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Buchstabe b nachgestellt. Das weitere Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich von dem vorherigen Ausführungsbeispiel zumindest im Wesentlichen durch eine Ausgestaltung eines Kathodenelements 16b einer Brennstoffzelleneinheit 10b.
Das Kathodenelement 16b des weiteren Ausführungsbeispiels ist einstückig ausgebildet. Das Kathodenelement 16b ist als ein gemischter elektronischer und ionischer Leiter (MIEC) ausgebildet. Das Kathodenelement 16b ist aus einem Lanthan-Kobalt-Eisen-haltigen Oxid mit der allgemeinen Formel (La_1-r(A3)_r)_s(Co_tFe_1-t)O₃ mit 0,05<r<0,30, 0,05<s<0 und 0,2<t<0,8 und mit A3= Strontium (Sr), Barium (Ba) oder Calcium (Ca), insbesondere LSCF, ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann das Kathodenelement 16b aus einem Lanthan-Nickel-Oxid-haltigen Material (LNO) mit der chemischen Formel La₂NiO₄ und/oder einem Lanthan-Nickel-Eisen-haltigen Oxid (LNF) mit der allgemeinen Formel (La_1-xA1_x)_1-y(Ni_zD_1-z)O₃ mit 0,0<x<0,30, 0,05<y<0 und 0,2<z< 0,6 und mit Al= Strontium (Sr), oder Calcium (Ca), D= Eisen(Fe) oder Cobalt (Co) ausgebildet sein.
Zudem umfasst die Brennstoffzelleneinheit 10b ein Schutzelement 22b. Das Schutzelement 22b ist aus einem Cerium-Gadolinium-Oxid-haltigen Material (CGO) ausgebildet. Zudem kontaktiert das Schutzelement 22b das Kathodenelement 16b entlang einer Längserstreckungsrichtung 52b der Brennstoffzelleneinheit 10b an einer ersten Seite des Schutzelements 22b flächig. Das Schutzelement 22b kontaktiert ein Elektrolyt 20b der Brennstoffzelleneinheit 10b entlang der Längserstreckungsrichtung 52b der Brennstoffzelleneinheit 10b an einer ersten Seite des Schutzelements 22b flächig. Das Schutzelement 22b ist in zumindest einer, insbesondere senkrecht zur Längserstreckungsrichtung 52b der Brennstoffzelleneinheit 10b ausgerichteten, Richtung betrachtet zwischen dem Kathodenelement 16b und dem Elektrolyt 20b angeordnet.
In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dem Ausführungsbeispiel der 3 ist der Buchstabe c nachgestellt. Das weitere Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von dem vorherigen Ausführungsbeispiel zumindest im Wesentlichen durch eine Ausgestaltung eines Kathodenelements 16c einer Brennstoffzelleneinheit 10c.
Das Kathodenelement 16c des weiteren Ausführungsbeispiels ist einstückig ausgebildet. Das Kathodenelement 16c ist teilweise aus einem gemischten elektronischen und ionischen Leiter (MIEC) ausgebildet. Das Kathodenelement 16c ist teilweise aus einem gemischten elektronischen und ionischen Leiter (MIEC) ausgebildet.

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Trägerelement (14a, 14b, 14c) und mit einer Brennstoffzelleneinheit (10a, 10b, 10c), welche zumindest ein an dem Trägerelement (14a, 14b, 14c) angeordnetes Kathodenelement (16a, 16b, 16c), zumindest ein Anodenelement (18a, 18b, 18c) und zumindest ein zwischen dem Kathodenelement (16a, 16b, 16c) und dem Anodenelement (18a, 18b, 18c) angeordnetes Elektrolyt (20a, 20b, 20c) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenelement (16a, 16b, 16c) zu wenigstens einem Großteil aus einem Lanthan-haltigen Oxid ausgebildet ist, wobei das Lanthan-haltige Oxid zumindest ein Übergangsmetall aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lanthan-haltige Oxid zumindest zwei voneinander verschiedene Übergangsmetalle aufweist, wobei zumindest eines der Übergangsmetalle Kobalt, Eisen oder Nickel ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenelement (16b, 16c) zumindest teilweise als ein gemischter elektronischer und ionischer Leiter (MIEC) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenelement (16c) zumindest teilweise aus Cerium-Gadolinium-Oxid (CGO) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Schutzelement (22b, 22c), welches zwischen dem Kathodenelement (16b, 16c) und dem Elektrolyt (20b, 20c) angeordnet und dazu vorgesehen ist, das Kathodenelement (16b, 16c) vor dem Elektrolyt (20b, 20c) zumindest chemisch zu schützen.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Schutzelement (22b, 22c), welches zu wenigstens einem Großteil aus Cerium-Gadolinium-Oxid (CGO) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenelement (16a) zumindest eine erste Lage (24a) aufweist, welche zumindest teilweise aus einem Lanthan-haltigen Oxid ausgebildet ist, und eine zweiten Lage (26a) aufweist, welche zumindest teilweise aus einem Yttrium-stabilisierten Zirkonium Oxid (YSZ) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch zumindest ein Schutzelement (22a), welches zwischen der ersten Lage (26a) des Kathodenelements (16a) und der zweiten Lage (24a) des Kathodenelements (16a) angeordnet und zumindest teilweise aus einem Lanthan-Strontium-Manganoxid (LSM) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Kathodenelement (16a, 16b, 16c) einer Brennstoffzelleneinheit zu wenigstens einem Großteil aus einem Lanthan-haltigen Oxid ausgebildet wird, wobei das Lanthan-haltige Oxid zumindest ein Übergangsmetall aufweist, und das Kathodenelement (16a, 16b, 16c) an zumindest einem Trägerelement (14a, 14b, 14c) angeordnet wird.