DE19547700A1 - Elektrodensubstrat für Brennstoffzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode sowie auf einen Brennstoffzellenstapel für eine Brennstoffzelle.

Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) besteht aus einem Brennstoffzellenstapel und der zugehörigen Peri­ pherie. Ein Brennstoffzellenstapel weist mehrere Einhei­ ten, bestehend aus Elektrolyt, Kathode und Anode, auf. Der Elektrolyt ist z. B. aus Yttrium stabilisiertem Zir­ kondioxid (YSZ) (ZrO₂ - 8 mol% Y₂O₃), die Kathode z. B. aus Strontium dotiertem Lanthanmanganoxid (LSM) (La_{1-x- y}Sr_xMnO_3-z) und die Anode z. B. aus einer nicht katalytisch wirkenden sowie einer katalytisch wirkenden Phase (z. B. Nickel-YSZ Cermet; 40 Vol% Ni/60 Vol% YSZ) hergestellt. Interkonnektorplatten verbinden mehrere Anode-Elektrolyt-Kathode-Einheiten miteinander.

Es ist aus der deutschen Patentanmeldung, amtliches Ak­ tenzeichen 195 19 847.6-45 bekannt, selbsttragende Elek­ trolytfolien und Interkonnektorplatten einzusetzen. Unter selbsttragender Eigenschaft ist zu verstehen, daß die Folien nicht durchbiegen, wenn sie an einer Stelle angehoben werden. Die beiden Elektroden werden auf der Elektrolytfolie als Schichten aufgetragen. Sowohl die Elektrolytfolie, als auch die Interkonnektorplatte müssen die mechanische Stabilität gewährleisten.

Eine Dicke von ca. 200-300 µm der selbsttragenden Elek­ trolytfolie ist notwendig, um die mechanische Stabilität zu gewährleisten. Eine dicke Elektrolytschicht hemmt je­ doch nachteilhaft den in der Brennstoffzellen stattfin­ denden Ionentransport durch den Elektrolyten.

Um diesen Mangel zu beheben, ist das Substratkonzept entwickelt worden. Ein poröses Substrat wird aus einem der beiden Elektrodenmaterialien hergestellt und übernimmt die tragende Funktion. Es muß dementsprechend dick angefertigt werden. Hierfür sind Schichtdicken größer als 0,5 mm erforderlich, weil die poröse Schicht eine viel geringere Festigkeit als beispielsweise der Elektrolyt besitzt.

Auf dieses Substrat wird eine sehr dünne Elektrolyt­ schicht und hierauf die zweite Elektrodenschicht aufge­ bracht. Diese Dreischicht-Zelleinheiten werden zusammen mit den Interkonnektorplatten in Serie zu einem Stack geschaltet.

Nachteilhaft an beiden vorgenannten Konzepten ist, daß für die Herstellung der selbsttragenden Komponente teure Materialien wie YSZ, Cer-Verbindungen oder Lanthan-Verbindungen verwendet werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Elektrode sowie eines Brennstoffzellenstapels, mittels derer die vorgenannten Nachteile vermindert werden können.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Elektrode sowie durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Haupt- bzw. Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Elektrode weist zwei Schichten auf.

Die eine Schicht verleiht der Elektrode die selbsttra­ gende Eigenschaft. Dieser Zweck kann durch eine ent­ sprechend dicke Schicht von z. B. 1 bis 3 mm erreicht werden. Bei Verwendung eines entsprechend stabilen Ma­ terials kann diese jedoch auch erheblich dünner als 1 mm sein. Im allgemeinen wird die Schichtdicke der selbsttragenden Schicht mehrfach dicker als die andere sein.

Die selbsttragende Schicht ist vorteilhaft mechanisch stabiler als die übrigen Elektrodenschichten oder die Elektrolytschicht. Insbesondere auf diese Weise kann teures Material eingespart werden.

Die andere Schicht weist die erforderlichen katalyti­ schen Eigenschaften einer Elektrode in einer Brenn­ stoffzelle auf. Katalysiert wird beispielsweise die Re­ formierungsreaktion bei interner Reformierung mittels Anode oder die Oxidation des Brennstoffes.

Die tragende Funktion von der katalytischen Funktion einer Elektrode zu trennen, ermöglicht die Verwendung billiger Materialien zur Erzielung der mechanischen Stabilität. Bei den bisherigen Konzepten mußten wie er­ läutert hierfür zwingend teure Materialien verwendet werden.

Alternative, preisgünstige Materialien für die selbst­ tragende Komponente sollten ferner folgende Kriterien für ihren Einsatz erfüllen:

• - keine chemische Wechselwirkung mit dem Interkonnek­ tormaterial und der katalytisch aktiven Anoden­ schicht,
• - chemische Stabilität in Brenngasen verschiedener Zusammensetzung (z. B. CH₄/H₂O, C_nH_m/H₂O, H₂/H₂O),
• - Kompatibilität mit den thermophysikalischen Eigen­ schaften (z. B. thermischer Ausdehnungskoeffi­ zient) der anderen Brennstoffzellen-Komponenten,
• - elektrische Leitfähigkeit zur Überbrückung des Elektronentransports zwischen katalytisch aktiver Anodenschicht und Interkonnektor.

Besonders gut können Cermets bestehend aus Ni und Al₂O₃ bzw. Ni und TiO₂ diese Kriterien erfüllen. Geeignete handelsübliche, billige Oxide sind ferner: Cr₂O₃, Fe₂O₃, abgereichertes UO₂.

Die chemischen Eigenschaften von Al₂O₃ und TiO₂ gewähr­ leisten eine ausreichende Langzeitstabilität. Wechsel­ wirkungen mit dem YSZ der katalytisch aktiven Schicht sind nicht bekannt (Al₂O₃) oder nicht schädlich (TiO₂). Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Al₂O₃ und TiO₂ (8,3 _* 10^-6 K^-1 bzw. 9,1 _* 10^-6 K^-1) sowie die sich intermediär bildenden Verbindungen NiAl₂O₄ oder NiTiO₃ (8,1 _* 10^-6 K^-1 bzw. 10,3 _* 10^-6 K^-1 sind kleiner als die von YSZ (10,5 _* 10^-6 K^-1) oder einem metallischen Interkonnektor (CrFe5Y₂O₃1: 11,3 _* 10^-6 K^-1.

Durch geeignete Zumischungen von Ni kann der thermische Ausdehnungskoeffizient den anderen Brennstoffzellen- Komponenten angeglichen werden. Z. B. beträgt der ther­ mische Ausdehnungskoeffizient für
Al₂O₃ + x Vol.% NiO:
Al₂O₃ + x Vol.% Ni:
TiO₂ + x Vol.% NiO:
TiO₂ + x Vol.% Ni:

Durch die erhöhte Zumischung von NiO und Reduktion zu Ni wird außerdem eine gute elektrische Leitfähigkeit erzielt.

Durch die Verlagerung von Gaskanälen in die mechanisch stabilisierende Elektrodenschicht kann das Gas vorteil­ haft auf kürzerem Wege im Vergleich zum bisherigen Substratkonzept der katalytisch aktiven Schicht zuge­ führt werden.

Es zeigen

Fig. 1 Brennstoffzelleneinheit mit Elektrode;

Fig. 2 Brennstoffzelleneinheit mit Gaskanälen in der Elektrode.

Fig. 1 zeigt eine aus Interkonnektoren 1, Gaskanälen 2, Kathode 3, Elektrolyt 4, Anode 5 und 6 bestehende Einheit, die für einen Einsatz in Hochtemperatur-Brenn­ stoffzellen vorgesehen ist.

Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, wird bei der hier vorgestellten Anode die tragende von der katalytischen Funktion örtlich getrennt. Die Herstellung der tragen­ den sowie der katalytisch aktiven Schicht erfolgt durch gängige Verfahren: ein Ni/Al₂O₃- oder ein Ni/TiO₂- Cermet 6 wird durch Foliengießen und ggf. Laminieren von mehreren gegossenen Folien oder durch das Coat-Mix- Verfahren, die katalytisch aktive Schicht 5 durch Siebdruck oder Naßpulverspritzen hergestellt.

Durch Verlagerung der Gaskanäle 2 von Interkonnektor 1 (Fig. 1) in das Innere der tragenden Schicht 6 (Fig. 2) erreicht deutlich mehr Brenngas die kataly­ tisch aktive Anodenschicht 5 und führt zu einer Erhö­ hung des Brenngas-Umsatzes. Die Gaskanäle 2 können beim Herstellen der tragenden Schicht 6 durch Verwen­ dung von beispielsweise Kohlefasern oder vorgefertigten Hartpolymer-Matrizen hergestellt werden. Sowohl beim Coat-Mix-Verfahren als auch beim Foliengießen lassen sich diese ausgedehnten organischen Additive, bestehend aus C, H, O und evtl. N in den Grünkörper einfügen. In einem Verkokungsprozeß wird der Körper vorgesintert, um Formstabilität zu erhalten und anschließend an Luft endgesintert, wobei die organischen Additive verbrennen und eine Kanalstruktur im porösen Substrat zurücklas­ sen.

Da auf diese Weise planparallele Brennstoffzellen-Kom­ ponenten zusammengefügt werden, wird nicht nur das Zu­ sammenfügen von Anode und Interkonnektor erleichtert, sondern es wird auch in größerem Umfang teures Inter­ konnektormaterial gespart.

Claims (4)

1. Elektrode für eine Brennstoffzelle mit zwei Schichten (5, 6), bei der die eine Schicht (5) katalytische Eigenschaften aufweist und die andere Schicht (6) selbsttragend ist.

2. Elektrode nach vorhergehendem Anspruch, bei der die Schichtdicke der einen Schicht (6) mehrfach dicker als die andere (5) ist.

3. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit in der dickeren Schicht (6) befindlichen Gaskanälen (2) für die Zuführung von Gas zur katalytisch aktiven Schicht.

4. Brennstoffzellenstapel mit einer Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche.