DE19749004A1 - Elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einem keramischen und einem metallischen Bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch leitfähige Ver­ bindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bau­ teil. Das erste Bauteil besteht aus einer Keramik. Das zweite Bauteil besteht aus einem Metall. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für diese Verbindung.

Eine temperaturstabile, elektrisch leitfähige Verbin­ dung zwischen einem keramischen und einem metallischen Bauteil ist beispielsweise bei einem aus mehreren SOFC-Brennstoffzellen bestehenden Brennstoffzellenstapel er­ forderlich.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro­ lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida­ tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn­ stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck­ schrift DE 44 30 958 C1 sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperaturbrenn­ stoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtemperatur­ brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxida­ tionsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen pas­ sieren den sauerstoffionenleitenden Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brenn­ stoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekom­ bination werden Elektronen freigesetzt und so elektri­ sche Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer Leistungen seriell miteinander durch ver­ bindende Elemente zu einem sogenannten Brennstoffzel­ lenstapel verbunden. Ein Beispiel für ein solches ver­ bindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 be­ kannte bipolare Platte dar.

Bekannt sind Kathoden einer SOFC-Brennstoffzelle, die aus keramischen Material bestehen. Bekannt sind ferner bipolare Platten, die aus Metall bestehen.

Es sind Brennstoffzellen bekannt, die aus einer dicken Anodenschicht, einer sehr dünnen Elektrolytschicht so­ wie einer sehr dünnen Kathodenschicht bestehen. Sehr dünne Kathodenschichten sind Schichten mit Dicken von einigen 10 µm, insbesondere mit Schichtdicken kleiner als 20 µm.

Die Elektrolyt-Elektroden-Einheit (Kathode-Elektrolyt- Anode) einer Hochtemperaturbrennstoffzelle besteht re­ gelmäßig aus keramischem Material. Nachteilhaft weist eine keramische Schicht oder ein keramisches Schicht­ system, also zum Beispiel die Elektrolyt-Elektroden- Einheit nach einem oder mehreren Sinterschritten in der Regel eine unebene, d. h. gekrümmte Oberfläche auf, de­ ren Krümmung bis zu 1% der Größe der Baueinheit betra­ gen kann. Unebenheiten größer als 200 µm bei Baueinhei­ ten von 10 × 10 cm sind derzeit die Regel.

Eine bipolare Platte ist vergleichsweise ebene wenn sie aus Stahl oder einem anderen metallischen Werkstoff be­ steht.

Die Unebenheiten beim keramischen Material führen zu Kontaktlücken zwischen bipolarer Platte und der Elek­ trolyt-Elektroden-Einheit.

Eine dünne Elektrodenschicht, wie zum Beispiel die vor­ genannte dünne Kathode, einer Elektrolyt-Elektroden- Einheit kann nicht glatt geschliffen werden, da die Un­ ebenheiten im Verhältnis zur Dicke der Kathoden zu groß sind.

Gemäß der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 197 10 345.6-45 wird zur Beseitigung von Lücken zwischen bipolarer Platte und Kathode eine Paste vorgesehen, bei der eine erste Phase aus Glas oder Glaskeramik besteht und eine zweite Phase elektrisch leitfähig ist. Die Paste besteht in der Regel aus einem ähnlichen oder gleichen Material wie die Kathode. Diese Paste wird zunächst auf die Stege der bipolaren Platte aufgetragen.

Die bipolare Platte mit der Paste und der angrenzenden Kathode wird anschließend auf Temperaturen von bis zu 900°C erhitzt. Temperaturen oberhalb von 900°C sind re­ gelmäßig unverträglich für das Material der bipolaren Platte, soweit es sich um einen Stahl handelt. Ist dar­ über hinaus Glaslot zur Abdichtung eingesetzt worden, so hält das Glaslot ebenfalls Temperaturen oberhalb von 900°C nicht aus.

Nachteilhaft ist die Paste erst nach ihrer Sinterung zufriedenstellend elektrisch leitfähig. Bei 900°C sin­ tert sie regelmäßig nicht oder zu wenig. Infolgedessen bleibt die Paste ein ungenügender elektrischer Leiter. Eine zufriedenstellende elektrische Leitfähigkeit wird nur dann erzielt, wenn die bipolare Platte ausnahms­ weise unmittelbar die Kathode kontaktiert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrich­ tung, bei der das vorgenannte Kontaktierungsproblem nicht auftritt. Aufgabe der Erfindung ist ferner die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung der Vorrich­ tung.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprü­ chen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem auf die Oberfläche eines keramischen Bauteils (also z. B. auf die Oberfläche einer keramischen Kathode) die Paste zumindest an den Stellen aufgetragen wird, an de­ nen das zweite Bauteil (z. B. die Stege einer metalli­ schen, bipolaren Platte) die keramische Oberfläche kon­ taktieren soll. Die Paste wird mit einer genügenden Dicke von regelmäßig mehr als 200 µm Dicke aufgetragen, so daß hierdurch Unebenheiten ausgeglichen werden. Eine genügende Dicke im Sinne der Erfindung bedeutet ganz allgemein, daß sie größer sein muß als die Unebenheiten auf der Oberfläche des keramischen Bauteils. Betragen z. B. die Unebenheiten einer Kathodenoberfläche weniger als 200 µm, so kann die Paste ebenfalls mit einer Dicke von weniger als 200 µm aufgetragen werden.

Anschließend wird das keramische Bauteil mit der aufge­ tragenen Paste gesintert. Die Oberfläche mit der gesin­ terten Paste wird nun geschliffen, bis so eine ebene Oberfläche zur Kontaktierung hergestellt ist. Handelt es sich bei dem Bauteil um eine Elektroden-Elektrolyt- Einheit mit einer dünnen Kathode, so wird die Kathode aufgrund der gewählten Dicke der Paste durch das Schleifen nicht abgetragen.

Anschließend kann das zweite Bauteil, also zum Beispiel die bipolare Platte aufgesetzt werden. Die Kontaktstel­ len sind infolge der verfahrensgemäß hergestellten Kon­ taktschichten durchgehend elektrisch leitfähig.

Die Aufgabe wird ferner durch eine verfahrensgemäß her­ gestellte Vorrichtung gelöst.

Die Paste kann mit konventionellen Techniken wie Sieb­ druck aufgetragen werden. Durch die höhere Sintertempe­ ratur erreicht die Paste eine höhere elektrische Leit­ fähigkeit im Vergleich zum genannten Stand der Technik. Die elektrische Leitfähigkeit zwischen Kathode und bi­ polare Platte ist so gewährleistet.

In einer Ausgestaltung des anspruchsgemäßen Verfahrens wird die Paste an den vorgesehenen Kontaktstellen zum metallischen Bauteil auf ein ungesintertes oder vor­ gesintertes (keramisches) Bauteil aufgebracht und mit diesem gemeinsam gesintert. Ein Sinterschritt wird so eingespart.

Die Paste für eine Kontaktschicht zwischen dem kerami­ schen und metallischen Bauteil setzt sich z. B. aus ei­ nem Binder als Pastengrundlage und einem Pulver zusam­ men. Das Volumenverhältnis zwischen Binder und Pulver beträgt beispielsweise 1 : 4. Als Binder kommen bekannte Stoffe wie zum Beispiel Kunstharz oder Terpineol- Zellulose in Frage.

Das Pulver kann, je nach Sintertemperatur, aus einer Glas-Metallkombination oder aus einem keramischen Pul­ ver bestehen. Für niedrige Sintertemperaturen umfaßt die Paste einerseits ein Pulver aus den Ausgangsstoffen für Glas und andererseits pulverisiertes Silber im Vo­ lumenverhältnis 1 : 1, das heißt, daß die Anteile der beiden Pulver am Pulvergemisch jeweils 50 Vol.-% betra­ gen. Anstelle des Silbers kann auch Silberoxidpulver und/oder eine Silberlegierung in Pulverform, jeweils auch zusammen mit Silberpulver, verwendet werden. Da Silber sehr edel ist, kann es sogar für Kontaktschich­ ten in Kathodenräumen (Räume, in denen sich die Katho­ den befinden) einer Brennstoffzelle zwischen bipolarer Platte und Kathode verwendet werden, obwohl dort wegen der zugeführten Luft eine oxidierende Atmosphäre vor­ handen ist.

Für Kontaktschichten in den Anodenräumen kann aller­ dings auch eine Paste verwendet werden, bei der in dem Pulvergemisch das Silber durch Nickel, das Silberoxid durch Nickeloxid und die Silberlegierung durch eine Nickellegierung ersetzt ist. Ferner kann das Silber durch eine Keramik ersetzt werden, die in den reduzie­ renden Bedingungen der Anodenräume beständig ist, wie z. B. Lanthanchromit. Obwohl Nickel weniger edel als Silber ist, ist diese Eigenschaft im Anodenraum kaum von Bedeutung, da dort keine oxidierende Atmosphäre vorhanden ist. Nickel oder Lanthanchromit sind hitzebe­ ständiger als Silber, so daß mit Kontaktschichten aus diesen Pasten höhere Betriebstemperaturen möglich sind. Dann sollte aber auch für die Kontaktschichten in den Kathodenräumen als elektrisch leitfähige Komponente ein Pulver aus einer elektrisch leitfähigen Oxidkeramik, wie zum Beispiel einer Perowskitkeramik aus Lanthan­ chromit, -manganit oder -cobaltit, verwendet werden. Diese Variante hat ferner die Vorteile, daß die verwen­ deten Werkstoffe bei gleichen Temperaturen gesintert werden können und daß sie relativ weich sind und sich somit leicht schleifen lassen.

Claims (9)

1. Temperaturstabile, elektrisch leitfähige Verbin­ dung zwischen einem keramischen und einem metalli­ schen Bauteil mit einer gesinterten, elektrisch leitfähigen Paste zwischen den beiden Bauteilen.

2. Temperaturstabile, elektrisch leitfähige Verbin­ dung nach vorhergehendem Anspruch, bei dem das ke­ ramische Bauteil eine Elektrode und zwar insbeson­ dere eine Kathode und das metallische Bauteil eine bipolare Platte in einem Brennstoffzellenstapel ist.

3. Temperaturstabile, elektrisch leitfähige Verbin­ dung nach vorhergehendem Anspruch, bei dem die Elektrode weniger als 200 µm dick ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer temperaturstabi­ len, elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einem keramischen und einem metallischen Bauteil mit den Schritten:

• a) auf das keramische Bauteil wird eine Paste aufgetragen,
• b) die elektrische Leitfähigkeit der Paste kann durch Sintern vergrößert werden,
• c) die Paste wird so dick aufgetragen, daß durch die Paste Unebenheiten in der keramischen Oberfläche ausgeglichen werden,
• d) das keramische Bauteil wird zusammen mit der Paste gesintert,
• e) die Oberfläche mit der Paste wird glattge­ schliffen,
• f) auf die glattgeschliffene Oberfläche wird das metallische Bauteil gesetzt oder gedrückt.

5. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, bei dem die Paste aus einem wenigstens zwei Pulver umfassenden Gemisch herge­ stellt ist, von denen ein erstes Pulver die Aus­ gangsstoffe für eine erste aus Glas oder Glaskera­ mik bestehende Phase umfaßt und ein zweites Pulver aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.

6. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, bei dem die Paste aus einem oxidkeramischen Pulver hergestellt ist, welches nach der Sinterung ein elektrisch leitfähiges Ma­ terial bildet.

7. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, bei dem der Anteil des ersten Pulvers zwischen 6 und 50 Vol.-% und der Anteil des zweiten Pulvers zwischen 95 und 50 Vol.-% be­ trägt.

8. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, bei dem ein zweites Pulver in der Paste ein Metall und/oder ein Oxid dieses Me­ talls und/oder eine Legierung auf Basis dieses Me­ talls umfaßt.

9. Verfahren oder Vorrichtung nach vorhergehendem An­ spruch, bei dem das Metall in der Paste Silber oder Nickel ist oder bei dem die Oxidkeramik in der Paste ein Perowskit ist.