DE10210697A1

DE10210697A1 - Verfahren zum Herstellen einer Deckschicht auf einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit

Info

Publication number: DE10210697A1
Application number: DE10210697A
Authority: DE
Inventors: Hans-Rainer Zerfas; Peter Schenk
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: DE10210697B4

Abstract

Um an einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einer Brennstoffzelle einen Untergrund zu schaffen, welcher für die anschließende Erzeugung der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit auf dem Substrat geeignet ist, wird ein Verfahren zum Herstellen einer Deckschicht auf einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, wobei die Deckschicht als Untergrund für die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit dient und wobei die Deckschicht aus einem Deckschicht-Vormaterial gebildet wird, welches ein Bindemittel umfaßt, wobei als Bindemittel ein Kautschuk verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Deckschicht auf einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einer Brennstoffzelle, wobei die Deckschicht als Untergrund für die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit dient.

Es ist bekannt, eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, mittels eines Plasmaspritzverfahrens auf einem Substrat zu erzeugen.

Das Substrat kann beispielsweise als ein Metalldrahtgestrick ausgebildet sein.

Auf das Substrat wird zunächst die Anode, dann der Elektrolyt und abschließend die Kathode aufgespritzt.

Um den Durchtritt eines Brenngases durch das Substrat hindurch zur Anode zur ermöglichen, muß das Substrat einerseits ausreichend porös sein. Andererseits muß das Substrat, da es als integrierter Träger für die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit dient, eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen.

Um eine ausreichende Gasdurchlässigkeit des Substrats zu gewährleisten, wird häufig ein relativ grobmaschiges Drahtgestrick als Substrat verwendet. Ein solches grobmaschiges Drahtgestrick läßt sich jedoch nur schwer in einem Plasmaspritzverfahren beschichten, da dessen Oberseite einen zu rauhen Untergrund darstellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, an einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einer Brennstoffzelle einen Untergrund zu schaffen, welcher für die anschließende Erzeugung der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit auf dem Substrat geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer Deckschicht auf einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einer Brennstoffzelle gelöst, wobei die Deckschicht als Untergrund für die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit dient und wobei die Deckschicht aus einem Deckschicht-Vormaterial gebildet wird, welches ein Bindemittel umfaßt, wobei als Bindemittel ein Kautschuk verwendet wird.

Durch das Herstellen der Deckschicht auf dem Substrat wird ein Untergrund geschaffen, dessen Oberflächenbeschaffenheit von der Oberflächenbeschaffenheit des Substrats völlig verschieden sein kann.

So wird es insbesondere möglich, einen glatten Untergrund für die Kathoden- Elektrolyt-Anoden-Einheit zu schaffen, auch wenn das Substrat selbst ein poröses Substrat mit einer unebenen und/oder rauhen Oberflächenstruktur ist.

Dadurch, daß die Deckschicht aus einem Deckschicht-Vormaterial gebildet wird, welches als Bindemittel einen Kautschuk enthält, wird erreicht, daß in der Deckschicht nach dem Auftragen des Deckschicht-Vormaterials auf das Substrat nur eine geringe oder gar keine Separation eintritt und daß das Deckschicht-Vormaterial eine zusammenhängende Schicht bildet, so daß nur ein geringer Teil des Deckschicht-Vormaterials in Poren oder Maschen des Substrats einsinkt.

Unter einem Kautschuk ist dabei in dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen gemäß der Definition in der DIN 53501 vom November 1980 ein unvernetztes, aber vernetzbares (vulkanisierbares) Polymer mit kautschukelastischen Eigenschaften bei einer Temperatur von 20°C zu verstehen.

Ein Kautschuk als Bindemittel enthaltendes Deckschicht-Vormaterial hat sich - im Vergleich zu beispielsweise ein Acrylatharz als Bindemittel enthaltenden Vormaterialien - als besonders geeignet erwiesen, auf dem Substrat eine Deckschicht zu bilden, welche einen geeigneten Untergrund für die Kathoden- Elektrolyt-Anoden-Einheit einer Brennstoffzelle bildet.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn als Bindemittel ein Acrylat- Kautschuk verwendet wird.

Der Gewichtsanteil des Kautschuks an dem Deckschicht-Vormaterial beträgt vorteilhafterweise ungefähr 2 Gewichts-% bis ungefähr 30 Gewichts-%, vorzugsweise ungefähr 3 Gewichts-% bis ungefähr 5 Gewichts-%.

Ferner kann das Deckschicht-Vormaterial als Lösungsmittel einen Ester, ein Keton und/oder einen Alkohol umfassen.

Ferner ist es von Vorteil, wenn das Deckschicht-Vormaterial einen Weichmacher umfaßt.

Als Weichmacher können insbesondere Phthalsäureester, vorzugsweise ein Dioctylphthalat und/oder ein Dibutylphthalat, verwendet werden.

Um eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Substrat und der darauf angeordneten Elektrode der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit herzustellen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das Deckschicht-Vormaterial ein elektrisch leitfähiges Material, vorzugsweise ein metallisches Material, umfaßt.

Das elektrisch leitfähige Material kann insbesondere in Form eines in dem Deckschicht-Vormaterial dispergierten Pulvers, insbesondere eines Metallpulvers, verwendet werden.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß eine Deckschicht aus dem Deckschicht-Vormaterial auf einer Trägerfläche eines Trägerkörpers gebildet und anschließend das Substrat mit der Deckschicht verbunden wird.

Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, über die Beschaffenheit der Trägerfläche des Trägerkörpers die Beschaffenheit der Oberfläche der Deckschicht in gewünschter Weise einzustellen.

Insbesondere kann durch Verwendung einer im wesentlichen glatten Trägerfläche eine Deckschicht mit einer im wesentlichen glatten Oberfläche erzeugt werden.

Grundsätzlich wäre es möglich, eine - beispielsweise zylindrisch - gekrümmte oder gewellte Trägerfläche zu verwenden.

Zur Erzeugung planarer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten wird jedoch vorzugsweise eine Trägerfläche verwendet, die im wesentlichen eben ist.

Der Trägerkörper kann grundsätzlich aus jedem Material gebildet werden, das eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Trägerkörper ein keramisches Material umfaßt.

Besonders günstig ist es, wenn der Trägerkörper ganz aus einem keramischen Material besteht.

Um die Deckschicht mit dem darin eingebrachten Substrat möglichst leicht und beschädigungsfrei von der Trägerfläche lösen zu können, ist es günstig, wenn die Trägerfläche mit einer Antihaftbeschichtung versehen ist.

Eine solche Antihaftbeschichtung kann insbesondere ein Polytetrafluorethylen und/oder ein modifiziertes Polytetrafluorethylen umfassen.

Unter einem "modifizierten Polytetrafluorethylen" ist dabei ein Polytetrafluorethylen-ähnlicher Stoff zu verstehen, bei welchem die Molekülstruktur des Polytetrafluorethylens dadurch chemisch modifiziert worden ist, daß die Fluoratome des Polytetrafluorethylens teilweise durch Substituenten ersetzt sind.

Insbesondere kann die Antihaftbeschichtung ein Polytetrafluorethylen-Compound oder ein modifiziertes Polytetrafluorethylen-Compound umfassen.

Unter einem "Polytetrafluorethylen-Compound" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ein Gemisch aus Polytetrafluorethylen und mindestens einem organischen oder anorganischen Füllstoff zu verstehen.

Unter einem "modifizierten Polytetrafluorethylen-Compound" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ein Gemisch zu verstehen, welches ein modifiziertes Polytetrafluorethylen und mindestens einen organischen oder anorganischen Füllstoff umfaßt.

Um den Trägerkörper gemeinsam mit der Deckschicht und dem Substrat einer Sinterbehandlung unterziehen zu können, ist es günstig, wenn der Trägerkörper bis zu einer Temperatur von mindestens ungefähr 800°C, vorzugsweise von mindestens ungefähr 1100°C, temperaturbeständig ist.

Besonders günstig ist es, wenn die Deckschicht zusammen mit dem Trägerkörper gesintert wird. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, die Deckschicht für den Sintervorgang auf einem gesonderten Träger anzuordnen.

Insbesondere dann, wenn der Trägerkörper bei der Sintertemperatur nicht temperaturbeständig ist, kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Deckschicht von dem Trägerkörper getrennt und nach dem Trennen vom Trägerkörper gesintert wird.

Die Deckschicht kann grundsätzlich in jeder beliebigen Weise auf die Trägerfläche des Trägerkörpers aufgebracht werden.

Insbesondere kann die Deckschicht durch Aufspritzen, Aufwalzen, Gießen, Rakeln, durch ein Siebdruckverfahren und/oder durch ein Schablonendruckverfahren an der Trägerfläche gebildet werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß eine erste Teil-Deckschicht an der Trägerfläche gebildet und getrocknet wird, daß anschließend eine zweite Teil-Deckschicht auf der getrockneten ersten Teil-Deckschicht gebildet wird und daß das Substrat mit der zweiten Teil-Deckschicht verbunden wird. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß zwischen den am weitesten in die Deckschicht eingedrungenen Elementen des Substrats einerseits und der die Unterlage für die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit bildenden Oberfläche der Deckschicht andererseits mindestens eine Schicht von der Dicke der ersten Teil-Deckschicht verbleibt.

Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß eine Deckschicht-Folie aus dem Deckschicht-Vormaterial separat von dem Substrat gebildet und anschließend mit dem Substrat verbunden wird.

Unter einer Folie ist dabei in dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen ein flächiges Gebilde zu verstehen, welches auch ohne Abstützung durch ein externes Element einen Zusammenhalt aufweist.

Ein solches zusammenhängendes flächiges Gebilde kann unabhängig und separat von dem Substrat in großen Mengen auf Vorrat hergestellt und dann je nach Bedarf mit dem Substrat verbunden werden.

Die Deckschicht-Folie kann grundsätzlich durch jedes zur Herstellung einer Folie geeignete Verfahren hergestellt werden.

Insbesondere kann die Deckschicht-Folie durch Extrudieren, Formpressen, Gießen, Rakeln, durch ein Schablonendruckverfahren und/oder durch ein Siebdruckverfahren gebildet werden.

Um die Deckschicht-Folie mit dem Substrat zu verbinden, kann vorgesehen sein, daß die Deckschicht-Folie statisch mit dem Substrat verpreßt wird.

Unter "statischem Verpressen" ist dabei in dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen ein Preßvorgang zu verstehen, bei welchem die Deckschicht-Folie und das Substrat gegeneinander gepreßt werden, ohne daß sich die Deckschicht-Folie und/oder das Substrat senkrecht zur Preßrichtung bewegen.

Im Gegensatz hierzu bewegen sich sowohl die Deckschicht-Folie als auch das Substrat im wesentlichen senkrecht zur Preßrichtung, wenn die Deckschicht-Folie und das Substrat durch Kalandrieren miteinander verbunden werden.

Als Substrat kann jedes Material verwendet werden, welches eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, mechanische Stabilität und Gasdurchlässigkeit aufweist.

Insbesondere kann als Substrat ein Metallgestrick, ein Metallgewebe, ein Metallgeflecht und/oder ein Metallvlies verwendet werden.

Die Deckschicht kann grundsätzlich vor oder nach dem Verbinden mit dem Substrat getrocknet werden.

Um eine besonders innige Verbindung zwischen der Deckschicht und dem Substrat zu erzeugen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Deckschicht nach dem Verbinden mit dem Substrat getrocknet wird.

In diesem Falle wird das Substrat also in die noch feuchte Deckschicht eingebracht, welche noch leicht formbar ist und sich an die Oberflächenstruktur des Substrats anpassen kann.

Das im Deckschicht-Vormaterial vorhandene Bindemittel wird vorzugsweise durch Erhitzen aus der Deckschicht entfernt.

Um eine auch bei den hohen Betriebstemperaturen (beispielsweise ungefähr 800°C bis ungefähr 1100°C) einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle thermisch stabile Deckschicht zu erhalten, ist es günstig, wenn die Deckschicht gesintert wird.

Besonders günstig ist es, wenn die Deckschicht im Vakuum gesintert wird.

Um eine ausreichend hohe Stabilität der Deckschicht zu erhalten, ist es günstig, wenn die Deckschicht bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 800°C gesintert wird.

Anspruch 29 ist auf eine Einheit aus einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einer Brennstoffzelle und einer an dem Substrat angeordneten Deckschicht gerichtet, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Trägerkörper mit einer daran angeordneten Deckschicht;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch den Trägerkörper und die Deckschicht aus Fig. 1, nachdem ein Substrat in die Deckschicht eingedrückt worden ist;
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch den Verbund aus der Deckschicht und dem Substrat aus Fig. 2, nach dem Ablösen der Deckschicht von dem Trägerkörper;
Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch den Verbund aus Deckschicht und Substrat, nachdem an der Deckschicht eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit für eine Brennstoffzelle gebildet worden ist;
Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch einen Trägerkörper, eine an dem Trägerkörper angeordnete getrocknete erste Teil-Deckschicht, eine auf der ersten Teil-Deckschicht angeordnete feuchte zweite Teil-Deckschicht und ein in die zweite Teil-Deckschicht eingedrücktes Substrat;
Fig. 6 einen schematischen Schnitt durch eine separat von dem Substrat gebildete Deckschicht-Folie;
Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch die Deckschicht-Folie aus Fig. 6, nachdem ein Substrat in die Deckschicht-Folie eingepreßt worden ist;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Deckschicht-Folie und zum Verbinden der Deckschicht-Folie mit dem Substrat durch Kalandrieren.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Bei dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Verfahren zum Herstellen einer Deckschicht auf einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit wird ein Trägerkörper 100 verwendet, welcher beispielsweise als eine Trägerplatte 102 mit einer glatten und im wesentlichen ebenen Trägerfläche 104 ausgebildet ist.
Um während des späteren Sintervorgangs mit der Deckschicht und dem Substrat verbunden bleiben zu können, ist die Trägerplatte 102 aus einem hochtemperaturbeständigen Material gebildet, welches bei Temperaturen bis zu ungefähr 1200°C stabil ist.
Die Trägerplatte 102 kann insbesondere aus einem keramischen Material gebildet sein.
Um die Deckschicht leicht von der Trägerfläche 104 ablösen zu können, ist die Trägerplatte 102 an ihrer Trägerfläche 104 mit einer Antihaftbeschichtung 106 versehen, welche aus einem Antihaftmaterial gebildet ist, das insbesondere Polytetrafluorethylen, ein modifiziertes Polytetrafluorethylen, ein Polytetrafluorethylen-Compound und/oder ein modifiziertes Polytetrafluorethylen- Compound umfassen kann.
Auf die Trägerfläche 104 der Trägerplatte 102 wird eine Deckschicht 108 aus einem Deckschicht-Vormaterial aufgetragen, welches ein Lösungsmittel, ein Metallpulver, ein Bindemittel und einen Weichmacher umfaßt.
Als Lösungsmittel kann ein organisches Lösungsmittel, beispielsweise Butoxyl, verwendet werden.
Als Metallpulver kann beispielsweise ein aus Nickelpulver und aus einem Stahlpulver gemischtes Metallpulver verwendet werden. Dieses gemischte Metallpulver kann beispielsweise 30 Gewichts-% Nickel und 70 Gewichts-% FeCrAlY-Pulver umfassen.
Alternativ hierzu kann das gemischte Metallpulver auch 30 Gewichts-% Ni und 70 Gewichts-% Crofer 22 umfassen.
Um eine ausreichende Porosität in der Deckschicht zu erzeugen, ist es günstig, ein Metallpulver mit einer engen Korngrenzenverteilung zu verwenden, beispielsweise mit einer normalverteilten Korngrößenverteilung mit einem Mittelwert im Bereich von 30 µm bis 100 µm und einer Standardabweichung von σ = 10 µm.
Alternativ oder ergänzend hierzu ist es zur Erzeugung der erforderlichen Porosität günstig, wenn das verwendete Metallpulver keine Teilchen mit einer Korngröße unterhalb von 20 µm enthält.
Als Bindemittel wird ein Kautschuk, insbesondere ein Acrylat-Kautschuk, verwendet.
Als Weichmacher kann ein Phthalsäureester, insbesondere ein Dioctylphthalat und/oder ein Dibutylphthalat, verwendet werden.
Insbesondere kann das Deckschicht-Vormaterial die folgende Zusammensetzung aufweisen:
92 bis 97 Gewichtsteile Metallpulver (beispielsweise aus 30 Gewichts-% Nickel plus 70 Gewichts-% FeCrAlY oder 30 Gewichts-% Nickel plus 70 Gewichts-% Crofer 22);
3 bis 5 Gewichtsteile Acrylat-Kautschuk als Bindemittel;
0 bis 5 Gewichtsteile Dioctylphthalat als Weichmacher;
10 bis 20 Gewichtsteile Butoxyl als Lösungsmittel.
Der Auftrag des Deckschicht-Vormaterials auf die Trägerfläche 104 erfolgt beispielsweise mittels einer Lack-Spritzpistole.
Alternativ hierzu kann das Deckschicht-Vormaterial auch auf die Trägerfläche 104 aufgewalzt oder gegossen, mittels einer Rakel auf die Trägerfläche 104 aufgebracht oder durch ein Siebdruckverfahren oder ein Schablonendruckverfahren auf der Trägerfläche 104 erzeugt werden.
In die frisch aufgetragene, noch feuchte Deckschicht 108 wird das Substrat 110 von der dem Trägerkörper 100 gegenüberliegenden Seite der Deckschicht 108 her in die Deckschicht 108 eingebracht, insbesondere eingelegt oder eingepreßt, und zwar so, daß das Substrat von der Unterseite 114 der Deckschicht 108 beabstandet bleibt.
In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist das Substrat 110 als ein Metalldrahtgestrick ausgebildet.
Alternativ hierzu kann das Substrat 110 beispielsweise auch als Metalldrahtgewebe, als Metalldrahtgeflecht oder als Metalldrahtvlies ausgebildet sein.
Der für das Substrat 110 verwendete Metalldraht ist vorzugsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Stahl gebildet, beispielsweise aus dem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4742 (nach SEW 470), welcher folgende Zusammensetzung aufweist: 0,08 Gewichts-% Kohlenstoff, 1,3 Gewichts-% Silizium, 0,7 Gewichts-% Mangan, 18,0 Gewichts-% Chrom, 1,0 Gewichts-% Aluminium, Rest Eisen.
Das aus dem Metalldraht gebildete Substrat 110 weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und ist gasdurchlässig.
Das als Substrat 110 verwendete Drahtgestrick wird entweder auf einer Flachstrickmaschine hergestellt oder durch Aufschneiden und Flachlegen eines auf einer Rundstrickmaschine hergestellten Drahtgestrickschlauches gebildet.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird die Deckschicht 108 getrocknet.
Anschließend wird das in der Deckschicht 108 enthaltene Bindemittel durch Erhitzen der Deckschicht 108 mit dem Substrat 110 und dem Trägerkörper 100 auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 300°C bis ungefähr 400°C in einer Luftatmosphäre entfernt.
Anschließend wird das Metallpulver in der Deckschicht 108 im Vakuum bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 900°C bis ungefähr 1200°C gesintert, wobei die aus der Deckschicht 108, dem Substrat 110 und dem Trägerkörper 100 bestehende Einheit mechanisch zusammengedrückt wird.
Nach dem Sintervorgang wird die Deckschicht 108 mit dem Substrat 110 von dem Trägerkörper 100 gelöst.
Dabei ist durch das Vorhandensein der Antihaftschicht 106 an der Trägerfläche 104 gewährleistet, daß sich die Deckschicht 108 gut von dem Trägerkörper 100 lösen läßt und keine Teile der Deckschicht 108 an dem Trägerkörper 100 zurückbleiben.
Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise ist es auch möglich, die Deckschicht 108 mit dem Substrat 110 bereits vor dem Sintervorgang von dem Trägerkörper 100 zu lösen.
In diesem Fall ist es nicht erforderlich, daß der Trägerkörper 100 bei den hohen Temperaturen, bei denen der Sintervorgang stattfindet, stabil ist.
Die aus der gesinterten Deckschicht 108 und dem Substrat 110 gebildete Einheit 112, welche von dem Trägerkörper 100 gelöst worden ist, ist in Fig. 3 dargestellt.
Die glatte und im wesentlichen ebene Unterseite 114 der Deckschicht 108 bildet eine ideale Unterlage für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 116, die in einem weiteren Verfahrensschritt an der Unterseite 114 der Deckschicht 108 erzeugt wird.
Die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 116 umfaßt eine direkt an der Deckschicht 108 angeordnete Anode 118, einen an der der Deckschicht 108 abgewandten Seite der Anode 118 angeordneten Elektrolyten 120 und eine an der der Anode 118 abgewandten Seite des Elektrolyten 120 angeordnete Kathode 122.
Die Anode 118 ist aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise Ni-ZrO₂-Cermet (Keramik-Metall-Gemisch) gebildet, welches porös ist, um einem Brenngas den Durchtritt durch das Substrat 110 und die Anode 118 zu dem an die Anode 118 angrenzenden Elektrolyten 120 zu ermöglichen.
Als Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Wasserstoff verwendet werden.
Der Elektrolyt 120 ist vorzugsweise als Feststoff-Elektrolyt ausgebildet und beispielsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet.
Die Kathode 122 ist aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus dotiertem LaMnO₃, gebildet und weist eine Porosität auf, um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff, den Durchtritt durch die Kathode 122 zu dem Elektrolyten 120 zu ermöglichen.
Der Elektrolyt 120 ist im wesentlichen gasdicht, so daß kein Oxidationsmittel durch den Elektrolyten 120 zu der Anode 118 und kein Brenngas durch den Elektrolyten 120 zu der Kathode 122 gelangen kann.
Die Anode 118, der Elektrolyt 120 und die Kathode 122 werden nacheinander, beispielsweise durch ein Plasmaspritzverfahren, an der Deckschicht 108 ausgebildet.
Da die Deckschicht 108 eine glatte und im wesentlichen ebene Unterseite 114 aufweist, ist sie als Untergrund für die Plasmabeschichtung besonders geeignet.
Die vorstehend erläuterte Beschichtungsreihenfolge kann auch umgekehrt werden; das heißt, es kann auch vorgesehen sein, daß die Kathode 122 direkt an der Deckschicht 108 angeordnet ist, der Elektrolyt 120 auf der der Deckschicht 108 abgewandten Seite der Kathode 122 angeordnet ist und die Anode 118 auf der der Kathode 122 abgewandten Seite des Elektrolyten 120 angeordnet ist.
Eine in Fig. 5 dargestellte zweite Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Deckschicht auf einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt- Anoden-Einheit unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform eines solchen Verfahrens lediglich dadurch, daß das Substrat 110 mit einer zwei Teil-Deckschichten 108a, 108b umfassenden Deckschicht 108' versehen wird.
Bei diesem modifizierten Verfahren wird zunächst eine erste Teil-Deckschicht 108a aus dem Deckschicht-Vormaterial in der bereits vorstehend beschriebenen Weise durch Aufspritzen, Aufwalzen, Gießen, Rakeln oder durch ein Siebdruck- oder Schablonendruckverfahren an der Trägerfläche 104 des Trägerkörpers 100 ausgebildet.
Im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform des Verfahrens läßt man diese erste Teil-Deckschicht 108a jedoch vollständig austrocknen.
Nach der erfolgten Trocknung der ersten Teil-Deckschicht 108a wird auf die getrocknete Teil-Deckschicht 108a eine zweite Teil-Deckschicht 108b aus Deckschicht-Vormaterial aufgebracht.
Das Material der zweiten Deckschicht kann dabei von dem Material der ersten Deckschicht verschieden sein; vorzugsweise wird die zweite Teil-Deckschicht 108b jedoch aus demselben Deckschicht-Vormaterial wie die erste Teil-Deckschicht 108a gebildet.
Auch die zweite Teil-Deckschicht 108b kann insbesondere durch Aufspritzen, Aufwalzen, Gießen, Rakeln, durch ein Siebdruck- oder ein Schablonendruckverfahren erzeugt werden.
In die frisch aufgetragene, noch feuchte zweite Teil-Deckschicht 108b wird anschließend das Substrat 110 von der der ersten Teil-Deckschicht 108a abgewandten Seite der zweiten Teil-Deckschicht 108b her eingebracht.
Durch diese Vorgehensweise wird erreicht, daß das Substrat 110 nur in die zweite Teil-Deckschicht 108b und nicht in die erste Teil-Deckschicht 108a eindringt.
Dadurch ist gewährleistet, daß zwischen den am weitesten in die Deckschicht 108' eingedrungenen Metalldrähten des Substrats 110 einerseits und der Unterseite 114 der Deckschicht 108' andererseits mindestens eine Schicht von der Dicke der ersten, beim Einbringen des Substrats 110 bereits getrockneten, Teil-Deckschicht 108a verbleibt.
Im übrigen stimmt die zweite Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Deckschicht auf einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden- Einheit mit der ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den Fig. 6 und 7 dargestellte dritte Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Deckschicht auf einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit unterscheidet sich von den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß eine Deckschicht 108" als Folie separat von dem Substrat 110 gebildet und anschließend mit dem Substrat 110 verbunden wird.
Die in Fig. 6 dargestellte Deckschicht-Folie 108" kann beispielsweise durch Extrudieren, durch Formpressen, durch Gießen, durch Rakeln, oder mittels eines Siebdruck- oder eines Schablonendruckverfahrens aus dem Deckschicht-Vormaterial gebildet werden.
Dabei können dieselben Deckschicht-Vormaterialien zum Einsatz kommen, welche im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform des Verfahrens beschrieben worden sind.
Ferner kann die Deckschicht-Folie oder das Deckschicht-Fell auch auf einer Mischwalze hergestellt werden.
Die in geeigneter Weise hergestellte Deckschicht-Folie kann, wie in Fig. 7 dargestellt, durch statisches Einpressen des Substrats 110 in die Deckschicht-Folie 108" mit der Deckschicht-Folie verbunden werden.
Anschließend wird das in der Deckschicht-Folie 108" enthaltene Bindemittel durch Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 300°C bis ungefähr 400°C in einer Luftatmosphäre entfernt.
In einem darauffolgenden Verfahrensschritt wird das in der Deckschicht 108" enthaltene Metallpulver im Vakuum bei einer Sintertemperatur im Bereich von ungefähr 900°C bis ungefähr 1200°C gesintert, wobei die aus der Deckschicht-Folie 108" und dem Substrat 110 gebildete Einheit mechanisch zusammengedrückt wird.
Nach dem Sintern wird die Deckschicht-Folie 108" an ihrer dem Substrat 110 abgewandten Unterseite 114 mit den verschiedenen Schichten der Kathoden- Elektrolyt-Anoden-Einheit 116 versehen, wie dies im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform des Verfahrens vorstehend beschrieben und in Fig. 4 dargestellt worden ist.
Eine in Fig. 8 dargestellte vierte Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Deckschicht auf einem Substrat für eine Kathoden-Elektrolyt- Anoden-Einheit unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsform dadurch, daß das Substrat mit der Deckschicht-Folie nicht statisch verpreßt, sondern mittels eines Kalanders das Substrat 110 in die Deckschicht-Folie 108" eingewalzt wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist schematisch in Fig. 8 dargestellt und umfaßt eine Extrusionsdüse 124, welche beispielsweise als Breitschlitzdüse ausgebildet sein kann und aus welcher ein kontinuierliches Band der Deckschicht-Folie 108" extrudiert wird, sowie einen zwei gegenläufig rotierende Walzen 126a, 126b umfassenden Kalander 128, dessen zwischen den beiden Walzen 126a, 126b ausgebildetem Durchgangsspalt 130 sowohl die bandförmige Deckschicht-Folie 108" als auch ein bandförmiges Substrat 110 in kontinuierlicher Weise zugeführt werden.
In dem Durchgangsspalt 130 wird das Substrat 110 in die Deckschicht-Folie 108" eingewalzt, so daß eine aus der Deckschicht-Folie 108" und dem Substrat 110 gebildete Einheit 112 den Kalander 128 verläßt und in einer (nicht dargestellten) Zuschneidestation auf das jeweils benötigte Maß zurechtgeschnitten werden kann.
Die aus der Deckschicht-Folie 108" und dem Substrat 110 gebildete Einheit 112 kann anschließend - in der bereits vorstehend beschriebenen Weise - an der dem Substrat 110 abgewandten Unterseite 114 der Deckschicht-Folie 108" mit den verschiedenen Schichten der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 116 versehen werden.
Als Deckschicht-Vormaterial und als Material für das Substrat 110 können die bereits vorstehend im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform des Verfahrens genannten Materialien zum Einsatz kommen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Deckschicht (108; 108'; 108") auf einem Substrat (110) für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (116) einer Brennstoffzelle, wobei die Deckschicht (108; 108'; 108") als Untergrund für die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (116) dient und wobei die Deckschicht (108; 108'; 108") aus einem Deckschicht-Vormaterial gebildet wird, welches ein Bindemittel umfaßt, wobei als Bindemittel ein Kautschuk verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein Acrylat-Kautschuk verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil des Kautschuks an dem Deckschicht-Vormaterial ungefähr 2 Gewichts-% bis ungefähr 30 Gewichts-%, vorzugsweise ungefähr 3 Gewichts-% bis ungefähr 5 Gewichts-%, beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckschicht-Vormaterial als Lösungsmittel einen Ester, ein Keton und/oder einen Alkohol umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckschicht-Vormaterial einen Weichmacher umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckschicht-Vormaterial als Weichmacher einen Phthalsäureester, vorzugsweise ein Dioctylphthalat und/oder ein Dibutylphthalat, umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckschicht-Vormaterial ein elektrisch leitfähiges Material, vorzugsweise ein metallisches Material, umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckschicht (108; 108') aus dem Deckschicht-Vormaterial auf einer Trägerfläche (104) eines Trägerkörpers (100) gebildet und anschließend das Substrat (110) mit der Deckschicht (108; 108') verbunden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfläche (104) im wesentlichen glatt ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfläche (104) im wesentlichen eben ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (100) ein keramisches Material umfaßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfläche (104) mit einer Antihaftbeschichtung (106) versehen ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antihaftbeschichtung ein Polytetrafluorethylen und/oder ein modifiziertes Polytetrafluorethylen umfaßt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (100) bis zu einer Temperatur von mindestens ungefähr 800°C, vorzugsweise von mindestens ungefähr 1100°C, temperaturbeständig ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (108; 108') zusammen mit dem Trägerkörper (100) gesintert wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (108; 108') von dem Trägerkörper (100) getrennt und nach dem Trennen vom Trägerkörper (100) gesintert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (108; 108') durch Aufspritzen, Aufwalzen, Gießen, Rakeln, durch ein Siebdruckverfahren und/oder durch ein Schablonendruckverfahren an der Trägerfläche (104) gebildet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Teil-Deckschicht (108a) an der Trägerfläche (104) gebildet und getrocknet wird, daß anschließend eine zweite Teil-Deckschicht (108b) auf der getrockneten ersten Teil-Deckschicht (108a) gebildet wird und daß das Substrat (110) mit der zweiten Teil-Deckschicht (108b) verbunden wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckschicht-Folie (108") aus dem Deckschicht-Vormaterial separat von dem Substrat (110) gebildet und anschließend mit dem Substrat (110) verbunden wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht-Folie (108") durch Extrudieren, Formpressen, Gießen, Rakeln, durch ein Schablonendruckverfahren und/oder durch ein Siebdruckverfahren gebildet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht-Folie (108") statisch mit dem Substrat (110) verpreßt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht-Folie (108") und das Substrat (110) durch Kalandrieren miteinander verbunden werden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (110) ein Metallgestrick, ein Metallgewebe, ein Metallgeflecht und/oder ein Metallvlies verwendet wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (108; 108'; 108") nach dem Verbinden mit dem Substrat (110) getrocknet wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel durch Erhitzen aus der Deckschicht (108; 108'; 108") entfernt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (108; 108'; 108") gesintert wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (108; 108'; 108") im Vakuum gesintert wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (108; 108'; 108") bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 800°C gesintert wird.

29. Einheit aus einem Substrat (110) für eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden- Einheit (116) einer Brennstoffzelle und einer an dem Substrat (110) angeordneten Deckschicht (108; 108'; 108"), dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (112) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28 hergestellt ist.