DE4213728A1

DE4213728A1 - Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zur Herstellung eines dafür geeigneten Festkörperelektrolyten

Info

Publication number: DE4213728A1
Application number: DE4213728A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Wetzko; Endre Reich; Gary R Dr Heath
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1992-04-25
Filing date: 1992-04-25
Publication date: 1993-10-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanord nung mit mehreren in einer Ebene nebeneinander angeordneten keramischen Brennstoffzellen, die elektrisch in Serie oder parallel geschaltet sind. Außerdem bezieht sich die Erfin dung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrolytkör pers, der in einer solchen Brennstoffzellenanordnung ver wendet werden kann.

Eine Brennstoffzellenanordnung mit mehreren nebeneinander angeordneten Einzel-Brennstoffzellen, die elektrisch in Se rie geschaltet sind, ist aus der DE 40 33 284 A1, insbeson dere Fig. 2 bekannt. Die Brennstoffzellen bestehen jeweils aus einem gasdichten Festkörperelektrolyten, der auf einer Hauptfläche mit einer porösen Anodenschicht und auf der an deren Hauptfläche mit einer Kathodenschicht versehen ist. Zur elektrischen Serien- oder Parallelschaltung mehrerer Brennstoffzellen ist ein sogenanntes Interkonnektormaterial verwendet. Das Interkonnektormaterial ist ein Verbindungs material, das mehreren Anforderungen genügen muß, insbeson dere soll es eine gute elektrische Leitfähigkeit haben und gasdicht sein. Die für den Brennstoffzellenbetrieb benutz ten Gasströme, nämlich ein sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Luft, auf der Kathodenseite und ein Brenngas, z. B. Erdgas, auf der Anodenseite, sollen nicht direkt in Berührung kom men. Diese Bedingung wird durch die Kombination von gas dichten Elektrolyten und gasdichten Verbindungsleitern er füllt.

Die aus der DE 40 33 284 A1 bekannte Anordnung von mehreren mechanisch und elektrisch über das Interkonnektormaterial miteinander verbundenen Brennstoffzellen ist nicht selbst tragend, sondern wird durch einen porösen keramischen Trä ger unterstützt, mit dem die Anordnung großflächig verbun den ist und der einen Zutritt von Luft zu den Kathoden er möglicht.

Ein Problem besteht bei den bekannten Konzepten darin, daß die sinnvolle Größe der einzelnen Brennstoffzellen, d. h. die effektiv nutzbare Fläche der Brennstoffzelle, durch die entstehenden elektrischen Verlusten in den Elektroden schichten begrenzt ist. Der Strom muß in den relativ dünnen Elektrodenschichten bis zum Stromabgriff fließen. Aufgrund des elektrischen Widerstands der Elektrodenschichten nehmen die Verluste mit dem Abstand zum Stromabgriff zu. Man ver wendet deshalb nur Brennstoffzellen mit einer Elektrolyt fläche bis etwa 2,5×2,5 cm². Mit heutigen Herstellverfah ren und Werkstoffen könnten jedoch wesentlich größere, d. h. etwa 10×10 cm² große Elektrolytscheiben hergestellt wer den.

Wenn mehrere Brennstoffzellen z. B. flach nebeneinanderlie gend über Interkonnektormaterial als Verbinder elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden, können außer hohen elektrischen Verlusten auch Probleme mit der mechani schen Festigkeit und mit der erforderlichen Gasdichtigkeit auftreten. Diese Probleme treten besonders dann auf, wenn Anordnungen konzipiert werden, bei denen die Brennstoffzel len nicht groß- oder ganzflächig von einem Träger gestützt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoff zellenanordnung anzugeben, die es ermöglicht, großflächige Festkörperelektrolyte einzusetzen. Soweit dafür neue Kompo nenten benötigt werden, soll außerdem ein geeignetes Ver fahren zu deren Herstellung angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung ge löst, die nachstehende Merkmale aufweist:

a) In einer Ebene sind mehrere keramische Brennstoffzel len nebeneinander angeordnet und elektrisch in Serie oder parallel geschaltet,
b) die Brennstoffzellen weisen einen gemeinsamen Fest körperelektrolyten auf,
c) die auf den gegenüberliegenden Hauptflächen des Elek trolyten angeordneten Anodenelektroden und Kathoden elektroden der Brennstoffzellen sind gegeneinander versetzt angeordnet, so daß Überlappungsbereiche vor handen sind, in denen jeweils ein Teil einer Anoden elektrode einer ersten Brennstoffzelle einem Teil der Kathodenelektrode einer daneben angeordneten zweiten Brennstoffzelle gegenüberliegt, und
d) in den Überlappungsbereichen jeweils ein oder mehrere Durchbrüche im Elektrolyten vorhanden sind, die mit einem einen gasdichten Verbindungsleiter bildenden Interkonnektormaterial ausgefüllt sind.

Verfahren zur Herstellung eines für diese Brennstoffzellen anordnung geeigneten Elektrolytkörpers sind in Patentan sprüchen angegeben und der unten stehenden Beschreibung ei nes Ausführungsbeispiels zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung hat mehrere Vorteile. Die Verwendbarkeit eines großflächigen Elektro lytköpers führt zu einer rationellen Modulherstellung. Ab dichtungsprobleme sind deutlich verringert, ebenso die elektrischen Verluste in den Elektroden und den kurzen elektrischen Verbindungsleitern zwischen den Zellen. Je nach verwendeten Werkstoffen für die Brennstoffzellenkompo nenten und Gasen für den Brennstoffzellenbetrieb kann eine optimale Geometrie der Elektroden und Verbindungsleiter ge wählt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Elektrolyt mit Verbindungsleiter schon vor dem Aufbringen der Elektroden schicht hergestellt werden kann. Dadurch kann das Tempera tur-Zeitprofil für das Sintern der Elektroden ohne Rück sichtnahme auf chemische Wechselwirkungen zwischen Elektro denmaterial und Elektrolyt oder Verbindungsleiter frei ge wählt werden, was vorteilhaft ist, angesichts der schwer sinterbaren Elektrolyt- und Verbindungsleiterwerkstoffe. Andererseits wird die Sintertemperatur für den Elektrolyten und den Verbindungsleiter nicht durch maximale Sintertempe raturen der Elektrodenschichten begrenzt.

Es können relativ große selbsttragende Elektrolytkörper be nutzt werden, so daß Brennstoffzellenmodule realisiert wer den können, in denen keine großflächige Unterstützung des Elektrolytkörpers erfolgt.

Eine ausführliche Beschreibung der Erfindung erfolgt nach stehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiels.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Brennstoffzellenanord nung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Elektrolyten mit Ver bindungsleitern für mehrere Brennstoffzellen,

Fig. 3 ein Brennstoffzellenmodul mit einem Träger und zwei Brennstoffzellenanordnungen gemäß Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzellenan ordnung 1 mit mehreren elektrisch in Serie geschalteten Brennstoffzellen 2. Die Brennstoffzellen 2 weisen einen einstückigen, für alle Brennstoffzellen 2 gemeinsamen Fest körperelektrolyten 3 auf. Der Elektrolyt 3 ist auf seiner in Fig. 1 oben liegenden Hauptfläche mit Anodenelektroden 4 beschichtet, auf seiner unten liegenden Hauptfläche mit Kathodenelektroden 7. Die Anodenelektroden 4 und die Katho denelektroden 7 sind nicht exakt gegenüberliegend aufge bracht, sondern gegeneinander versetzt, so daß Überlap pungsbereiche 9 gegeben sind, in denen auf den Hauptflächen des Elektrolyten 3 sich Anodenschichten 4 und Kathoden schichten 7 unterschiedlicher Brennstoffzellen 2 gegenüber liegen. Im Überlappungsbereich 9 sind jeweils im Elektroly ten 3 ein oder mehrere Durchbrüche 5 in einem geeigneten Abstand zueinander angeordnet, wie Fig. 2 in der dort ge zeigten Draufsicht auf den Elektrolyten 3 zu entnehmen ist. Die Durchbrüche 5 sind mit Interkonnektormaterial ausge füllt, das einen Verbindungsleiter 6 zur elektrischen Ver bindung von Anoden- und Kathodenelektroden bildet.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein Brennstoffzellenmodul 10 mit einem gasdichten keramischen Träger 8 und zwei Brennstoffzellenanordnungen 1. Der Träger 8 ist symmetrisch aufgebaut als Platte mit einem dickeren Randbereich 11. Im Randbereich 11 liegt auf einer Auflagefläche 12 jeweils der Elektrolyt 3 einer Brennstoffzellenanordnung 1 auf. Der Elektrolyt 3 bildet zusammen mit dem Träger 8 jeweils einen Gaskanal 13, durch den im Betrieb Luft L geführt ist. Der Elektrolyt 3 ist jeweils Träger von dem Gaskanal 13 zuge wandten Kathodenelektroden 7 und auf seiner anderen Haupt fläche von Anodenelektroden 4 mehrerer Brennstoffzellen 2. Die Brennstoffzellen 2 sind über die Verbindungsleiter 6 elektrisch in Serie geschaltet. Im Brennstoffzellenbetrieb wird an dem Brennstoffzellenmodul 10 außen Brenngas vorbei geleitet.

Die zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung 1 oder des Brennstoffzellenmoduls 10 erforderlichen Werkstoffe und Herstellverfahren sind dem Fachmann weitgehend geläufig; neu ist im wesentlichen die Herstellung des Elektrolyten 3 mit den Durchbrüchen 5 und den Verbindungsleitern 6.

Der großflächige Festkörperelektrolyt 3 kann aus Yt trium-stabilisiertem Zirkoniumoxid im Foliengießverfahren hergestellt werden.

Gemäß einer ersten Herstellvariante werden in der noch grü nen Elektrolytfolie, z. B. durch Stanzen an den vorgesehenen Stellen, Durchbrüche, vorzugsweise kreisrunde Löcher, her gestellt. In einem folgenden Arbeitsgang werden die Durch brüche beispielsweise im Siebdruckverfahren mit einem ln terkonnektormaterial, z. B. LaSrCrO₃ ausgefüllt. Die so vor bereitete Elektrolytfolie wird anschließend dichtgesintert. Auf dem fertiggestellten Festkörperelektrolyten können an schließend die Anoden- und Kathodenelektroden mit einem ge eigneten Verfahren, z. B. durch Siebdrucken und Sintern, aufgebracht werden.

Nach einer zweiten Herstellvariante wird zunächst wie bei der ersten Variante eine grüne Elektrolytfolie hergestellt und mit Durchbrüchen versehen. Dann wird die Folie gesin tert. Das Füllen der Durchbrüche erfolgt erst nach dem Sin tern des Elektrolyten.

Gemäß einer dritten Herstellvariante kann auch von einer bereits gesinterten Elektrolytfolie ausgegangen werden. In diesem Fall können die Durchbrüche z. B. durch Laserbohren hergestellt werden.

In den Fällen der Elektrolyt-Herstellvarianten 2 und 3 kann das erforderliche Sintern des Interkonnektormaterials in einem gesonderten Schritt oder gemeinsam mit dem Sintern der Elektroden erfolgen.

Als Elektrodenmaterial ist z. B. ein Ni-Cermet für die An oden und LaSrMnO₃ für die Kathoden geeignet.

Der Träger 8 gemäß Fig. 3 kann z. B. durch Extrusion einer Masse aus keramischem Pulver mit Extrusionszusätzen als Grünkörper hergestellt und anschließend gasdicht gesintert werden. Eine gasdichte Verbindung der Brennstoffzellenan ordnung 1 mit dem Träger 8 kann z. B. durch Anglasen herge stellt werden.

Claims

1. Brennstoffzellenanordnung

- mit mehreren in einer Ebene nebeneinander angeordne ten Brennstoffzellen, die jeweils einen gasdichten keramischen Festkörperelektrolyten aufweisen, der auf seiner ersten Hauptfläche mit einer porösen Anoden elektrode und auf seiner zweiten Hauptfläche mit ei ner porösen Kathodenelektrode beschichtet ist, und
- mit Verbindungsleitern zur elektrischen Serien- oder Parallelschaltung der Brennstoffzellen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Anodenelektroden (4) und die Kathodenelektroden (7) aller Brennstoffzellen (2) auf einem gemeinsamen Festkörperelektrolyten (3) angeordnet sind,
- die Anodenelektroden (4) und die Kathodenelektroden (7) gegeneinander versetzt angeordnet sind, so daß Überlappungsbereiche (9) vorhanden sind, in denen je weils ein Teil einer Anodenelektrode (4) einer ersten Brennstoffzelle (2) einem Teil der Kathodenelektrode (7) einer daneben angeordneten zweiten Brennstoff zelle (2) gegenüberliegt und
- in den Überlappungsbereichen (9) jeweils ein oder mehrere Durchbrüche (5) im Elektrolyten (3) vorhanden sind, die mit einem einen gasdichten Verbindungslei ter (6) bildenden Interkonnektormaterial ausgefüllt sind.

2. Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Festkörperelektrolyten für eine Brennstoffzellenanordnung mit mehreren nebeneinander angeordneten und über Verbin dungsleitern elektrisch seriell- oder parallelgeschalteten Brennstoffzellen, gekennzeichnet durch nachstehende Schritte:

a) Herstellen eines für alle Brennstoffzellen gemeinsa men Elektrolyt-Grünkörpers, beispielsweise nach einem Foliengießverfahren,
b) Herstellen von Durchbrüchen im Elektrolyt-Grünkörper, vorzugsweise als kreisrunde, in Reihen angeordnete Löcher ausgeführt, beispielsweise durch Stanzen,
c) Ausfüllen der Durchbrüche mit Interkonnektormaterial zur Realisierung von Verbindungsleitern, beispiels weise durch Siebdrucken,
d) Sintern des Elektrolytkörpers einschließlich des In terkonnektormaterials, wobei eine gasdichte Elektro lytscheibe entsteht.

3. Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Festkörperelektrolyten für eine Brennstoffzellenanordnung mit mehreren nebeneinander angeordneten und über Verbin dungsleitern elektrisch seriell- oder parallelgeschalteten Brennstoffzellen, gekennzeichnet durch nachstehende Schritte:

a) Herstellen eines für alle Brennstoffzellen gemeinsa men Elektrolyt-Grünkörpers, beispielsweise nach einem Foliengießverfahren,
b) Herstellen von Durchbrüchen im Elektrolyt-Grünkörper, vorzugsweise als kreisrunde, in Reihen angeordnete Löcher ausgeführt, beispielsweise durch Stanzen,
c) Sintern des Elektrolytkörpers,
d) Ausfüllen der Durchbrüche mit Interkonnektormaterial zur Realisierung von Verbindungsleitern, beispiels weise durch Siebdruck,
e) Sintern des Interkonnektormaterials, wobei dieses Sintern auch erst nach dem Aufbringen von Elektroden schichten auf den Elektrolytkörper erfolgen kann.

4. Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Festkörperelektrolyten für eine Brennstoffzellenanordnung mit mehreren nebeneinander angeordneten und über Verbin dungsleitern elektrisch seriell- oder parallelgeschalteten Brennstoffzellen, gekennzeichnet durch nachstehende Schritte:

a) Bereitstellen eines für alle Brennstoffzellen gemein samen, bereits gesinterten Elektrolytkörpers,
b) Herstellen von Durchbrüchen im Elektrolytkörper, bei spielsweise mit Hilfe eines Laserstrahls, wobei die Durchbrüche vorzugsweise als in Reihe angeordnete Lö cher ausgeführt werden,
c) Ausfüllen der Durchbrüche mit einem Interkonnektorma terial zur Realisierung von Verbindungsleitern, bei spielsweise durch Siebdrucken,
d) Sintern des Interkonnektormaterials, wobei dieses Sintern auch erst nach dem Aufbringen von Elektroden schichten auf dem Elektrolytkörper erfolgen kann.