DE10317976A1 - Solid oxide fuel cell, especially for electrolysis, has graded alteration of electrochemical activity of anode and cathode layers along the gas flow path - Google Patents

Solid oxide fuel cell, especially for electrolysis, has graded alteration of electrochemical activity of anode and cathode layers along the gas flow path Download PDF

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Abstract

A solid oxide fuel cell comprises anode and cathode layers separated by an electrolyte layer, gas inlet and outlet, and a gas flow path. The electrochemical activity or characteristics of at least one layer is so graded as to alter the activity along the flow path between gas inlet and outlet. An independent claim is also included for a production process for the cell above.

Description

Die Erfindung betrifft eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung der Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruch 10.The Invention relates to a solid electrolyte fuel cell according to the The preamble of claim 1 and a method for producing the solid electrolyte fuel cell according to the preamble of claim 10.

Die Festelektrolyt-Brennstoffzelle gehört zu den so genannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Die Festelektrolyt-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, im Folgenden abgekürzt mit SOFC) hat ihren Namen von ihrem festen im Gegensatz zu „flüssigen"oxidkeramischen Elektrolyten. Diese Elektrolytschicht trennt als Separator die Anode von der Kathode. Die Betriebstemperatur einer SOFC liegt zwischen 650 und 1000°C. Die Anode und die Kathode besitzen viele offene Poren für eine gute Durchströmbarkeit, um im Inneren den Reaktionsgasen (z.B. Wasserstoff und Sauerstoff) eine große Oberfläche für die chemische Reaktion zu bieten. Eine typische SOFC-Kathode besteht meist aus einem keramischen Mischoxid mit Perowskitstruktur (z.B. keramischem Lanthan-Strontium-Manganoxid (LSM), das auch mit Elektrolytwerkstoff vermischt sein kann. Diese Kathode befindet sich im Kontakt mit der dünnen Elektrolytkeramik, – die aus beispielsweise aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) besteht. Ein derart poröse Kathode kann mittels Partialdruck-Differenz wie ein Schwamm von der Luft durchströmt werden. An der großen Oberfläche im Inneren der Kathode wird in einer elektrochemischen Reaktion der gasförmige Sauerstoff in seine Atome zerlegt und diese durch Aufnahme von jeweils 2 Elektronen in negativ geladene Ionen umgewandelt. Die Sauerstoffionen wandern durch den Elektrolyten auf die Anodenseite der Zelle, während die Wasserstoffprotonen an die Anode gebunden bleiben. Dafür sorgt der Elektrolyt, der in der SOFC die Funktion des Separators übernimmt. Er ist nur für die Sauerstoffionen durchlässig. Sie fließen durch ihn hindurch zur Anode und reagieren dort mit den Protonen zu Wasser. In dem Bereich, in dem die Partikel des porösen Kathodenmaterials in Kontakt mit dem Elektrolyten stehen, können die Sauerstoffionen in den Elektrolyten gelangen. Um in den Elektrolyten hineinzukommen, braucht jedes Sauerstoffatom zusätzliche Elektronen. Diese stellt die Kathode zur Verfügung. Sie stammen aus der Anode, wo sie sich von den Wasserstoffatomen abgespalten haben. Von dort strömen sie als Transporter der elektrischen Energie aus der Brennstoffzelle über elektrische Leitungen zu einem Verbraucher. Im Verbraucher wandeln sie einen großen Teil der transportierten Energie in Nutzarbeit um. Dann fließen sie zurück zur Brennstoffzelle in die Kathode, wo sie nun dem Sauerstoff zu dessen Reduktion zur Verfügung stehen.The Solid electrolyte fuel cells belong to the so-called high-temperature fuel cells. The Solid electrolyte fuel cell, hereinafter abbreviated with SOFC) takes its name from its solid as opposed to "liquid" oxide ceramic electrolytes. This electrolyte layer separates the anode from the cathode as a separator. The operating temperature of a SOFC is between 650 and 1000 ° C. The anode and the cathode has many open pores for good flow-through, to the inside of the reaction gases (e.g. hydrogen and oxygen) a big Surface for the chemical Offer response. A typical SOFC cathode usually consists of a ceramic mixed oxide with a perovskite structure (e.g. ceramic Lanthanum strontium manganese oxide (LSM), which is also made with electrolyte material can be mixed. This cathode is in contact with the thin electrolytic ceramics, - that from for example made of yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ). Such a porous one Using a partial pressure difference, cathode can be used like a sponge through the air. On the big one surface inside the cathode is in an electrochemical reaction gaseous Oxygen is broken down into its atoms and these by absorption of each 2 electrons converted into negatively charged ions. The oxygen ions migrate through the electrolyte to the anode side of the cell while the Hydrogen protons remain bound to the anode. See to that the electrolyte, which takes over the function of the separator in the SOFC. It is only for the oxygen ions permeable. They flow through it to the anode and react there with the protons to water. In the area where the particles of the porous cathode material are in contact with the electrolyte, the oxygen ions in get to the electrolyte. To get into the electrolyte needs each oxygen atom additional Electrons. The cathode provides this. They come from the anode, where they split off from the hydrogen atoms. From there they pour as a transporter of electrical energy from the fuel cell via electrical Lines to a consumer. They change you in the consumer huge Part of the transported energy in useful work. Then they flow back to the fuel cell in the cathode, where it is now the oxygen its reduction available stand.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anordnungen und Verfahren zum Aufbringen von Schichten sind in der DE-OS 3907485 beschrieben. Eines der üblichen Verfahren zum Aufbringen von Schichten auf einer Unterlage, insbesondere auf Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid ist Plasmaspritren. Beim Plasmaspritren wird ein Pulver in einem von einem Lichtbogen erzeugten Plasma aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat gespritzt, wo das Material als Schicht erstarrt.High temperature fuel cell assemblies and methods for applying layers are known in the art DE-OS 3907485 described. One of the usual methods for applying layers on a base, in particular on yttrium-stabilized zirconium oxide, is plasma gasoline. In plasma spraying, a powder is melted in a plasma generated by an arc and sprayed onto a substrate at high speed, where the material solidifies as a layer.

Aus der DE 4122942 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Pulvers, welches als Plasmaspritzpulver für die Herstellung einer Brennstoffzellenanode auf einem keramischen Substrat vorgesehen ist, insbesondere einer Yttrium-stabilisierten Zirkoniumoxid-Elektrolytscheibe, bekannt. Hierbei wird aus gewissen Ausgangssubstanzen durch Nassmahlen und anschließendes Trocknen und Vorkalzinieren sowie anschließendes Grob- und Feinzerkleinern ein Spritzpulver im Korngrößenbereich von etwa 30–90 Mikrometer hergestellt, welches anschließend verspritzt werden kann.From the DE 4122942 C1 is a process for producing a powder which is provided as a plasma spray powder for producing a fuel cell anode on a ceramic substrate, in particular an yttrium-stabilized zirconium oxide electrolyte disk. In this process, a wettable powder in the grain size range of approximately 30-90 micrometers is produced from certain starting substances by wet grinding and subsequent drying and pre-calcining as well as subsequent coarse and fine grinding, which can then be sprayed on.

Aus "Fabrication of the Electrolyte-Electrodes Assembly by applying the Vacuum Plasma Spraying Technology"; G. Schiller, R. Henne und M. Lang; 3. European Solid Oxide Fuel Cell Forum, Nantes, 2.–5.06.1998 ist es bekannt, dass Plasmaspritzen unter Vakuum die Möglichkeit eröffnet, den vollständigen mehrlagigen Elektrodenaufbau in einem schnellen mehrstufigen Spritzprozess herzustellen. Die Herstellung durch Plasmaspritzen erfordert ein modifiziertes planares Zellendesign, welches an die Eigenschaften des Spritzens angepasst ist. Die Entwicklung basiert auf einem porösen Trägersubstrat und dünnen Elektroden und Elektrolytenschichten, welche aufeinanderfolgend aufgebracht werden. Der verwendete Plasmaspritzprozess ermöglicht sowohl die Ablagerung von sehr dünnen aber dichten Elektrolytlagen als auch von porösen Elektrodenschichten mit über die Dicke gradierter Zusammensetzung und Porosität.From "Fabrication of the Electrolyte-Electrodes Assembly by applying the Vacuum Plasma Spraying Technology "; G. Schiller, R. Henne and M. Lang; 3. European Solid Oxide Fuel Cell Forum, Nantes, 2–5.06.1998 it is known that plasma spraying under vacuum is an option opened, the complete multi-layer electrode structure in a fast multi-stage spraying process manufacture. The production by plasma spraying requires a modified one planar cell design that matches the properties of the spray is adjusted. The development is based on a porous carrier substrate and thin Electrodes and electrolyte layers, which are consecutive be applied. The plasma spraying process enables both Deposition of very thin ones but dense layers of electrolyte as well as of porous electrode layers with over the Thick graded composition and porosity.

Aus der WO 02/084774 A2 ist eine mehrlagige und mehrfunktionale Kathode für SOFC bekannt, welcher eine hohe Leitfähigkeit, eine hohe katalytische Aktivität, eine ausgezeichnete Kompatibilität zu anderen Bereichen einer Brennstoffzelle und eine Eignung für eine verringerte Arbeitstemperatur aufweisen soll. Die Kathode umfasst eine leitfähige Schicht, eine katalytische Schicht und eine gradiert zusammengesetzte Schicht. Die leitfähige Schicht hat eine erste Dichte, die katalytische Schicht eine zweite Dichte, welche geringer ist als die erste Dichte, und die Schicht mit gradierter Zusammensetzung ist dadurch gekennzeichnet, dass über die Schichtdicke die Elektronenleitfähigkeit und die Ionenleitfähigkeit gradiert sind. Die Elektronenleitfähigkeit soll von einer unteren Seite der Schicht zu einer oberen Seite der Schicht der zusammengesetzten gradierten Schicht ansteigen, wobei die Unterseite die Fläche ist, welche unmittelbar an die katalytische Schicht angrenzt. Im Gegensatz hierzu soll die Ionenleitfähgigkeit vorzugsweise von der unteren Schicht zur Oberfläche abnehmen. An der Oberfläche soll die Schicht zu 70–100 % Elektronenleiter sein, während im Bodenbereich 50–70 % Ionenleitfähigkeit vorhanden sein soll. Die Gradierung soll dadurch erreicht werden, dass mehrere Schichten durch Spritzen, Gießen oder Laminieren oder Abscheidung aufeinandergebracht werden.From WO 02/084774 A2 a multi-layer and multi-functional cathode for SOFC is known, which should have a high conductivity, a high catalytic activity, an excellent compatibility with other areas of a fuel cell and a suitability for a reduced working temperature. The cathode comprises a conductive layer, a catalytic layer and a graded composite layer. The conductive layer has a first density, the catalytic layer has a second density which is less than the first density, and the layer with a graded composition is characterized in that the electron conductivity and the ion conductivity are graded over the layer thickness. The electron conductivity is said to go from a lower side of the layer to an upper side the layer of the composite graded layer, the underside being the area immediately adjacent to the catalytic layer. In contrast, the ion conductivity should preferably decrease from the lower layer to the surface. On the surface, the layer should be 70-100% electron conductor, while in the bottom area 50-70% ion conductivity should be present. The grading should be achieved in that several layers are brought together by spraying, pouring or laminating or deposition.

Aus der WO 97/41612 ist es bekannt, Schichten mit unterschiedlicher Funktionalität, abgestimmt auf den Sauerstoffpartialdruck in einer Zelle aufeinander zu schichten, wobei hier eine funktionelle Gradierung entsprechend der chemischen Eigenschaften erreicht werden soll. Wie im übrigen Stand der Technik auch, werden die keramischen Reaktionsschichten Anode und Kathode in Dickenrichtung mit reaktionsfördernden seltenen Erdenmetallen gradiert und stabilisiert.Out WO 97/41612 discloses layers with different layers functionality matched to the oxygen partial pressure in a cell to layer, with a functional grading accordingly the chemical properties should be achieved. As in the rest of the Technique too, the ceramic reaction layers are anode and Thickness cathode with reaction-promoting rare earth metals graded and stabilized.

Bei den bekannten SOFC ist von Nachteil, dass sie bezüglich des Wirkungsgrades nicht optimal sind und Zerstörungen durch thermisch induzierte Spannungen auftreten können.at The known SOFC is disadvantageous in that Efficiency are not optimal and destruction due to thermally induced voltages may occur.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle zu schaffen, welche einen höheren Wirkungsgrad aufweist als bekannte Festelektrolyt-Brennstoffzellen und bei der thermisch induzierte mechanische Spannungen stark vermindert werden.task the invention is to provide a solid electrolyte fuel cell which is a higher one Efficiency than known solid electrolyte fuel cells and greatly reduced in the case of thermally induced mechanical stresses become.

Diese Aufgabe wird mit einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This Task is with a solid electrolyte fuel cell with the features of claim 1 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.advantageous Further developments are characterized in the dependent claims dependent thereon.

Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle mit verminderten thermisch induzierten mechanischen Spannungen und höherem Wirkungsgrad, insbesondere nach Anspruch 1, zu schaffen. Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.It is another object using a method of manufacturing a solid electrolyte fuel cell reduced thermally induced mechanical stresses and higher efficiency, in particular according to claim 1. The task comes with solved a method with the features of claim 10.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantageous embodiments are dependent in the dependent claims characterized.

Aufgrund der Hintereinanderschaltung vieler Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenblock müssen die Elektroden der einzelnen Zellen parallel zu ihrer Oberfläche mit dem zur Stromerzeugung benötigten Brenngas angeströmt werden. Als Brenngase können Wasserstoff, Methanol, Erdgas oder Reformate höherwertiger Kohlenwasserstoffe wie z. B. Benzin, Diesel oder Kerosin eingesetzt werden. Anodenseitig kommt es dabei zwischen Brenngaseingang und -Ausgang entlang der Anodenfläche zu einer Abreicherung der brennbaren Bestandteile (Reaktanden) im Brenngas. Die Reaktanden diffundieren dabei aus der Brenngasströmung in die Anodenschicht, werden dort durch elektrochemische Reaktion umgesetzt und als Abgase wieder in den Gasstrom freigesetzt. Die Konzentration der im Brenngas enthaltenen und von den Brennstoffzellen verwertbaren Reaktanden nimmt also entlang der Zellenfläche ab. Da sich die lokale elektrische Stromproduktion der Brennstoffzelle proportional zur Anzahl der elektrochemischen Reaktionen verhält, hat eine Abreicherung der brennbaren Bestandteile des Brenngases zur Folge, dass die elektrische Stromproduktion der Brennstoffzelle nicht über ihrer gesamten Fläche gleich ist, sondern in Gasströmungsrichtung vom Brenngaseingang zum -Ausgang abnimmt.by virtue of the series connection of many fuel cells to a fuel cell block must Electrodes of the individual cells parallel to their surface that needed to generate electricity Flowing with fuel gas become. As fuel gases can Hydrogen, methanol, natural gas or reformates of higher quality hydrocarbons such as B. gasoline, diesel or kerosene. On the anode side it occurs between the fuel gas inlet and outlet along the anode surface to deplete the combustible components (reactants) in the Fuel gas. The reactants diffuse out of the fuel gas flow in the anode layer are implemented there by electrochemical reaction and released back into the gas stream as exhaust gases. The concentration of those contained in the fuel gas and usable by the fuel cells So reactants decrease along the cell surface. Since the local Electric power production proportional to the fuel cell Number of electrochemical reactions behaves, has a depletion of the combustible components of the fuel gas cause electrical Electricity production of the fuel cell is not the same over its entire area but in the gas flow direction decreases from the fuel gas inlet to the outlet.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das Elektrizitätserzeugungspotential jener Brennstoffzellenbereiche, die näher zum Gasaustritt liegen, nicht optimal zur Energiewandlung genutzt werden kann, wenn man die Zellenbereiche am Gaseintritt nicht elektrisch überlasten will.According to the invention recognized that the electricity generation potential those fuel cell areas that are closer to the gas outlet, cannot be used optimally for energy conversion if one do not electrically overload the cell areas at the gas inlet want.

Speziell bei SOFC findet die Elektrizitätserzeugung erst ab einer gewissen Ansprechtemperatur statt und steigt mit zunehmender Temperatur an. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich ein Temperaturgradient während des Aufheizvorganges und im Betrieb ausbildet. Wärmere Zellenbereiche erreichen somit früher die Ansprechtemperatur und erzeugen früher Elektrizität als kältere Zellenbereiche. Da bei der Elektrizitätserzeugung auch Verlustenergie in Form von Wärme produziert wird, heizt sich der warme Bereich weiter auf, was eine noch höhere Elektrizitätserzeugung begünstigt. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass diese aus dem Aufheizprozess resultierenden Temperaturgradienten zur Beschädigung der SOFC durch thermisch induzierte mechanische Spannungen führen können.specially electricity is generated at SOFC only takes place above a certain response temperature and increases with increasing Temperature. According to the invention recognized that there is a temperature gradient during the heating process and train in the company. warmer Cell areas thus reach the response temperature earlier and generate earlier electricity than colder Cell regions. Since there is also energy loss in the generation of electricity in the form of heat is produced, the warm area continues to heat up, which is a even higher electricity generation favored. According to the invention, it was recognized that these temperature gradients resulting from the heating process to damage the SOFC can lead through thermally induced mechanical stresses.

Gemäß der Erfindung werden die von den Erfindern erkannten Probleme dadurch beseitigt, dass die elektrochemischen Eigenschaften der Brennstoffzellen bzw. der Schichten der Brennstoffzellen entlang der Strömungsrichtung der Reaktanden gezielt lokal beeinflusst werden. Erfindungsgemäß wird in den Bereichen der SOFC, in der später im Betrieb eine hohe Brenngasversorgung und hohe Temperaturen während des Aufheizvorgangs vorherrschen eine geringere Menge ionenleitfähigen Materials aufgebracht oder es ist weniger Nickel in der Anode vorhanden. Entlang der Brenngasströmungsrichtung nimmt der Anteil des besser ionenleitfähigen Materials im Verhältnis zum Temperaturgradienten kontinuierlich zu.According to the invention, the problems recognized by the inventors are eliminated in that the electrochemical properties of the fuel cells or the layers of the fuel cells are influenced locally in a targeted manner along the flow direction of the reactants. According to the invention, in the areas of SOFC in which later a high supply of fuel gas and high temperatures prevail during the heating process, a smaller amount of ion-conductive material is applied or less nickel is present in the anode. Along the direction of the fuel gas flow, the proportion of the ionic is better capable material in relation to the temperature gradient.

Hierbei ist von Vorteil, dass eine erhöhte Ionenleitfähigkeit im Bereich niedrigerer Brenngasversorgung (zum Brenngas-Austritt hin) und niedrigerer Zellentemperatur zu einer Vergleichmäßigung der Elektrizitätserzeugung über der Zellenfläche und zu einem über der Zellenfläche zeitgleichen Einsetzen der Elektrizitätserzeugung während des Startvorgangs der SOFC führt. Hierdurch ist es möglich, ein Maximum an Elektrizitätsausbeute bei einem Minimum an Zellenfläche und insbesondere an Materialeinsatz zu erreichen. Aus einer Verringerung der Zellenfläche folgt auch eine Verkleinerung des Volumens und der Masse des Brennstoffzellenstapels mit den daraus folgenden Einsparungen hinsichtlich des Gehäuses.in this connection is beneficial that increased ion conductivity in the area of lower fuel gas supply (for fuel gas outlet hin) and lower cell temperature to an equalization of the electricity generation over the cell area and to an over the cell area simultaneous use of electricity generation during the SOFC starts. This makes it possible maximum electricity yield with a minimum of cell area and in particular to achieve the use of materials. From a decrease the cell area there is also a reduction in the volume and mass of the fuel cell stack with the resulting savings in terms of housing.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, unterschiedlich ionenleitende bzw. unterschiedlich dicke SOFC-Materialien über Plasmaspritzen aufzubringen, wobei während des Aufspritzens die Gesamtmenge und/oder die Zusammensetzung des aufzuspritzenden Materials – also insbesondere eines Pulvers – kontinuierlich oder abgestuft verändert wird. Hierdurch kann eine Gradierung der Materialzusammensetzung und/oder Materialdicke und damit auch der Eigenschaften entlang der Strömungsrichtung und/oder der Auftragsrichtung des Plasmabrenners erzielt werden.The inventive method provides for different ion-conducting or different thicknesses SOFC materials about To apply plasma spraying, the during the spraying Total amount and / or the composition of the material to be sprayed-on, in particular of a powder - continuously or changed in stages. A grading of the material composition and / or Material thickness and therefore also the properties along the flow direction and / or the direction of application of the plasma torch can be achieved.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläutert. Hierbei zeigen:The The invention is explained by way of example with reference to a drawing. in this connection demonstrate:

1 schematisch eine Draufsicht auf eine Funktionsschicht einer SOFC vom Brenngaseingang zum Brenngasausgang; 1 schematically shows a plan view of a functional layer of an SOFC from the fuel gas inlet to the fuel gas outlet;

2 schematisch eine Draufsicht auf eine Funktionsschicht einer SOFC mit einer eingetragenen Bewegung eines Plasmabrenners während des Fertigungsprozesses; 2 schematically shows a plan view of a functional layer of an SOFC with a registered movement of a plasma torch during the manufacturing process;

3 eine Funktionsschicht nach 2, wobei eine weitere Bewegungsrichtung des Plasmabrenners während des Fertigungsprozesses gezeigt ist. 3 a functional layer after 2 , wherein a further direction of movement of the plasma torch is shown during the manufacturing process.

1 zeigt vereinfacht eine Draufsicht auf eine Anodenfläche einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle 1. Entlang einer Strömungsrichtung 2 strömt ein geeignetes Brenngas von einer Bnenngaseingangsseite 3 zu einem Brenngasauslassseite 4. Als Brenngase können Wasserstoff, Methanol, Erdgas oder Reformate höherwertiger Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Benzin, Diesel oder Kerosin eingesetzt werden. Über die Strömungsrichtung 2 verarmt das Brenngas an Reaktanden und wird mit Reaktionsprodukten angereichert. Es besteht somit ein an Reaktanden reicherer Bereich 5 und ein an Reaktanden ärmerer Bereich 6. 1 shows simplified a plan view of an anode surface of a solid electrolyte fuel cell 1 , Along a flow direction 2 a suitable fuel gas flows from an inlet side of the combustion gas 3 to a fuel gas outlet side 4 , As fuel gases can be hydrogen, methanol, natural gas or reformates of higher quality hydrocarbons, such as. B. gasoline, diesel or kerosene. About the flow direction 2 depletes the fuel gas of reactants and is enriched with reaction products. There is therefore an area richer in reactants 5 and a poorer area of reactants 6 ,

Um die erfindungsgemäße Vergleichmäßigung der elektrischen Stromdichte und der Brennstoffzellen-Temperatur entlang der Strömungsrichtung 2 zu erzeugen, wird die lokale Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten oder die Nickelkonzentration in der Anode der Festelektrolyt-Brennstoffzelle entlang der Strömungsrichtung 2 verändert. Beispielsweise verfügt Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSC) über eine geringere Ionenleitfähigkeit und eine höhere Ansprechtemperatur als Scandium-stabilisiertes Zinkoniumoxid. Gleiches gilt aber auch für unterschiedliche stöchiometrische Zusammensetzungen von Yttrium- und Zirkoniumoxid. Diese Materialien sind aber nicht nur die Bestandteile des Elektrolyten der SOFC, sondern sie sind auch in der Anode und idealerweise auch in der Kathode der SOFC vorhanden. Die Zusammensetzung des Ionenleiters, der relative Gehalt des Ionenleiters in Anode und Kathode sowie die Dicken der ionenleitenden Schichten beeinflussen somit alle elektrochemisch aktiven Schichten der SOFC. Erfindungsgemäß wird die Ionenleitfähigkeit vom Brenngaseintritt 3 zum Abgasaustritt 4 und/oder vom wärmeren zum kälteren Bereich der Brennstoffzelle erhöht. Die Erhöhung kann hierbei kontinuierlich stetig oder in Abstufungen erfolgen, wobei die Abstufungen mit gleichen oder unterschiedlich großen Zusammensetzungsunterschieden vorhanden sein können. Das Konzentrationsgefälle zwischen Eingangsseite 3 und Ausgangsseite 4 kann linear entsprechend einer Geraden oder nichtlinear entsprechend beispielsweise einer Parabel oder Hyperbel ausgeführt sein. Mit einer nicht-linearen Gradierung kann beispielsweise das Strömungsverhalten des Brenngases, wie z. B. die Ausbildung von Grenzschichten und damit sowohl das Diffusions- als auch Wärmeübertragungsverhalten zum Brenngas berücksichtigt werden.In order to equalize the electrical current density and the fuel cell temperature along the flow direction according to the invention 2 the local ionic conductivity of the electrolyte or the nickel concentration in the anode of the solid electrolyte fuel cell along the flow direction 2 changed. For example, yttrium-stabilized zirconium oxide (YSC) has a lower ionic conductivity and a higher response temperature than scandium-stabilized zinconium oxide. The same also applies to different stoichiometric compositions of yttrium and zirconium oxide. However, these materials are not only the components of the electrolyte of the SOFC, they are also present in the anode and ideally also in the cathode of the SOFC. The composition of the ion conductor, the relative content of the ion conductor in the anode and cathode and the thickness of the ion-conducting layers thus influence all electrochemically active layers of the SOFC. According to the invention, the ion conductivity is from the fuel gas inlet 3 to the exhaust outlet 4 and / or increased from the warmer to the colder area of the fuel cell. The increase can take place continuously or in increments, whereby the increments can exist with the same or different compositional differences. The concentration gradient between the input side 3 and exit side 4 can be linear according to a straight line or non-linear according to a parabola or hyperbola, for example. With a non-linear grading, for example, the flow behavior of the fuel gas, such as. B. the formation of boundary layers and thus both the diffusion and heat transfer behavior to the fuel gas are taken into account.

Grundsätzlich wird in den Bereichen der SOFC, in denen später im Betrieb eine hohe Brenngasversorgung und/oder hohe Temperaturen während des Aufheizvorgangs vorherrschen, ein weniger ionenleitfähiges Material aufgebracht. Im Verlauf der Brenngasströmungsrichtung 2 nimmt dann der Anteil des besser ionenleitfähigen Materials entsprechend der oberen Spezifizierung zu.In general, a less ion-conductive material is applied in the areas of the SOFC in which a high fuel gas supply and / or high temperatures prevail later during operation. In the course of the fuel gas flow direction 2 the proportion of the more ion-conductive material then increases according to the above specification.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die gradierte Funktionsschicht mittels des Plasmaspritzens aufzubringen. Bei diesem Prozess werden die pulverförmigen Ausgangsmaterialien der Festelektrolyt-Brennstoffzelle einem Brenner zugeführt, in einem ionisierten Gasstrom (Plasma) aufgeschmolzen, stark beschleunigt und auf das Trägermaterial (Substrat) aufgetragen. Hierbei wird ein Plasmabrenner, ähnlich einer Lackierpistole mäanderförmig über das Substrat geführt. In dieser Weise wird Schicht für Schicht zunächst die Anode, dann der Elektrolyt und abschließend die Kathode realisiert. Erfindungsgemäß werden zwei Materialien mit gleicher Funktion, aber unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere Eigenschaften bezüglich der Ionenleitfähigkeit, an geeigneten Bereichen der SOFC deponiert. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren findet dies in einer besonders einfachen, aber hoch effektiven Weise dadurch statt, dass die Art und Menge des zum Plasmabrenner transportierten und dann aufgespritzten Materials durch eine Regelung der Materialzuführung bestimmt wird. Erfindungsgemäß wird eine Pulverzuführungseinrichtung mit zumindest zwei separate Pulverfördersystemen mit jeweils unterschiedlich ionenleitfähigem Pulver an den Plasmabrenner angeschlossen. Während des Verfahrens des Brenners steuert eine Steuerungseinrichtung die Pulverzuführungseinrichtung und insbesondere die Pulverfördersysteme derart an, dass die Materialzusammensetzung innerhalb der einzelnen SOFC-Schichten, insbesondere der Elektrodenschichten, gezielt über die spätere Strömungsrichtung 2 eines Brenngases beeinflusst wird.The method according to the invention provides for the graded functional layer to be applied by means of plasma spraying. In this process, the powdery starting materials of the solid electrolyte fuel cell are fed to a burner, melted in an ionized gas stream (plasma), accelerated strongly and applied to the carrier material (substrate). Here is a Plasma torch, similar to a paint gun, meandered over the substrate. In this way, the anode, then the electrolyte and finally the cathode are realized layer by layer. According to the invention, two materials with the same function but different properties, in particular properties with regard to ion conductivity, are deposited in suitable areas of the SOFC. According to the method according to the invention, this takes place in a particularly simple but highly effective manner in that the type and quantity of the material transported to the plasma torch and then sprayed on is determined by regulating the material supply. According to the invention, a powder feed device with at least two separate powder conveying systems, each with a differently ion-conductive powder, is connected to the plasma torch. During the burner process, a control device controls the powder feed device and in particular the powder conveying systems in such a way that the material composition within the individual SOFC layers, in particular the electrode layers, is controlled in a targeted manner via the later direction of flow 2 of a fuel gas is influenced.

Wird, wie in 2 dargestellt, der Brenner so verfahren, dass die Mäander 7 senkrecht zur Brenngasströmungsrichtung verlaufen, wird die Zusammensetzung während einer Bewegung des Brenners quer zur späteren Brenngasströmungsrichtung 2 konstant gehalten und beim Verfahren des Brenners mit oder gegen die Strömungsrichtung – je nach Bewegung des Brenners – die Pulverfördersysteme so beeinflusst, dass die Menge (Förderrate) des einen Pulvers auf Kosten der Menge (Förderrate) des anderen Pulvers erhöht wird oder umgekehrt. Hierdurch kann in den Bereichen der SOFC, in der später im Betrieb eine hohe Brenngasversorgung und/oder hohe Temperaturen während des Aufheizvorgangs vorherrschen, das weniger ionenleitfähige Material stärker zudosiert und aufgebracht werden.Will, as in 2 shown, the burner move so that the meanders 7 run perpendicular to the fuel gas flow direction, the composition becomes transverse to the later fuel gas flow direction during a movement of the burner 2 kept constant and when moving the burner with or against the flow direction - depending on the movement of the burner - influences the powder conveying systems so that the amount (feed rate) of one powder is increased at the expense of the amount (feed rate) of the other powder or vice versa. As a result, the less ion-conductive material can be metered in and applied more strongly in the areas of the SOFC, in which a high fuel gas supply and / or high temperatures prevail later during operation.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Brenner parallel mit oder gegen die spätere Strömungsrichtung 2 verfahren, wobei bei der Förderung des aufzuspritzenden Pulvers die Pulvermenge des einen Materials während der Bewegung des Brenners über das Substrat kontinuierlich oder gestuft auf Kosten des anderen Materials erhöht wird. Nachdem der Brenner das Substrat überfahren hat, kann er eine seitliche Versatzbewegung ausführen und entgegen der zuerst durchgeführten Bewegungsrichtung eine Rückbewegung durchführen, bei der der zuerst gespritzte Prozess rückwärts abläuft, d. h., dass das Material, welches während des ersten Spritzvorganges abgereichert wurde, nun während der Spritzbewegung in die entgegengesetzte Richtung wieder entsprechend angereichert wird. Diese Prozessführung wir so lange entsprechend durchgeführt, bis das komplette Substrat entsprechend den Anforderungen beschichtet ist.In a further advantageous embodiment of the method, the burner is operated in parallel with or against the later direction of flow 2 process, in the conveying of the powder to be sprayed on, the amount of powder of one material is increased continuously or in stages at the expense of the other material during the movement of the burner over the substrate. After the burner has run over the substrate, it can carry out a lateral offset movement and can perform a backward movement counter to the direction of movement first carried out, in which the process sprayed first runs backwards, that is to say that the material which was depleted during the first spraying process is now during the Spray movement in the opposite direction is enriched accordingly. This process control is carried out until the complete substrate is coated according to the requirements.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform findet die Brennerbewegung unter gleichzeitigem Spritzen nur in eine Richtung, beispielsweise nur in Strömungsrichtung statt, sodass die Steuerung so durchgeführt wird, dass das höher ionenleitfähige Material zunächst geringer zudosiert wird und die Zudosierung bzw. der Anteil während des Überfahrens des Substrates kontinuierlich oder gestuft ansteigt. Nach dem Überfahren des Substrates führt der Plasmabrenner eine Rückbewegung durch, wobei gleichzeitig die Dosierung derart gesteuert wird, dass nach Beenden der Rückbewegung wieder mit einer hohen Konzentration des weniger ionenleitfähigen Materials begonnen wird.at Another advantageous embodiment is the burner movement with simultaneous spraying only in one direction, for example only in the direction of flow instead, so that the control is carried out so that the more ion-conductive material first is metered in less and the metering or the proportion during the run over of the substrate rises continuously or in steps. After being run over of the substrate leads the Plasma torch backward movement by, at the same time the dosage is controlled such that after completing the return movement again with a high concentration of the less ion-conductive material is started.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet zusätzlich zu der Gradierung entlang der Strömungsrichtung eine Gradierung in Dickenrichtung statt, sodass, nachdem das Substrat einmal vollständig mit einer Schicht überdeckt wurde, eine nächste dünne Schicht der gleichen Funktion, beispielsweise einer Anodenfunktion, aufgebracht wird, bei der schon die Ausgangszusammensetzung zur Ausgangszusammensetzung der darunterliegenden Schicht eine andere ist, also beispielsweise höher oder niedriger ionenleitfähig. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine der beiden pulverförmigen Substanzen auf Kosten der anderen angereichert ist oder eine dritte Substanz, wenn erwünscht, zugeführt wird. Hierbei kann selbstverständlich die dritte Substanz auch eine Mischung aus mehreren Substanzen sein, die entweder fertig dem Brenner zugeführt wird oder in gleicher Weise wie die ersten beiden Substanzen erst im Bereich des Brennerkopfes durch ein Pulverfördersystem gemischt wird.at a further advantageous embodiment of the method according to the invention takes place additionally grading along the direction of flow in the thickness direction, so that once the substrate is completely covered with a Layer covered was another thin layer the same function, for example an anode function, applied becomes, in which already the starting composition to the starting composition the underlying layer is different, for example higher or lower ionic conductivity. This can be done, for example, by one of the two powdery Substances are enriched at the expense of others or a third Substance if desired is fed. Here, of course the third substance can also be a mixture of several substances, which is either fed to the burner or in the same way like the first two substances only in the area of the burner head through a powder conveying system is mixed.

Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass das Plasmaspritzen in besonderer Weise geeignet ist, die erfindungsgemäße Gradierung entlang der Strömungsrichtung zu erreichen. Mit entsprechendem Aufwand kann die erfindungsgemäße Gradierung entlang der Strömungsrichtung aber auch mit anderen Auftragsverfahren realisiert werden, beispielsweise mit entsprechend ausgebildeten Dünnschicht(Folien-)gießverfahren.According to the invention emphasized that plasma spraying is particularly suitable is the grading according to the invention along the flow direction to reach. The grading according to the invention can be carried out with corresponding effort along the flow direction but can also be realized with other order processes, for example with appropriately trained thin film (film) casting processes.

Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten SOFC mit einer Gradierung der Ionenleitfähigkeit entlang der Strömungsrichtung der Brenngase ist von Vorteil, dass dies zu einer Vergleichmäßigung der Elektrizitätserzeugung über der Zellenfläche und zu einem über der Zellenfläche zeitgleichen Einsetzen der Elektrizitätserzeugung während des Startprogramms der SOFC führt. Hierdurch ist es möglich, ein Maximum an Elektrizitätsausbeute bei einem Minimum an Zellenfläche bzw. Materialeinsatz zu erreichen. Hierdurch werden auch die Gesamtkosten der SOFC, insbesondere auch durch einer Verkleinerung des Volumens und der Masse des Brennstoffzellenstapels und damit auch eine Verkleinerung des Gehäuses und der Isolierung erzielt.In the case of a SOFC designed according to the invention with a grading of the ionic conductivity along the flow direction of the fuel gases, it is advantageous that this leads to an equalization of the electricity generation over the cell surface and to a simultaneous use of the electricity generation during the start program of the SOFC. This makes it possible to achieve a maximum of electricity yield with a minimum of cell area or use of material chen. As a result, the total costs of the SOFC are also achieved, in particular also by reducing the volume and the mass of the fuel cell stack and thus also reducing the size of the housing and the insulation.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist von Vorteil, dass sich die erfindungsgemäße Gradierung in besonders einfacher und wirkungsvoller Weise sowohl in Längsrichtung, d. h. in Gasströmungsrichtung, als auch in Dickenrichtung erzielen lässt.at the inventive method is advantageous that the grading according to the invention is particularly simple and effective both in the longitudinal direction, d. H. in the direction of gas flow, as well as in the thickness direction.

Die Erfindung ist hierbei keineswegs darauf beschränkt, lediglich die Anodenflächen bzw. die Anodenschicht entsprechend entlang der Strömungsrichtung zu gradieren, eine Gradierung kann auch bei anderen Funktionsschichten erreicht werden.The The invention is in no way limited to just the anode surfaces or grading the anode layer accordingly along the direction of flow, grading can also be achieved with other functional layers become.

Die Erfindung ist zudem nicht auf eine Brennstoffzelle beschränkt. Sie ist mit gleichem Erfolg und Vorteil bei einem Elektrolyseur, der chemischen Umkehrung einer Brennstoffzelle, einsetzbar.The In addition, the invention is not limited to a fuel cell. she is with the same success and advantage with an electrolyzer who chemical reversal of a fuel cell, can be used.

Claims (25)

Festelektrolyt-Brennstoffzelle mit einer als Anode dienenden Funktionsschicht und einer als Kathode dienenden Funktionsschicht, welche durch eine Separator- bzw. Elektrolytschicht voneinander getrennt sind, wobei die Funktionsschichten elektrochemisch aktiv sind und ein Gaseintritt und ein Gasaustritt vorhanden sind, wobei die umzusetzenden Gase vom Gaseintritt zum Gasaustritt die jeweilige Funktionsschicht entlang einer vorgegebenen Strömungsrichtung überströmen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Aktivität bzw. die Eigenschaften zumindest einer Funktionsschicht derart gradiert ausgebildet ist, dass sich die elektrochemische Aktivität bzw. die elektrochemischen Eigenschaften vom Gaseintritt (3) zum Gasaustritt (4) entlang der Strömungsrichtung (2) verändern.Solid electrolyte fuel cell with a functional layer serving as anode and a functional layer serving as cathode, which are separated from one another by a separator or electrolyte layer, the functional layers being electrochemically active and a gas inlet and a gas outlet being present, with the gases to be converted from the gas inlet to the Gas outlet flow over the respective functional layer along a predetermined flow direction, characterized in that the electrochemical activity or the properties of at least one functional layer is designed in such a way that the electrochemical activity or the electrochemical properties of the gas inlet ( 3 ) to the gas outlet ( 4 ) along the flow direction ( 2 ) change. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die elektrochemische Aktivität bzw. die elektrochemischen Eigenschaften der Funktionsschicht über die Strömungsrichtung stetig verändert.Solid electrolyte fuel cell according to claim 1, characterized characterized in that the electrochemical activity or electrochemical properties of the functional layer over the flow direction constantly changing. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die elektrochemische Aktivität bzw. die elektrochemischen Eigenschaften der Funktionsschicht über die Strömungsrichtung linear, nicht-linear oder abgestuft verändert.Solid electrolyte fuel cell according to claim 1 and / or 2, characterized in that the electrochemical activity or electrochemical properties of the functional layer over the direction of flow linear, non-linear or graded change. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die elektrochemische Aktivität bzw. die elektrochemischen Eigenschaften über die Strömungsrichtung entsprechend einer Kurvenfunktion wie einer Parabel oder einer Hyperbel verändert.Solid electrolyte fuel cell according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electrochemical activity or electrochemical properties over the direction of flow changed according to a curve function such as a parabola or a hyperbola. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Funktionsschichten auch über die Dicke eine Gradierung der elektrochemischen Aktivität bzw. der elektrochemischen Eigenschaften aufweist.Solid electrolyte fuel cell according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least one of the functional layers also about the thickness is a grade of the electrochemical activity or has electrochemical properties. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradierung über die Dicke der Funktionsschicht stetig oder linear oder abgestuft oder nicht-linear oder entsprechend einer Kurvenfunktion wie einer Parabel oder Hyperbel ausgebildet ist.Solid electrolyte fuel cell according to claim 5, characterized characterized that the grading across the thickness of the functional layer continuous or linear or graded or non-linear or corresponding to one Curve function is designed like a parabola or hyperbola. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Aktivität bzw. die elektrochemischen Eigenschaften vom Gaseintritt (2) zum Gasaustritt (3) entsprechend der Verarmung des umzusetzenden Gases an Reaktanden zunimmt.Solid electrolyte fuel cell according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electrochemical activity or the electrochemical properties of the gas inlet ( 2 ) to the gas outlet ( 3 ) increases corresponding to the depletion of reactants in the gas to be converted. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrochemische Aktivität bzw. Eigenschaft die Elektronen- und/oder Ionenleitfähigkeit gradiert ausgebildet ist.Solid electrolyte fuel cell according to one or more of the preceding claims, characterized in that as an electrochemical activity or property the electron and / or ion conductivity is graded is. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht im Wesentlichen aus Zirkoniumoxid ausgebildet ist, wobei das Zirkoniumoxid mit Dotierungselementen dotiert ist, wobei zur Gradierung der elektrochemischen Eigenschaften die Art und Menge des enthaltenen Dotierungselementen verändert ist.Solid electrolyte fuel cell according to one or more the previous one. Expectations, characterized in that the functional layer essentially is formed from zirconium oxide, the zirconium oxide with doping elements is doped, with the grading of the electrochemical properties the type and amount of the doping elements contained is changed. Verfahren zum Herstellen einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle mit einer als Anode und einer als Kathode dienenden Funktionsschicht, welche durch eine Separatorschicht voneinander getrennt sind, wobei die Funktionsschichten elektrochemisch aktiv sind und ein Gaseintritt und ein Gasaustritt vorhanden sind, wobei die umzusetzenden Gase vom Gaseintritt zum Gasaustritt die jeweilige Funktionsschicht entlang einer Strömungsrichtung überströmen, insbesondere zum Herstellen einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Funktionsschichten aus eine Grundmaterial und zumindest einem die elektrochemischen Eigenschaften beeinflussenden Dotierungselement ausgebildet werden, wobei beim Aufbringen der Funktionsschicht die elektrochemischen Eigenschaften der betriebsbereiten Funktionsschicht über eine Gasströmungsrichtung (2) dadurch verändert wird, dass ein Konzentrationsgefälle des zumindest einen Dotierungselements über die Strömungsrichtung (2) erzeugt wird, sodass während des Aufbringens eine An- oder Abreicherung des zumindest einen Dotierungselements vorgenommen wird.Method for producing a solid electrolyte fuel cell with a functional layer serving as anode and a cathode, which are separated from one another by a separator layer, the functional layers being electrochemically active and a gas inlet and a gas outlet being present, the gases to be converted from the gas inlet to the gas outlet Flow over the respective functional layer along a flow direction, in particular for producing a solid electrolyte fuel cell according to one or more of Claims 1 to 9, characterized in that at least one of the functional layers is formed from a base material and at least one doping element which influences the electrochemical properties, the Functional layer the electrochemical properties of the operational functional layer over a gas flow direction ( 2 ) is changed in that a concentration gradient of the at least a doping element over the direction of flow ( 2 ) is generated so that the at least one doping element is enriched or depleted during the application. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufbringens ein Dotierungselement abgereichert und zumindest ein weiteres auf Kosten des abgereicherten Dotierungselements angereichert wird.A method according to claim 10, characterized in that while depleted and at least one doping element another enriched at the expense of the depleted doping element becomes. Verfahren nach Anspruch 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur An- und Abreicherung des jeweiligen Dotierungselements das Mischungsverhältnis zumindest zweier Komponenten bei im Wesentlichen gleichem Auftragsvolumen verändert wird, wobei eine erste Komponente der Mischung das Grundmaterial und zumindest ein erstes Dotierungselement enthält und eine zweite Komponente der Mischung das Grundmaterial und zumindest ein zweites Dotierungselement enthält.A method according to claim 10 and / or 11, characterized characterized in that for the enrichment and depletion of the respective doping element the mixing ratio at least two components with essentially the same order volume changed with a first component of the mixture being the base material and contains at least a first doping element and a second component the mixture, the base material and at least one second doping element contains. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht durch Plasmaspritzen, Dünnschicht- oder Foliengießen oder andere zur Erzeugung dünner Schichten geeignete Verfahren erzeugt wird.Method according to one or more of claims 10 to 12, characterized in that the functional layer by plasma spraying, Thin Film or film casting or others to produce thinner Layers suitable process is generated. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung mindestens einer Funktionsschicht beim Plasmaspritzen zumindest zwei pulverförmige Komponenten einer Plasmaspritzeinrichtung zugeführt und entsprechend des gewünschten Mischungsverhältnisses verspritzt werden.Method according to one or more of claims 10 to 13, characterized in that for the production of at least one Functional layer in plasma spraying at least two powdered components fed to a plasma spraying device and according to the desired mixing ratio be splashed. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmigen Komponenten der Mischung einem Plasmabrenner zugeführt, in einem ionisierten Gasstrom (Plasma) aufgeschmolzen, beschleunigt und auf ein Trägermaterial (Substrat) aufgetragen werden.A method according to claim 14, characterized in that the powdery Components of the mixture fed to a plasma torch, in one ionized gas stream (plasma) melted, accelerated and up a carrier material (Substrate) can be applied. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner ähnlich einer Lackierpistole mäanderförmig über das Substrat geführt wird.A method according to claim 15, characterized in that the plasma torch is similar a paint gun meandering over the Led substrate becomes. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Schicht für Schicht zunächst die Anode, dann der Separator und abschließend die Kathode aufgespritzt werden.Method according to one or more of claims 14 to 16, characterized in that layer by layer the first Anode, then the separator and finally the cathode are sprayed on. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulverzuführungseinrichtung mit zumindest zwei separaten Pulverfördersystemen für Pulver mit jeweils unterschiedlich elektrochemisch aktiven Komponenten an den Plasmabrenner angeschlossen ist, wobei während des Verfahrens des Brenners eine Steuerungseinrichtung die Pulverzuführungseinrichtung und insbesondere die Pulverfördersysteme derart ansteuert, dass die Zusammensetzung des verspritzten Materials innerhalb der einzelnen Festelektrolytbrennstoffzellenschichten gezielt über die spätere Strömungsrichtung (2) eines Brenngases verändert wird.Method according to one or more of claims 10 to 17, characterized in that a powder feed device with at least two separate powder feed systems for powders, each with different electrochemically active components, is connected to the plasma torch, with a control device the powder feed device and in particular the powder feed systems during the burner process is controlled in such a way that the composition of the sprayed material within the individual solid electrolyte fuel cell layers is targeted via the later direction of flow ( 2 ) of a fuel gas is changed. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner so verfahren wird, dass die Mäander (7) senkrecht zur Brenngasströmungsrichtung (2) verlaufen, wobei die Zusammensetzung der Mischung während einer Bewegung des Brenners quer zur späteren Brenngasströmungsrichtung (2) über das Substrat konstant gehalten und beim Verfahren des Brenners mit oder gegen die Strömungsrichtung (2) – je nach Bewegung des Brenners – die Pulverfördersysteme so beeinflusst werden, dass die Menge (Förderrate) des einen Pulvers bzw. der einen Komponente auf Kosten der Menge (Förderrate) des anderen Pulvers bzw. der anderen Komponente erhöht wird oder umgekehrt.Method according to one or more of claims 10 to 18, characterized in that the burner is moved so that the meanders ( 7 ) perpendicular to the direction of fuel gas flow ( 2 ) run, the composition of the mixture during a movement of the burner transversely to the later direction of fuel gas flow ( 2 ) kept constant over the substrate and when moving the burner with or against the flow direction ( 2 ) - depending on the movement of the burner - the powder delivery systems are influenced so that the amount (delivery rate) of one powder or one component is increased at the expense of the amount (delivery rate) of the other powder or other component or vice versa. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner parallel mit oder gegen die spätere Strömungsrichtung (2) über das Substrat verfahren wird, wobei bei der Förderung des aufzuspritzenden Pulvers die Menge des einen Materials bzw. der einen Komponente während der Bewegung des Brenners über das Substrat kontinuierlich oder gestuft auf Kosten des anderen Materials bzw. der anderen Komponente erhöht oder erniedrigt wird.Method according to one or more of claims 10 to 18, characterized in that the burner in parallel with or against the later direction of flow ( 2 ) is moved over the substrate, the amount of one material or one component being increased or decreased at the expense of the other material or the other component during the movement of the burner over the substrate during the conveyance of the powder to be sprayed on. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem der Brenner das Substrat überfahren hat, eine seitliche Versatzbewegung des Brenners durchgeführt wird und entgegen der zuerst durchgeführten Bewegungsrichtung eine Rückbewegung gefahren wird, bei der der zuerst gespritzte Prozess rückwärts abläuft, d. h. das Material bzw. die Komponente, welche während des ersten Spritzvorgangs abgereichert wurde, nun während der Spritzbewegung in die entgegengesetzte Richtung wieder entsprechend angereichert wird.A method according to claim 20, characterized in that after the burner has run over the substrate, a side Offset movement of the burner is carried out and against the first conducted Direction of movement a return movement is driven in which the first sprayed process runs backwards, d. H. the material or component, which during the first spraying process has been depleted, now while corresponding to the spray movement in the opposite direction is enriched. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner unter gleichzeitigem Spritzen nur in eine Richtung, d. h. in Strömungsrichtung oder entgegen der Strömungsrichtung bewegt wird, wobei die Steuerung so durchgeführt wird, dass die eine Komponente zunächst geringer zudosiert wird und die Zudosierung bzw. der Anteil der Komponente während des Überfahrens des Substrates kontinuierlich oder gestuft ansteigt, während der Anteil der anderen Komponente entsprechend absinkt, wobei nach dem Überfahren des Substrats der Plasmabrenner eine Rückbewegung durchführt, wobei gleichzeitig die Dosierung derart gesteuert wird, dass nach Beenden der Rückbewegung wieder mit einer hohen Konzentration der ersten Komponente begonnen wird und in der Rückbewegung ein Spritzen nicht stattfindet.A method according to claim 20, characterized in that the burner is moved with simultaneous spraying only in one direction, ie in the direction of flow or counter to the direction of flow, the control being carried out in such a way that the one component is initially metered in less and the metering or The proportion of the component increases continuously or in stages during the passage of the substrate, while the proportion of the other component decreases accordingly, the plasma being passed over the substrate burner carries out a return movement, the metering being controlled at the same time such that after the return movement has ended, a high concentration of the first component is started again and no spraying takes place in the return movement. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zudem eine Gradierung der elektrochemischen Eigenschaften in Dickenrichtung der Schichten durchgeführt wird, sodass, nachdem das Substrat einmal vollständig mit einer Schicht überdeckt wurde, eine nächste dünne Schicht der gleichen Funktion, beispielsweise einer Anodenfunktion, aufgebracht wird, bei der die Ausgangszusammensetzung zur Ausgangszusammensetzung der darunterliegenden Schicht bezüglich der elektrochemischen Aktivität verändert ist.Method according to one or more of claims 11 to 22, characterized in that also a grading of the electrochemical Properties in the thickness direction of the layers is carried out so once the substrate is completely covered with a layer was another thin layer the same function, for example an anode function, applied where the starting composition becomes the starting composition the underlying layer with respect to the electrochemical Activity is changed. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Komponenten auf Kosten der anderen angereichert oder abgereichert ist oder eine dritte Komponente zugeführt wird.A method according to claim 23, characterized in that one of the components is enriched at the expense of the other or is depleted or a third component is added. Verwendung einer Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 und insbesondere einer Brennstoffzelle, die mit einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 24 hergestellt wurde, als Elektrolyseur.Use of a fuel cell according to one or several of the claims 1 to 9 and in particular a fuel cell using a method was produced according to one or more of claims 10 to 24, as an electrolyzer.
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