DE19705874A1 - Interkonnektor für SOFC-Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Interkonnektor für SOFC-Brennstoffzel­ lenstapel.

Ein Brennstoffzellenstapel weist als wesentliche Bestandteile mehrere Brennstoffzellen auf. Eine Brennstoffzelle wiederum ist aus einer Ka­ thode, einem Elektrolyten sowie einer Anode zusammengesetzt. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. Brennstoff sowie Oxidations­ mittel werden im folgenden allgemein Betriebsmittel genannt.

Es gibt verschiedene Brennstoffzellentypen, z. B. die SOFC-Brennstoff­ zelle, die auch Hochtemperatur-Brennstoffzelle genannt wird, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt.

An der Kathode einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffio­ nen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anoden­ seite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektri­ sche Energie erzeugt.

Eine SOFC-Brennstoffzelle weist einen Feststoffelektrolyt auf, der O^2-- Ionen, aber keine Elektronen leitet. Dabei wird üblicherweise Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid, YSZ, als Material für den Feststoffelektrolyten verwendet.

Zur Erzielung großer Leistungen werden mehrere Brennstoffzellen aufeinander gestapelt und elektrisch seriell miteinander verbunden. Das verbindende Element zweier Brennstoffzellen ist unter der Be­ zeichnung Interkonnektor bekannt. Es bewirkt die elektrische sowie die mechanische Kopplung zweier Brennstoffzellen. Ferner dient das verbindende Element der Bildung von Kathoden- oder Anodenräu­ men. In einem Kathodenraum befindet sich eine Kathode. In einem Anodenraum befindet sich eine Anode. Derart gestapelte Brennstoff­ zellen werden Brennstoffzellenstapel genannt.

Aus dem Stand der Technik ist ein Interkonnektor bekannt, der aus ei­ nem keramischen Material, beispielsweise aus Lanthanchromid (LaCrO₃) besteht. Dieser Interkonnektor weist zwar bei hohen Tempe­ raturen eine geeignete elektrische Leitfähigkeit auf und läßt sich auch gut an das thermische Ausdehnungsverhalten der Zellenwerkstoffe des Brennstoffzellenstapels anpassen. Jedoch ist das keramische Mate­ rial sehr teuer und läßt sich zudem nur aufwendig zu Interkonnekto­ ren verarbeiten. Dadurch entstehen zudem hohe Herstellungskosten.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik ein Interkonnektor bekannt, der aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist. Dabei wird vor­ zugsweise eine hitzebeständige ferritische Legierung wie beispielsweise Cr5Fe1Y₂O₃ verwendet. In Folge der hohen Betriebstemperaturen ver­ bunden mit einem hohen O₂-Partialdruck auf der Kathodenseite bildet sich auf dem metallischen Interkonnektormaterial eine Oxidschicht.

An diese Oxidschicht sind nun hohe Anforderungen an die Hochtem­ peraturbeständigkeit und Leitfähigkeit zu stellen. Diese Anforderun­ gen werden im Stand der Technik nur von Chromoxidschichten er­ füllt. Diese weisen jedoch wiederum den Nachteil auf, daß durch die Abdampfung von Chromoxiden unter den gegebenen Hochtempera­ tur-Betriebsbedingungen insbesondere die Kathode geschädigt wird. Im Stand der Technik wird daher kathodenseitig eine Beschichtung mit einer speziellen, ganzflächigen Sperrschicht, bspw. aus LaCrO₃ vorge­ sehen, die ein Abdampfen der Chromoxide verhindert.

Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, daß durch Zugabe von Aluminium die Legierung eine Deckschicht aus Al₂O₃ ausbildet. Diese Deckschicht wiederum ist stabiler als die Chromoxiddeckschicht, jedoch weist die Deckschicht aus Al₂O₃ nur eine verschwindende elek­ trische Leitfähigkeit auf.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, einen In­ terkonnektor anzugeben, bei dem das Abdampfen von Chromoxiden weitgehend unterdrückt wird und gleichzeitig eine ausreichende elek­ trische Leitfähigkeit der Kontaktstellen zwischen Interkonnektor und den Elektroden gewährleistet wird.

Das zuvor angeführte technische Problem wir erfindungsgemäß durch einen Interkonnektor nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Anforderungen an die Leitfähigkeit der Oxid­ schicht nur im Bereich der den elektrischen Kontakt herstellenden Kontaktelement gestellt werden müssen. Dagegen sind in den Berei­ chen der übrigen Oberfläche die Anforderungen an die Oxidschicht entgegengesetzt, da hier nicht die elektrische Leitfähigkeit wesentlich ist, sondern die möglichst stabile Oberfläche.

Daher wird vorgeschlagen, daß nur die Legierung der Kontaktele­ mente einen Aluminiumgehalt von weniger als 2.0 Masse-% aufwei­ sen. In vorteilhafter Weise wird dadurch sichergestellt, daß sich an der Oberfläche des Kontaktelementes nur in sehr geringem Umfang eine Al₂O₃-Schicht bildet, die somit nicht den elektrischen Kontakt mit ei­ ner der Kathoden der Brennstoffzelle erschwert. Die Legierung des üb­ rigen Grundkörpers des Interkonnektors weist dagegen einen Alumi­ niumgehalt von mehr als 2.0 Masse-% auf, so daß sich in jedem Fall auf der Oberfläche des Grundkörpers eine Al₂O₃-Schicht bildet.

Diese Al₂O₃-Schicht ist stabil gegenüber der sie umgebenden Atmo­ sphäre und gewährleistet, daß gar nicht oder nur in geringem Maße Chromoxide aus dem Interkonnektor austreten. Dadurch wird nicht zuletzt die Beständigkeit der Elektroden der Brennstoffzelle verbessert.

In bevorzugter Weise weist nun die Legierung des Kontaktelementes einen Aluminumgehalt von weniger als 1,5 bzw. 1,0 Masse-% auf. Die­ ses folgt der Erkenntnis, daß mit geringer werdendem Aluminumge­ halt die Neigung der Legierung zur Al₂O₃-Schichtbildung abnimmt. Unterhalb von 1,0 Masse-°/o ist davon auszugehen, daß keine Al₂O₃- Schicht mehr auf der Oberfläche der Legierung gebildet wird.

In bevorzugter Weise bestehen die Legierungen aus einer hitzebestän­ digen ferritischen Legierung, die sich in geeigneter Weise an das Tem­ peraturausdehnungsverhalten der übrigen Materialien des Brennstoff­ zellenstapels anpassen lassen und zudem eine geeignete Formstabilität gewährleisten, so daß die mechanische Integrität des Brennstoffzellen­ stapels sichergestellt werden kann.

In bevorzugter Weise werden weiterhin die Kontaktelemente mittels einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Grundkörper des Inter­ konnektors verbunden. Dabei finden beispielsweise Schweißen, Auf­ tragsschweißen oder Löten Anwendung. Die Verbindungszone enthält dabei vorteilhafter Weise Sperrschichten, die eine Interdiffusion des Aluminiums zwischen den Legierungen unterdrücken.

Mit dem zuvor beschriebenen Interkonnektor läßt sich nun ein Brenn­ stoffzellenstapel aufbauen. Dabei dient - wie oben beschrieben - der In­ terkonnektor nicht nur für die Leitung der Brennstoffe für die Brenn­ stoffzellen, sondern auch für die Leitung des durch die Brennstoffzel­ len erzeugten Stromes.

Die Kontaktelemente eines Interkonnektors stehen daher im zusam­ mengebauten Zustand des Brennstoffzellenstapels im wesentlichen vollständig mit einer Elektrode einer Brennstoffzelle in elektrisch lei­ tendem Kontakt. Da das Kontaktelement aufgrund der geforderten elektrischen Leitfähigkeit nur einen geringen Aluminiumgehalt auf­ weist, bildet sich an der Oberfläche der Kontaktelemente eine Chromo­ xidschicht. Aus dieser Schicht treten der Chromoxide aus und führen somit zu einer Verunreinigung und sogar möglicherweise zu einer Zerstörung der Kathoden. Dieses kann auch durch den ansonsten im Grundkörper vorhandenen höheren Aluminiumgehalt und dem da­ durch erfolgten Schutz gegenüber dem Austreten von Chromoxiden nicht verhindert werden.

Daher ist in bevorzugter Weise die Kontaktstelle des Kontaktelemen­ tes des Interkonnektors mit der Elektrode mit einer Umhüllung um­ geben. Diese schützt das Kontaktelement vor der vorhandenen Atmo­ sphäre, so daß aus der Oberfläche keine schädlichen Chromoxide aus­ treten können. Weiterhin besteht die Isolierung in bevorzugter Weise aus einer elektrisch leitenden Keramik, z. B. Lanthanchromid (LaCrO₃).

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Interkonnek­ tors bestehen darin, daß zunächst keine isolierende Zwischenschichten trotz der Verwendung eines Interkonnektormaterials mit einem ho­ hen Aluminiumgehalt auftreten, da an den kritischen Stellen der Kontakt durch eine Legierung mit niedrigem Aluminiumgehalt her­ gestellt wird.

Weiterhin wird eine Hochtemperaturbeständigkeit des Interkonnek­ tors durch den Einsatz des kostengünstigen Legierungselementes Aluminium erreicht, wobei der Aluminiumgehalt im wesentlichen zwischen 1,0 und 6,0 Masse-% liegt.

Schließlich kann eine Chromoxidverdampfung nur an den Kontakte­ lementen des Interkonnektors auftreten, da der Grundkörper von ei­ ner dichten Aluminiumoxidschicht umgeben wird. Die Gefahr einer lokalen Chromoxidverdampfung an den Kontaktelementen kann je­ doch wirksam durch eine umgebende Kontaktschicht verringert wer­ den.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Querschnitt einen Interkonnektor, der mit einer Brennstoffzelle in Verbindung steht und

Fig. 2 im Querschnitt die Kontaktstelle des Kontaktelementes mit einer Elektrode einer Brennstoffzelle.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Interkonnektor 1 dargestellt, der einen Grundkörper 2 und mehrere Kontaktelemente 3 aufweist. Die Kontaktelemente 3 sind dabei in einer Richtung vom Grundkörper 2 abgewandt angeordnet, um in geeigneter Weise mit einer Elektrode 4 einer Brennstoffzelle 5 in Verbindung stehen zu können. Dadurch werden zudem Führungskanäle 6 für die Führung von Brennstoffen aufgespannt.

Erfindungsgemäß weist die Legierung des Grundkörpers 2, die erste Legierung, einen Aluminiumgehalt von mehr als 2,0 Masse-%. Da­ durch wird gewährleistet, daß sich auf der Oberfläche des Grundkör­ pers 2 eine Al₂O₃-Schicht bildet, die ein Abdampfen von Chromoxiden verhindert.

Weiterhin weist die Legierung des Kontaktelementes 3, die zweite Le­ gierung, einen Aluminiumgehalt von weniger als 2,0 Masse-%, insbe­ sondere von weniger als 1,5 Masse-% und vorzugsweise von weniger als 1,0 Masse-% auf. Daher bildet sich an der Oberfläche des Kontakte­ lementes 3 keine elektrisch isolierende Al₂O₃-Schicht aus, so daß prin­ zipiell an den Kontaktelementen 3 Chromoxide austreten bzw. ver­ dampfen können. Diese Verdampfung ist jedoch erheblich geringer als bei einem Interkonnektor, der vollständig aus einer Chromoxide abge­ benden Legierung besteht.

Die Legierungen sowohl des Grundkörpers 2 als auch des Kontaktele­ mentes 3 sind vorzugsweise hitzebeständige ferritische Legierungen.

Weiterhin sind die Kontaktelemente 3 des in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiels mit dem Grundkörper 2 des Interkonnektors 1 mit­ tels Auftragschweißen verbunden. Somit wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kontaktelement 3 und dem Grundkörper 2 hergestellt.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind die Kontaktelemente 3 mittels einer Kontaktschicht 7 mit der Elektrode 4 der Brennstoffzelle 5 verbunden, um eine auch bei unterschiedlich hohen Temperaturen ausreichende elektrisch leitende Verbindung sicherzustellen. Dabei deckt die Kon­ taktschicht 7 die Oberfläche des Kontaktelementes 3 von einer Seite ab. Somit sind nur die Seitenwände des Kontaktelementes 3 der Umge­ bungsatmosphäre ausgesetzt, in die Chromoxide abgegeben werden können.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Verbindung zwischen dem Kontaktelemente 3 und der Elektrode 4 dargestellt. Hier um­ schließt die Kontaktschicht 7 das Kontaktelement 3 von allen Seiten, so daß kein Abschnitt der Oberfläche des Kontaktelementes 3 mit der Umgebung in Berührung steht. In diesem Fall ist also in wirkungsvol­ ler Weise gewährleistet, daß aus dem nur einen geringen Aluminium­ anteil aufweisenden Kontaktelement 3 keine Chromoxide abgegeben werden können.

Claims (7)

1. Interkonnektor für einen SOFC-Brennstoffzellenstapel

• - mit einem aus einer ersten Legierung bestehenden Grundkörper (2) und
• - mit mindestens einem aus einer zweiten Legierung bestehenden Kontaktelement (3),
• - wobei die erste Legierung einen Aluminiumgehalt von mehr als 2,0 Masse-% und die zweite Legierung einen Aluminiumgehalt von we­ niger als 2,0 Masse-% enthält.

2. Interkonnektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Legierung einen Aluminiumgehalt von weniger als 1,5 Masse-%, vorzugsweise von weniger als 1,0 Masse-% enthält.

3. Interkonnektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Legierung eine hitzebeständige ferritische Le­ gierung sind.

4. Interkonnektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktelemente (3) mit dem Grundkörper (2) mit­ tels einer stoffschlüssigen Verbindung verbunden sind.

5. Brennstoffzellenstapel

• - mit mindestens einer Elektroden (4) aufweisenden Brennstoffzelle (5),
• - mit mindestens einem Interkonnektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
• - wobei der Interkonnektor (1) über die Kontaktelemente (3) mit einer der Elektroden (4) der Brennstoffzelle (5) elektrisch leitend verbunden ist.

6. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (3) mit der Elektrode (4) über eine Kontakt­ schicht (7) verbunden ist, die vorzugsweise vollständig das Kontakte­ lement (3) umschließt.

7. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, daß die Kontaktschicht (7) aus einer Keramik besteht.