DE3922673A1 - Hochtemperaturbrennstoffzelle - Google Patents
HochtemperaturbrennstoffzelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbrennstoffzelle für
einen Brennstoffzellenstack sowie ein Verfahren zu deren Her
stellung.
In einer Brennstoffzelle läuft ein Prozeß ab, der im Prinzip
der Umkehrung der Elektrolyse entspricht. Die Reaktionspartner
einer Verbrennungsreaktion, also "Brennstoff" und "Luft" wer
den in getrennten Kammern einer Brennstoffzelle in die entspre
chenden Ionen des "Verbrennungsproduktes" überführt, wobei die
dazu erforderlichen bzw. überschüssigen Elektronen von Elektro
den abgegeben bzw. aufgenommen werden. Ein geeigneter Elektro
lyt trennt die Reaktanden und verhindert einen Kurzschluß der
Zelle, indem er eine hohe Leitfähigkeit für Ionen und gleich
zeitig niedrige Leitfähigkeit für Elektronen aufweist.
Der auf die erzeugte elektrische Leistung bezogene Wirkungsgrad
einer Brennstoffzelle übertrifft denjenigen konventioneller
Stromerzeuger, da es sich hierbei um eine direkte Stromerzeu
gung handelt, die nicht den Umweg über Wärme und Kraft gehen
muß. In flüssiger Phase können Brennstoffzellen mit Hilfe von
semipermeablen Membranen verifiziert werden. Da jedoch für je
de Verbrennung Luft bzw. Sauerstoff benötigt wird und einer
der Reaktionspartner daher in jedem Fall gasförmig ist, wird
eine wirtschaftlich arbeitende und im großen Maßstab energie
erzeugende Brennstoffzelle vorteilhaft in der Gasphase arbei
ten.
Eine Ausführungsform einer Brennstoffzelle für Gase bzw. für
die Gasphase stellt die Hochtemperaturbrennstoffzelle mit Fest
körperelektrolyt dar. Deren wesentlicher Bestandteil ist eine
Festkörperelektrolytfolie aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid
(YSZ), die beidseitig mit Elektroden beschichtet ist. Dieses
Material zeigt bei einer optimalen Betriebstemperatur von ca.
1000°C eine hohe Leitfähigkeit für Sauerstoffionen, während
gleichzeitig die Leitfähigkeit für Elektronen um Größenordnun
gen darunter liegt. Die Elektroden müssen für die verwendeten
Gase (zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff) durchlässig und
somit porös sein, damit die Überführung der Gase in Ionen in
unmittelbarer Nähe des Elektrolyten erfolgen kann. Über die
Fehlstellen im YSZ-Kristallgitter werden Sauerstoffionen vom
Kathodenraum durch den Elektrolyten in den Anodenraum über
führt und dort mit dem entsprechenden Gegenion zum Verbren
nungsprodukt (zum Beispiel Wasser) vereinigt.
Aufgrund der niedrigen Zellspannung von ca. 1 Volt für eine
H2/O2-Zelle werden vorteilhafterweise mehrere solcher Zellen
zu einem Modul mit entsprechend höherer Modulspannung zusammen
gebaut. Wegen der dazu nötigen seriellen Verschaltung und dem
bevorzugt flächenhaften Aufbau einer Einzelzelle wird ein sta
pelartiger Aufbau von Einzelzellen zu einem Modul, einem soge
nannten Brennstoffzellenstack angestrebt.
Im Stapel ergibt sich jedoch das Problem, Kathoden- und Anoden
raum zweier benachbarter Zellen gasdicht voneinander zu tren
nen und dabei gleichzeitig den für die serielle Verschaltung
notwendigen elektrischen Kontakt zwischen diesen beiden Elek
troden herzustellen. Dieses Problem wird durch den für das Ver
fahren notwendigen Betriebsdruck der Gase von bis zu 16 bar
verstärkt. Im Vergleich zu diesen relativ hohen Drücken ist
außerdem die Festkörperelektrolytfolie äußerst dünn gefertigt,
um die elektrischen Verluste (Spannungsabfall) zu minimieren
und hat beispielsweise eine Schichtdicke von 100µm. Bei solch
geringen Materialstärken und den im Betrieb der Brennstoffzel
le auftretenden großen Temperaturdifferenzen von ca. 1000°C
kann bereits ein geringer Unterschied im thermischen Ausdeh
nungskoeffizienten α der verwendeten Materialien zu großen
mechanischen Spannungen und weiter zum Bruch und damit zum
Ausfall der Zelle führen.
Für ein solches Konzept sind bisher keine geeigneten Materia
lien gefunden worden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
es daher, eine Hochtemperaturbrennstoffzelle anzugeben, die
die beschriebenen Probleme vermeidet. Insbesondere soll sie
für einen Dauerbetrieb geeignet und gegenüber den auftretenden
hohen Temperaturen und Druckdifferenzen mechanisch stabil sein
und bei der durch den Stapel vorgegebenen seriellen Verschal
tung gute elektrische Leistung bringen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Hochtem
peraturbrennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstack mit
- - stapelartig angeordneten Einzelzellen,
- - beidseitig mit Elektroden beschichteten Festkörperelektro lytfolien,
- - zwischen den beschichteten Elektrolytfolien angeordneten, elektrisch leitenden bipolaren Platten zur gasdichten Ab trennung der Einzelzellen und
- - in der bipolaren Platte angeordneten Gaskanälen, wobei
- - die Elektroden sandwichartig aus n Einzelschichten mit un terschiedlichem Elektrodenmaterial aufgebaut sind und
- - die an sich bekannten Elektrodenmaterialien der Einzel schichten anhand ihrer thermischen Ausdehnungskoeffizienten so ausgewählt sind, daß der Gesamtunterschied Δα zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Festkörperelek trolytfolie und der bipolaren Platte in n+1 Schritten Δα′ kontinuierlich überbrückt wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur
Herstellung einer Hochtemperaturbrennstoffzelle sind den Unter
ansprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Verbindung zwischen
den Einzelzellen im Stapel mit einer bipolaren Platte vorzu
nehmen, welche eine sehr hohe elektrische (bzw. elektronische)
Leitfähigkeit hat, in direktem Kontakt mit Kathode und Anode
zweier benachbarter Einzelzellen steht, diese so elektrisch
verbindet und die gleichzeitig die Gaskanäle enthält, in denen
der "Brennstoff" an die Elektroden herangeführt bzw. das Ver
brennungsprodukt von diesen weggeführt wird. Der unterschied
liche thermische Ausdehnungskoeffizient zwischen bipolarer
Platte und der Festkörperelektrolytfolie wird dabei kontinuier
lich durch geeignet gewählte unterschiedliche Materialien für
die Einzelschichten überbrückt. So wird der hohe und für die
Stabilität der Brennstoffzelle gefährliche Gesamtunterschied
Δα der thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch die n Ein
zelschichten auf n+1 Phasengrenzen zwischen unterschiedlichen
Materialschichten aufgeteilt. Die dort auftretenden kleineren
Unterschiede in thermischen Ausdehnungskoeffizienten Δα sind
für die Stabilität der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzel
lenstacks ungefährlich und können durch eine Erhöhung der An
zahl n der Einzelschichten beliebig weiter verkleinert werden.
Es hat sich nämlich gezeigt, daß zur Verwirklichung des Erfin
dungsgedankens genügend Materialien bereitstehen, die sowohl
zum Aufbau der Elektroden von Hochtemperaturbrennstoffzellen
geeignet sind und außerdem ausreichend unterschiedliche ther
mische Ausdehnungskoeffizienten in guter Verteilung im ge
wünschten Bereich Δα aufweisen.
Die erfindungsgemäße Hochtemperaturbrennstoffzelle zeigt einen
hohen Wirkungsgrad bei hoher Energiedichte und kann kostengün
stig aufgebaut werden.
Vorteilhafterweise besitzt eine erfindungsgemäße Hochtempera
turbrennstoffzelle eine Festkörperelektrolytfolie aus yttrium
stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) und eine bipolare Platte aus
Metall. Da sämtliche Reinmetalle und Legierungen, die als Ma
terial für die bipolare Platte in Frage kommen, einen deutlich
höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α aufweisen, als
das YSZ, wird vorteilhafterweise eine Legierung mit minimalem
Ausdehnungskoeffizienten gewählt, um den Unterschied Δα mög
lichst gering zu halten. Weitere Forderungen an die bipolare
Platte bzw. deren Material sind eine Gasundurchlässigkeit für
Wasserstoff und Sauerstoff, gute elektronische Leitfähigkeit,
Temperaturbeständigkeit bei 1000°C und eine ausreichende Fe
stigkeit, da der bipolaren Platte aufgrund der relativ dünnen
Elektrolytfolie samt den Elektroden eine Trägerfunktion zu
kommt. Während der Wert α für YSZ unveränderbar bei ca. 11×
10-6 K-1 liegt, stehen eine Reihe von Legierungen zur Verfü
gung, die als Material für die bipolare Platte geeignet sind
und deren thermische Ausdehnungskoeffizienten bei ca. 15 bis
19×10-6 K-1 liegen. Für die bekannten geeigneten Legierungen
besteht also mindestens ein Δα von 4 ppm/K. Um diese Diffe
renz zu überbrücken, sind mindestens zwei Einzelschichten für
die Elektroden erforderlich. Eine beliebige weitere Steigerung
der Anzahl n der Einzelschichten ist natürlich möglich, erfor
dert aber einen höheren Aufwand bei der Herstellung und verur
sacht einen nicht zu vernachlässigenden zusätzlichen Kosten
faktor. Üblicherweise werden n Einzelschichten erzeugt mit
2n10.
An das Elektrodenmaterial werden je nach Elektrodentyp unter
schiedliche Anforderungen gestellt. Allgemein wird eine hohe
elektrische Leitfähigkeit δ gefordert, die überwiegend auf
Elektronenleitung basieren und oberhalb von 104 Sm-1 liegen
soll, wobei für die Anode eine noch höhere Leitfähigkeit
gefordert ist (105 Sm-1). Die Funktionsfähigkeit der Elek
troden soll bei 1000°C und Drücken bis zu 16 bar gewährleistet
sein, wobei im Anodenraum bzw. an der Anode eine reduzierende
und an der Kathode eine oxidierende Atmosphäre (H2 und 02 bzw.
Luft) herrscht. Da sowohl Anode als auch Kathode zwischen bi
polarer Platte und Festkörperelektrolytfolie angeordnet sind,
gelten für die Materialien beider Elektroden die gleichen An
forderungen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten αn.
Beim Betrieb der Brennstoffzelle müssen die Gase (zum Beispiel
H2/O2) durch die Elektroden zum Elektrolyten diffundieren und
erfordern daher offene Poren in der Elektrode bzw. in den n
Elektrodeneinzelschichten. Eine Porosität von 30 bis 70 Pro
zent, das heißt der am Volumen gemessene Porengehalt der Elek
trode, ist für den gewünschten Zweck ausreichend.
Elektrodenmaterialien, die die genannten Anforderungen erfül
len, sind aus der Klasse der elektrisch leitfähigen Keramiken
ausgewählt. Insbesondere wegen der unterschiedlichen Empfind
lichkeit gegenüber reduzierenden bzw. oxidierenden Bedingungen,
entstammen für die beiden Elektrodenarten geeignete Materialien
unterschiedlichen chemischen Verbindungsklassen. Die Anode be
steht erfindungsgemäß aus einem Zirkonoxid/Nickel-Cermet
(Cermet = ceramic metall), wobei die n Einzelschichten einen
zum Elektrolyten hin abnehmenden Nickelgehalt aufweisen. Vor
teilhafterweise ist das Zirkonoxid ebenfalls mit Yttrium sta
bilisiert und enthält bis zu 10 Mol-Prozent dieses Metalls.
Der Nickelgehalt im Cermet darf dabei die Untergrenze von ca.
33 Volumen-Prozent nicht unterschreiten, da unterhalb dieser
Percolation-Limit genannten Grenze nur noch eine sehr undefi
nierte elektronische Leitung beobachtet werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Anoden
der Hochtemperaturbrennstoffzelle aus einem Zirkonoxid/Ceroxid/
Nickel-Cermet hergestellt. Ceroxid besitzt im Gegesatz zu Zir
konoxid eine elektronische Leitfähigkeit und zusätzlich einen
äquivalenten Ausdehnungskoeffizienten. In reduzierender Atmos
phäre weist es eine elektronische Leitfähigkeit von ca. 100
Sm-1 auf. Dank dieses hohen Wertes kann die elektrische Leitung
nicht nur über die Nickelkörner sondern auch über die Ceroxid-
Körner erfolgen, so daß der Nickelanteil im Cermet reduziert,
und damit auch der α-Wert des Cermet verringert werden kann.
So bleibt auch bei niedrigerem Nickelgehalt eine definierte
und ausreichend hohe Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials er
halten.
Zur Auswahl des Kathodenmaterials stehen zum Beispiel eine Rei
he von Mischoxiden des Typs ABO3 aus der Gruppe der Perowskite
ausgesucht zur Verfügung. Die Kationen A und B können dabei
von jeweils einem Element gebildet werden oder eine stöchiome
trisch genaue Mischung mehrerer Kationen darstellen. Ein A-Typ
Kation kann zum Beispiel Lanthan sein, bei dem wechselnde An
teile durch Calcium oder schwerere Erdalkaliionen (zum Beispiel
Strontium, Barium) ersetzt sein können. Die B-Typ Kationen sind
Übergangsmetalle der sechsten bis achten Nebengruppe, wobei
auch hier B für ein einziges oder eine Mischung mehrerer Ele
mente bzw. deren Kationen steht. Stets addieren sich jedoch
bei Vorhandensein mehrerer Kationen eines Typs deren stöchio
metrische Indices zur Zahl 1, so daß eine stöchiometrisch exak
te Verbindung ABO3 resultiert. Durch geeignete Variation der
Kationen bzw. des Mischungsverhältnisses der Kationen werden
als Kathodenmaterial geeignete Verbindungen erhalten, deren
thermische Ausdehnungskoeffizienten αn das Intervall Δα zwi
schen YSZ und dem Metall der bipolaren Platte gut abdecken. Es
lassen sich daraus poröse und somit gasdurchlässige Schichten
erzeugen, die bei den Betriebsbedingungen (1000°C/Luft) eine
geschätzte Lebensdauer von über 40000 Stunden erzielen können,
ohne wesentliche Änderungen ihrer Eigenschaften aufzuweisen.
Neben der Auswahl der Materialien für die jeweils n Elektro
deneinzelschichten anhand ihres Ausdehnungskoeffizienten αn
sind auch die Schichtdicken dn der jeweiligen Einzelschicht
von Bedeutung. Erfindungsgemäß werden daher Kathode und Anode
so aufgebaut, daß sie bei dem im Betrieb auftretenden maxima
len Temperaturintervall die gleiche thermische Gesamtausdeh
nung Δd aufweisen. Dabei wird in Abhängigkeit vom Ausdehnungs
koeffizienten αn die Schichtdicke dn so variiert, daß für
beide Elektroden die Summen der Produkte von αn und δn über
die Schichten n, also αn×δn den gleichen Wert erhalten. Die
Gesamtschichtdicke einer Elektrode liegt dabei vorteilhafter
weise zwischen 20 und 500µm.
Die Herstellung der Elektroden kann nach an sich bekannten Ver
fahren durch Plasmaspritzen, Foliengießen, Sputtern, Sol/Gel-
Verfahren, Elektrophorese, Siebdruck, Thermal Spraying oder
eine Kombination verschiedener Verfahren erfolgen. Erfindungs
gemäß werden die Elektrodenschichten zum Beispiel beim Plasma
spritzen direkt auf der Elektrolytfolie in der entsprechenden
Reihenfolge, Zusammensetzung und Schichtdicke aufgebracht.
Durch geeignete Wahl der Prozeßparameter wird dabei die ge
wünschte Porosität von 30 bis 70 Prozent (gemessen am Volumen)
erzielt.
Beim Foliengießen werden die Einzelschichten in der gewünsch
ten Zusammensetzung und Stärke erfindungsgemäß zunächst als ge
trennte Rohfolien erzeugt. In der gewünschten Anordnung werden
sie dann gestapelt, im Vakuum verpreßt und anschließend gesin
tert. Während dieses Schrittes kann gleichzeitig die Aufbrin
gung der Elektrode auf der Festkörperelektrolytfolie erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens werden
die Elektrodeneinzelschichten nach- und übereinander direkt
auf dem Elektrolyten, zum Beispiel durch Foliengießen erzeugt.
Auch hier und ebenso beim Plasmaspritzen werden die Elektroden
abschließend gesintert. In allen Verfahren wird erfindungsge
mäß zunächst die Kathode auf dem Elektrolyten erzeugt und ge
sintert, da deren Material eine höhere Sintertemperatur als
das Anodenmaterial erfordert.
In vorteilhafter Weise wird zumindest eine Einzelschicht der
Elektrolyten gesputtert, zum Beispiel um für die unterste Ein
zelschicht einen guten Kontakt zur Festkörperelektrolytfolie
zu erzeugen.
Nach dem Sintern der Kathode wird in analoger Weise die Anode
erzeugt. Die erforderlichen Sintertemperaturen betragen für
die Kathode 25 bis 1500°C und für die Anode 1100 bis 1350°C.
Ein zusätzlicher vorteilhafter Effekt ergibt sich beim Sintern
der Kathode. Da die Materialien der Einzelschichten unabhängig
von ihrer Zusammensetzung ein mehr oder weniger verzerrtes aber
im Prinzip identisches kubisches Kristallgitter besitzen, tritt
während des Sintervorganges eine Diffusion von Komponenten der
Einzelschichten in die jeweils benachbarte Schicht auf. So wird
innerhalb ca. 50µm breiter Zonen beiderseits der Phasengren
zen eine kontinuierliche Angleichung der Schichtzusammensetzun
gen beobachtet. Das hat zur Folge, daß die ursprünglich diskre
ten Einzelschichten nunmehr eine Gesamtelektrode bilden, bei
der über die Schichtdicke keine abrupten Änderungen der Zusam
mensetzung mehr auftreten. Vielmehr weisen die Zusammensetzung
bzw. die Konzentrationen der Einzelkomponenten einen über die
Schichtdicke kontinuierlichen und stetigen Verlauf auf, der
sich auch in einem kontinuierlichen Verlauf der Schichteigen
schaften, insbesondere der thermisch mechanischen Eigenschaf
ten äußert. Innerhalb der Elektrodenschicht treten so keine
diskreten Änderungen der Ausdehnungskoeffizienten mehr auf, so
daß eine optimale Anpassung an bipolare Platten und an Festkör
perelektrolytfolie möglich wird. Obwohl diese Folie aufgrund
der geringen Schichtdicke besonders empfindlich ist, können
nun durch die thermische Ausdehnung keinerlei mechanische Span
nungen mehr entstehen, so daß die diesbezügliche Bruchgefahr
ausgeschlossen ist.
Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung der erfindungs
gemäßen Hochtemperaturbrennstoffzelle anhand eines Ausführungs
beispiels und der dazugehörigen drei Figuren näher erläutert.
Dabei zeigt
Fig. 1 die Bestandteile und den Aufbau einer Hochtemperatur
brennstoffzelle in schematischer Darstellung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine mit Elektroden beschich
tete Festkörperelektrolytfolie und
Fig. 3 im Diagramm dargestellte Meßpunkte verschiedener Elek
trodenmaterialien.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem modulartig aufgebauten
Hochtemperaturbrennstoffzellenstack nach der Lehre der Erfin
dung. Ein solcher weist einen Stapel von zwei alternierenden
Grundelementen, nämlich der beidseitig mit Elektroden beschich
teten Festkörperelektrolytfolie 1 und der bipolaren Platte 2
auf. Drei Elemente 2, 1, 2 bilden eine einzelne Zelle BZ, wo
bei die bipolaren Platten 2 bereits wieder je ein Grundelement
der im Stapel benachbarten Einzelzellen darstellen. Die einan
der gegenüberliegenden Oberflächen der bipolaren Platten 2 wei
sen rillenartige Vertiefungen 3 auf, die die Kanäle zum Gas
transport darstellen. In ihnen wird zum Beispiel an die Katho
de 5 Sauerstoff (Luft) und an die Anode 7 Brennstoff, zum Bei
spiel Wasserstoff, herangeführt. Auf der Anodenseite erfolgt
auch der Abtransport des Verbrennungsproduktes, das im gewähl
ten Beispiel in Form von Wasserdampf entsteht. Gleichzeitig
stellt die metallische bipolare Platte 2 eine elektrisch lei
tende Verbindung zwischen der Kathode 5 einer Zelle mit der
Anode 7 der benachbarten Zelle her. Dies entspricht einer elek
trischen Serienverschaltung der Einzelzellen, infolge dessen
sich die Betriebsspannungen der Einzelzellen im Brennstoffzel
lenstack addieren. Gleichzeitig wird über die bipolare Platte
die beim Betrieb der Hochtemperaturbrennstoffzellen entstehen
de überschüssige Wärme nach außen abgeführt. In der Figur ist
die Richtung der luftführenden Rillen 3′ um 90° gegen die den
Brennstoff führenden Rillen 3 versetzt, was hier den zusätzli
chen Vorteil einer erhöhten mechanischen Stabilität der bipo
laren Platte und somit des gesamten Hochtemperaturbrennstoff
zellenstacks erbringt. An der in der Figur mit 4 bezeichneten
Oberfläche sind offene Poren dargestellt, in denen die Gase
durch die Elektrode bis zur Festkörperelektrolytfolie 6 vor
dringen können. Die Sauerstoffatome nehmen dann zum Beispiel
an der Kathode 5 Elektronen auf, werden so in die O2--Ionen
überführt, diffundieren in den gasdichten Körper der Festkör
perelektrolytfolie 6 ein, durchdringen diesen und verbinden
sich dann mit den an der Anode 7 erzeugten Wasserstoffionen
zum Verbrennungsprodukt Wasser. Dabei werden an der Anode Elek
tronen erzeugt, die an der Kathode zur Erzeugung der Sauer
stoffionen benötigt werden. Infolgedessen fließt ein elektri
scher Strom durch die Brennstoffzelle. Da die Festkörperelek
trolytfolie 6 zwar Ionen leitet, aber keine Elektronen, wird
so in den Einzelzellen ein elektrischer Kurzschluß vermieden.
Fig. 2 stellt den genauen Aufbau einer mit Elektroden 5 und 7
beschichteten Festkörperelektrolytfolie 6 dar, wobei der gesam
te Aufbau das Grundelement 1 bildet. Jede Elektrode besteht da
bei aus mehreren Einzelschichten (zum Beispiel 51, 52 und 53),
die in der Figur nur für die Kathode 5 explizit dargestellt sind.
Zur Herstellung dieses Grundelementes 1 werden nun zunächst
geeignete Kathodenmaterialien ausgewählt. In dem Diagramm der
Fig. 3 sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten α eini
ger als Kathodenmaterial geeigneter Verbindungen vom ABO3-
Mischoxid-Typ gegen die entsprechende Leitfähigkeit σ aufge
tragen. Der besonders herausgehobene unterste linke Meßpunkt
entspricht dem Material der Festkörperelektrolytfolie, während
die Quadrate Meßpunkte für einige Metalle bzw. Legierungen
(zum Beispiel MA 956, H 230, Ni, oder H 214) darstellen, die
als Material für die bipolare Platte 2 geeignet
sind. Die auf der Abszisse gekennzeichneten Punkte sind die
Grenzwerte bezüglich des Ausdehnungskoeffizienten α für die
Festkörperelektrolytfolie 6 (FK) und für ein ausgewähltes Me
tall (BP). Die Differenz zwischen diesen beiden Punkten FK und
BP stellt das zu überbrückende Δα dar. Gut zu erkennen ist,
daß in diesem Bereich eine ausreichende Anzahl von Meßpunkten
für geeignetes Kathodenmaterial existiert. Um eine kontinuier
liche Änderung der Eigenschaften der Kathode 5 bzw. deren Ein
zelschichten zu gewährleisten, werden nun solche Materialien
ausgewählt, die auf bzw. in der Nähe einer die beiden Grenz
punkte verbindenden Geraden liegen. Somit wird zwischen Fest
körperelektrolytfolie 6 und bipolarer Platte 2 auch in bezug
auf die Leitfähigkeit σ ein kontinuierlicher Übergang geschaf
fen.
Für die unterste, mit der Festkörperelektrolytfolie 6 verbunde
ne Einzelschicht 51 wird zum Beispiel als Material (La0,8Sr0,2)
MnO3, für die darüberliegende Einzelschicht 52 (La0,8Sr0,2)
(Mn0,5Co0,5) 03 und für die oberste, mit der bipolaren Platte
2 verbundene Einzelschicht 53 (La0,8Sr0,2) CoO3 ausgewählt.
Die Einzelschichten werden getrennt als Rohfolien gegossen, wo
bei dem Kathodenmaterial vor dem Foliengießen fein verteilte
Kunststoffpartikel zugemischt werden, welche beim Sintern ver
brennen und die gewünschten Poren in der Kathode erzeugen. Die
zum Beispiel jeweils 50µm dicken Rohfolien werden nun auf
einer zum Beispiel 100µm dicken Festkörperelektrolytfolie 6
in der angegebenen Reihenfolge gestapelt, im Vakuum verpreßt
und schließlich bei 1400°C gesintert. In der Fig. 2b ist der
Verlauf des Ausdehnungskoeffizienten α durch die Kathodenein
zelschichten (51, 52, 53) vor dem Sintern aufgetragen. Die Stu
fen stellen die Differenzen Δα′ zwischen den Einzelschichten
untereinander bzw. zu der Festkörperelektrolytfolie 6 dar. Zur
Veranschaulichung gibt das Diagramm auch die entsprechenden
Werte für die später zu erzeugende Anode wieder und beschreibt
somit als Ganzes keinen realen Zustand. Fig. 2c dagegen zeigt
den α-Verlauf nach dem Sintern. Durch Diffusion von Komponen
ten der Einzelschichten über die Phasengrenzen hinaus hat sich
nicht nur eine kontinuierliche Verteilung dieser Komponenten
in der Kathode 5 ergeben, sondern auch ein stetiger, in Rich
tung bipolarer Platte 2 ansteigender Verlauf des Ausdehnungs
koeffizienten durch die Kathode 5.
Zur Auswahl eines geeigneten Materials für die Anode 7 wird ein
Cermet aus Nickel/CerOxid mit unterschiedlichen Nickelgehalten
hergestellt, dessen Meßwertdiagramm α/σ ein ähnliches Bild
wie das der Kathodenmaterialien in Fig. 3 ergibt. Zur Herstel
lung wird Nickeloxidpulver mit Ceroxidpulver in wechselnden
Molverhältnissen von 0,25 : 0,75 bis 1,0 : 0 vermahlen und
vermischt, daraus eine keramische Masse bereitet und Rohfolien
von ca. 50µm Stärke gegossen. Ähnlich wie bei der Kathode
werden auch diese Rohfolien in der geeigneten Reihenfolge mit
ansteigendem Ausdehnungskoeffizienten auf der noch unbeschich
teten Seite der Festkörperelektrolytfolie 6 gestapelt, im Va
kuum verpreßt und bei ca. 1200°C gesintert. Der im Anodenmate
rial noch vorhandene, vom Nickeloxid herrührende überschüssige
Sauerstoff wird erst später beim Betrieb der fertigen Hochtem
peraturbrennstoffzelle unter den reduzierenden Bedingungen der
Anode (Wasserstoffatmosphäre) entfernt. Die dabei entstehende
Porosität von 30 bis 70 Prozent ist ausreichend, kann jedoch
ebenfalls durch Zumischen von Kunststoffpartikeln zum Anoden
material vor dem Foliengießen verstärkt bzw. erhöht werden.
Zur endgültigen Montage der Hochtemperaturbrennstoffzelle wer
den nun die beschichteten Festkörperelektrolytfolien (Grund
elemente 1) mit den bipolaren Platten 2 in geeigneter Weise
gasdicht zu einem Brennstoffzellenstack zusammengefügt. Ver
vollständigt wird die funktionsfähige Hochtemperaturbrennstoff
zelle durch weitere Einrichtungen zum elektrischen Anschluß,
zur Beschickung mit Luft und Wasserstoff (bzw. anderem "Brenn
stoff", zum Beispiel CO) oder zur Kühlung. Der fertige Hochtem
peraturbrennstoffzellenstack stellt eine, im Vergleich zu be
kannten Hochtemperaturbrennstoffzellen kostengünstigen Energie
erzeuger von hoher Energiedichte dar.
Claims (20)
1. Hochtemperaturbrennstoffzelle für einen Brennstoffzellen
stack mit
- - stapelartig angeordneten Einzelzellen (BZ),
- - beidseitig mit Elektroden (5, 7) beschichteten Festkörper elektrolytfolien (1),
- - zwischen den beschichteten Elektrolytfolien angeordneten, elektrisch leitenden bipolaren Platten (2) zur gasdichten Abtrennung der Einzelzellen und
- - in der bipolaren Platte (2) angeordneten Gaskanälen (3).
wobei
- - die Elektroden (5, 7) sandwichartig aus n Einzelschichten (51, 52, 53) mit unterschiedlichem Elektrodenmaterial aufge baut sind und
- - die an sich bekannten Elektrodenmaterialien der Einzel schichten anhand ihres thermischen Ausdehnungskoeffizien ten so ausgewählt sind, daß der Gesamtunterschied Δα zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fest körperelektrolytfolie und der bipolaren Platte in n+1 Schritten Δα′ kontinuierlich überbrückt wird.
2. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß die Festkörper
elektrolytfolie (6) aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid be
steht.
3. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach Anspruch 2, da
durch gekennzeichnet, daß die bipolare
Platte (2) aus Metall besteht.
4. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anode (7) aus einem Zirkonoxid/Nickel-Cermet besteht, wo
bei die Einzelschichten einen unterschiedlichen, zur bipolaren
Platte (2) hin zunehmenden Nickelgehalt aufweisen.
5. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anode (7) aus einem Zirkonoxid/ Ceroxid/Nickel-Cermet be
steht, wobei die Einzelschichten der Anode unterschiedliche,
zur bipolaren Platte (2) hin zunmehmende Nickelgehalte auf
weisen.
6. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß das Kathodenmaterial ein Mischoxid auf der Basis
von Lanthanmanganat ist, bei dem unterschiedliche Anteile an
Lanthan durch schwere Erdalkaliionen und ebenfalls unterschied
liche Anteile des Mangan oder das gesamte Mangan durch andere
Übergangsmetallionen der sechsten bis achten Nebengruppe er
setzt sein können.
7. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß Kathode (5) und Anode (7) aus jeweils n Einzel
schichten bestehen, wobei 2n10.
8. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Schichtdicken dn der n Einzelschichten in
Abhängigkeit von den Ausdehnungskoeffizienten αn so bemessen
werden, daß die Summen αn×dn für Kathode (5) und Anode
(7) den gleichen Wert erhalten, und so für beide Elektroden
die gleiche thermische Gesamtausdehnung Δd erzielt wird.
9. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Elektroden eine Porosität von 30 bis 70 Pro
zent aufweisen.
10. Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturbrennstoff
zelle, gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte:
- a) nacheinander abfolgendes Erzeugen von n Einzelschichten (51, 52, 53) unterschiedlichen Elektrodenmaterials für die Katho de (5) durch Foliengießen, Sputtern, Thermal Spraying, Sol/ Gel-Verfahren, Elektrophorese, Siebdruck oder Plasmasprit zen auf einer Seite einer Festkörperelektrolytfolie (6),
- b) Sintern des aus den n übereinander aufgebrachten Einzel schichten bestehenden Folienstapels in einem oder mehreren Schritten,
- c) Erzeugen der Anode (7) aus Einzelschichten auf der anderen Seite der Festkörperelektrolytfolie (6) in analoger Weise,
- d) Sintern des die Anode (7) bildenden Folienstapels,
- e) gasdichtes Zusammenbauen mehrerer mit Elektroden beschich teter Festkörperelektrolytfolien (1) zu Brennstoffzellen stapeln, wobei als elektrisch verbindende Elemente bipolare metallische Platten (2) zwischen den Elektrolytfolien ange ordnet werden, die rillenartige Vertiefungen (3) aufweisen und im Stapel die Gaskanäle für die Brennstoffzu- und -ab fuhr darstellen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Elektroden bei unterschied
licher Temperatur gesintert werden, wobei für die Kathode (5)
eine höhere Sintertemperatur gewählt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kathode bei 1250 bis 1500°C und die
Anode bei 1100 bis 1350°C gesintert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß die Elektroden
jeweils in einer Gesamtschichtdicke von 20 bis 500µm erzeugt
werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß für jede Elek
trode zwei bis zehn Einzelelektrodenschichten erzeugt werden,
die jeweils einen unterschiedlichen, in Richtung bipolarer
Platte (2) ansteigenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß für die Anode
(7) ein Zirkonoxid/Nickel-Cermet verwendet wird, wobei die
Anodeneinzelschichten einen in Richtung bipolarer Platte (2)
ansteigenden Nickelgehalt aufweisen, der 33 bis 100 Volumen-
Prozent beträgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß als Anodenmate
rial ein Zirkonoxid/ Ceroxid/Nickel-Cermet verwendet wird,
wobei die Anodeneinzelschichten einen in Richtung bipolarer
Platte (2) zunehmenden Nickelgehalt aufweisen.
17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß als Katho
denmaterial ein Mischoxid auf der Basis von Lanthan-Manganat
verwendet wird, wobei das Lanthan teilweise durch schwere Erd
alkaliionen und das Mangan zumindest teilweise durch Übergangs
metallionen der ersten Reihe der sechsten bis achten Nebengrup
pe ersetzt sein kann.
18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
eine Einzelschicht durch Sputtern erzeugt wird.
19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel
elektrodenschichten separat als Rohfolien durch Foliengießen
erzeugt werden und vor dem Sintern zur Gesamtelektrode gesta
pelt und verpreßt werden.
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