DE20213789U1 - SOFC-Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

SOFC-Brennstoffzelle, gekennzeichnet dadurch, daß die zwischen Anode und Kathode befindliche Elektrolytschicht durch Sputtern auf eine Elektrodenfläche und anschließende Beschichtung mit dem anderen Elektrodenmaterial auf diejenige Elektrolytfläche, welche der gesputterten Elektrodenfläche gegenüber liegt, hergestellt ist.

Description

  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung beschreibt eine SOFC-Brennstoffzelle (solid oxide fuel cell- Festelektrolytbrennstoffzelle) zur Umwandlung von chemischer Energie aus Brenngasen, insbesondere aus Wasserstoff, Methan, Erdgas, Kohlenwasserstoffe, Biogas oder Gemischen derselben in elektrische Energie, insbesondere in elektrischen Gleichstrom. Als Biogase kommen u. a. Klärgas, Deponiegas, Faulgas, Biogase aus der Vergasung von Biomaterialien wie z. B. Holz in Betracht. Erfindungsgemäß enthält die SOFC eine Elektrolytschicht jeweils zwischen Anode und Kathode, die durch Sputtern auf eine der Elektrodenflächen und anschließende Beschichtung mit dem anderen Elektrodenmaterial auf diejenige Elektrolytfläche, welche der gesputterten Elektrodenfläche gegenüber liegt, hergestellt ist.
  • Beschreibung
  • Stand der Technik:
  • Die Erfindung betrifft SOFC- Brennstoffzellen, bei denen zwischen Anode und Kathode das Elektrolytmaterial enthalten und angeordnet ist.
  • Die Entwicklung geht bei der SOFC-Brennstoffzelle momentan hin zu einem Konzept mit tragender Elektrode und möglichst dünnem Elektrolyten. Die Dicke des Elektrolyten hat einen entscheidenden Einfluß auf die Leistungsfähigkeit der SOFC. Mit zunehmender Dicke des Elektrolyten nimmt der Widerstand der Zelle derart zu, so daß eine höhere Betriebstemperatur erforderlich ist. Bei hohen Betriebstemperaturen über 800°C werden jedoch einige Eigenschaften negativ beeinflußt, so z. B. nimmt die Differenz der Ausdehungskoeffizienten der einzelnen Materialien und auch die Korrosionsanfälligkeit der Interkonnektoren unerwünscht zu. Darüber hinaus steigt die Agglomerationsneigung der Nickelpartikel in der Anode mit zunehmender Temperatur. Dadurch nimmt die Zahl der elektrochemisch aktiven Zentren an der Oberfläche und auch die Leistungsdichte der SOFC ab.
  • Gleichzeitig muß der Elektrolyt eine vollständige oder sehr hohe Gasdichtigkeit aufweisen, um zu verhindern, daß das Brenngas von der Anodenseite und der Sauerstoff von der Kathodenseite unkontrolliert miteinander reagieren. – In diesem Fall würde sich der Wirkungsgrad der Zelle vermindern, da die entsprechende Energie nicht als elektrische sondern als Wärmeenergie freiwerden würde.
  • Die Schwierigkeit besteht also darin, eine SOFC zu konzipieren, die eine möglichst dünne und gleichzeitig gasdichte Elektrolytschicht enthält.
  • Bei herkömmlichen SOFC bzw. Verfahren zur Beschichtung poröser Elektrodensubstrate mit einer dünnen Elektrolytschicht ist diese Anforderung nicht erfüllt oder sie haben erhebliche Nachteile:
    • Beim bekannten Foliengießen ist die Schichtdicke nach unten begrenzt, d. h. es können nur Schichtdicken im Bereich >= ca. 20 μm erzielt werden. In der Literatur ( DE 196 09 418 C2 ) wird auch über einen hohen Platzbedarf der Foliengießanlagen berichtet.
    • Bei Anwendung der Elektrophorese zum Auftragen auf die Elektrode ist bekannt ( DE 196 09 418 C2 ), daß die Porosität des Elektrodengrundsubstrates eine bestimmte Verteilung aufweisen muß.
    • Beim Foliengießen ist ebenso wie bei der Elektrophorese eine Trocknung und Sinterung erforderlich.
    • Beim Plasmaspritzen kommt das heißes Plasma mit der Elektrode zwar nur den Bruchteil einer Sekunde in Berührung. Dennoch besteht die Gefahr der Agglommeration der feinverteilten katalytisch wirksamen Partikel (z. B. Nickeloxid) an der Dreiphasengrenzfläche bzw. an den aktiven Zentren. Dadurch ist die Gefahr sehr groß, daß die wirksame Oberfläche vermindert wird mit der Folge einer Leistungsminderung der SOFC.
  • Allen bisherigen Verfahren ist außerdem gemeinsam, daß bei Verwendung nanoskalierter Pulver diese aufgrund ihrer Feinteiligkeit sehr leicht zum Verstäuben neigen. Das erschwert allgemein das Handling dieser Pulver im großtechnischen Betrieb.
  • Gegenstand der Erfindung:
  • Erfindungsgemäß werden diese Nachteile derart gelöst, daß die SOFC eine Elektrolytschicht jeweils zwischen Anode und Kathode enthält, die durch Sputtern auf eine der Elektroden und anschließendes Beschichten mit der anderen Elektrode hergestellt sind.
  • Durch das Sputtern wird eine sehr dünne und zugleich gasdichte Elektrolytschicht erreicht. Die Dicke der Elektrolytschicht kann dabei vorteilhafter Weise bis in den Nanometerbereich minimiert werden. Auch eine durch Sputtern erzeugte Schichtdicke von wenigen μm ist denkbar. Erfindungsgemäß und idealerweise ist nach dem Sputtern keine Sinterung erforderlich. Um jedoch die Gefahr möglicher Poren so weit als möglich einzuschränken, kann das die Elektrolytschicht enthaltende Material nach dem Sputtern erfindungsgemäß gesintert oder getempert sein (Anspruch 6).
  • Ein weiterer Vorteil des Sputterns ist, daß sich die Oberfläche des Elektrodensubstrats beim Beschichten nur geringfügig erwärmt (durch frei werdende Kondensationswärme), wodurch Sinter-, und andere thermische Vorgänge und damit Leistungsminderungen im Elektrodenmaterial vermieden oder eingeschränkt werden können.
  • Vorteilhafterweise sind Sputteranlagen kompakt aufgebaut und haben einen geringen Platzbedarf. Das zu sputternde Material wird in die Sputteranlage als kompaktes Plattenmaterial eingebracht, so daß das Handling von Pulvern bezüglich des Elektrolytmaterials entfällt.
  • Die Kosten für das Sputtern sind vergleichsweise gering (Sputtern wird z. B. auch für die Beschichtung von Verpackungsmaterial angewandt).
  • Zwar wird das Material normalerweise während des Sputterns amorphisiert. Durch gezielte Einstellung der Verfahrensparameter (z. B. Sauerstoffpartialdruck und Substrattemperatur) während des Sputterns kann man bei SOFC kristalline Elektrolytschichten einstellen (Anspruch 2).
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 3 angegeben, wonach beide Elektroden durch Sputtern mit Elektrolyt beschichtet sind und anschließend zusammengefügt wurden. Durch die Beschichtung beider Elektroden gemäß Anspruch 3 kann das Elektrolytmaterial teilweise in die Poren beider Elektroden hineinwachsen und so eine große Dreiphasengrenzfläche Elektrode/Elektrolyt/Gas eingestellt werden.
  • Von Vorteil ist außerdem, daß bei Sputtern eine sehr gute Haftung der Beschichtung auf dem Elektrodenmaterial erreicht werden kann.
  • In Anspruch 4 und 5 ist ausgeführt, daß die Elektroden vor ihrere Beschichtung mit Elektrolytmaterial mit einem besonders gut elektrisch leitfähigem Material wie z. B. Platin insbesondere durch Sputtern beschichtet sein können, um Übergangswiderstände zwischen Elektroden und Elektrolyt zu minimieren.
  • Die Elektroden können nach beliebigen Verfahren nach Anspruch 7-15 hergestellt sein und Anodenmaterialien gemäß Anspruch 18-29 enthalten. Der Elektrolyt kann Materialien gemäß Anspruch 16, 17, 30-32 enthalten. Die Kathode kann aus den Materialien gemäß Anspruch 33- 35 bestehen.
  • Nach Anspruch 36 und 37 kann die SOFC so hergestellt sein, daß entweder zuerst die gebannte oder ungebrannte Anode mit Elektrolyt beschichtet werden oder zuerst die gebrannte oder ungebrannte Kathode.
  • Zur Anordnung und Gestaltung der Interkonnektoren siehe Anspruch 38-45. In Anspruch 46 sind mögliche Brenngase genannt.
  • Durch die porösen Elektroden kann Gas nach außen treten, was den Wirkungsgrad der SOFC vermindern würde. Erfindungsgemäß sind an die Umgebung grenzenden Elektrodenflächen vorzugsweise durch Sputtern, z. B. mit Zirkondioxid nach außen gasdicht abgedichtet (Anspruch 47-49).
  • Beispiel
  • Eine einfache Ausführung der Erfindung kann darin bestehen, daß eine SOFC wie folgt hergestellt ist: Eine gebrannte Kathodenfolie aus Strontium-dotierten Lanthanmanganit wird durch Sputtern mit einer ca. 1 μm dicken Schicht aus Zirkondioxid mit 8 mol-% Yttrium(III)-Oxid beschichtet. Danach wird auf die der Kathode gegenüberliegende, freiliegende Elektrolytfläche mittels Siebdruck eine Anodenschicht aus 50% Gew.% Nickel(II)oxid und 50 Gew.% Zirkondioxid mit einem Anteil von 8 mol% Yttrium(III)oxid aufgebracht. Durch Zugabe von Kohlenstoff zur Anodenbeschichtungsmasse wird eine gezielte Porosität von ca. 50 Vol.-% (nach dem Brennprozeß) erzeugt. Nach dem Aufbringen der Anodenschicht wird die Einheit aus Anode, Kathode und Elektro-lyt bei ca. 1 Stunde bei 900 °C gebrannt. 1 zeigt den Schnitt durch eine derartige planebene Einheit aus Kathode, Elektrolyt und Anode, die in der Draufsicht sowohl rund als auch viereckig gestaltet sein können. In 2 ist eine komplette SOFC mit Interkonnektoren dargestellt. Das Brenngas wird jeweils der Anodenseite und die Luft der Kathodenseite zugeführt. Die Elektroden sind umgebungsseitig gegen austretende Gase, vorzugsweise durch Sputtern abgedichtet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kathode
    2
    Elektrolyt
    3
    Anode
    4
    Brenngaszufuhr, Brenngasableitung- analog auf der gegenüberliegenden Seite (nicht
    eingezeichnet)
    5
    Luftzufuhr, Luftableitung- analog auf der gegenüberliegenden Seite (nicht eingezeichnet)
    6
    Interkonnektor
    7
    Anordnung von Elektroden, Elektrolyt und Interkonnektoren kann in der gleichen
    Reihenfolge so beliebig fortgesetzt werden
    8
    Aufgesputterte Schicht zur Abdichtung der Elektroden gegen austretende Gase

Claims (49)

  1. SOFC-Brennstoffzelle, gekennzeichnet dadurch, daß die zwischen Anode und Kathode befindliche Elektrolytschicht durch Sputtern auf eine Elektrodenfläche und anschließende Beschichtung mit dem anderen Elektrodenmaterial auf diejenige Elektrolytfläche, welche der gesputterten Elektrodenfläche gegenüber liegt, hergestellt ist.
  2. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß während des Sputterns die Bedingungen Sauerstoffpartialdruck und Substrattemperatur so eingestellt sind, daß sich eine Kristallstruktur im Elektrolyten, vorzugsweise ein Fluoritkristallgitter bildet.
  3. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß diese durch Beschichten beider Elektroden und Verbinden der beschichteten Elektroden an der jeweils beschichteten Fläche hergestellt ist.
  4. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß diese so hergestellt ist, daß vor der Beschichtung der Elektroden mit dem Elektrolyten eine möglichst dünne Schicht aus den Edelmetallen Platin, Palladium, Gold, Iridium, Ruthenium, Wolframcarbid, eine Verbindung der chemischen Formel HxWOy, Glaskohlenstoff, Kohlenstoff oder Gemische derselben auf eine oder beide, für den Elektrolytkontakt vorgesehene Elektrodenflächen aufgetragen wird.
  5. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß die Beschichtung nach Anspruch 4 durch Sputtern, CVD-Verfahren, naßchemische Abscheidung, elektrochemische Abscheidung oder Vakuumverdampfung erzeugt ist.
  6. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-5, gekennzeichnet dadurch, daß diese durch Sinterung oder Temperung nach der Beschichtung der Elektroden mit dem Elektrolyten oder nach dem Verbinden der elektrolytbeschichteten Elektroden hergestellt ist.
  7. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden durch Gießen hergestellt sind.
  8. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden durch Foliengießen hergestellt sind.
  9. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden durch Elektrophorese hergestellt sind.
  10. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden durch Pressen hergestellt sind.
  11. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden durch CVD (chemical vapour deposition) hergestellt oder beschichtet sind.
  12. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden durch Sputtern hergestellt oder beschichtet sind.
  13. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden durch Plasmaspritzen hergestellt oder beschichtet sind.
  14. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden durch Vakuumverdampfung hergestellt oder beschichtet sind.
  15. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden durch Siebdruck hergestellt oder beschichtet sind.
  16. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-15, gekennzeichnet dadurch, daß das Elektrolytmaterial Yttrium(III)oxid-haltiges Zirkondioxid enthält.
  17. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-16, gekennzeichnet dadurch, daß das Elektrolytmaterial Scandium(III)oxid-haltiges Zirkondioxid enthält.
  18. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-17, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode Elektrolytmaterial enthält.
  19. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-18, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode Nickeloxid enthält.
  20. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-19, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode Nickel enthält.
  21. SFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-20, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode Wolframcarbid der chemischen Formel WC enthält.
  22. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-21, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode Wasserstoffwolframbronzen der Zusammensetzung HxWOy enthält.
  23. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-22, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode Wasserstoffwolframbronzen der Zusammensetzung HxWOy , wobei y = 3 ist, enthält.
  24. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-23, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode Wolframoxid WOx mit x <= 3 enthält.
  25. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-24, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode Ceroxid enthält.
  26. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-25, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode Gadoliniumoxid enthält.
  27. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-26, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode einen porösen Schwamm bestehend aus einem Hartmetall enthält.
  28. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-27, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode einen porösen Schwamm bestehend aus Wolfram enthält.
  29. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-28 gekennzeichnet dadurch, daß die Anode mit einem der in den Ansprüchen 18-26 genannten Stoffe oder Gemischen derselben beschichtet ist.
  30. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-29, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektrolyt einen oder mehrere der in den Anspüchen 19-26 genannten Stoffen oder Gemische derselben enthält.
  31. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-30, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektrolyt Cer-Samarium-Oxid enthält.
  32. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-31, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektrolyt Lanthan-Strontium-Gallium-Magnesium-Oxid enthält.
  33. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-32, gekennzeichnet dadurch, daß die Kathode strontiumdotiertes Lanthanmanganit enthält.
  34. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-33, gekennzeichnet dadurch, daß die Kathode Lanthan-Strontium-Eisen-Kobalt-Oxid enthält.
  35. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-34, gekennzeichnet dadurch, daß die Kathode Lanthan-Kalzium-Mangan-Oxid enthält.
  36. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-35, gekennzeichnet dadurch, daß diese so hergestellt ist, daß zuerst eine Fläche der gebrannten oder ungebrannten Kathode mit Elektrolyt beschichtet und anschließend die unbeschichtete Elektrolytfläche mit Anodenmaterial beschichtet und danach die so hergestellte Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit gebrannt wird.
  37. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-36, gekennzeichnet dadurch, daß diese so hergestellt ist, daß zuerst eine Fläche der gebrannten oder ungebrannten Anode mit Elektrolyt beschichtet und anschließend die unbeschichtete Elektrolytfläche mit Kathodenmaterial beschichtet und danach die so hergestellte Anoden-Elektrolyt-Kathoden Einheit gebrannt wird.
  38. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-37, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Einzelzellen, bestehend aus Anode, Elektrolyt und Kathode wechselweise durch Interkonnektoren elektrisch miteinander verbunden sind.
  39. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-38, gekennzeichnet dadurch, daß die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheiten und die Interkonnektoren schichtförmig angeordnet sind.
  40. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-39, gekennzeichnet dadurch, daß die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheiten und die Interkonnektoren planeben angeordnet sind.
  41. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-40, gekennzeichnet dadurch, daß die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheiten und die Interkonnektoren rohrförrnig gestaltet sind.
  42. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-41, gekennzeichnet dadurch, daß die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheiten und die Interkonnektoren spiral- und wickelförmig gestaltet sind.
  43. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-42, gekennzeichnet dadurch, daß die Interkonnektoren aus Glaskohlenstoff bestehen.
  44. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-43, gekennzeichnet dadurch, daß die Interkonnektoren aus edelmetallbeschichtetem Titan bestehen.
  45. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-44, gekennzeichnet dadurch, daß in den Interkonnektoren Gaskanäle für die Zufuhr von Luft und Brenngasen vorgesehen sind.
  46. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-45, gekennzeichnet dadurch, daß als Brenngase Wasserstoff, Methan, Erdgas, Biogas, u. a. Klärgas, Deponiegas, Faulgas, Biogase aus der Vergasung von Biomaterialien wie Holz, andere Kohlenwasserstoffe, wasserstoff- oder kohlenstoffhaltige Gase oder beliebige Gemische derselben verwendet werden.
  47. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-46, gekennzeichnet dadurch, daß die an die Umgebung grenzenden Flächen der Elektroden in oberflächennahen Bereichen gegen austretende Gase abgedichtet sind.
  48. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-47, gekennzeichnet dadurch, daß die an die Umgebung grenzenden Flächen der Elektroden durch Sputtern gegen austretende Gase abgedichtet sind.
  49. SOFC-Brennstoffzelle nach Anspruch 1-48, gekennzeichnet dadurch, daß die an die Umgebung grenzenden Flächen der Elektroden durch Sputtern mit Zirkondioxid, Yttrium(III)-oxid, Scandium(III)oxid, strontiumdotiertes Lanthanmanganit oder Gemischen derselben gegen austretende Gase abgedichtet sind.
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