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 PDFInfo
- Publication number
- DE10317976A1 DE10317976A1 DE10317976A DE10317976A DE10317976A1 DE 10317976 A1 DE10317976 A1 DE 10317976A1 DE 10317976 A DE10317976 A DE 10317976A DE 10317976 A DE10317976 A DE 10317976A DE 10317976 A1 DE10317976 A1 DE 10317976A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- fuel cell
- flow
- solid electrolyte
- burner
- functional layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
- H01M4/8621—Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
- H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
- H01M4/8885—Sintering or firing
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8636—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells with a gradient in another property than porosity
- H01M4/8642—Gradient in composition
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
Abstract
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
Aus
der
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:
Um
die erfindungsgemäße Vergleichmäßigung der
elektrischen Stromdichte und der Brennstoffzellen-Temperatur entlang
der Strömungsrichtung
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
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
Wird,
wie in
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird
der Brenner parallel mit oder gegen die spätere Strömungsrichtung
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10317976A DE10317976B4 (en) | 2003-04-17 | 2003-04-17 | Solid electrolyte fuel cell and method for its production and use of the solid electrolyte fuel cell as an electrolyzer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10317976A DE10317976B4 (en) | 2003-04-17 | 2003-04-17 | Solid electrolyte fuel cell and method for its production and use of the solid electrolyte fuel cell as an electrolyzer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10317976A1 true DE10317976A1 (en) | 2004-10-28 |
DE10317976B4 DE10317976B4 (en) | 2013-05-29 |
Family
ID=33039137
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10317976A Expired - Fee Related DE10317976B4 (en) | 2003-04-17 | 2003-04-17 | Solid electrolyte fuel cell and method for its production and use of the solid electrolyte fuel cell as an electrolyzer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10317976B4 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008077753A1 (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-03 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Process for producing an electrochemical functional structure and functional structure |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014212134A1 (en) * | 2014-06-25 | 2015-12-31 | Siemens Aktiengesellschaft | Ceramic coating of a metallic body, method and use of the method thereto |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4567117A (en) * | 1982-07-08 | 1986-01-28 | Energy Research Corporation | Fuel cell employing non-uniform catalyst |
WO1997041612A1 (en) * | 1996-05-01 | 1997-11-06 | Gas Research Institute, Inc. | Stable high conductivity functionally gradient compositionally layered solid state electrolytes and membranes |
US5985476A (en) * | 1995-04-25 | 1999-11-16 | Gas Research Institute | Stable high conductivity functionally gradient compositionally layered solid state electrolytes and membranes |
DE19840517A1 (en) * | 1998-09-04 | 2000-03-16 | Manhattan Scientifics Inc | Gas diffusion structure perpendicular to the membrane of polymer electrolyte membrane fuel cells |
DE19949431A1 (en) * | 1998-10-14 | 2000-04-20 | Mitsubishi Materials Corp | Solid oxide fuel cell of cylindrical or flat layered structure has solid electrolyte and air electrode layers or an interlayer of continuously varying perovskite composition |
WO2000031813A1 (en) * | 1998-11-23 | 2000-06-02 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Fuel cell with operating material that is introduced via a perforated plate |
DE19914680A1 (en) * | 1999-03-31 | 2000-12-07 | Joerg Mueller | Integrated membrane, for a polymer electrolyte membrane fuel cell, is coated with porous graphite layers inoculated with catalyst metal having an adjusted concentration gradient and cluster size |
DE19945667C2 (en) * | 1999-09-23 | 2003-06-26 | Siemens Ag | Fuel cell, method for its operation and associated use |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05135787A (en) * | 1991-03-28 | 1993-06-01 | Ngk Insulators Ltd | Manufacture of solid electrolyte film and manufacture of solid electrolyte fuel cell |
JPH06342663A (en) * | 1993-06-01 | 1994-12-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Solid electrolyte fuel cell |
DE19519847C1 (en) * | 1995-05-31 | 1997-01-23 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Anode substrate for a high temperature fuel cell |
-
2003
- 2003-04-17 DE DE10317976A patent/DE10317976B4/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4567117A (en) * | 1982-07-08 | 1986-01-28 | Energy Research Corporation | Fuel cell employing non-uniform catalyst |
US5985476A (en) * | 1995-04-25 | 1999-11-16 | Gas Research Institute | Stable high conductivity functionally gradient compositionally layered solid state electrolytes and membranes |
WO1997041612A1 (en) * | 1996-05-01 | 1997-11-06 | Gas Research Institute, Inc. | Stable high conductivity functionally gradient compositionally layered solid state electrolytes and membranes |
DE19840517A1 (en) * | 1998-09-04 | 2000-03-16 | Manhattan Scientifics Inc | Gas diffusion structure perpendicular to the membrane of polymer electrolyte membrane fuel cells |
WO2000014816A2 (en) * | 1998-09-04 | 2000-03-16 | Manhattan Scientifics, Inc. | Gas diffusion structure perpendicular to the membrane of polymer-electrolyte membrane fuel cells |
DE19949431A1 (en) * | 1998-10-14 | 2000-04-20 | Mitsubishi Materials Corp | Solid oxide fuel cell of cylindrical or flat layered structure has solid electrolyte and air electrode layers or an interlayer of continuously varying perovskite composition |
US20010041278A1 (en) * | 1998-10-14 | 2001-11-15 | Mitsubishi Materials Corporation | Solid oxide fuel cell having composition gradient between electrode and electrolyte |
WO2000031813A1 (en) * | 1998-11-23 | 2000-06-02 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Fuel cell with operating material that is introduced via a perforated plate |
DE19914680A1 (en) * | 1999-03-31 | 2000-12-07 | Joerg Mueller | Integrated membrane, for a polymer electrolyte membrane fuel cell, is coated with porous graphite layers inoculated with catalyst metal having an adjusted concentration gradient and cluster size |
DE19945667C2 (en) * | 1999-09-23 | 2003-06-26 | Siemens Ag | Fuel cell, method for its operation and associated use |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008077753A1 (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-03 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Process for producing an electrochemical functional structure and functional structure |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10317976B4 (en) | 2013-05-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102007029431B4 (en) | Method for applying an electrically conductive and hydrophilic layer to a bipolar plate for a fuel cell and fuel cell | |
DE19681750B4 (en) | Electrical connection device for a planar fuel cell and its use | |
EP0696386B1 (en) | High-temperature fuel cell with improved solid electrolyte/electrode contact surface, and method of producing the contact surface | |
DE112004002294B4 (en) | Fuel cell system and cathode diffusion layer for a fuel cell system | |
DE10324396B4 (en) | Fuel cell and fuel cell assembly | |
DE69203650T2 (en) | A method of manufacturing a solid oxide layer and a method of manufacturing a solid oxide fuel cell using the solid oxide layer. | |
DE19949431A1 (en) | Solid oxide fuel cell of cylindrical or flat layered structure has solid electrolyte and air electrode layers or an interlayer of continuously varying perovskite composition | |
DE60214950T2 (en) | Miniaturized solid oxide fuel cell | |
DE112005000891B4 (en) | Fuel cell cathode and use | |
DE102006045086A1 (en) | Electrochemical cell structures and process for their preparation | |
DE69220400T2 (en) | Power generating device containing solid oxide fuel cells | |
DE102006029473A1 (en) | Fuel cell contact element with a TiO 2 layer and a conductive layer | |
DE2551936A1 (en) | FIXED ELECTROLYTE WITH ELECTRODE | |
DE60220608T2 (en) | fuel cell | |
EP1271683A2 (en) | Fuel cell | |
DE112019000055T5 (en) | ELECTROCHEMICAL CELL AND CELL STACKING DEVICE | |
EP0722193B1 (en) | Elektrochemical active element for a planar high-temperature fuel cell | |
DE102013007637B4 (en) | Cathode-electrolyte-anode unit of high-temperature fuel cells | |
DE10317976B4 (en) | Solid electrolyte fuel cell and method for its production and use of the solid electrolyte fuel cell as an electrolyzer | |
DE10065009B4 (en) | fuel cell | |
EP2156499B1 (en) | Method for producing a gas-tight solid electrolyte layer and solid electrolyte layer | |
DE10156349B4 (en) | fuel cell plant | |
DE4436456C2 (en) | Process for applying an electronically conductive and easily deformable functional layer | |
DE102007061128B4 (en) | Method for hydrophilic treatment for assembled PEMFC stacks and system for depositing a hydrophilic material | |
EP2335314A1 (en) | Planar high-temperature fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20130830 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008120000 Ipc: H01M0008121300 |