DE19808859C2 - Brennstoffzellenstapel mit Stromleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem Stromleiter, der im Vergleich zu zumindest einer Elektrode besser elektrisch leitend ist. Die Erfindung betrifft ferner ein zugehöriges Herstellungsverfahren.

Eine einzelne Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Brennstoffzellen lassen sich in verschiedene Typen un­ terteilen. Bekannt ist beispielsweise die sogenannte SOFC-Brennstoffzelle.

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperatur- Brennstoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtempera­ tur-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxi­ dationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasser­ stoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektro­ nen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt. Der so erzeugte Strom wird über metallische Stromleiter abgegriffen.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer Leistungen mechanisch und elektrisch mit­ einander zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel verbunden.

Bei der Zusammenschaltung der einzelnen Brennstoffzellen in Serie zu Brennstoffzellenstapeln sind insbesondere zwei Bauarten bekannt.

Bei der ersten Bauart werden die einzelnen Brennstoffzellen flächig aufeinandergelegt und mittels eines stromleitenden Elements miteinander verbunden. Ein solches verbindendes Element zweier Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel ist aus DE 196 09 813 C1 unter der Bezeichnung "bipolare Platte" bekannt.

Mittels der vorgenannten Verbindung der einzelnen Brennstoffzellen fließt der Strom innerhalb der Brennstoffzellen im wesentlichen quer, d. h. quer zur Ebene von Kathode, Anode und Elektrolyt. Es wird auch von Querleitung gesprochen.

Der Vorteil der ersten Bauart liegt in dem großflächigen Kontakt zwischen den einzelnen Brennstoffzellen. Er sorgt für einen geringen Energieverlust bei der Stromleitung innerhalb der Zellen.

Der Nachteil dieser Bauweise liegt jedoch darin, daß die bipolare Platte bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen durch die häufigen starken Temperaturschwankungen von Raumtemperatur bis über 800°C thermischer Ausdehnung und chemischen Wechselwirkungen unterliegt. Dies kann dazu führen, daß der Kontakt unterbrochen wird. Somit führt ein schlechter Kontakt bei großen Kontaktflächen zu einem hohen Energieverlust bei der Stromleitung innerhalb der Zellen.

Bei der zweiten Bauart für Hochtemperatur- Brennstoffzellen werden die Zellen über die Zellenränder zu einem Zellenverbund miteinander verbunden. Hierzu wird die Anode der einen Zelle mit der Kathode der nächsten Zelle mittels eines Stromleiters verbunden. Eine solche Vorrichtung ist aus der Druckschrift DE 41 04 841 A1 bekannt.

Es ist bekannt, einzelne Brennstoffzellen mittels verbindender Elemente zu stapeln sowie elektrisch in Reihe zu schalten. Die Stapelung ergibt ein Rohr, welches aus einer Mehrzahl an Brennstoffzellen mit vergleichsweise kleinen Oberflächen besteht.

Einen Brennstoffzellenstapel aus vielen Brennstoffzel­ len (Segmenten) mit vergleichsweise kleinen Flächen aufzubauen hat zur Folge, daß hohe Ströme vermieden werden und somit nur kleine elektrische Verluste entstehen.

Der Vorteil dieser Bauart liegt darin, daß die angesprochenen Leistungsverluste infolge von gemittelten Spannungswerten bei großflächigen Brennstoffzellen praktisch nicht auftreten. Jede einzelne Brennstoffzelle ist relativ bruchsicher. Zerstörerisch wirkende thermische Spannungen zwischen Brennstoffzelle und Interkonnektor werden aufgrund der kleinen statischen Kontaktflächen wesentlich vermindert.

Nachteilhaft an dieser Brennstoffzellen-Bauart ist, daß der Strom in den Brennstoffzellen in Längsrichtung, d. h. in der Ebene von Kathode, Anode und Elektrolyt fließt. Hier wird von einer Längsleitung gesprochen.

Im Vergleich zur ersten Bauweise, bei der der Strom in den Zellen im wesentlichen quer fließt, muß der Strom bei der zweiten Bauart somit einen längeren Weg zurücklegen. Da die elektrische Leitfähigkeit im Fall von perowskithaltigen Elektroden gering ist, bedeutet dies einen hohen Energieverlust bei der Stromleitung innerhalb des Brennstoffzellenstapels.

Für die vorgenannte innere Verlustleistung ist insbesondere die geringe Leitfähigkeit des Kathodenmaterials verantwortlich, da eine Kathode in der Regel aus Perowskit, nämlich einer porösen Keramik der Zusammensetzung LaSrMnO₃, besteht. Die Leitfähigkeit dieses Kathodenmaterials beträgt bei Betriebstemperatur der Brennstoffzelle nur 50-200 S.cm^-1 und ist somit schlechter als bei einem metallischen Stromleiter. Entsprechend hoch ist der Leistungsverlust.

Aus DE 41 04 841 A1 und DE 39 07 485 A1 sind jeweils Brennstoffzellenanordnungen bekannt, bei denen eine Verschaltung dadurch erfolgt, dass ein Stromleiter zwischen Elektrode und Elektrolyt bzw. zwischen Elektrode und Elektrolyt/Elektrode angeordnet ist.

Aus WO 95/17772 ist eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei der sich ein Randstromkollektor zwischen der Anode und der Ionenaustauschermembran befindet. Die Randstromkollektoren sind vorzugsweise aus einer Vielzahl von elektrisch gut leitenden Drähten gebildet. Dadurch erleichtern die Randstromkollektoren die Verschaltung einzelner Brennstoffzellen in Serie oder parallel.

WO 92/00934 offenbart eine Festoxid-Brennstoffzelle. Diese umfasst eine Zentralschicht mit einer speziellen Elektrolytzusammensetzung. Auf beiden Seiten dieser Schicht ist in innigem Kontakt eine gemischte Leiterschicht angeordnet. Die Außenschichten werden von den Elektroden gebildet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brennstoffzelle, bei der die inneren Leistungsverluste im Vergleich zum genannten Stand der Technik eingeschränkt werden und somit ein leistungsfähigerer Betrieb ermöglicht wird. Aufgabe der Erfindung ist ferner die Schaffung eines Herstellungsverfahrens für Brennstoffzellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Nebenansprüchen.

Die Problemlösung umfaßt einen Stromleiter mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als die elektrische Leitfähigkeit von zumindest einer Elektrode. Der Stromleiter befindet sich zwischen dem Elektrolyten und der Elektrode.

Dies hat zur Folge, daß der Strom nun im wesentlichen im Stromleiter und praktisch nicht mehr durch die Elektrode fließt. Da der Stromleiter im Vergleich zur Elektrode eine höhere Leitfähigkeit besitzt, geht somit weniger elektrische Energie verloren.

Vorteilhaft ist der Stromleiter drahtförmig ausgebildet, damit eine möglichst kleine Fläche des Elektrolytes bedeckt ist, und/oder netzförmig ausgebildet, damit der an der Elektrode gebildete Strom einen möglichst kurzen Weg bis zum Stromleiter zurücklegen muß und somit der Energieverlust im Elektrodenmaterial möglichst gering gehalten wird.

Der Stromleiter ist vorteilhaft mit dem Elektrolyt und/oder der Elektrode stoffschlüssig verbunden. Der stoffschlüssige Verbund mit dem Elektrolyten wird durch ein Glaslot oder mittels eines Hochtemperaturklebers erreicht. Somit ist ein guter mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen Stromleiter, Elektrode und Elektrolyt sichergestellt.

Als geeignetes Material für den Stromleiter ist insbesondere ein Metall, vorzugsweise eine Stahllegierung vorgesehen. Metall besitzt eine Leitfähigkeit von ca. 7000 S.cm^-1 und leitet somit besser als das perowskithaltige Elektrodenmaterial. Eine geeignete Stahllegierung wird bei hoher thermischer Beanspruchung unter oxidierender Atmosphäre nicht beschädigt. Eine solche geeignete Stahllegierung stellt insbesondere das Material mit der Werkstoff-Nr. DIN 1.4742 dar (DIN: Deutsche Industrie-Norm). Dies ist ein Chromstahl auf Eisenbasis mit der Kurzbezeichnung X10CrAl18.

Vorteilhaft ist der Stromleiter mit der Gegenelektrode einer anderen Brennstoffzelle oder mit einem Stromabgriff verbunden. Aus diesem Grund ist der Stromleiter aus der Brennstoffzelle herausgeführt. In der Gegenelektrode zur Anode ist die Kathode zu sehen, entsprechend ist die Gegenelektrode zur Kathode die Anode. Unter einem Stromabgriff ist ein Mittel zu verstehen, welches dem Stromleiter die geleitete elektrische Energie entnimmt.

Der Stromleiter wird mittels Hochtemperaturlötens oder mittels Hochtemperaturklebens auf dem Elektrolyt angebracht. Hieraus entsteht eine stoffschlüssige Verbindung des Stromleiters mit dem Elektrolyt.

Nach der Anbringung des Stromleiters auf dem Elektrolyt wird die Elektrode aufgetragen. Die Auftragung erfolgt insbesondere in der Weise, daß ein guter elektrischer Kontakt zwischen Elektrolyt, Stromleiter und Elektrode entsteht. Somit wird der elektrische Energieverlust eingeschränkt.

Geeignet für die Auftragung der Elektrode ist ein Verfahren, das die elektrische Leitfähigkeit durch Ausbildung von Oxidschichten nicht beeinträchtigt. Daraus ergibt sich ein Verfahren, bei dem keine Temperaturen über 1000°C verwendet werden.

Geeignete Elektroden-Herstellungsverfahren sind beispielsweise in diesem Zusammenhang das Plasmaspritzen unter Sauerstoffausschluß und das Flammspritzen. Bei diesen Verfahren werden Temperaturen von 800 bis 900°C angewendet, welche die elektrische Leitfähigkeit des metallischen Stromleiters durch Ausbildung von Oxidschichten nicht beeinträchtigen.

Der Stromleiter erstreckt sich in der Regel über die gesamte Fläche oder Länge der Elektrode.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 1 weiter erläutert.

Die Figur zeigt die Verbindung von Brennstoffzellen, die aus dicken Anodenschichten 1, mehrfach dünneren Elektrolytschichten 2 sowie dünnen Kathodenschichten 3 bestehen.

Die Anode besteht aus einem Nickel-Cermet, der Elektrolyt aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid und die Kathode aus Perowskit der Zusammensetzung LaSrMnO₃.

Bei selbsttragenden Anoden ist die gute elektrische Leitfähigkeit aufgrund der Dicke von typischerweise ca. 2000 µm sichergestellt. Die Elektrolytschicht ist in diesem Beispiel typischerweise 20 µm und die Kathodenschicht 200 µm dick.

Die drei Brennstoffzellen sind an ihren Kanten (Stirnflächen) mittels eines elektrisch nichtleitenden Glaslotes 4 aneinander geklebt. Ein Stromleiter in Form eines Metalldrahtes 5 oder mehrerer Metalldrähte 5 schalten die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe. Die Drähte 5 sind durch das Glaslot 4 hindurchgeführt.

Zur Verringerung der elektrischen Energieverluste wird der metallische Stromleiter 5 auf den Elektrolyten 2 aufgebracht und erstreckt sich über dessen gesamte Länge. Hierzu dient beispielsweise ein Glaslot.

Die Verbindung kann dabei sowohl punktförmig sein, als sich auch über die gesamte Länge des Stromleiters erstrecken.

Statt eines Glaslotes kann auch ein Hochtemperaturklebstoff verwendet werden. Dieser wird auf den Elektrolyten 2 im Bereich des Stromleiters aufgebracht und somit der Stromleiter stoffschlüssig mit dem Elektrolyt verbunden. Hierauf wird die Kathode 3 durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgebracht.

Mit Hilfe dieses Stromleiters 5 werden die Brennstoffzellen in Reihe geschaltet.

Große metallische oder elektrisch leitende keramische bipolare Platten sind aus diesem Grund nicht erforderlich.

Die beschriebene Ausführungsform kann prinzipiell bezüglich Kathode und Anode auch umgedreht sein, d. h. die Kathode ist so ausgeführt, daß sie das tragende Element darstellt, auf dem dann der Elektrolyt aufgetragen wird. In diesem Fall wird der Stromleiter anodenseitig auf dem Elektrolyt befestigt und anschließend die Anode in der dargestellten Weise aufgetragen.

Die in der Fig. 1 gezeigte Anordnung kann in einer modifizierten, aber im wesentlichen gleichwirkenden Ausführungsform vorliegen.

Es sind beispielsweise auch röhrenförmige Brennstoffzellen möglich, die mittels einer elektrisch isolierenden Lötverbindung verbunden werden. Hierbei werden die zwischen der Kathode und dem Elektrolyt befindlichen Drähte 5 mit der Anode 1 einer anderen Brennstoffzelle verbunden.

Bei rohrförmiger Bauweise entfällt eine gasdichte Wand. Die Aufgabe der elektrischen Verbindung der beiden Zellen sowie der elektrische Kontakt zwischen Kathode der einen Zelle und Anode der anderen Zelle wird bei der Erfindung durch den metallischen Stromleiter übernommen.

Das Prinzip der Erfindung kann in äquivalenter Weise auf jede elektrochemische Zelle angewendet werden, um den Wirkungsgrad zu steigern. Es liegt dann eine Kombination aus Elektrode und Elektrolyt vor. Zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten befindet sich der Stromleiter mit den vorgenannten Eigenschaften.

Claims (6)

1. Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode sowie einem dazwischen angeordneten Elektrolyten und zumindest einem Stromleiter, der eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die Elektroden der Brennstoffzelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleiter draht- und/oder netzförmig ausgebildet ist und zwischen dem Elektrolyten und einer ersten Elektrode angeordnet ist, und sich zur Stromabführung in der Ebene des Elektrolyten über die gesamte Länge und/oder Fläche des Elektrolyten erstreckt.

2. Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch 1, bei dem der Stromleiter mit dem Elektrolyten und/oder mit der Elektrode stoffschlüssig verbunden ist.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Stromleiter mittels eines Glaslotes oder mittels ei­ nes Hochtemperaturklebers mit dem Elektrolyten ver­ bunden ist.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 3, bei dem der Stromleiter aus einer Stahllegierung insbesondere mit der Werkstoff-Nr. DIN 1.14742 besteht.

5. Verwendung der Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 4 in einem Brennstoffzellenstapel, bei dem der Strom­ leiter dieser Brennstoffzelle mit einer Gegenelek­ trode einer anderen Brennstoffzelle oder mit einem Stromabgriff elektrisch leitend verbunden ist.

6. Verwendung der Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 4 in einem Brennstoffzellenstapel, bei dem die Brenn­ stoffzellen jeweils über die Kanten der Brennstoff­ zellen hintereinander angeordnet und in Serie ge­ schaltet sind.