DE4237602A1 - Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stapel und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stapels.

Eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (HTBZ)- auch solid oxide fuel cell (SOFC) genannt - eignet sich infolge der relativ hohen Betriebstemperaturen, die im Bereich von 800 bis 1100° C liegen, dazu, außer Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid auch Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Erdgas oder flüssig speicherbares Propangas, mit Sauerstoff oder Luftsauerstoff elektrochemisch umzusetzen. Durch Zusatz von Wasserdampf zum Brennstoff kann bei den hohen Temperaturen jede Rußbildung vermieden werden.

Hochtemperaturbrennstoffzellen sind beispielsweise aus dem Fuel Cell Handbook, Appelby and Foulkes, New York 1989, bekannt. Solche Hochtemperaturbrennstoffzellen sind üblicherweise planar aufgebaut. Dabei wird ein temperaturbedingt fester Elektrolyt in Form eines dünnen Plättchens, das im wesentlichen aus Yttriumoxid stabilisiertem Zirkon­ oxid besteht, zwischen den Elektroden angeordnet. Diese Anordnung wird auch Elektro­ den-Elektrolytanordnung genannt. Die Elektroden, d. h. die Anode und die Kathode, liegen auf gegenüberliegenden Seiten am Elektrolyten an oder sind auf diesem aufgesintert. Die Anode besteht üblicherweise aus einem porösen Nickel-Zirkonoxid-Cermet, das für die obengenannten Reaktanten gasdurchlässig ist. Die Kathode besteht üblicherweise aus ei­ nem Perowskit der Lanthan-Strontium-Manganate, der ebenfalls wie die Anode porös und für die Oxidanten durchlässig ist. Der Elektrolyt ist so ausgelegt, daß er selbst bei den ho­ hen Betriebstemperaturen gasundurchlässig und Sauerstoffionen-leitend ist.

Außen an den beiden Elektroden liegen metallische oder keramische Platten, sogenannte bipolare Platten oder Endplatten, an. Sie bestehen aus einem gut elektrisch leitenden Ma­ terial und weisen Versorgungskanäle, sogenannte Rillenfelder, für die Zuleitung eines sauerstoffhaltigen Gases an die Kathode und eines Brennstoffes an die Anode sowie für die Abführung eines Oxidationsproduktes, wie z. B. Wasser oder Kohlendioxid, auf. Diese bipolaren Platten oder Endplatten kontaktieren die Elektroden und stützen dabei mit den Rändern der Rillen die Elektroden der Festelektrolytplättchen ab. Oft sind sie an ihren Rändern mit Durchbrüchen zur Gaszuleitung und Gasableitung versehen.

Ein Stapel von Hochtemperaturbrennstoffzellen ist üblicherweise aus abwechselnd aufein­ ander gestapelten Festelektrolytplättchen mit darauf aufgebrachten Elektroden, Fensterfo­ lien und bipolaren Platten aufgebaut. Hierbei bestehen die Fensterfolien aus dem gleichen Material wie die bipolaren Platten und haben etwa die Stärke der auf den Festelektrolyt­ plättchen aufgesinterten Elektroden. Sie sind zwischen den bipolaren Platten und den Festelektrolytplättchen eingesetzt. Sie dienen dazu, die Elektrolytplättchen mitsamt den Elektroden und einen sie umgebenden Rahmen über die jeweiligen Randbereiche gasdicht miteinander zu verbinden. Zugleich dichten die Fensterfolien über den Rand der Elek­ trolytplättchen und über den die Elektrolytplättchen umgebenden Rahmen die anoden- und kathodenseitigen Gasräume gegeneinander und zu den Durchbrüchen im Rahmen ab. Der die Elektrolytplättchen umgebende Rahmen, die bipolaren Platten und die Fensterfolien sind in einem Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel unter Zwischenschaltung eines über der Betriebstemperatur schmelzenden Lotes miteinander gasdicht verlötet. Bei diesem Verfahrensschritt, auch Fügung (Dichtung) des Stapels genannt, kann die Temperatur kurzzeitig 1300°C erreichen.

Um den Innenwiderstand eines Brennstoffzellenstapels möglichst gering zu halten, ist ein besonderer Augenmerk auf eine hinreichend gute flächige elektrische Kontakterung der einzelnen plattenförmigen Elemente des Stapels zu legen. Hierbei stellt im besonderen eine hinreichend gute flächige Kontaktierung der Elektroden und der bipolaren Platten ein be­ sonderes Problem dar, das sich nachteilig auf den Übergangswiderstand zwischen der Elektrode und der bipolaren Platte auswirken kann. Durch die Restwelligkeit der Festelek­ trolytplättchen und die Dickenschwankungen der Elektroden erfolgt der Kontakt zwischen Elektroden-Elektrolytanordnung und bipolarer Platte nur auf einem Teil der Elektroden­ fläche. An den übrigen Stellen bleiben Spalten im Bereich einiger 10 µm. Des weiteren bilden sich bei dem Überströmen von heißen Reaktanten über die metallische bipolare Platte schlecht leitende Deckschichten. Außerdem können sich durch die Diffusion von Elementen aus der bipolaren Platte in die Elektroden oder aus den Elektroden in die bipo­ lare Platten ebenfalls schlecht leitende Interdiffusionsschichten ausbilden. Des weiteren kann die Interdiffusion zu einer Beeinträchtigung der elektrochemischen Eigenschaften der Brennstoffzellen führen. Infolge der obengenannten Fakten hat sich bisher der Innenwi­ derstand des gesamten planaren Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel beim Betrieb er­ höht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperaturbrennstoffzellen­ stapel und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, die es erlauben, die Elektrode und die bipolare Platte großflächig zu kontaktieren und dadurch den Übergangswiderstand sowie den auch daraus resultierenden Innenwiderstand des Brennstoffzellenstapels mög­ lichst klein zu halten.

Bezüglich des Hochtemperaturbrennstoffzellenstapels wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine Funktionsschicht vorgesehen ist, die zwischen einer Elektrode und einer daran anliegenden bipolaren Platte angeordnet ist und im Bereich der Betriebstemperatur des Stapels elektronisch leitend und leicht verformbar ist.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß vor der Fügung (Dichtung) des Stapels zwischen Elektrode und bipolarer Platte eine Funktions­ schicht eingebracht wird.

Hierdurch wird erreicht, daß nach der Fügung des Stapels ein großflächiger Kontakt zwi­ schen Elektrode und bipolarer Platte eingestellt ist. Dabei gleicht die Funktionsschicht nun die Oberflächenunebenheiten der bipolaren Platte und der Elektrode derart aus, daß infolge der leichten Verformbarkeit der Schicht das Schichtmaterial in die den Übergangswider­ stand erhöhenden Kontaktlücken eingetragen wird. Infolge der elektronischen Leitfähig­ keit im Bereich der Betriebstemperatur des Stapels verringert die zwischen Elektrode und bipolarer Platte eingebrachte Funktionsschicht den Übergangswiderstand des Kontaktes bipolare Platte-Elektrode beträchtlich.

Zum guten Eintrag der Funktionsschicht in die Kontaktlücken zwischen Elektrode und bi­ polarer Platte bei der Fügung des Stapels ist es vorteilhaft, wenn die Funktionsschicht bis zu der Temperatur, bei der die Fügung (Dichtung) des Stapels erfolgt, plastisch verformbar ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Anoden- und/oder die Kathoden­ funktionsschicht, d. h. die zwischen Anode bzw. Kathode und bipolarer Platte angeordnete Funktionsschicht, aus Fasern aufgebaute filz- oder gewebeartige Matten umfassen. Hier­ durch ist die leichte Verformbarkeit der Funktionsschichten gewährleistet.

Hierbei können die Matten aus Fasern eines geeigneten Anoden- bzw. Kathodenkontakt­ materials aufgebaut sein. Alternativ können die Matten aus geeignetem Fasermaterial auf­ gebaut sein, das mit geeignetem Anoden- bzw. Kathodenkontaktmaterial beschichtet ist. Hierbei wird unter geeignetem Anoden- und Kathodenkontaktmaterial sowie geeignetem Fasermaterial Materialien verstanden, die eine gute elektronische Leitfähigkeit im Tempe­ raturbereich zwischen 700 und 1100°C sowie einen an die Elektroden und die metallische bipolare Platte angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Außerdem sollen diese Materialien sinteraktiv gegenüber Elektroden und metallischer bipolarer Platte sein, jedoch dabei ohne ungünstige gegenseitige Beeinflussung besonders hinsichtlich der thermischen Ausdehnung der Elektrode und der bipolaren Platte und der elektrischen Leitfähigkeit der Elektrode und der bipolaren Platte sein. Außerdem sollen die elektro­ chemische Aktivität der Elektrode und die katalytische Eigenschaft der Anode hinsichtlich der Methanoxidation oder Reformierungs- und Shifterreaktion unbeeinflußt bleiben. Des weiteren sollen diese Materialien eine Diffusionssperre für Chrom aus der bipolaren Platte bilden.

Als Kathodenkontaktmaterial eignen sich dabei in vorteilhafter Weise leitfähige Perowskite der Lantan-Manganate und/oder -Kobaltate und/oder -Chromate. Im besonde­ ren eignet sich hierfür ein Lanthan-Strontium-Perowskit der chemischen Zusammenset­ zung La_1-n Sr_n (Mn_1-y-z Co_yCr_z) O_{3- γ} oder ein Lanthan-Kalzium-Perowskit der chemi­ schen Zusammensetzung La_1-n Sr_n (Mn_1-y-z Co_y Cr_z) O_{3- γ}. Die genannten Materialien gewährleisten, daß zwischen der Kathode und der bipolaren Platte eine Funktionsschicht eingebracht ist, die die obengenannten Anforderungen erfüllt und damit zu einer erhebli­ chen Verringerung des Übergangswiderstandes zwischen Kathode und bipolarer Platte beiträgt.

In vorteilhafter Weise kann das Anodenkontaktmaterial einen oder mehrere der Bestand­ teile Ruthenium (Ru), Nickel (Ni), Nickeloxid (NiO) und Cermets aus Nickel und Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (Y₂O₃/ZiO₂) umfassen. Hierdurch wird auch für den Kontakt zwischen Anode und bipolarer Platte ein Kontaktmaterial geschaffen, das die be­ reits bezüglich des Kathodenkontaktmaterials genannten Eigenschaften aufweist und er­ heblich zur Verringerung des Übergangswiderstandes zwischen Anode und bipolarer Platte beiträgt.

Als Fasermaterial, das zur Beschichtung mit dem Anoden- und/oder Kathodenkontakt­ material geeignet ist, können hochwarmfeste, korrosionsbeständige Materialien vorgesehen sein. Im besonderen sind dies einer der beiden Edelstähle mit den zugehörigen Werkstoff­ nummern DIN 1.4767 und 1.4541, die einen Chromanteil zwischen 15 und 30 Gew.-% aufweisen sollen.

In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung kann die Funktionsschicht auf die Oberflä­ che der Elektrode und/oder auf die Oberfläche der bipolaren Platte aufgebracht werden. Hierdurch wird erreicht, daß bereits durch das Aufbringen der Funktionsschicht auf einen der beiden oder auf beide Oberflächen, zwischen denen die Funktionsschicht angeordnet ist, ein mechanisch gut haftender Kontakt zwischen Oberfläche und Funktionsschicht er­ reicht wird.

Um die bei der Fügung des Stapels auftretenden Kontaktlücken zwischen Elektrode und bipolarer Platte in vorteilhafter Weise ausfüllen zu können, kann die Schichtdicke der Funktionsschicht zwischen 5 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 50 µm, im unge­ sinterten Zustand betragen. Andererseits sind sie aber noch so dünn, daß die zwischen Elektroden und bipolaren Platten angeordneten Gasräume nicht verstopft werden können.

Als einfache Verfahren zur Aufbringung des Anoden- und/oder Kathodenkontaktmaterials können ein Siebdruck- oder ein Kaltspritzverfahren verwendet sein. Bei beiden Verfahren wird das Kontaktmaterial mit einem oder mit mehreren der handelsüblichen Zusätze orga­ nischer Binder, anorganischer Binder, Gleithilfsmittel, Dispergierhilfsmittel, Verdicker, Filmbildehilfsmittel und Lösungsmittel ergänzt. Grundsätzlich können jedoch auch andere bekannte Oberflächenbeschichtungsverfahren verwendet werden, wie z. B. das Plasma- oder Flammspritzen, das Sputtern, das Walzen, die Elektrophorese, die elektrostatische Pulverbeschichtung, die Folienziehtechnik, die DVD/PVD-Beschichtung oder das Gieß­ verfahren.

Zur Verbesserung der Haftung der Funktionsschicht auf der Elektrode und/oder der bipola­ ren Platte und zur Ausbildung einer chemischen Reaktion zwischen den Grenzflächen Elektrode, bipolare Platte/Funktionsmaterial ist es zweckmäßig, wenn die Funktions­ schicht vor der Fügung (Dichtung) des Stapels wärmebehandelt wird, wobei die Tempera­ tur vorzugsweise zwischen 500 und 1100°C liegt.

Alternativ kann die Funktionsschicht aber auch als Grünfolie, d. h. als Folie mit ungesinter­ tem Kontaktmaterial, in den Stapel eingebracht werden. Ebenso kann die Funktionsschicht als keramisches Flies in den Stapel eingebracht werden. Grünfolie und keramisches Flies werden bei der Fügung des Stapels gesintert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel mit auf der bipolaren Platte aufgebrachten Funktionsschichten vor der Fügung;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Brennstoffzellenstapel der Fig. 1 nach der Fü­ gung des Stapels;

Fig. 3 einen anderen Ausschnitt aus dem Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel der Fig. 1 und 2 mit auf den Elektroden aufgebrachten Funktionsschichten, vor der Fü­ gung des Stapels, und

Fig. 4 den Ausschnitt der Fig. 3 nach der Fügung des Stapels.

Gleiche Teile in den Fig. 1 bis 4 haben gleiche Bezugszeichen.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel 2, im fol­ genden kurz Stapel genannt. In dem dargestellten Ausschnitt erkennt man zwei Hochtem­ peraturbrennstoffzellen 4, 6 desselben Aufbaus, die jeweils ein Festelektrolytplättchen 8 und auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolytplättchens 8 jeweils eine auf das Festelektrolytplättchen 8 aufgesinterte Anode 10 und Kathode 12 umfassen. Das Fest­ elektrolytplättchen 8 besteht aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid. Die Anode 10 besteht aus einem Nickel-Zirkonoxid (YSZ)-Cermet. Die Kathode 12 besteht aus im Aus­ führungsbeispiel aus einem Lantan-Strontium-Perowskit der chemischen Zusammenset­ zung La_0,5 Sr_0,5 MnO₃. An den Rändern des Elektrolytplättchens 8 ist Fügematerial 14 mittels eines organischen Binders, welcher sich bei der Fügung des Stapels 2 verflüchtigt, haftend aufgebracht.

Zwischen den Hochtemperaturbrennstoffzellen 4, 6, im folgenden kurz Brennstoffzellen genannt, sind zwei elektrisch leitend miteinander verbundene, metallische Platten 16, 18 angeordnet, die gemeinsame die bipolare Platte bilden. Die bipolaren Platte 16, 18 besteht beispielsweise aus der im Handel erhältlichen Metallegierung unter der Bezeichnung Haynes-Alloy 230 (HA 230). Sie können aber ebenso auch aus austenitischen Stählen und hochwarmfesten korrosionsbeständigen Edelstählen, insbesondere aus den Metallegierun­ gen mit den Werkstoffnummern DIN 1.4767 und 1.4541, die einen Chromanteil zwischen 15 und 30 Gew.-% haben, bestehen.

Auf der der Kathode 12 zugewandten Oberfläche der Platte 16 ist eine Kathodenfunktions­ schicht 20 aufgebracht. Die Kathodenfunktionsschicht 20 ist im Ausführungsbeispiel eine siebgedruckte Funktionsschicht aus einem Lanthan-Strontium-Manganat-Perowskit der chemischen Zusammensetzung La_0,8 Sr_0,2 MnO₃.

Auf der der Anode 10 zugewandten Oberfläche der bipolaren Platte 18 ist eine Anoden­ funktionsschicht 22 angeordnet. Die Anodenfunktionsschicht 22 ist eine ebenfalls siebge­ druckte Funktionsschicht, die aus Ni/YSZ-Cermet besteht. Das Material der beiden Funk­ tionsschichten 20, 22 liegt im Ausführungsbeispiel in Form einer filzartigen Matte vor. Denkbar wäre es auch, aus diesen Materialien gewebeartige Matten zu verwenden.

Beide Funktionsschichten 20, 22 können alternativ auch nach dem Kaltspritzverfahren auf die Oberfläche der bipolaren Platten 16, 18 aufgebracht werden. Ebenso ist es denkbar, die Funktionsschichten 20, 22 nach andere, derzeit bekannte Oberflächenbeschichtungsverfah­ ren aufzubringen.

Infolge der genannten Kontaktmaterialwahl und Beschaffenheit der Funktionsschichten 20, 22 sind die Funktionsschichten 20, 22 bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit, ihrer thermischen Ausdehnung und ihrer Korrosionsbeständigkeit gegenüber den sie umgeben­ den Materialien angepaßt. Außerdem sind die Funktionsschichten 20, 22 gut elektronisch leitend und zumindest bis zu der Temperatur, bei der die Fügung des Stapels 2 erfolgt, plastisch verformbar. Die Schichtdicke der ungesinterten Funktionsschichten wird im Ausführungsbeispiel zwischen 5 und 100 µm eingestellt.

In Fig. 2 ist derselbe Ausschnitt aus dem Stapel 2 nach der Fügung des Stapels 2 darge­ stellt. Die Fügung des Stapels 2 erfolgte bei einer Temperatur von etwa 1200°C. Bei die­ ser Temperatur ist das Fügematerial 14 plastisch verformbar und dichtet nun gasdicht zwi­ schen dem Festelektrolytplättchen 8 und den Rändern der Platten 16, 18. Zugleich findet bei dieser Temperatur ein Versintern des Fügematerials 14 sowohl mit dem Elektrolyt­ plättchen 8 als auch mit den Platten 16, 18 zu einem festen Verbund statt. Die Oberfläche der Kathode 12 und der Anode 10 liegt nun teilweise direkt an der Oberfläche der Platten 16 bzw. 18 an. An diesen Stellen ergibt sich bei der Fügung des Stapels 2 von ganz alleine ein guter elektrischer Kontakt zwischen Elektrode und bipolarer Platte 16, 18. Infolge der Restwelligkeit von Elektrolytplättchen, Elektroden 10, 12 und bipolaren Platten 16, 18 würden nach der Fügung des Stapels ohne darin eingebrachte Funktionsschichten 20, 22 Kontaktlücken an den Kontaktflächen Elektrode-bipolare Platte übrigbleiben, die nicht zum elektrischen Kontakt und damit zur Stromleitung beitragen. Diese Kontaktlücken sind nun vollständig durch die Funktionsschichten 20, 22 ausgefüllt. Da sowohl das Anoden- als auch das Kathodenkontaktmaterial bis zu der Temperatur, bei der die Fügung des Sta­ pels 2 erfolgte, plastisch verformbar waren, ließen sich die Kontaktmaterialien zusätzlich noch aus den Bereichen, an denen auch ohne Funktionsschicht 20, 22 ein guter elektrischer Kontakt bestand, verdrängen und trugen damit zur Auffüllung der Kontaktlücken bei. In­ folge der genannten Dickeneinstellung der Funktionsschichten bleiben immer noch ausrei­ chend große Gasräume 24 bzw. 26 über den Kathoden- und Anodenoberflächen übrig, wobei der Kathode 12 über die Kathodengasräume 24 ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch und der Anode 10 über die Anodengasräume 26 ein brennstoffhaltiges Gasgemisch zuge­ führt wird.

Der Übergangswiderstand, d. h. der Flächenwiderstand des Kontakts Elektrode 10, 12 - bi­ polare Platte 16, 18, beträgt in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel nach ei­ ner Betriebsdauer von einigen Stunden weniger als 10 mΩ/cm². Dieser Wert nähert sich im fortlaufenden Betrieb des Stapels 2 asymptotisch einem noch geringfügig niedrigeren Wert an. Damit ist der Flächenwiderstand jedoch um eine Zehnerpotenz kleiner als bei Hochtemperaturbrennstoffzellenstapeln ohne zwischen Elektrode und bipolarer Platte an­ geordnete Funktionsschichten.

In Fig. 3 ist ein anderer Ausschnitt aus demselben Stapel 2 mit zwei anderen, jedoch ge­ genüber der Fig. 1 baugleichen Brennstoffzellen 28, 30 vor der Fügung des Stapels 2 dargestellt. Alternativ zu der in Fig. 1 dargestellten Aufbringung der Funktionsschichten 20, 22 auf die bipolaren Platte 16, 18 sind die Funktionsschichten 20, 22 hier direkt auf die Kathode 12 der Brennstoffzelle 28 bzw. auf die Anode 10 der Brennstoffzelle 30 aufge­ bracht worden. Die Funktionsschichten 20, 22 sind hier auf die Elektroden 10, 12 kaltge­ spritzt worden und weisen die gleiche Beschaffenheit und chemische Zusammensetzung auf wie dies schon zu den Fig. 1 und 2 beschrieben worden ist. Zur Erhöhung der Haftfestigkeit der Funktionsschichten 20, 22 auf der Kathode 12 bzw. der Anode 10 wurde die Elektroden-10,12-Festelektrolytplättchen 8 mit den darauf aufgebrachten Funktions­ schichten 20, 22 einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der gleichzeitig die Anode 10 und die Kathode 12 auf dem Festelektrolytplättchen 8 verfestigt wurde. Die Temperatur lag dabei zwischen 500 und 1100°C.

In Fig. 4 ist der Ausschnitt aus dem Stapel 2 gemäß der Fig. 3 nach der Fügung des Stapels 2 dargestellt. Wie schon anhand Fig. 2 erläutert, stellt sich auch hier mittels des Fügematerials 14 ein gasdichter Verbund von bipolaren Platten 16, 18 und den Rändern des Festelektrolytplättchens 8 ein. Auch hier liegen die Kathode 12 der Brennstoffzelle 28 und die Anode 10 der Brennstoffzelle 30 nur teilweise an den bipolaren Platten 16 bzw. 18 an. Wie ebenfalls schon in Fig. 2 dargestellt und zu Fig. 2 beschrieben, wird die Rest­ welligkeit von Anode 10 und Kathode 12 durch die Funktionsschicht 22 bzw. 20 ausgegli­ chen, so daß einerseits ein großflächiger Kontakt von bipolarer Platte 16, 18 und Elektro­ den mit einem damit verbundenen kleinen Übergangswiderstand eingestellt wird und ande­ rerseits noch hinreichend große Kathoden- und Anodengasräume 24, 26 in den Rillen der bipolaren Platten 16, 18 zur Gaszu- und abfuhr übrigbleiben. Auch hier stellt sich nach wenigen Betriebsstunden ein Übergangswiderstand von kleiner als 10 mΩ/cm² ein, der sich während des fortdauernden Betriebs des Stapels 2 asymptotisch einem nur noch ge­ ringfügig niedrigeren Endwert nähert.

Alternativ zu den in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen kann das Anoden- und Kathodenkontaktmaterial auch auf ein geeignetes Fasermaterial aufgebracht werden und dann mit diesem zusammen zwischen Elektrode 10, 12 und bipolare Platte 16, 18 des Stapels 2 eingebracht werden. Das Fasermaterial, das praktisch als eine Art Trägermaterial für das Kontaktmaterial dient, kann aus hochwarmfesten korrosionsbeständigen Materia­ lien und dabei insbesondere beispielsweise aus einem der beiden Edelstähle mit den zuge­ hörigen Werkstoffnummern DIN 1.4767 und 1.4541 sowie mit einem Chromanteil zwi­ schen 15 und 30 Gew.-% bestehen.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann die Funktionsschicht auch ein geeignetes metallisches Netz umfassen, das mit dem Kontaktmaterial beschichtet ist. Bei dieser Vor­ gehensweise kann die Funktionsschicht auch metallische Netze unterschiedlicher Draht­ stärke und Maschenweite umfassen, die mit Kontaktmaterial beschichtet sind. Dabei kön­ nen die metallischen Netze zunächst beschichtet werden und dann zwischen Elektrode und bipolare Platte des Stapels 2 eingebracht werden. Alternativ können sie jedoch auch auf die Elektrode oder die bipolare Platte aufgewalzt (einkalandriert) werden und daran an­ schließend mit Kontaktmaterial beschichtet werden. Bedarfsweise können die Funktions­ schichten auch aus mehreren Teilschichten aufgebaut sein.

In all den zuletzt genannten und nicht in einer gesonderten Figur dargestellten Ausfüh­ rungsformen wird der Übergangswiderstand an der Grenzfläche Elektrode - bipolare Platte erheblich gegenüber den Ausführungen ohne diese Funktionsschichten abgesenkt. Damit sinken der resultierende Innenwiderstand des gesamten Stapels und damit auch die elektri­ schen Leistungsverluste beim Betrieb eines Hochtemperaturbrennstoffzellenstapels.

Claims (22)

1. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stapel (HTBZ-Stapel) mit mindestens einer Funktionsschicht (20, 22), die zwischen einer Elektrode (10, 12) und einer daran anliegenden bipolaren Platte (16, 18) angeordnet ist und im Bereich der Betriebstemperatur des Stapels (2) elektronisch leitend und leicht verformbar ist.

2. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (20, 22) bis zu der Temperatur, bei der die Fügung (Dichtung) des Stapels (2) erfolgt, plastisch verformbar ist.

3. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden- und/oder die Kathodenfunktionsschicht (22, 20), d. h. die zwischen Anode (10) bzw. Kathode (12) und bipolarer Platte (16, 18) angeordnete Schicht, aus Fasern aufgebaute filz- oder gewebeartige Matten umfassen.

4. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matten aus Fasern eines geeigneten Anoden- bzw. Kathodenkontaktmaterials aufgebaut sind.

5. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matten aus geeignetem Fasermaterial aufgebaut sind, das mit geeignetem Anoden- bzw. Kathodenkontaktmaterial beschichtet ist.

6. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht ein geeignetes metallisches Netz umfaßt, welches mit Kontaktmaterial beschichtet ist.

7. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht metallische Netze unterschiedlicher Drahtstarke und Maschenweite umfaßt, welche mit Kontaktmaterial beschichtet sind.

8. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenkontaktmaterial leitfähige Perowskite der Lantan-Manganate und/oder -Kobaltate und/oder Chromate umfaßt.

9. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch La_1-n Sr_n (Mn_1-v-zCo_yCr_z)O_{3- γ}.

10. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch La_1-n Ca_n (Mn₂Co_yCr_z) O_3-y_γ.

11. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodenkontaktmaterial einen oder mehrere der Bestandteile Ruthenium (Ru), Nickel (Ni), Nickeloxid (NiO) und Cermets aus Nickel und Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (Y₂O₃/ZrO₂) umfaßt.

12. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch Fasermaterial aus hochwarmfesten, korrosionsbeständigen Materialien.

13. Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial aus einem der beiden Edelstähle mit den zugehörigen Werkstoffnummern DIN 1.4767 und 1.4541 sowie mit einem Chromanteil zwischen 15 und 30 Gew.-% besteht.

14. Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperaturbrennstoffzellenstapels nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Fügung (Dichtung) des Stapels (2) zwischen Elektrode (10, 12) und bipolarer Platte (16, 18) eine Funktionsschicht (20, 22) eingebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (20, 22) auf die Oberfläche der Elektrode (10, 12) aufgebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (20, 22) auf die Oberfläche der bipolaren Platte (16, 18) aufgebracht wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Aufbringung des Kontaktmaterials als Oberflächenbeschichtungsverfahren ein Siebdruck- oder ein Kaltspritzverfahren verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmaterial in Abhängigkeit von dem ausgewählten Oberflächenbeschichtungs­ verfahren durch einen oder mehrere der handelsüblichen Zusätze organischer Binder, anorganischer Binder, Gleithilfsmittel, Dispergierhilfsmittel, Verdicker, Filmbinde­ hilfsmittel und Lösungsmittel ergänzt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (20, 22) vor der Fügung (Dichtung) des Stapels (2) wärmebehandelt wird, wobei die Temperatur vorzugsweise zwischen 500 und 1100°C liegt.

20. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch das Einbringen der Funktionsschicht als Grünfolie.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeich­ net, daß die Funktionsschicht (20, 22) im ungesinterten Zustand auf eine Schichtdicke zwischen 5 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 50 µm, eingestellt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (20, 22) aus mehreren Teilschichten gebildet wird.