DE19913873A1 - High temperature fuel cell has an interconnector coated with a nickel layer and an overlying layer to prevent oxidation - Google Patents

High temperature fuel cell has an interconnector coated with a nickel layer and an overlying layer to prevent oxidation

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Abstract

A high temperature fuel cell (1) has an interconnector (2) coated with a nickel layer and an overlying layer. A high temperature fuel cell (1) has an electrical conductor for electrically connecting an interconnector (2) with the anode (11) of an electrolyte-electrode unit, the interconnector having a first layer of nickel and an overlying second layer. Preferred Features: The interconnector consists of CrFe5Y2O3 and the second layer consists of one or more of Cu, Fe, W and Co.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Brenn­ stoffzelle, bei der ein elektrischer Leiter einen Intercon­ nector mit der Anode einer Elektrolyt-Elektroden-Einheit elektrisch verbindet.The invention relates to a high temperature firing fabric cell in which an electrical conductor connects an intercon nector with the anode of an electrolyte electrode unit electrically connects.

Es ist bekannt, daß bei der Elektrolyse von Wasser die Was­ sermoleküle durch elektrischen Strom in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt werden. In einer Brennstoffzelle läuft dieser Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Durch die elektrochemische Verbindung von Wasserstoff (H2) und Sauer­ stoff (O2) zu Wasser entsteht elektrischer Strom mit hohem Wirkungsgrad. Wenn als Brenngas reiner Wasserstoff (H2) ein­ gesetzt wird, geschieht dies ohne Emission von Schadstoffen und Kohlendioxid. Auch mit einem technischen Brenngas, bei­ spielsweise Erdgas oder Kohlegas, und mit Luft (die zusätz­ lich mit Sauerstoff (O2) angereichert sein kann) anstelle von reinem Sauerstoff (O2) erzeugt eine Brennstoffzelle deutlich weniger Schadstoffe und weniger Kohlendioxid als andere Ener­ gieerzeuger, die mit verschiedenen Energieträgern arbeiten. Die technische Umsetzung des Prinzips der Brennstoffzelle hat zu unterschiedlichen Lösungen, und zwar mit verschiedenarti­ gen Elektrolyten und mit Betriebstemperaturen zwischen 80°C und 1000°C geführt.It is known that in the electrolysis of water, the water molecules are broken down by electric current into hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ). In a fuel cell, this process takes place in the opposite direction. The electrochemical combination of hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) to form water with high efficiency. If pure hydrogen (H 2 ) is used as the fuel gas, this happens without emission of pollutants and carbon dioxide. Even with a technical fuel gas, for example natural gas or coal gas, and with air (which can also be enriched with oxygen (O 2 )) instead of pure oxygen (O 2 ), a fuel cell generates significantly less pollutants and less carbon dioxide than other energy producers that work with different energy sources. The technical implementation of the principle of the fuel cell has led to different solutions, namely with different types of electrolytes and with operating temperatures between 80 ° C and 1000 ° C.

In Abhängigkeit von ihrer Betriebstemperatur werden die Brennstoffzellen in Nieder-, Mittel- und Hochtemperatur- Brennstoffzellen eingeteilt, die sich wiederum durch ver­ schiedene technische Ausführungsformen unterscheiden.Depending on their operating temperature, the Fuel cells in low, medium and high temperature Fuel cells divided, which are in turn ver distinguish different technical embodiments.

Bei einem aus einer Vielzahl von Hochtemperatur-Brennstoff­ zellen sich zusammensetzenden Hochtemperatur-Brennstoffzel­ lenstapel (in der Fachliteratur wird ein Brennstoffzellensta­ pel auch "Stack" genannt) liegen unter einem oberen Interconnector, welcher den Hochtemperatur-Brennstoffzellen­ stapel abdeckt, der Reihenfolge nach wenigstens eine Kontakt­ schicht, eine Elektrolyt-Elektroden-Einheit, eine weitere Kontaktschicht, ein weiterer Interconnector, usw.One of a variety of high temperature fuel cells composed of high-temperature fuel cells lenstapel (a fuel cell sta pel also called "stack") are below an upper one  Interconnector, which is the high temperature fuel cell stack covers, at least one contact in order layer, one electrolyte electrode unit, another Contact layer, another interconnector, etc.

Die Elektrolyt-Elektroden-Einheit umfaßt dabei zwei Elektro­ den - eine Anode und eine Kathode - und einen zwischen Anode und Kathode angeordneten, als Membran ausgeführten Festkör­ perelektrolyten. Dabei bildet jeweils eine zwischen zwei be­ nachbarten Interconnectoren liegende Elektrolyt-Elektroden- Einheit mit den beidseitig an der Elektrolyt-Elektroden-Ein­ heit unmittelbar anliegenden Kontaktschichten eine Hochtempe­ ratur-Brennstoffzelle, zu der auch noch die an den Kontakt­ schichten anliegenden Seiten jeder der beiden Interconnectoren gehören. Dieser Typ und weitere Brennstoff­ zellen-Typen sind beispielsweise aus dem "Fuel Cell Handbook" von A. J. Appleby und F. R. Foulkes, 1989, Seiten 440 bis 454, bekannt.The electrolyte-electrode unit comprises two electric the - an anode and a cathode - and one between the anode and cathode arranged, designed as a membrane solid perelectrolytes. One forms between two be adjacent electrolytic electrode Unit with the on both sides of the electrolyte electrode input immediately adjacent contact layers a high temperature rature fuel cell, to which also the contact layer adjacent sides of each of the two Interconnectors belong. This guy and other fuel Cell types are, for example, from the "Fuel Cell Handbook" by A. J. Appleby and F. R. Foulkes, 1989, pages 440 to 454, known.

Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle alleine liefert eine Be­ triebsspannung von unter einem Volt. Durch das In-Reihe- Schalten einer Vielzahl benachbarter Hochtemperatur-Brenn­ stoffzellen kann die Betriebsspannung einer Brennstoffzellen­ anlage einige 100 Volt betragen. Bedingt durch den hohen Strom, den eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle liefert, - bis zu 1000 Ampere bei großen Hochtemperatur-Brennstoffzellen - ist eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Zellen zu bevorzugen, die bei den obengenannten Bedingungen einen besonders niedrigen elektrischen Serienwiderstand verursacht.A high temperature fuel cell alone provides a load drive voltage of less than one volt. Through the in-line Switching a variety of neighboring high temperature burners fuel cells can be the operating voltage of a fuel cell system be some 100 volts. Due to the high Electricity that a high-temperature fuel cell supplies - to to 1000 amperes for large high-temperature fuel cells - is an electrical connection between the individual cells to prefer the one under the above conditions causes particularly low electrical series resistance.

Die elektrische Verbindung zwischen zwei Hochtemperatur- Brennstoffzellen wird durch einen Interconnector hergestellt, über den die Anode der einen Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit der Kathode der anderen Hochtemperatur-Brennstoffzelle verbunden wird. Der Interconnector ist dementsprechend mit der Anode der einen Hochtemperatur-Brennstoffzelle und der Kathode der anderen Hochtemperatur-Brennstoffzellen elek­ trisch verbunden. Die elektrische Verbindung zwischen der An­ ode und dem als Platte ausgeführten Interconnector wird durch einen elektrischen Leiter hergestellt, der als ein Nickelnetz ausgebildet sein kann (siehe beispielsweise DE 196 49 457 C1). Dabei hat sich gezeigt, daß sich bei Betrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zwischen Anode und Interconnector ein hoher elektrischer Serienwiderstand ein­ stellt. Dadurch wird nachteiligerweise die elektrische Lei­ stung des Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels negativ be­ einflußt.The electrical connection between two high temperature Fuel cells is made by an interconnector, over which the anode of a high temperature fuel cell with the cathode of the other high temperature fuel cell is connected. The interconnector is accordingly with the anode of the one high temperature fuel cell and the Cathode of the other high temperature fuel cells elec  trisch connected. The electrical connection between the An ode and the interconnector designed as a plate is replaced by made an electrical conductor called a nickel mesh can be formed (see for example DE 196 49 457 C1). It has been shown that the High temperature fuel cell between anode and Interconnector a high electrical series resistance poses. As a result, the electrical Lei is disadvantageous the high-temperature fuel cell stack influences.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochtemperatur-Brennstoff­ zelle dahingehend zu verbessern, daß auch bei Einsatz bei ho­ hen Temperaturen ein erhöhter elektrischer Serienwiderstand vermieden und eine hohe Leitfähigkeit auch über längere Zeit sichergestellt ist.The object of the invention is a high temperature fuel to improve the cell so that even when used at ho temperatures an increased electrical series resistance avoided and high conductivity even over long periods is ensured.

Diese Aufgabe wird durch eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle der eingangs genannten Art gelöst, bei der erfindungsgemäß auf den Interconnector eine erste Schicht aufgebracht ist, die im wesentlichen aus Nickel gebildet ist, und auf die er­ ste Schicht eine zweite Schicht aufgebracht ist.This task is accomplished through a high temperature fuel cell solved the type mentioned in the invention a first layer is applied to the interconnector, which is essentially made of nickel, and on which he first layer, a second layer is applied.

Versuche mit einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel und entsprechende Modellversuche haben ergeben, daß sich eine Er­ höhung des elektrischen Widerstands zwischen dem elektrischen Leiter und einem aus CrFe5Y2O31 bestehenden Interconnector einstellt, und das schon nach kurzer Betriebsdauer bei Be­ triebstemperaturen zwischen 850°C und 950°C. Diese Erhöhung wird durch eine Oxidschicht verursacht, die sich schon nach kurzer Betriebsdauer auf der Oberfläche derjenigen Seite des Interconnectors ausbildet, die dem Brenngas führenden Raum zugewandt ist. Sie bildet sich auch dort, wo der elektrische Leiter, beispielsweise das Nickelnetz, auf dem Interconnector aufliegt oder zum Beispiel durch einen Schweißpunkt oder eine Lötstelle mit dem Interconnector verbunden ist. Ist das Nickelnetz mittels Punktschweißen an dem Interconnector ange­ punktet, so werden diese als Schweißpunkte ausgebildeten Kon­ taktstellen während des Betriebs vom Chromoxid erstaunlicher­ weise sogar unterwandert. Chromoxid hat einen höheren elek­ trischen Widerstand als die unoxidierten Metalle des Inter­ connectors. Es liegt somit eine schlecht leitende Oxidschicht zwischen dem elektrischen Leiter und dem Interconnector vor, die den Serienwiderstand von in Reihe geschalteten Hochtempe­ ratur-Brennstoffzellen ungünstig beeinflußt. Die Bildung des Chromoxids erfolgt bereits bei Sauerstoffpartialdrücken von weniger als 10-18 bar. Diese Sauerstoffpartialdrücke sind auch im Brenngas führenden Raum während des Betriebs der Hochtem­ peratur-Brennstoffzelle in der Regel immer vorhanden.Experiments with a high-temperature fuel cell stack and corresponding model tests have shown that there is an increase in the electrical resistance between the electrical conductor and a connector made of CrFe5Y 2 O 3 1, and that after a short operating time at operating temperatures between 850 ° C. and 950 ° C. This increase is caused by an oxide layer which, after a short period of operation, forms on the surface of the side of the interconnector which faces the space carrying fuel gas. It also forms where the electrical conductor, for example the nickel network, rests on the interconnector or is connected to the interconnector, for example by a welding point or a solder joint. If the nickel network is spot-welded to the interconnector, these contact points, which are designed as welding spots, are surprisingly infiltrated by the chromium oxide during operation. Chromium oxide has a higher electrical resistance than the unoxidized metals of the inter connector. There is thus a poorly conductive oxide layer between the electrical conductor and the interconnector, which adversely affects the series resistance of high-temperature fuel cells connected in series. The formation of the chromium oxide takes place at oxygen partial pressures of less than 10 -18 bar. These oxygen partial pressures are usually always present in the fuel gas-carrying room during operation of the high-temperature fuel cell.

In einem ersten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß ein erhöhter elektrischer Serienwiderstand vermieden und eine hohe Leitfähigkeit auch über längere Zeit sicherge­ stellt wird, wenn die Bildung der Oxidschicht auf dem Inter­ connector unterbunden wird. Dies wird während des Betriebs der Hochtemperatur-Brennstoffzelle dadurch zuverlässig er­ reicht, daß der Interconnector durch eine Schutzschicht vor einer Oxidation geschützt wird. Eine solche Schutzschicht darf selbstverständlich unter Betriebsbedingungen nicht sel­ ber oxidieren oder für Sauerstoff durchlässig sein. Sie darf die elektrische Verbindung zwischen Leiter und Interconnector nicht negativ beeinflussen. Ferner sollte sie preiswert und leicht handhabbar sein. Alle diese Bedingungen werden von ei­ ner dünnen Schicht aus Nickel erfüllt.In a first step, the invention is based on the consideration that an increased electrical series resistance avoided and ensure high conductivity even over long periods is when the formation of the oxide layer on the inter connector is prevented. This will be during operation the high-temperature fuel cell, so it is reliable is enough for the interconnector to be protected by a protective layer is protected from oxidation. Such a protective layer Of course, under operating conditions must not be sel Oxidize through or be permeable to oxygen. You may the electrical connection between the conductor and the interconnector do not affect negatively. It should also be inexpensive and be easy to handle. All of these conditions are met by ei a thin layer of nickel.

Versuche haben gezeigt, daß eine dünne Nickelschicht beim er­ sten Aufheizen einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle auf ihre Betriebstemperatur oxidiert. Bei diesem sogenannten ersten "Anfahren" befindet sich auch im Brenngas führenden Raum der Hochtemperatur-Brennstoffzelle in der Regel Luft in ausrei­ chender Menge, um die Nickelschicht zu oxidieren. Während des Betriebs sinkt der Sauerstoff-Partialdruck im Brenngas füh­ renden Raum der Hochtemperatur-Brennstoffzelle auf Werte um 10-18 bar. Bei solchen niedrigen Sauerstoff-Partialdrücken wird dann das entstandene Nickeloxid wieder zu Nickel redu­ ziert, wobei das Nickel eine schwammartige Struktur erhält. In dieser Form ist es für Sauerstoff durchlässig. Der Sauer­ stoff bildet auf der Brenngasseite des Interconnectors auf diese Weise die oben beschriebene störende Chromoxidschicht.Experiments have shown that a thin layer of nickel oxidizes when he first heats up a high-temperature fuel cell to its operating temperature. In this so-called first "start-up" there is also air in the fuel gas-carrying space of the high-temperature fuel cell, as a rule, in sufficient quantity to oxidize the nickel layer. During operation, the oxygen partial pressure in the fuel gas-carrying space of the high-temperature fuel cell drops to values around 10 -18 bar. At such low oxygen partial pressures, the nickel oxide formed is then reduced to nickel again, the nickel having a sponge-like structure. In this form it is permeable to oxygen. In this way, the oxygen forms the disruptive chromium oxide layer described on the fuel gas side of the interconnector.

In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überle­ gung aus, daß eine auf die Nickelschicht aufgebrachte zweite Schicht die Nickelschicht vor der Zerstörung während des "An­ fahrens" der Hochtemperatur-Brennstoffzelle schützt. Während des eigentlichen Betriebs der Hochtemperatur-Brennstoffzelle hat diese zweite Schicht keine Funktion mehr und kann unter reduzierender Atmosphäre bei Bedarf entfernt werden. Für den Fall, daß die Hochtemperatur-Brennstoffzelle zu einem späte­ ren Zeitpunkt nochmals "angefahren" werden muß, ist ein An­ fahrprozeß unter reduzierender Atmosphäre möglich, da die Hochtemperatur-Brennstoffzelle gegen die äußere Atmosphäre abgedichtet ist.In a second step, the invention proceeds from the Überle assuming that a second applied to the nickel layer Layer the nickel layer before it is destroyed during the "On driving "of the high-temperature fuel cell protects. While the actual operation of the high temperature fuel cell this second layer has no function and can be under reducing atmosphere can be removed if necessary. For the Case that the high temperature fuel cell too late ren time must be "approached" is an on Driving process possible in a reducing atmosphere, because the High temperature fuel cell against the outside atmosphere is sealed.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Oxidation des In­ terconnectors sowohl während des Anfahrens als auch während des Betriebs der Hochtemperatur-Brennstoffzelle unterbunden wird. Hierdurch wird ein erhöhter elektrischer Serienwider­ stand der Hochtemperatur-Brennstoffzelle vermieden und eine hohe Leitfähigkeit auch über längere Zeit sichergestellt. Weiterhin ist eine zweite Schicht leicht und preiswert auf die Nickelschicht aufzubringen.It is achieved by the invention that the oxidation of the In terconnectors both during start-up and during operation of the high-temperature fuel cell is prevented becomes. As a result, an increased electrical series resistance the high-temperature fuel cell was avoided and one high conductivity ensured even over long periods. Furthermore, a second layer is light and inexpensive to apply the nickel layer.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Leiter direkt mit dem Interconnector elektrisch verbunden. Eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter und dem Interconnector wird dadurch her­ gestellt, daß der elektrische Leiter an den Interconnector angeschweißt ist. Hierbei reicht die Schweißstelle vom elek­ trischen Leiter, durch beide Schichten hindurch, bis zum In­ terconnector. Bei einem auf diese Weise mit dem Interconnec­ tor verbundenen elektrischen Leiter ist die Verbindung mecha­ nisch stabil und mit einem geringen elektrischen Widerstand verbunden.In an advantageous embodiment of the invention electrical conductors directly with the electrical interconnector connected. A direct electrical connection between the electrical conductor and the interconnector put that electrical conductor to the interconnector is welded on. The welding point ranges from the elec tric conductor, through both layers, up to the In terconnector. In this way with the interconnec The electrical conductor connected is the connection mecha  nically stable and with a low electrical resistance connected.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Leiter über eine oder beide Schichten mit dem In­ terconnector elektrisch verbunden. Eine solche elektrische Verbindung zwischen elektrischem Leiter und Interconnector wird dadurch erreicht, daß der elektrische Leiter mittels ei­ ner Schweißstelle, die durch die obere, zweite Schicht hin­ durchreicht, mit der unteren Nickelschicht verbunden ist. Eine alternative Möglichkeit einer solchen elektrischen Ver­ bindung besteht in einem auf der zweiten Schicht einfach auf­ liegenden oder angelöteten elektrischen Leiter. Hierbei muß die zweite Schicht elektrisch leitfähig sein. Diese Ausge­ staltung der Erfindung ist besonders einfach auszuführen.In an alternative embodiment of the invention electrical conductors over one or both layers with the In terconnector electrically connected. Such an electrical Connection between electrical conductor and interconnector is achieved in that the electrical conductor by means of egg A weld that goes through the top, second layer passed through, is connected to the lower nickel layer. An alternative way of such an electrical Ver Binding simply exists on the second layer lying or soldered electrical conductor. This must the second layer be electrically conductive. This Ausge staltung the invention is particularly simple to carry out.

Vorteilhafterweise wird die zweite Schicht aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe gebildet, die die Elemente Cu, Fe, W und Co umfaßt. Diese Elemente lassen sich unter redu­ zierender Atmosphäre aufbrechen und entfernen, beispielsweise durch Abdampfen. Außerdem sind sie leicht und preiswert auf die Nickelschicht aufzubringen. Selbstverständlich sind Ele­ mente, die auch unter oxidierender Atmosphäre keine Oxide bilden, wie Au oder Pt, ebenfalls zur Bildung einer zweiten, sehr dünnen Schicht auf der Nickelschicht geeignet.The second layer is advantageously composed of one or several elements of the group formed, the elements Cu, Fe, W and Co includes. These elements can be found under redu break up and remove the decorative atmosphere, for example by evaporation. They are also light and inexpensive to apply the nickel layer. Of course, Ele elements that do not contain oxides even under an oxidizing atmosphere form, like Au or Pt, also to form a second, very thin layer on the nickel layer.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Interconnector aus CrFe5Y2O31, d. h. aus 94 Ge­ wichts-% Chrom, 5 Gewichts-% Fe und 1 Gewichts-% Y2O3. Ein solcher Interconnector hat sich in zahlreichen Versuchen als geeignet für den Betrieb in einer Hochtemperatur-Brennstoff­ zelle erwiesen. Er ist ferner problemlos mit einer Nickel­ schicht zu beschichten.In a further advantageous embodiment of the invention, the interconnector consists of CrFe5Y 2 O 3 1, ie 94% by weight of chromium, 5% by weight of Fe and 1% by weight of Y 2 O 3 . In numerous tests, such an interconnector has proven to be suitable for operation in a high-temperature fuel cell. It is also easy to coat with a nickel layer.

Zweckmäßigerweise beträgt die Dicke der ersten, der Nickel­ schicht 1 bis 50 µm. Eine aus Nickel bestehende Schicht die­ ser Dicke schützt die Brenngasseite des Interconnectors be­ sonders effektiv vor Oxidation.The thickness of the first, the nickel, is expediently layer 1 to 50 µm. A layer made of nickel  This thickness protects the fuel gas side of the interconnector particularly effective against oxidation.

Zweckmäßigerweisebeträgt die Dicke der zweiten Schicht 0,1 um bis 10 µm. Eine Schicht dieser Dicke schützt die Nickel­ schicht während des Anfahrens sicher vor Oxidation.The thickness of the second layer is expediently 0.1 by up to 10 µm. A layer of this thickness protects the nickel layer protects against oxidation during start-up.

Mit Vorteil sind beide Schichten chemisch, galvanisch, durch ein PVD-Verfahren oder als eine Paste aufgebracht. Diese Ver­ fahren sind kostengünstige Verfahren und leicht durchführbar. Durch diese Verfahren kann der Interconnector einseitig be­ schichtet werden. Die Brenngasseite des Interconnectors sollte im Bereich um eine Kontaktstelle herum voll flächig be­ deckt sein. Bei einer Beschichtung durch PVD-Verfahren (Phy­ sical Vapour Deposition) wird das Material der jeweiligen Schicht aus der Dampfphase aufgebracht. Dies geschieht bei­ spielsweise durch Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung oder Laserstrahlverdampfung. Die Beschichtungstemperatur liegt un­ ter 500°C.Both layers are advantageously chemically, galvanically, through a PVD process or applied as a paste. This ver Driving are inexpensive procedures and easy to carry out. With these methods, the interconnector can be unilaterally be layered. The fuel gas side of the interconnector should be in full area around a contact point be covers. With a coating by PVD process (Phy sical vapor deposition) is the material of the respective Layer applied from the vapor phase. This happens at for example by sputtering, electron beam evaporation or Laser beam evaporation. The coating temperature is un ter 500 ° C.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Leiter ein Nickelnetz. Das Nickelnetz kann auch als Nickelnetzpaket ausgeführt sein, das ein dünneres Kon­ taktnetz und ein dickeres Tragnetz umfaßt. Der elektrische Kontakt zwischen dem Nickelnetz (oder Nickelnetzpaket) und dem Interconnector wird durch eine Kontaktstelle hergestellt. Diese Kontaktstelle kann beispielsweise als ein Schweißpunkt ausgebildet sein, der das Nickelnetz (oder beispielsweise das Tragnetz eines Nickelnetzpakets) mit dem Interconnector auch mechanisch verbindet. Die Kontaktstelle kann jedoch auch da­ durch zustande kommen, daß das Nickelnetz auf dem Intercon­ nector lediglich aufliegt. Der Werkstoff Nickel ist besonders günstig, da er bei den üblicherweise während des Betriebs der Hochtemperatur-Brennstoffzelle auf der Brenngasseite herr­ schenden Sauerstoffpartialdrücken von etwa 10-18 bar nicht oxidiert. Ferner ist Nickel preiswert und leicht handhabbar. Ein aus Nickel gefertigtes Netz ist elastisch und gewährlei­ stet auch bei bloßem Aufliegen auf dem Interconnector eine ausreichende elektrische Kontaktierung zwischen Interconnec­ tor und Nickelnetz. Diese Kontaktierung bleibt auch bei Tem­ peraturschwankungen innerhalb der Hochtemperatur-Brennstoff­ zelle erhalten. Ein Nickelnetz als elektrischer Leiter weist außerdem den Vorzug auf, daß es den elektrischen Kontakt mit dem Interconnector auch dann gewährleistet, wenn die zweite Schicht, auf die es beispielsweise nur angepreßt wird, durch Verdampfen abgetragen wird. Das Nickelnetz preßt sich dann auf die darunter zum Vorschein kommende Nickelschicht an.In a further advantageous embodiment of the invention, the electrical conductor is a nickel network. The nickel network can also be designed as a nickel network package, which comprises a thinner contact network and a thicker support network. The electrical contact between the nickel network (or nickel network package) and the interconnector is established by a contact point. This contact point can be designed, for example, as a welding spot that also mechanically connects the nickel network (or, for example, the support network of a nickel network package) to the interconnector. However, the contact point can also come about because the nickel network only lies on the Intercon nector. The material nickel is particularly inexpensive because it does not oxidize at the oxygen partial pressures of about 10 -18 bar that are usually present on the fuel gas side during operation of the high-temperature fuel cell. Nickel is also inexpensive and easy to handle. A network made of nickel is elastic and ensures sufficient electrical contact between the interconnector and the nickel network, even if it is simply resting on the interconnector. This contact is maintained even with temperature fluctuations within the high-temperature fuel cell. A nickel network as an electrical conductor also has the advantage that it ensures electrical contact with the interconnector even if the second layer, to which it is only pressed, for example, is removed by evaporation. The nickel mesh then presses against the nickel layer that appears underneath.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand einer Figur näher erläutert. Die Figur stellt einen Aus­ schnitt aus einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle dar.An embodiment of the invention will follow hand of a figure explained in more detail. The figure turns off cut from a high temperature fuel cell.

Nach der Figur ist ein als Platte ausgeführter Interconnec­ tor 2 aus CrFe5y2O31 mit einer Anzahl von Stegen 4 versehen, zwischen denen Betriebsmittel-Kanäle ausgebildet sind, die senkrecht zur Papierebene verlaufen. Diese Kanäle werden mit einem Brenngas, wie Wasserstoff, Erdgas oder Methan, be­ schickt. Der untere Teil der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 stellt die Anodenseite dar. Die Oberfläche 6 des Interconnec­ tors 2 ist mit einer dünnen Nickelschicht 9 versehen, deren Dicke etwa 20 µm beträgt. Auf der Nickelschicht 9 ist eine etwa 2 µm dicke Kupferschicht 8 aufgebracht. Beide Schichten sind galvanisch aufgebracht. Das Nickelnetz 10 ist durch Schweißpunkte, die durch die Kupferschicht 8 hindurchreichen, mit der Nickelschicht 9 elektrisch und mechanisch verbunden. Diese Schweißpunkte sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Über die Schweißpunkte ist das Nickelnetz mit dem Interconnector mittelbar elektrisch verbunden. Das Nickelnetz 10 ist hier ein Nickelnetzpaket, bestehend aus einem groben, dickeren Nickel-Tragnetz 10a und einem feinen, dünne­ ren Nickel-Kontaktnetz 10b. An dieses Nickelnetz 10 grenzt über eine dünne Anode 11 ein Festkörperelektrolyt 12 an. Die­ ser Festkörperelektrolyt 12 wird nach oben von einer Ka­ thode 14 begrenzt. An die Kathode 14 schließt sich über eine Kontaktschicht 15 ein weiterer Interconnector 16 an, der nach oben hin nur zum Teil dargestellt ist. In den Interconnector 16 sind eine Anzahl von Betriebsmittel-Kanälen 18 eingearbei­ tet, von denen nur einer gezeigt ist. Die Betriebsmittel-Ka­ näle 18 verlaufen parallel zur Papierebene und führen während des Betriebs der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 Sauerstoff oder Luft.According to the figure, a plate-shaped interconnector 2 made of CrFe5y 2 O 3 1 is provided with a number of webs 4 , between which device channels are formed that run perpendicular to the plane of the paper. These channels are sent with a fuel gas, such as hydrogen, natural gas or methane. The lower part of the high-temperature fuel cell 1 represents the anode side. The surface 6 of the interconnector 2 is provided with a thin nickel layer 9 , the thickness of which is approximately 20 μm. An approximately 2 μm thick copper layer 8 is applied to the nickel layer 9 . Both layers are applied galvanically. The nickel network 10 is electrically and mechanically connected to the nickel layer 9 by means of welding spots which extend through the copper layer 8 . For the sake of clarity, these welding points are not shown. The nickel network is indirectly electrically connected to the interconnector via the welding spots. The nickel network 10 is here a nickel network package consisting of a coarse, thicker nickel support network 10 a and a fine, thin ren contact network 10 b. At this nickel mesh 10 is bordered by a thin anode 11 to a solid electrolyte 12th The water solid electrolyte 12 is capped by a Ka method 14 . A further interconnector 16 is connected to the cathode 14 via a contact layer 15 , which is only partially shown at the top. A number of resource channels 18 are worked into the interconnector 16 , only one of which is shown. The operating medium channels 18 run parallel to the paper plane and carry oxygen or air during operation of the high-temperature fuel cell 1 .

Die Einheit bestehend aus Kathode 14, Festkörperelektrolyt 12 und Anode 11 wird als Elektrolyt-Elektroden-Einheit bezeich­ net.The unit consisting of cathode 14 , solid electrolyte 12 and anode 11 is referred to as the electrolyte electrode unit.

Die in der Figur gezeigte Kupferschicht 8 verhindert eine störende Oxidation der darunterliegenden Nickelschicht 9 wäh­ rend des Prozesses des ersten Anfahrens der Hochtemperatur- Brennstoffzelle 1, also während des ersten Aufheizens der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 auf ihre Betriebstemperatur. Bei diesem Anfahren befindet sich beispielsweise Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) und Argon (Ar) in der Hochtemperatur- Brennstoffzelle 1. Der Sauerstoff oxidiert das Kupfer der Kupferschicht 8 zu Kupferoxid. Eventuell wird auch ein Teil des Nickels der Nickelschicht 9 oxidiert. Während des späte­ ren Betriebs herrscht in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 ein Sauerstoffpartialdruck von etwa 10-18 bar. Bei diesem Sau­ erstoffpartialdruck wird Kupferoxid zu Kupfer und Nickeloxid zu Nickel reduziert. Hierdurch bildet sich eine poröse Deck­ schicht aus Kupfer unter der eine gering beschädigte oder un­ versehrte Nickelschicht 9 eine Bildung von Chromoxid zwischen dem Interconnector 2 und dem Nickelnetz 10 verhindert. Insbe­ sondere wird die Unterkorrosion der Schweißpunkte unterbun­ den. Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 besitzt hierdurch einen geringen Serienwiderstand, der sich im Laufe der Be­ triebsdauer nicht oder nur unwesentlich erhöht.The copper layer 8 shown in the figure prevents a disruptive oxidation of the underlying nickel layer 9 during the process of the first start-up of the high-temperature fuel cell 1 , that is to say during the first heating of the high-temperature fuel cell 1 to its operating temperature. During this start-up, there is, for example, oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ) and argon (Ar) in the high-temperature fuel cell 1 . The oxygen oxidizes the copper of the copper layer 8 to copper oxide. Part of the nickel in the nickel layer 9 may also be oxidized. During the later operation there is an oxygen partial pressure of approximately 10 -18 bar in the high-temperature fuel cell 1 . At this oxygen partial pressure, copper oxide is reduced to copper and nickel oxide to nickel. This forms a porous cover layer made of copper under which a slightly damaged or undamaged nickel layer 9 prevents the formation of chromium oxide between the connector 2 and the nickel network 10 . In particular, the under-corrosion of the welding spots is prevented. The high-temperature fuel cell 1 thus has a low series resistance, which does not increase or increases only slightly in the course of the operating time.

Während des weiteren Betriebs der Hochtemperatur-Brennstoff­ zelle 1 hat die poröse Kupferschicht keine Funktion mehr. Sie kann an Ort und Stelle verbleiben oder durch kurzfristige Temperaturerhöhung aktiv abgedampft werden.During the further operation of the high-temperature fuel cell 1 , the porous copper layer no longer has any function. It can remain in place or can be actively evaporated by briefly raising the temperature.

Mehrere solcher Hochtemperatur-Brennstoffzellen 1 können zu einem "Stack" oder Brennstoffzellen-Stapel zusammengefaßt werden.Several such high-temperature fuel cells 1 can be combined to form a “stack” or fuel cell stack.

Claims (9)

1. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1), bei der ein elektri­ scher Leiter einen Interconnector (2) mit der Anode (11) ei­ ner Elektrolyt-Elektroden-Einheit elektrisch verbindet, gekennzeichnet durch eine auf den Inter­ connector (2) aufgebrachte erste Schicht, die im wesentlichen aus Nickel gebildet ist, und eine auf die erste Schicht auf­ gebrachte zweite Schicht.1. High-temperature fuel cell ( 1 ), in which an electrical conductor electrically connects an interconnector ( 2 ) to the anode ( 11 ) of an electrolyte electrode unit, characterized by a first layer applied to the inter connector ( 2 ), which is essentially made of nickel, and a second layer applied to the first layer. 2. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elek­ trische Leiter direkt mit dem Interconnector (2) elektrisch verbunden ist.2. High-temperature fuel cell ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the elec trical conductor is electrically connected directly to the interconnector ( 2 ). 3. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elek­ trische Leiter über eine oder beide Schichten mit dem Inter­ connector (2) elektrisch verbunden ist.3. High-temperature fuel cell ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the elec trical conductor via one or both layers with the inter connector ( 2 ) is electrically connected. 4. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe gebildet wird, die die Elemente Cu, Fe, W und Co um­ faßt.4. High-temperature fuel cell ( 1 ) according to one of Ansprü che 1 to 3, characterized in that the second layer is formed from one or more elements of the group, which comprises the elements Cu, Fe, W and Co. 5. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Interconnector (2) aus CrFe5Y2O31 besteht.5. High-temperature fuel cell ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the interconnector ( 2 ) consists of CrFe5Y 2 O 3 1. 6. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Schicht 1 µm bis 50 µm beträgt.6. High-temperature fuel cell ( 1 ) according to one of Ansprü che 1 to 5, characterized in that the thickness of the first layer is 1 micron to 50 microns. 7. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten Schicht 0,1 µm bis 10 µm beträgt. 7. High-temperature fuel cell ( 1 ) according to one of Ansprü che 1 to 6, characterized in that the thickness of the second layer is 0.1 microns to 10 microns. 8. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten chemisch, galvanisch, durch ein PVD-Verfah­ ren oder als eine Paste aufgebracht sind.8. High-temperature fuel cell ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the layers are applied chemically, galvanically, by a PVD process or as a paste. 9. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter ein Nickelnetz (10) ist.9. High-temperature fuel cell ( 1 ) according to one of Ansprü che 1 to 8, characterized in that the electrical conductor is a nickel network ( 10 ).
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005027246A2 (en) 2003-09-08 2005-03-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Electric contact for high-temperature fuel cells and methods for the production of said contact
WO2007134560A1 (en) * 2006-05-23 2007-11-29 Forschungszentrum Jülich GmbH Interconnector for a fuel cell stack, and method for production

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19547699A1 (en) * 1995-12-20 1997-07-24 Forschungszentrum Juelich Gmbh Bipolar plate with selective coating
WO1997035349A1 (en) * 1996-03-18 1997-09-25 Ceramic Fuel Cells Limited An electrical interconnect for a planar fuel cell

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19547699A1 (en) * 1995-12-20 1997-07-24 Forschungszentrum Juelich Gmbh Bipolar plate with selective coating
WO1997035349A1 (en) * 1996-03-18 1997-09-25 Ceramic Fuel Cells Limited An electrical interconnect for a planar fuel cell

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005027246A2 (en) 2003-09-08 2005-03-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Electric contact for high-temperature fuel cells and methods for the production of said contact
WO2005027246A3 (en) * 2003-09-08 2006-02-16 Fraunhofer Ges Forschung Electric contact for high-temperature fuel cells and methods for the production of said contact
WO2007134560A1 (en) * 2006-05-23 2007-11-29 Forschungszentrum Jülich GmbH Interconnector for a fuel cell stack, and method for production
US8232020B2 (en) 2006-05-23 2012-07-31 Forschungszentrum Juelich Gmbh Interconnector for a fuel cell stack and method for production

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