DE19904203C2

DE19904203C2 - Fuel cell and battery production

Info

Publication number: DE19904203C2
Application number: DE19904203A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Dohle; Klaus Bonhoff
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 1999-02-03
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2019-02-04
Also published as: DE19904203A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle sowie eine verfahrensgemäß herge stellte Brennstoffzelle.The invention relates to a method for manufacturing a fuel cell as well as a procedural herge put fuel cell.

Brennstoffzellen weisen eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen liegende Elektrolytschicht auf. Der An ode wird ein Brennstoff und der Kathode wird ein Oxida tionsmittel zugeführt. In einer Ausführungsform passie ren vom Oxidationsmittel herrührende Sauerstoffionen den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser unter Erzeugung von Strom. Eine solche Brennstoffzelle wird regelmäßig bei sehr hohen Temperaturen (700- 1000°C) betrieben. In einer anderen Ausführungsform werden aus dem Brennstoff Protonen erzeugt, die den Elektrolyten passieren und auf der Kathodenseite ent sprechend rekombinieren. Eine solche Brennstoffzelle kann regelmäßig bei erheblich geringeren Temperaturen betrieben werden.Fuel cells have an anode, a cathode and an electrolyte layer in between. The An ode becomes a fuel and the cathode becomes an oxide tion agent supplied. In one embodiment, passie ren oxygen ions originating from the oxidizing agent the electrolyte and recombine on the anode side with the hydrogen coming from the fuel to water generating electricity. Such a fuel cell is used regularly at very high temperatures (700- 1000 ° C) operated. In another embodiment protons are generated from the fuel, which Pass electrolytes and ent on the cathode side recombine speaking. Such a fuel cell can regularly at much lower temperatures operate.

Brennstoffzellen sollen in Zukunft unter anderem Batte rien ersetzen. Hierfür ist eine besonders effektive kleine Bauweise Voraussetzung. Zylinderförmige kompakte Bauweisen für Brennstoffzellen sind zum Beispiel aus den Druckschriften WO 97/01194, deutsche Offenlegungs schrift 1 805 022 sowie deutsche Offenlegungsschrift 25 34 725 bekannt. Die Herstellung ist jedoch relativ auf wendig und auf biegsame Materialien eingeschränkt, da Brennstoffzellen gewickelt werden. In the future, fuel cells should include Batte replace rien. This is a particularly effective one small design requirement. Cylindrical compact Construction methods for fuel cells are, for example, out the publications WO 97/01194, German disclosure 1 805 022 and German Offenlegungsschrift 25 34 725 known. The manufacture, however, is relatively on agile and restricted to flexible materials, because Fuel cells are wound.

In EP 0 454 924 A1 und EP 0 454 925 A1 werden Verfahren zur Beschichtung eines porösen Rohres, welches mit einer Elektrode ummantelt ist, beschrieben, wobei es sich bei der Beschichtung um eine hochtemperaturbestän dige, elektrisch leitfähige Schicht handelt.Methods are described in EP 0 454 924 A1 and EP 0 454 925 A1 for coating a porous tube, which with an electrode is described, wherein it the coating is resistant to high temperatures nige, electrically conductive layer.

Aus EP 0 285 727 ist eine röhrenförmige Elektrode be kannt, welche in ihrem Inneren entlang der axialen Länge zwei Kammern aufweist, wobei diese Elektrode als Luftelektrode einer Brennstoffzelle eingesetzt werden kann.EP 0 285 727 describes a tubular electrode knows which inside along the axial Length has two chambers, this electrode as Air electrode of a fuel cell are used can.

Ferner ist aus US 4,791,035 eine elektrochemische Zelle bekannt, welche röhrenförmige innere Elektroden auf weist, durch die Brenngas geleitet wird. Auf den inne ren Elektroden sind, über Elektrolytschichtsegmente ge trennt, äußere Elektrodensegmente angeordnet.From US 4,791,035 is an electrochemical cell Known which tubular inner electrodes are on points through which fuel gas is passed. On the inside Ren electrodes are ge over electrolyte layer segments separates, arranged outer electrode segments.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines ein fachen Verfahrens zur Herstellung einer kompakten Brennstoffzelle. Ferner ist die Bereitstellung einer besonders leistungsfähigen Brennstoffzelle als Batte rieersatz Aufgabe der Erfindung.The object of the invention is to provide a fold process for producing a compact Fuel cell. Furthermore, the provision of a particularly powerful fuel cell as battery rie substitute object of the invention.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Eine Vorrich tung, die verfahrensgemäß hergestellt worden ist, er gibt sich aus den Merkmalen des Nebenanspruchs. Vor teilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.The object of the invention is achieved by a method solved the features of the main claim. A preacher device that has been manufactured in accordance with the method arises from the features of the subsidiary claim. Before partial configurations result from the Unteran sayings.

In einem ersten Verfahrensschritt wird ein poröser, elektrisch leitfähiger Körper (Ausgangskörper) bereit gestellt. Es kann sich um einen Vollkörper handeln, der also keinen deutlich größeren Hohlraum im Vergleich zu seinen Poren einschließt. Es handelt sich zum Beispiel um einen aus Edelstahl bestehenden Körper, insbesondere um einen Sinterkörper, der aus Pulver hergestellt wur de. Pulver werden dabei zum Beispiel zusammen mit Bin der verpreßt und anschließend gesintert. Die elektri sche Leitfähigkeit des Körpers muß so beschaffen sein, daß der mit der Brennstoffzelle erzeugte Strom abgegriffen werden kann.In a first process step, a porous, electrically conductive body (starting body) ready posed. It can be a full body that not a significantly larger cavity compared to traps its pores. It is for example around a body made of stainless steel, in particular a sintered body made of powder de. Powders are mixed with bin, for example the pressed and then sintered. The electri cal conductivity of the body must be such that the electricity generated with the fuel cell is tapped can be.

Ein weiteres Beispiel für einen elektrisch leitenden porösen Körper stellt ein stickstoffdotierter Silicium karbidkörper dar, der insbesondere auch bei hohen Tem peraturen eingesetzt werden kann. Der poröse Körper muß elektrisch leitend sein, da er als Elektrode in einer Brennstoffzelle fungieren soll. Er muß durchlässig sein, damit Betriebsmittel (fluides Oxidationsmittel oder fluider Brennstoff) in diesen hinein- und weiter zum Elektrolyten strömen können.Another example of an electrically conductive porous body represents a nitrogen-doped silicon carbide body, which in particular at high temperatures temperatures can be used. The porous body must be electrically conductive as it acts as an electrode in a Fuel cell should act. It must be permeable so that equipment (fluid oxidant or fluid fuel) into and on can flow to the electrolyte.

In einem nächsten Verfahrensschritt wird, falls der Ausgangskörper nicht bereits geeignet katalytisch akti ves Material aufweist, ein Katalysator auf die Oberflä che des Ausgangskörpers aufgebracht. Im Unterschied zum Stand der Technik betrifft eine solche Beschichtung we sentlich mehr als 50% der zur Verfügung stehenden Oberfläche des Ausgangskörpers. Als Oberfläche des Aus gangskörpers wird nachfolgend seine äußere Oberfläche bezeichnet. Oberflächen, die vom Volumen des Ausgangs körpers eingeschlossen werden, stellen keine Oberfläche im Sinne des Anspruchs dar.In a next step, if the Starting body not already suitable catalytically active ves material, a catalyst on the surface che of the starting body applied. In contrast to The prior art relates to such a coating considerably more than 50% of the available Surface of the original body. As the surface of the Aus body then becomes its outer surface designated. Surfaces by the volume of the output body are enclosed, do not represent a surface within the meaning of the claim.

Es kann wenigstens ein Bereich auf der Oberfläche des Ausgangskörpers von der Beschichtung (Aufbringung) aus genommen werden. Eine vollständige Bedeckung (Beschich tung) ist also nicht erforderlich. Das katalytisch ak tive Material ist so zu wählen, daß die in dem entspre chenden Elektrodenraum ablaufenden elektrochemischen Prozesse durch den Katalysator katalysiert werden. Ge eignete Katalysatoren sind bekannt. Je nach Anwendungs zweck werden zum Beispiel Platin oder Nickel als Kata lysator vorgesehen.There may be at least one area on the surface of the Starting body from the coating (application) be taken. Complete coverage (Beschich tion) is therefore not necessary. The catalytically active tive material should be selected so that it corresponds to the corresponding electrochemical electrode space Processes are catalyzed by the catalyst. Ge suitable catalysts are known. Depending on the application For example, platinum or nickel are used as kata lysator provided.

Auf den Katalysator bzw. auf den Ausgangskörper, der Katalysatormaterial aufweist, wird ein Elektrolytmate rial aufgebracht. Wiederum wird mehr als 50% der Ober fläche bedeckt. Die Aufbringung (Bedeckung) erfolgt um laufend um den Ausgangskörper herum. Die Elektrolyt schicht umhüllt den Ausgangskörper also zumindest ring förmig. Als Elektrolytmaterial kann z. B. ein Membran material wie Nation® verwendet werden. Allgemein kann also eine Polymerelektrolytmembran aufgebracht werden. Im Fall einer Hochtemperaturbrennstoffzelle muß ein an deres Material eingesetzt werden. Die vorliegende Er findung bezieht sich jedoch in erster Linie auf Nieder temperaturbrennstoffzellen, da hohe Temperaturen den Einsatz als Batterie wesentlich erschweren. Die Elek trolytschicht ist gasdicht aufzubringen. Eine vollstän dige Bedeckung der Oberfläche des Ausgangskörpers ist nicht erforderlich. On the catalyst or on the starting body, the Has catalyst material is an electrolyte rial applied. Again, more than 50% of the waiters area covered. The application (covering) takes place at continuously around the starting body. The electrolyte layer envelops the initial body at least ring shaped. As an electrolyte material such. B. a membrane material such as Nation® can be used. Generally can thus a polymer electrolyte membrane can be applied. In the case of a high temperature fuel cell, one must be on whose material are used. The present Er however, primarily relates to Nieder temperature fuel cells because high temperatures Completely complicate use as a battery. The elec The trolyte layer must be applied gas-tight. A complete is covering the surface of the starting body not mandatory.

In einem nächsten Verfahrensschritt wird die Gegenelek trode auf die Elektrolytschicht aufgetragen. Von der Auftragung ist wiederum mehr als 50% der ursprünglichen Oberfläche des Ausgangskörpers betroffen. Insbesondere wird die Gegenelektrode in poröser Form aufgetragen. Wiederum erfolgt die Auftragung umlaufend um die Ober fläche des Ausgangskörpers herum. Die Gegenelektrode umhüllt den Ausgangskörper also zumindest ringförmig.In a next step, the counterelek trode applied to the electrolyte layer. Of the Application is again more than 50% of the original Surface of the original body affected. In particular the counter electrode is applied in a porous form. Again, the application is carried out all around the waiter surface of the original body around. The counter electrode thus envelops the starting body at least in a ring.

Falls noch nicht vorhanden, wird anschließend ein Zu gang (Zuleitung) zum porösen Ausgangskörper oder in das Innere des Ausgangskörpers geschaffen. Über diesen Zu gang soll das entsprechende Betriebsmittel eingeleitet werden, also z. B. der Brennstoff, wenn es sich beim porösen Ausgangskörper um eine Anode handeln soll. Um gekehrt wird über diese Zuleitung das Oxidationsmittel zugeleitet, wenn der Ausgangskörper die Funktion der Kathode übernehmen soll. Der äußeren Gegenelektrode wird das entsprechende andere Betriebsmittel zugelei tet, also das Oxidationsmittel, wenn es sich um eine Kathode handelt bzw. der Brennstoff, wenn es sich um eine Anode handelt.If not yet available, then a Zu passage (supply line) to the porous starting body or into the Interior of the output body created. About this Zu Corresponding equipment should be initiated become, e.g. B. the fuel if it is porous starting body is supposed to be an anode. Um The oxidizing agent is swept via this feed line fed when the output body performs the function of Should take over cathode. The outer counter electrode the corresponding other equipment will be added tet, i.e. the oxidizing agent, if it is a Cathode or the fuel if it is an anode.

Die verfahrensgemäß hergestellte Brennstoffzelle weist im Vergleich zu planaren Brennstoffzellen eine sehr große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen auf. Ver gleichbar kompakte Brennstoffzellen sind zwar bekannt. Gegenüber derartigen Brennstoffzellen ist hier die Her stellung besonders einfach und preiswert. Es müssen keine biegsamen Materialien zur Herstellung bereitge stellt werden. Entsprechend vielfältig sind die Wahl möglichkeiten in Bezug auf das eingesetzte Material bzw. Materialdicken.The fuel cell manufactured according to the method has compared to planar fuel cells a very large surface area in relation to volume. Ver equally compact fuel cells are known. Compared to such fuel cells, here is the origin position particularly simple and inexpensive. To have to no flexible materials ready for manufacture be put. The choices are correspondingly diverse Possibilities with regard to the material used or material thicknesses.

Vorteilhaft ist die äußere Gegenelektrode als Kathode ausgestaltet. Die Prozesse, die an der Kathode ablau fen, sind regelmäßig geschwindigkeitsbestimmend. Es ist daher von Vorteil, eine große Kathodenfläche im Ver gleich zur Anode bereitzustellen. Dies ist gewährlei stet, wenn die äußere umhüllende Gegenelektrode die Ka thode bildet.The outer counter electrode is advantageous as a cathode designed. The processes that ablau at the cathode are regularly speed-determining. It is therefore advantageous to have a large cathode area in the ver ready to supply to the anode. This is guaranteed steady when the outer enveloping counter electrode the Ka method forms.

Als Beschichtungsverfahren werden z. B. Tauchverfahren oder Sprühverfahren eingesetzt. Es können hier die vom Stand der Technik bekannten Techniken verwendet sowie die bekannten Materialien eingesetzt werden. Beim Tauchverfahren wird der zu beschichtende Körper in eine Flüssigkeit eingetaucht, in der sich das Beschichtungs material befindet. Nach dem Herausholen aus der Flüs sigkeit kann sich ein Trocknungs- und/oder Sinter schritt anschließen. Beim Sprühverfahren wird das Be schichtungsmaterial auf die Oberfläche aufgesprüht. Wiederum kann sich ein Trocknungs- und/oder Sinter schritt anschließen.As a coating process such. B. Diving process or spray method used. It can be from Techniques known in the art are used as well the known materials are used. At the The body to be coated is immersed in a dipping process Liquid immersed in the coating material located. After getting out of the rivers liquid can become a drying and / or sinter connect step. In the spraying process, the Be Layering material sprayed onto the surface. Again, drying and / or sintering can occur connect step.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der als Ausgangskörper eingesetzte poröse Körper zylin derförmig ausgestaltet. Die Zylinderenden (ebene Grund fächen des Zylinders) werden zunächst einmal vorteil haft abgedeckt. Die Hülle des Zylinders (Zylinderman tel) wird verfahrensgemäß mit den jeweiligen Schichten beschichtet. Es entsteht so eine Brennstoffzelle, die die typische Form einer Batterie aufweist. Die Brenn stoffzuführung erfolgt dann insbesondere von einer Stirnseite des Zylinders aus in den inneren porösen Ausgangskörper, der dann als Anode ausgestaltet ist. Entsprechendes gilt für die Zuführung des Oxidations mittels.In an advantageous embodiment of the invention the porous body used as the starting body cylin designed like this. The cylinder ends (flat bottom areas of the cylinder) are initially advantageous covered. The shell of the cylinder (Zylinderman tel) is carried out according to the procedure with the respective layers coated. This creates a fuel cell that has the typical shape of a battery. The focal Material feed then takes place in particular from one Face of the cylinder made in the inner porous Output body, which is then designed as an anode. The same applies to the supply of the oxidation by means of.

Eine verfahrensgemäß hergestellte Brennstoffzelle weist also einen inneren porösen Ausgangskörper auf, der von einer Elektrolytschicht und einer darauf befindlichen Kathodenschicht umringt bzw. eingehüllt ist. Ferner weist die verfahrensgemäß hergestellte Brennstoffzelle eine Zuleitung in das Innere des porösen Ausgangskör pers oder zum Ausgangskörper auf. Des weiteren weisen die Elektroden die benötigten Katalysatoren auf. Bei der Herstellung ist entsprechend zu verfahren.A fuel cell manufactured according to the method has so an inner porous starting body that from an electrolyte layer and one thereon Cathode layer is surrounded or enveloped. Further shows the fuel cell manufactured according to the method a lead into the interior of the porous exit body pers or to the starting body. Furthermore point the electrodes have the required catalysts. At the manufacturing process is to be followed accordingly.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine verfahrensge mäß hergestellte Elektrode.The figure shows a section through a procedural made electrode.

Ein poröser Ausgangskörper 1 liegt als Zylinder vor. Die Mantelfläche des Zylinders ist mit Katalysatormate rial 2 bedeckt. Auf dem Katalysatormaterial befindet sich eine Elektrolytschicht 3, hierauf wiederum eine Katalysatorschicht und hierauf ein Stromableiter 4. Die Zylinderenden sind durch gasdichte, elektrisch nicht- leitende Schichten 5 abgedichtet. Über eine Zufuhr (Zu leitung) 6 wird in das Innere des Ausgangskörpers 1 ein Betriebsmittel eingeleitet. Ein Stromabnehmer, der zum Ausgangskörper 1 führt, wurde nicht eingezeichnet. Auf die Darstellung einer Zuleitung für ein Betriebsmittel zur äußeren Elektrode (Katalysatorschicht nebst Strom ableiter 4) wurde ebenfalls verzichtet.A porous starting body 1 is present as a cylinder. The outer surface of the cylinder is covered with catalyst material 2 . There is an electrolyte layer 3 on the catalyst material, thereon in turn a catalyst layer and thereon a current conductor 4 . The cylinder ends are sealed by gas-tight, electrically non-conductive layers 5 . An operating medium is introduced into the interior of the output body 1 via a feed (to line) 6 . A pantograph leading to the output body 1 was not shown. The illustration of a supply line for a device to the outer electrode (catalyst layer and current conductor 4 ) was also dispensed with.

Claims

1. A method for producing a compact fuel cell, characterized in that

on an electrode which is formed by a porous, electrically conductive, cylindrical solid body, an electrolyte layer which surrounds the base body in a ring-shaped manner is applied,
- That more than 50% of the shell surface of the output body are covered by the electrolyte layer,
that a counter electrode layer is then applied to the electrolyte layer,
- Whereupon the starting body and the counterelectrode layer are provided with feed lines for the fuel and the oxidizing gas.

2. The method according to the preceding claim, in which as Step of applying a dipping or spraying process ren is used.

3. The method according to any one of the preceding claims, in which the supply line to a base side of the cylin which is attached.

4. The method according to any one of the preceding claims, at the part of the surface of the starting body with a gas-tight, electrically non-conductive Layer.

5. The method according to any one of the preceding claims, where the output body and the counter electrode are each connected to electron conductors.

6. Fuel cell, available by one or more ren of the preceding claims consisting of a porous, elec tric conductive, cylindrical solid, whose Jacket surface to more than 50% with an elec trolyte layer is covered on which the counter Electrode layer is located, the as the electrode full body and the counter electrode Zu Lines for the fuel and the oxidizing gas have and the ends of the cylindrical focal fabric cell with a gas-tight, electrically not conductive layer are covered.