DE4307967A1 - Integrated ceramic high-temperature fuel cell - Google Patents

Integrated ceramic high-temperature fuel cell

Info

Publication number
DE4307967A1
DE4307967A1 DE4307967A DE4307967A DE4307967A1 DE 4307967 A1 DE4307967 A1 DE 4307967A1 DE 4307967 A DE4307967 A DE 4307967A DE 4307967 A DE4307967 A DE 4307967A DE 4307967 A1 DE4307967 A1 DE 4307967A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
fuel cell
layers
stack
gas transport
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE4307967A
Other languages
German (de)
Other versions
DE4307967C2 (en
Inventor
Wolfram Wersing
Ellen Dr Ivers-Tiffee
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE4307967A priority Critical patent/DE4307967C2/en
Publication of DE4307967A1 publication Critical patent/DE4307967A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE4307967C2 publication Critical patent/DE4307967C2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0271Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2404Processes or apparatus for grouping fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432Grouping of unit cells of planar configuration
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2435High-temperature cells with solid electrolytes with monolithic core structure, e.g. honeycombs
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

It is proposed for an integrated high-temperature fuel cell (SOFC [solid oxide fuel cell]) initially to produce at least one planar base body, comprising three mutually adjacent functional layers of the fuel cell, from green sheets, to pile up the latter, if desired with further functional layers, to form a stack and, finally, to press and sinter the latter to form the fuel cell stack. The composite (laminated) bodies, which are presintered if desired, have a higher stability than the corresponding individual layers, with the result that the latter can be made thinner. A special sealing process makes it possible for the fuel cell produced in this way to operate reliably with a high efficiency. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brenn­ stoffzellenmodul, welches mehrere in Serie geschaltete Feste­ lektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen umfaßt.The invention relates to a solid electrolyte high-temperature burner fabric cell module, which has several festivals connected in series Electrolyte high temperature fuel cells.

In einer Brennstoffzelle läuft ein Prozeß ab, der im wesentli­ chen eine Umkehrung der Elektrolyse darstellt. Die Reaktions­ partner der Verbrennungsreaktion, nämlich der Brennstoff und der Sauerstoffträger, üblicherweise Luft, werden in räumlich voneinander getrennten Kanälen geführt, die durch einen kerami­ schen Festelektrolyten, der auf beiden Seiten mit Elektroden versehen ist, voneinander getrennt sind. An den Elektroden wer­ den Brennstoffmoleküle durch Abgabe von Elektronen oxidiert bzw. der Sauerstoffträger durch Aufnahme von Elektronen redu­ ziert. Der Festelektrolyt weist eine Ionenleitung auf und dient zum Stoffaustausch. An den beiden Elektroden des Festelektroly­ ten stellt sich dabei eine Potentialdifferenz ein, bei der der für Elektronen schlecht leitende Festelektrolyt den Kurzschluß verhindert. Er muß daher eine niedrige Leitfähigkeit für Elek­ tronen und gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit für Ionen auf­ weisen.A process takes place in a fuel cell, which is essentially Chen represents a reversal of electrolysis. The reaction partner of the combustion reaction, namely the fuel and the oxygen carrier, usually air, is in spatial channels separated by a kerami solid electrolytes with electrodes on both sides is provided, are separated from each other. On the electrodes who the fuel molecules are oxidized by donating electrons or the oxygen carrier by reducing electrons graces. The solid electrolyte has an ionic line and serves for mass exchange. On the two electrodes of the solid electrolyte a potential difference arises at which the for electrons poorly conducting solid electrolyte the short circuit prevented. It must therefore have a low conductivity for elec tronen and at the same time a high conductivity for ions point.

Um am Arbeitspunkt der Brennstoffzelle eine über die Potential­ differenz einer Zelle hinausgehenden Betriebsspannung zu erhal­ ten, werden mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet. Dies erfolgt in einfacher Weise durch Übereinanderstapeln einzelner Brennstoffzellen, wobei dazwischenliegende bipolare Schichten oder Platten aus einem sogenannten ICM-Material (Inter Con­ nection Material) die elektrische Verbindung zwischen zwei be­ nachbarten Einzelzellen gewährleisten.To at the operating point of the fuel cell one about the potential Difference of a cell beyond operating voltage ten, several fuel cells are connected in series. This is done in a simple manner by stacking individual ones Fuel cells, with intermediate bipolar layers or plates made of a so-called ICM material (Inter Con  nection material) the electrical connection between two be ensure neighboring single cells.

Ein Problem bei Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) liegt in der Auswahl der für die Brennstoffzellen ver­ wendeten Materialien, die den hohen Betriebstemperaturen von beispielsweise 800 bis 1100°C bei gleichzeitig hohen Drücken des Brennstoffgases bzw. des zur Verbrennung benötigten Sauer­ stoffs von bis zu 16 Bar standhalten müssen. So entstehen an den Grenzen zwischen unterschiedlichen Schichten Probleme mit Interdiffusion, wodurch die Eigenschaften der Schichtmateria­ lien verändert werden. Durch unterschiedliche Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten der Materialien wird außerdem die Festigkeit und Dichtigkeit eines Brennstoffzellenstacks gefährdet.A problem with high-temperature solid electrolyte fuel cells (SOFC) lies in the selection of ver for the fuel cells used materials that withstand the high operating temperatures of for example 800 to 1100 ° C with high pressures at the same time the fuel gas or the acid required for combustion withstand up to 16 bar. So emerge the boundaries between different layers with problems Interdiffusion, which improves the properties of the layer material lien be changed. Due to different thermal expansion The coefficient of strength of the materials is also the strength and tightness of a fuel cell stack at risk.

Ein Lösungsansatz, mit dem zumindest das Problem der unter­ schiedlichen Wärmeausdehnung gemindert wird, ist eine voll ke­ ramische Brennstoffzelle. Dabei sollen im Idealfall alle Kompo­ nenten im grünen (nicht gesinterten) Zustand zusammengefügt und anschließend gemeinsam gebrannt werden. Durch das Zusammensin­ tern soll ein fester, mechanisch stabiler und gasdichter Aufbau erzielt werden.A solution that at least addresses the problem of different thermal expansion is reduced, is a full ke ram fuel cell. Ideally, all compo components in the green (not sintered) state and then be burned together. By working together tern should be a solid, mechanically stable and gas-tight structure be achieved.

Eine solche voll keramische Brennstoffzelle ist beispielsweise aus einem Artikel in Proceedings of the first international symposium on "Solid Oxide Fuel Cells", 1989, S. 307-316 be­ kannt. Grundlegende Idee ist es dabei, die brenn- bzw. sauer­ stoffhaltigen Gase in feinen Kanälen zuzuführen, wobei die Ka­ näle durch eine mehrfach gefaltete Schicht gebildet werden, die ähnlich wie eine Wellpappe zwischen zwei planaren Schichten eingebettet ist. In einer Ausführung besteht die mehrfach ge­ faltete und den Gastransport gewährleistende Schicht aus einer beidseitig mit Elektrodenmaterial beschichteten Festkörper­ elektrolytfolie. Die Zufuhr der unterschiedlichen Gase kann da­ bei innerhalb einer Schichtebene erfolgen. Oberhalb und unter­ halb der gefalteten Elektrolytschicht sind planare, beidseitig mit Elektrodenmaterial beschichtete Folien aus ICM-Material (Inter Connection Material) angeordnet, die sowohl zur Abdichtung des Gasraums als auch zur elektrischen Verbindung zweier übereinanderliegender Einzelzellen im Stapel dienen.Such a fully ceramic fuel cell is, for example from an article in Proceedings of the first international symposium on "Solid Oxide Fuel Cells", 1989, pp. 307-316 knows. The basic idea is to make it burning or acidic supplying gases in fine channels, the Ka channels are formed by a multiply folded layer, the similar to corrugated cardboard between two planar layers is embedded. One version consists of multiple ge folded layer that ensures gas transport from a single layer Solid body coated on both sides with electrode material electrolyte sheet. The supply of different gases can be there when done within a layer level. Above and below  half of the folded electrolyte layer are planar, bilateral Sheets of ICM material coated with electrode material (Inter Connection Material) arranged for both Sealing of the gas space as well as for the electrical connection serve two stacked single cells in the stack.

Nachteilig an dieser Struktur ist zum einen die Anforderung, daß alle Schichten in einem einzigen, gemeinsamen Sinterschritt in eine monolithische SOFC überführt werden müssen. Dies erfor­ dert eine hohe Anpassung der Sintermechanismen und eine Kon­ trolle der Interdiffusionen zwischen den einzelnen, benachbar­ ten Lagen. Daraus muß im Prinzip immer ein Kompromiß von "guten" und "schlechten" Eigenschaften für jede einzelne Schicht in Kauf genommen werden, so daß eine Optimierung aller erforderlichen Eigenschaften für den Langzeitbetrieb einer SOFC von vornherein sehr schwierig, wenn nicht sogar unmöglich ist.One disadvantage of this structure is the requirement that all layers in a single, common sintering step must be converted into a monolithic SOFC. This is necessary high adaptation of the sintering mechanisms and a con trolls of interdiffusion between the individual, neighboring layers. In principle, a compromise of "good" and "bad" properties for each one Layer must be accepted, so that an optimization of all required properties for long-term operation of a SOFC very difficult from the start, if not impossible.

Zum anderen ist die Herstellung einer wellpappeartigen Schicht­ struktur, das Zusammensintern unter Beibehaltung der Formen­ treue und die gasdichte Abdichtung sehr schwierig, da sich eine innige Verbindung im grünen Zustand durch zum Beispiel Verpres­ sen der Schichtstruktur aufgrund der Bruchgefahr verbietet.The other is the production of a corrugated cardboard layer structure, the sintering together while maintaining the shapes loyalty and the gas-tight seal very difficult, since there is a intimate connection in the green state, for example by pressing the layer structure due to the risk of breakage.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer vollkeramischen Hochtemperaturbrennstoff­ zelle anzugeben, welches einfach durchzuführen ist und zu einer Brennstoffzelle führt, die insbesondere eine hohe mechanische Stabilität und eine erhöhte Leerlaufspannung besitzt und zudem die Möglichkeit bietet, optimale Gefüge der einzelnen Komponenten bei möglichst geringer Interdiffusion zwischen den Schichten zu erreichen.The object of the present invention is therefore a method for the production of an all-ceramic high-temperature fuel cell, which is easy to carry out and a Fuel cell leads, in particular, a high mechanical Stability and increased open circuit voltage and also offers the opportunity to optimal structure of each Components with the least possible interdiffusion between the To reach layers.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach An­ spruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. This object is achieved by a method according to An spell 1 solved. Further embodiments of the invention are the See subclaims.  

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle wird somit vollständig aus Grünfolien aufgebaut. Zur Erzeugung der in der Regel aus Yt­ trium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) bestehenden Elektrolyt­ folien kann beispielsweise das großtechnisch beherrschte und kostengünstige Foliengießverfahren verwendet werden. Damit ist es möglich, die Elektrolytfolie extrem dünn herzustellen, bei­ spielsweise in einer Dicke von ca. 15 bis 20 µm. Eine solch dünne Elektrolytfolie ergibt einen minimalen Spannungsabfall und hat somit nur geringe Leitfähigkeitsverluste, womit eine hohe verwertbare Betriebsspannung und somit ein hoher Wir­ kungsgrad der Brennstoffzelle gewährleistet wird. Die Stabili­ tät der dünnen Elektrolytschicht wird durch die Erzeugung von Verbundkörpern, das heißt durch Einbettung zwischen zwei Elek­ trodenschichten zusätzlich erhöht. Mit einer dünneren Elek­ trolytschicht ist es außerdem möglich, den gleichen Wirkungs­ grad wie eine bekannte Zelle mit dickerer Elektrolytschicht bei einer niedrigeren Betriebstemperatur zu erzielen. Damit ver­ bunden ist eine niedrigere thermische und mechanische Belastung der Brennstoffzelle und somit eine höhere Stabilität und eine längere Lebensdauer.The fuel cell according to the invention is thus completely turned off Green foils built up. To generate the Yt trium-stabilized zirconium oxide (YSZ) existing electrolyte For example, films can be mastered on a large industrial scale inexpensive film casting processes are used. So that is it is possible to make the electrolyte sheet extremely thin, at for example in a thickness of about 15 to 20 microns. Such one thin electrolyte foil results in a minimal voltage drop and thus has only low conductivity losses, which means a high usable operating voltage and thus a high us efficiency of the fuel cell is guaranteed. The Stabili The thin electrolyte layer is generated by the generation of Composite bodies, that is, by embedding between two elec tread layers additionally increased. With a thinner elec trolyte layer it is also possible to have the same effect just like a well-known cell with a thicker electrolyte layer to achieve a lower operating temperature. So ver tied is a lower thermal and mechanical load the fuel cell and thus a higher stability and a longer lifetime.

Da sämtliche verwendeten Schichten eben sind, lassen sich die Schichten im Stapel gut verpressen bzw. laminieren, und somit ein guter Verbund der Schichten im Stapel untereinander erzie­ len, was für Dichtigkeit, Stabilität und Lebensdauer der Brennstoffzelle von Bedeutung ist.Since all layers used are flat, the Press or laminate layers in the stack well, and thus create a good bond between the layers in the stack len what tightness, stability and lifespan of the Fuel cell is important.

Für den Gastransport sind pro Brennstoffzelle zwei getrennte Gastransportschichten vorgesehen. Diese sind in Abhängigkeit von den zu transportierenden Gasen aus Kathodenmaterial (für den Lufttransport) und aus Anodenmaterial (für den Transport der Brennstoffgase) hergestellt.There are two separate fuel cells per gas cell Gas transport layers are provided. These are dependent of the gases to be transported from cathode material (for air transportation) and anode material (for transportation of fuel gases).

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, vor dem Übereinanderschichten von Verbundkörpern oder von Ver­ bundkörpern und funktionellen Schichten erstere, letztere oder beide vorzusintern. Diese Maßnahme ist insbesondere dann vor­ teilhaft, wenn unterschiedliche Grünfolien einen unterschiedli­ chen Volumenschwund beim Sintern zeigen. Durch Vorsintern der Grünfolie oder der Grünfolien mit dem größeren Schwund kann so ein gewisser Ausgleich geschaffen werden. Außerdem können die unterschiedlichen funktionellen Schichten oder die Verbundkör­ per unterschiedliche Sintertemperaturen erfordern, so daß es vorteilhaft ist, die Schichten oder Verbundkörper vorzusintern, die bei höherer Temperatur gesintert werden müssen. Beim Zusam­ mensintern muß dann nur noch die Sintertemperatur des am nied­ rigsten sinternden Materials erreicht werden. Da die Sintertem­ peraturen üblicherweise über der Betriebstemperatur der Brenn­ stoffzelle liegen, wird so eine zusätzliche thermische Bela­ stung des Brennstoffzellenstacks vermieden und damit eine zu­ sätzliche Gefahrenquelle für eine eventuelle Undichtigkeit des Stapels ausgeschaltet.In a further embodiment of the invention, before stacking composite bodies or Ver  body and functional layers of the former, the latter or to pre-sinter both. This measure is in particular before partial if different green foils a different Chen show volume shrinkage during sintering. By presintering the Green film or the green film with the larger shrinkage can do so some compensation will be created. In addition, the different functional layers or the composite body require different sintering temperatures so that it it is advantageous to pre-sinter the layers or composite bodies, which have to be sintered at a higher temperature. Together then only the sintering temperature of the am nied rigorous sintering material can be achieved. Since the sintered temperatures usually above the operating temperature of the furnace are an additional thermal load Avoidance of the fuel cell stack and thus a additional source of danger for a possible leak of the Stack turned off.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die nachträg­ liche Abdichtung eines fertig gesinterten Brennstoffzellen­ stacks. Mit Hilfe eines chemischen Gasphasenabscheideverfahrens (CVD), welches elektrolytisch unterstützt sein kann (EVD) ist es möglich, noch vorhandene Poren und damit potentielle Undich­ tigkeiten im ICM (bipolare Schicht) und in der Elektrolyt­ schicht mit einem geeigneten Material, beispielsweise mit Yt­ trium-stabilisiertem Zirkonoxid YSZ aufzufüllen. Dies ist be­ sonders dann von Vorteil, wenn die bipolare Schicht beim Über­ einanderschichten des Stapels noch nicht fertiggesintert ist. Da bei einer angestrebten abschließenden Sintertemperatur von kleiner 1350°C die meisten für die bipolare Schicht in Frage kommenden keramischen Materialien nicht hinreichend dicht und somit gasdicht gesintert werden können, wird durch die nach­ trägliche Abdichtung der Poren in der bipolaren Schicht die Ma­ terialauswahl für diese Schicht vergrößert und somit verein­ facht. Außerdem wird mit dem YSZ-CVD-Prozeß eine (chemische) Stabilisierung der Elektrolyt/Anodengrenzschicht und eine (elektrische) Verbesserung der Elektrolyt/Kathodengrenzschicht erzielt.Another embodiment of the invention relates to the subsequent Sealing a finished sintered fuel cell stacks. With the help of a chemical vapor deposition process (CVD), which can be electrolytically supported (EVD) it is possible to have existing pores and thus potential leaks activities in the ICM (bipolar layer) and in the electrolyte layer with a suitable material, for example with Yt trium-stabilized zirconium oxide YSZ. This is be This is particularly advantageous if the bipolar layer at the over layering of the stack is not yet completely sintered. Since at a desired final sintering temperature of less than 1350 ° C most for the bipolar layer in question coming ceramic materials are not sufficiently dense and thus can be sintered gas-tight, is by the after inert sealing of the pores in the bipolar layer Material selection for this layer enlarged and thus united fold. In addition, the YSZ CVD process is a (chemical)  Stabilization of the electrolyte / anode boundary layer and a (Electrical) improvement of the electrolyte / cathode boundary layer achieved.

Zur Herstellung der Verbundkörper kommen verschiedene Kombina­ tionen von funktionellen Schichten in Frage. Möglich ist es beispielsweise, die Elektrolytschicht zwischen einer Anoden- und einer Kathodenschicht einzubetten und so einen PEN-(= posi­ tiv/elektrolytisch/negativ) Verbundkörper, und durch Einbettung einer bipolaren Schicht zwischen zwei Gastransportschichten ei­ nen GIG-(= Gastransport/ICM/Gastransport) Verbundkörper zu er­ zeugen. Wenn für die Gastransportschichten in den GIG-Verbund­ körpern Elektrodenmaterial gewählt wird, weist jeder GIG-Ver­ bundkörper zwei unterschiedliche Gastransportschichten, nämlich aus Anoden- und Kathodenmaterial auf. Aus solchen PEN- und GIG- Verbundkörpern läßt sich dann durch abwechselndes Übereinander­ stapeln der verschiedenen Verbundkörper die richtige Schicht­ reihenfolge im Stapel für den Brennstoffzellenstack erzeugen.Various combinations are used to manufacture the composite bodies functional layers. It is possible for example, the electrolyte layer between an anode and embed a cathode layer and thus a PEN - (= posi tiv / electrolytic / negative) composite body, and by embedding a bipolar layer between two gas transport layers NEN GIG - (= gas transport / ICM / gas transport) composite body testify. If for the gas transport layers in the GIG network body electrode material is selected, each GIG Ver bundle two different gas transport layers, namely made of anode and cathode material. From such PEN and GIG Composite bodies can then be alternately stacked stack the right layer of different composites Generate order in the stack for the fuel cell stack.

Eine weitere Kombination von funktionellen Schichten für einen Verbundkörper besteht in der Einbettung einer bipolaren Schicht zwischen zwei unterschiedlichen Elektrodenschichten, wobei ein NIP-Verbundkörper (= negativ/ICM/positiv) entsteht.Another combination of functional layers for one Composite body consists of embedding a bipolar layer between two different electrode layers, one NIP composite body (= negative / ICM / positive) is created.

Ein Stapel für einen Brennstoffzellenstack läßt sich durch Übereinanderschichten von PEN- und NIP-Verbundkörpern mit je­ weils einer Gastransportschicht dazwischen erzeugen. Wird für die Gastransportschicht Elektrodenmaterial verwendet, so wird dieses entsprechend den benachbarten Schichten der benachbarten Verbundkörper ausgewählt.A stack for a fuel cell stack can be read through Layering PEN and NIP composites with each other because of creating a gas transport layer in between. Is for the gas transport layer uses electrode material this corresponds to the neighboring layers of the neighboring ones Composite body selected.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die grünen Elektrolytfolien für die Elektrolytschicht vor dem Herstellen der Verbundkörper bzw. vor dem Verpressen und dem Sintern im Stapel beidseitig mit Anoden- bzw. Kathodenmaterial oder einer Mischung aus Kathodenmaterial/YSZ zu bedrucken. Die Druckpaste kann dabei als zusätzlicher "Klebstoff" dienen und zu einem festeren Verbund des Verbundkörpers bzw. des Stapels führen. Außerdem wird dadurch die Grenzschicht zwischen Elek­ trolytschicht und Elektrodenschichten elektrochemisch besonders effektiv, so daß dadurch auch die elektrischen Werte und somit der Wirkungsgrad der fertigen Brennstoffzelle verbessert wer­ den.In a further embodiment of the invention, the green electrolyte foils for the electrolyte layer in front of the Manufacture of the composite body or before pressing and the Sintering in the stack on both sides with anode or cathode material  or to print a mixture of cathode material / YSZ. The Printing paste can serve as an additional "adhesive" and to a stronger bond of the composite body or the stack to lead. In addition, the boundary layer between elec trolyte layer and electrode layers electrochemically special effective, so that the electrical values and thus who improves the efficiency of the finished fuel cell the.

Auch andere Grenzflächen zwischen funktionellen Schichten kön­ nen mit einem geeigneten Material oder einer geeigneten Materi­ alzusammensetzung bedruckt werden, um zwischen den beiden Schichten einen Funktionsgradienten zu erzeugen. Beispielsweise können so an den Grenzflächen zwischen zwei unterschiedlichen funktionellen Schichten auftretende abrupte Änderungen von Ei­ genschaften über einen Gradienten, oder in der einfachsten Aus­ führung über eine "Zwischenschicht", abgemildert werden. Neben dem thermischen Ausdehnungsverhalten kann so vor allem die In­ terdiffusion zwischen benachbarten Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung optimiert werden.Other interfaces between functional layers can also with a suitable material or a suitable material al composition to be printed between the two Layers to generate a functional gradient. For example can at the interfaces between two different abrupt changes in egg occurring functional layers properties over a gradient, or in the simplest way leadership over an "intermediate layer" to be mitigated. Next the thermal expansion behavior can especially the In terdiffusion between adjacent layers of different Composition can be optimized.

Von entscheidender Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. für die damit hergestellte Brennstoffzelle ist der ab­ schließende Sintervorgang. Um eine angepaßte Schwindung der un­ terschiedlichen Keramikkomponenten beim Sintern zu erreichen, muß ein besonderes Augenmerk auf die verwendeten Keramikpulver und Bindersysteme gerichtet werden. In einem optimierten Ver­ fahren sind die Zusammensetzungen der funktionellen Schichten so eingestellt, daß sämtliche Schichten eine vergleichbare Schwindung zeigen.Of crucial importance for the method according to the invention or for the fuel cell produced with it is from closing sintering process. To adjust the shrinkage of the un to achieve different ceramic components during sintering, must pay special attention to the ceramic powder used and binder systems. In an optimized ver driving are the compositions of the functional layers set so that all layers are comparable Show shrinkage.

Doch nicht nur die absolute Schwindung der einzelnen Schichten ist entscheidend, auch der zeitliche Verlauf muß kontrolliert werden. Vorzugsweise wird dazu ein sogenanntes "rate controlled sintering" verwendet. Dabei wird der Temperaturverlauf so ein­ gestellt, daß die Schwindungsprozesse linear mit der Zeit ab­ laufen. Das bedeutet, den Temperaturanstieg insbesondere an den Punkten zu verlangsamen, an denen Schwindungsprozesse einset­ zen. Mit diesen kontrollierten Sinterverfahren können Spannun­ gen, die bei nicht exakt angepaßtem Sinterverhalten auftreten können, besser ausgeglichen werden. Die Entstehung von Rissen, die zu einem schadhaften oder gar unbrauchbaren Brennstoffzel­ lenstack führen können, wird dadurch vermieden.But not only the absolute shrinkage of the individual layers is crucial, the timing must also be controlled become. For this purpose, a so-called "rate controlled" is preferably used sintering "is used here posed that the shrinkage processes linearly with time  to run. That means the temperature rise especially at the Slow down points where shrinkage processes begin Zen. With these controlled sintering processes, voltage conditions that occur when the sintering behavior is not exactly adapted can be better balanced. The formation of cracks, that to a defective or even unusable fuel cell lenstack can be avoided.

Im folgenden wird der Aufbau einer vollkeramischen Hochtempera­ turbrennstoffzelle und die Herstellung der einzelnen Schichten anhand von drei Figuren näher beschrieben.The following is the construction of an all-ceramic high temperature fuel cell and the production of the individual layers described in more detail with reference to three figures.

Dabei zeigenShow

Fig. 1 und 2 zwei unterschiedliche Anordnungen von Ver­ bundkörpern im Stapel, während Fig. 1 and 2 show two different arrangements of United composite bodies in the stack, while

Fig. 3 einen fertigen Hochtemperaturbrennstoffzellenstack zeigt. Fig. 3 shows a finished high-temperature fuel cell stack Fig.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Brennstoffzellenstacks aus NIP- und PEN-Verbundkörpern mit dazwischenliegenden Gastransport­ schichten G. Erfindungsgemäß wird zumindest ein Verbundkörper zum Aufbau des Stapels verwendet, vorzugsweise jedoch zwei un­ terschiedliche, wie in der Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 shows the structure of a fuel cell stack of NIP and PEN composite bodies with gas transport layers between them G. According to the invention, at least one composite body is used to build the stack, but preferably two un different, as shown in Fig. 1.

Die einen Verbundkörper bildenden einzelnen funktionellen Schichten sind keramische Grünfolien und aus einer Suspension der keramischen Ausgangsmaterialien bzw. Komponenten in einem organischen Binder, die auch als Schlicker bezeichnet wird, hergestellt. Mittels eines geeigneten Verfahrens werden aus diesem Schlicker schließlich Folien erzeugt.The individual functional ones forming a composite body Layers are ceramic green foils and made from a suspension the ceramic raw materials or components in one organic binders, also known as slips, produced. By means of a suitable procedure this slip finally creates foils.

Geeignete Verfahren sind beispielsweise Foliengießen, Folien­ ziehen, Schlickerguß, Extrudieren oder andere übliche kerami­ sche Verfahren. Besondere Vorteile werden mit einem Folien­ ziehverfahren nach dem Solufill® Verfahren erzielt. Mit Hilfe eines besonderen polymeren Binders werden die Folien in bekann­ ter Weise in einer Dicke von beispielsweise 500 µm gegossen und anschließend gezogen. Unter Beibehaltung einer homogen Vertei­ lung der Keramikpartikel und ohne daß sich die Zusammensetzung des Schlickers bzw. der Folie ändert, lassen sich die Folien bis auf eine Dicke von 2 µm strecken bzw. ziehen. Dabei kann ein Feststoffgehalt von bis zu 60 Volumen-Prozent eingestellt werden.Suitable processes are, for example, film casting, films drawing, slip molding, extruding or other usual kerami  procedures. There are special advantages with a film pulling process achieved using the Solufill® process. With help The films are known for a special polymeric binder poured in a thickness of, for example, 500 microns and then pulled. While maintaining a homogeneous distribution development of the ceramic particles and without the composition of the slip or the film changes, the films can Stretch or pull to a thickness of 2 µm. It can a solids content of up to 60 percent by volume is set become.

Auch mit den üblichen großtechnisch einsetzbaren Foliengieß­ verfahren lassen sich dünne Schichten erzeugen, was insbeson­ dere für die bipolare Schicht bzw. das ICM I von Bedeutung ist. Da sich eine dünnere Grünfolie besser und dichter sintern läßt als eine dickere Folie, kann so die für die bipolare Schicht I erforderliche Gasdichtigkeit erreicht werden.Also with the usual large-scale film casting thin layers can be produced, which is particularly true which is important for the bipolar layer or the ICM I. Because a thinner green film can be sintered better and denser than a thicker film, it can be used for the bipolar layer I required gas tightness can be achieved.

Als Material für die bipolare Schicht I kommt ein modifiziertes Lanthanchromat LaCrO3 in Frage.A modified lanthanum chromate LaCrO 3 can be used as material for the bipolar layer I.

An das Elektrodenmaterial werden je nach Elektrodentyp unter­ schiedliche Anforderungen gestellt. Allgemein wird eine hohe, überwiegend auf Elektronenleitung basierende elektrische Leit­ fähigkeit gefordert, die für die Anode noch höher sein sollte als für die Kathode (größer gleich 105 Sm-1). Bei einer Be­ triebstemperatur von beispielsweise 800 bis 1100° und einem Druck bis zu 16 Bar muß die Funktionsfähigkeit der Elektroden gewährleistet sein, wobei die Anode einer reduzierenden und die Kathode einer oxidierten Atmosphäre (zum Beispiel H2 und O2 bzw. Luft) ausgesetzt sind. Die Anodenschicht P besteht bei­ spielsweise aus einem Zirkonoxid/Nickel-Cermet (= ceramic me­ tall), wobei das Zirkonoxid vorzugsweise mit bis zu 10 Mol Pro­ zent Yttriumstabilisiert ist. Der Nickelgehalt im Cermet darf dabei 33 Volumen Prozent nicht unterschreiten, um eine defi­ nierte und ausreichende elektronische Leitung zu gewährleisten. Ein optimales Cermet besitzt eine poröse Struktur, wobei je ein Drittel des Volumens von Poren, Metall und Keramik eingenommen wird.Depending on the electrode type, different requirements are placed on the electrode material. In general, a high electrical conductivity, predominantly based on electron conductivity, is required, which should be even higher for the anode than for the cathode (greater than or equal to 10 5 Sm -1 ). At an operating temperature of, for example, 800 to 1100 ° and a pressure of up to 16 bar, the functionality of the electrodes must be ensured, the anode being exposed to a reducing atmosphere and the cathode to an oxidized atmosphere (for example H 2 and O 2 or air) . The anode layer P consists, for example, of a zirconium oxide / nickel cermet (= ceramic metal), the zirconium oxide preferably being stabilized with up to 10 mol percent yttrium. The nickel content in the cermet must not fall below 33 percent by volume in order to ensure a defined and sufficient electronic line. An optimal cermet has a porous structure, whereby one third of the volume is taken up by pores, metal and ceramic.

Für die Kathodenschicht N stehen eine Reihe von Mischoxiden des Typs ABO3 aus der Gruppe der Perowskite als Material zur Verfü­ gung. Die bestimmten, kristallographisch definierten Positionen zugeordneten Komponenten A und B können dabei von jeweils einem Element gebildet werden oder eine stöchiometrisch exakte Mi­ schung mehrerer Kationen darstellen. Beispielsweise kann A aus­ gewählt sein aus Lanthan, Strontium und Kalzium, während B für Mangan, Kobalt oder Nickel stehen kann.A number of mixed oxides of the ABO 3 type from the group of perovskites are available as material for the cathode layer N. The specific components A and B assigned to crystallographically defined positions can each be formed by one element or represent a stoichiometrically exact mixture of several cations. For example, A can be selected from lanthanum, strontium and calcium, while B can be manganese, cobalt or nickel.

Die einzelnen funktionellen Schichten eines NIP-Verbundkörpers werden vorzugsweise als Grünfolien laminiert, wobei sich durch die gute Laminierbarkeit der nach dem Solufill® Verfahren her­ gestellten Folien besondere Vorteile ergeben. Möglich ist es natürlich auch, die einzelnen Schichten nach unterschiedlichen Verfahren herzustellen, oder gegebenenfalls vorzusintern. Ins­ besondere die bipolare Schicht I kann eine höhere Sintertempe­ ratur von beispielsweise 1600°C erfordern, so daß sie vorzugs­ weise einzeln vorgesintert wird. Die Dichtigkeit der bipolaren Schicht I läßt sich zusätzlich mit einem CVD-Verfahren erhöhen, mit dessen Hilfe gegebenenfalls noch vorhandene Poren mit Yt­ trium-stabilisiertem Zirkonoxid YSZ gefüllt werden.The individual functional layers of a NIP composite body are preferably laminated as green foils, whereby the good laminatability according to the Solufill® process provided foils result in special advantages. It is possible of course, the individual layers according to different Produce process, or presinter if necessary. Ins especially the bipolar layer I can have a higher sintering temperature temperature of 1600 ° C, for example, so that they are preferred is pre-sintered individually. The tightness of the bipolar Layer I can also be increased with a CVD process, with the help of any pores still present with Yt trium-stabilized zirconium oxide YSZ.

Für die Herstellung eines PEN-Verbundkörpers können die glei­ chen Verfahren verwendet werden wie für die Herstellung des NIP-Verbundkörpers. Die Elektrolytschicht E besteht vorzugs­ weise aus YSZ, ist wegen der elektrischen Leitfähigkeitsverlu­ ste möglichst dünn und sollte zur Abdichtung der verschiedenen Gasräume auch gasdicht sein. Nach dem Solufill-Verfahren her­ gestellte funktionelle Schichten bringen wegen ihrer guten La­ minierbarkeit auch hier Vorteile. Außerdem werden damit gute Grenzflächeneigenschaften zwischen den unterschiedlichen Schichten und insbesondere ein guter elektrischer Kontakt er­ zielt.For the production of a PEN composite body, the same Chen procedures are used as for the preparation of the NIP composite body. The electrolyte layer E is preferred wise from YSZ, is because of the electrical conductivity loss are as thin as possible and should be used to seal the various Gas spaces should also be gas-tight. According to the Solufill process provided functional layers bring because of their good La minimizability advantages here too. It also makes good ones  Interface properties between the different Layers and in particular good electrical contact aims.

Die funktionellen Schichten des PEN-Verbundkörpers können als Grünfolien gestapelt und zum Verbundkörper verpreßt werden. Einzelne Schichten und der Verbundkörper selbst können bei ca. 1300°C vorgesintert werden. Ein vorgesinterter Verbundkörper läßt sich nachträglich durch ein CVD-Verfahren mit YSZ abdich­ ten, um gegebenenfalls noch vorhandene Poren mit YSZ aufzufül­ len. Dabei wird gleichzeitig die Grenzschicht zwischen der Elektrolytschicht E und der Anodenschicht P stabilisiert, und die Grenzschicht zwischen Elektrolytschicht E und Kathoden­ schicht N verbessert.The functional layers of the PEN composite body can be used as Green foils are stacked and pressed to the composite body. Individual layers and the composite body itself can be used at approx. 1300 ° C can be pre-sintered. A pre-sintered composite body can be subsequently sealed by a CVD process with YSZ to fill any pores that may still be present with YSZ len. The boundary layer between the Electrolyte layer E and the anode layer P stabilized, and the boundary layer between electrolyte layer E and cathodes layer N improved.

Vorgesinterte Einzelschichten werden vorzugsweise mit dem Mate­ rial der benachbarten Schicht bedruckt, bevor der Verbundkörper hergestellt wird, um eine gute Interdiffusion und eine verbes­ serte Haftung zu gewährleisten.Pre-sintered individual layers are preferably made with the mate rial of the adjacent layer printed before the composite body is made to provide good interdiffusion and verbes to ensure maximum liability.

Die Gastransportschichten werden aus dem Material der entspre­ chenden benachbarten Elektrodenschicht hergestellt, bestehen also beispielsweise aus einem YSZ/Nickel-Cermet oder einer entsprechend modifizierten ABO3-Verbindung. Die Gastransport­ schicht Gmuß zur Erfüllung ihrer Funktion entweder entsprechend porös sein oder vorbestimmte Gaskanäle aufweisen.The gas transport layers are made from the material of the corresponding adjacent electrode layer, so they consist, for example, of a YSZ / nickel cermet or a correspondingly modified ABO 3 compound. To perform its function, the gas transport layer G must either be correspondingly porous or have predetermined gas channels.

Eine gewünschte Porosität der Gastransportschicht G kann in einfacher Weise hergestellt werden, indem man der gewünschten Porengröße entsprechende brennbare Kügelchen in gewünschter Menge dem der Keramikherstellung dienenden Schlicker beimischt. Die zum Beispiel aus Kohlenstoff oder Kunststoff bestehenden Kügelchen verbrennen spätestens beim abschließenden Sintervor­ gang und hinterlassen die gewünschten Poren. A desired porosity of the gas transport layer G can be in be easily made by the desired one Pore size corresponding combustible beads in the desired Amount added to the slip used in ceramic production. For example, those made of carbon or plastic Beads burn at the latest during the final sintering process and leave the desired pores.  

Gaskanäle aufweisende Gastransportschichten G können auch durch Extrudieren von Grünfolien hergestellt werden.Gas transport layers G having gas channels can also pass through Extruding green sheets are made.

Besonders vorteilhaft werden die Gaskanäle in der Gastransport­ schicht G aber nach dem sogenannten Lost Wax-Verfahren herge­ stellt. Ahnlich dem beschriebenen Verfahren zur Einbringung von Poren wird dazu eine entsprechend Form aus einem leicht aus­ brennbaren Kunststoff K, beispielsweise durch Spritzgießen oder Stanzen, hergestellt und je nach verwendetem keramischen Form­ gebungsverfahren miteingegossen oder eingepreßt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß die Kanalstrukturen in der grünen Gastransportschicht G mit Kunststoff K ausgefüllt sind, so daß keine Deformation der Gastransportschicht G beim späteren Zusammenpressen zum Stapel befürchtet werden muß. Ein weiterer Vorteil des lost-wax-Verfahrens besteht darin, daß sich damit auch kompliziertere Gaskanalstrukturen, beispiels­ weise für ein Gleich- oder Gegenstromprinzip bei der Gaszufüh­ rung herstellen lassen.The gas channels are particularly advantageous in gas transport layer G, however, according to the so-called lost wax process poses. Similar to the described procedure for the introduction of To do this, pores become a corresponding shape from one easily flammable plastic K, for example by injection molding or Stamping, manufactured and depending on the ceramic shape used poured or pressed in. The advantage this procedure consists in that the channel structures in the green gas transport layer G filled with plastic K. are, so that no deformation of the gas transport layer G at later compression to the stack must be feared. A Another advantage of the lost wax process is that complicated gas channel structures, for example way for a co-current or counter-current principle in the gas supply Have it made.

Entsprechend dieser Ausführungsform werden nun NIP- und PEN- Verbundkörper mit dazwischenliegenden Gastransportschichten aus einem, den benachbarten Elektrodenschichten bestehenden Materi­ al übereinander geschichtet und zu einem Stapel verpreßt. Gege­ benenfalls können die Einzelschichten vorher wieder wie be­ schrieben mit entsprechendem Material bedruckt werden. Der ab­ schließende Sintervorgang wird dann bei einer möglichst niedri­ gen Temperatur, die 1400°C nicht überschreiten sollte, fertig gesintert. Eine so hergestellte Hochtemperaturbrennstoffzelle kann unmittelbar nach dem Hochheizen in Betrieb genommen wer­ den.According to this embodiment, NIP and PEN Composite body with gas transport layers in between a material consisting of the neighboring electrode layers al layered on top of one another and pressed into a stack. Opp if necessary, the individual layers can again be as before be printed with the appropriate material. The off closing sintering process is then as low as possible temperature, which should not exceed 1400 ° C, done sintered. A high-temperature fuel cell manufactured in this way can be put into operation immediately after heating up the.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine Hoch­ temperaturbrennstoffzelle aus nur zwei unterschiedlichen Ver­ bundkörpern (GIG und PEN) aufgebaut werden kann. Die Herstel­ lung von GIG-Verbundkörpern kann entsprechend den NIP bzw. PEN- Verbundkörpern erfolgen. Auch hier können die einzelnen funk­ tionellen Schichten einzeln vorgesintert, im Verbund vorgesin­ tert oder erst im Stapel gesintert werden. Auch für den GIG- Verbundkörper gilt, daß die bipolare Schicht I erfindungsgemäß sehr dünn ausgeführt werden kann, da sie zwischen den beiden Gastransportschichten G eingebettet ist, welche dem Verbund­ körper zu einer hohen mechanischen Stabilität verhelfen. Auch hier ist eine nachträgliche Abdichtung mit YSZ mittels eines CVD- bzw. EVD-Verfahrens möglich. Vorteilhaft an dieser Ausfüh­ rungsform ist weiterhin, daß der Brennstoffzellenstack aus nur zwei unterschiedlichen Verbundkörpern aufgebaut ist, wodurch sich der Verfahrensaufwand reduziert. Fig. 2 shows a further embodiment in which a high temperature fuel cell can be constructed from only two different composite bodies (GIG and PEN). GIG composites can be manufactured according to the NIP or PEN composites. Here, too, the individual functional layers can be individually pre-sintered, pre-sintered in a composite or only sintered in a stack. Also applies to the GIG composite body that the bipolar layer I can be made very thin according to the invention, since it is embedded between the two gas transport layers G, which help the composite body to a high mechanical stability. Subsequent sealing with YSZ is also possible here using a CVD or EVD process. Another advantage of this embodiment is that the fuel cell stack is made up of only two different composite bodies, which reduces the process outlay.

Fig. 3 zeigt einen fertigen Brennstoffzellenstack, wie er mit beiden beschriebenen Verfahrensvarianten erhalten wird. Prinzi­ piell kann er aus beliebig vielen Einzelteilen bestehen, wobei jedoch unterschiedlich motivierte Optimierungen in Richtung niedrigen Verfahrensaufwands, verbesserter elektrischer und me­ chanischer Eigenschaften und hoher elektrischer Leistungsanfor­ derungen zu einer unterschiedlichen Anzahl von Einzelzellen führen können. FIG. 3 shows a finished fuel cell stack as it is obtained with the two process variants described. In principle, it can consist of any number of individual parts, although differently motivated optimizations towards low process costs, improved electrical and mechanical properties and high electrical performance requirements can lead to a different number of individual cells.

In der Fig. 3 ist für die Anordnung der Gaskanäle in den Gastransportschichten G ein Kreuzstromprinzip gewählt, bei dem die Brennstoffgase (H2) und Sauerstoff oder Luft in einem Win­ kel von 90° gegeneinander durch den Brennstoffzellenstack ge­ leitet werden. Möglich ist auch eine parallele Anordnung der unterschiedlichen Gaskanäle, wobei ein Mit- oder Gegenstrom­ prinzip beim Durchleiten der Gase eingehalten werden kann. Mög­ lich ist auch eine nicht geradlinige und beliebig komplexe An­ ordnung der Gaskanäle. Diese folgt stets dem Ziel, eine optima­ le und üblicherweise möglichst gleichmäßige Temperaturvertei­ lung beim Betrieb der Brennstoffzelle zu erreichen. Auf dem Weg durch die Brennstoffzelle verbraucht sich der Brennstoff und reichert sich mit Verbrennungsprodukten (zum Beispiel H2O) an. Infolgedessen nimmt dort die Stromdichte ab, es wird weniger Verlustwärme erzeugt, und die Temperatur sinkt ab. Durch eine geeignete Führung der Gaskanäle kann dies ausgeglichen werden.In Fig. 3, a cross-flow principle is chosen for the arrangement of the gas channels in the gas transport layers G, in which the fuel gases (H 2 ) and oxygen or air in a Win angle of 90 ° against each other through the fuel cell stack ge. A parallel arrangement of the different gas channels is also possible, with a co-current or counter-current principle can be maintained when the gases are passed through. A non-linear and arbitrarily complex arrangement of the gas channels is also possible. This always follows the goal of achieving an optimal and usually as uniform as possible temperature distribution during operation of the fuel cell. On the way through the fuel cell, the fuel is used up and enriched with combustion products (for example H 2 O). As a result, the current density decreases there, less heat loss is generated, and the temperature drops. This can be compensated for by suitable routing of the gas channels.

Ein weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die nachträgliche Abdichtung des fertigen Brennstoffzellen­ stacks nach dem bereits beschriebenen CVD- bzw. EVD-Verfahren mit YSZ, damit die Brennstoffgase nicht seitlich aus den Brenn­ stoffzellenstack austreten können. Bei geradliniger Führung der Gaskanäle ist es ausreichend, die jeweilige Gastransportschicht G an den parallel zu den Gaskanälen liegenden Außenflächen am Stack abzudichten. Das CVD/EVD-Verfahren ist dabei insofern von Vorteil, als sich durch unterschiedliche Führung der für die Abscheidung erforderlichen Gase, beispielsweise von Wasserdampf und der Metallchloride von Yttrium und Zirkonium, die YSZ-Ab­ scheidung ausschließlich dort bewerkstelligen läßt, wo die bei­ den Gase miteinander in Kontakt treten, beispielsweise an un­ dichten Stellen. In einfacher Weise wird so ein schneller und selektiver Verschluß von Poren und Undichtigkeiten bewerkstel­ ligt. Aufgrund der Ionenleitfähigkeit des abgeschiedenen YSZ- Materials wird die Abscheidung auch an bereits verschlossenen Poren weiter fortgesetzt, wobei als Reaktionspartner für die Metallchloride nicht mehr Wasser, sondern vom YSZ zur Verfügung gestellte Sauerstoffionen dienen. Diese zweite Phase der Ab­ scheidung wird als EVD bezeichnet.Another aspect of the method according to the invention relates the subsequent sealing of the finished fuel cells stacks using the previously described CVD or EVD process with YSZ, so that the fuel gases do not come out of the side of the burner can emerge fabric cell stack. With a straight line the Gas channels, it is sufficient, the respective gas transport layer G on the outer surfaces parallel to the gas channels on Seal stack. The CVD / EVD process is in this respect from Advantage than different leadership for the Separation of gases required, for example water vapor and the metal chlorides of yttrium and zirconium, the YSZ-Ab divorce can only be accomplished where the the gases come into contact with each other, for example at un tight spots. In a simple way it becomes a faster and selective closure of pores and leaks leap Due to the ionic conductivity of the deposited YSZ The deposition is also made on already closed materials Pores continued, being the reaction partner for the Metal chlorides no longer water, but available from the YSZ provided oxygen ions serve. This second phase of Ab divorce is called EVD.

Die Abmessungen der einzelnen Schichten bzw. des gesamten Brennstoffzellenstacks sind abhängig von den Betriebsbedingun­ gen. Generell gilt, daß mit abnehmender Betriebstemperatur auch die bipolare Schicht I und Elektrolytschicht E dünner aus­ geführt werden müssen. Für eine angenommene Betriebstemperatur von 800°C sollte die Dicke der Elektrolytschicht beispielsweise im Bereich von 20 µm liegen, während die der bipolaren Schicht I wegen der höheren Leitfähigkeit zwischen 100 und 200 µm liegen kann. Die Dicke der Anoden- bzw. Kathodenschicht wird so gewählt, daß die Verbundkörper eine ausreichende mechanische Stabilität besitzen, und liegt je nach Material üblicherweise im Bereich von 50 µm bis 200 µm. Die Dicke der Gastransport­ schichten G ist ebenfalls an die gewünschten Betriebsbedingun­ gen angepaßt, wobei eine Gaskanäle aufweisende Gastransport­ schicht G beispielsweise 2 mm durchmessende Gaskanäle besitzt.The dimensions of the individual layers or the entire Fuel cell stacks depend on the operating conditions gen. Generally applies that with decreasing operating temperature the bipolar layer I and electrolyte layer E thinner must be performed. For an assumed operating temperature For example, the thickness of the electrolyte layer should be 800 ° C are in the range of 20 µm, while that of the bipolar layer I because of the higher conductivity between 100 and 200 µm can lie. The thickness of the anode or cathode layer is so chosen that the composite body has sufficient mechanical  Have stability, and is usually depending on the material in the range from 50 µm to 200 µm. The thickness of the gas transport layers G is also at the desired operating condition gene adapted, with a gas channels having gas transport layer G, for example, has 2 mm diameter gas channels.

Die Grundfläche der funktionellen Schichten bzw. der daraus hergestellten Verbundkörper ist abhängig von der Beherrschbar­ keit der entsprechenden Folientechnik. Hochwertige Keramikfo­ lien lassen sich beispielsweise in einer Größe von 15 × 15 cm2 erzeugen.The base area of the functional layers or the composite body produced therefrom depends on the controllability of the corresponding film technology. High-quality ceramic foils can be produced, for example, in a size of 15 × 15 cm 2 .

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Hochtemperatur­ brennstoffzelle mit den Schritten
  • - Herstellen zumindest eines planaren Verbundkörpers (NIP, PEN, GIG) aus drei funktionellen Schichten, wobei jede der Schich­ ten eine keramische Grünfolie ist und mindestens eine Funk­ tion besitzt, die ausgewählt ist aus Gastransportschicht (G), bipolare Schicht (I), Anodenschicht (P), Kathodenschicht (N) und Elektrolytschicht (E),
  • - Übereinanderschichten des oder der Verbundkörper mit gegebe­ nenfalls weiteren funktionellen Schichten zu einem Stapel, bei dem alternierende jeweils eine Elektrolytschicht (E) zwi­ schen einer Anoden- (P) und einer Kathodenschicht (N) und darüber jeweils eine Gastransportschicht (G) angeordnet ist, und
  • - Verpressen und Sintern des Stapels zu einem Brennstoffzellen­ stack.
1. Method for producing an integrated high temperature fuel cell with the steps
  • - Manufacture of at least one planar composite body (NIP, PEN, GIG) from three functional layers, each of the layers being a ceramic green sheet and having at least one function which is selected from gas transport layer (G), bipolar layer (I), anode layer (P), cathode layer (N) and electrolyte layer (E),
  • - Layering of the composite body (s) with other functional layers, if necessary, to form a stack in which an electrolyte layer (E) is arranged between an anode (P) and a cathode layer (N) and a gas transport layer (G) is arranged above each. and
  • - Pressing and sintering the stack into a fuel cell stack.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbundkörper und/oder funktionellen Schichten vor dem Übereinanderschichten vorgesintert werden.2. The method according to claim 1, in which the composite body and / or functional layers before are pre-sintered on top of each other. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem im Stapel über den Gastransportschichten (G) jeweils eine bipolare Schicht (I) angeordnet wird.3. The method according to claim 1 or 2, in the stack above the gas transport layers (G) each a bipolar layer (I) is arranged. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Brennstoffzellenstack nach dem Sintern mit Hilfe eines CVD- oder EVD-Verfahrens mit Yttrium-stabilisiertem Zir­ konoxid (YSZ) abgedichtet wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, where the fuel cell stack after sintering with the help a CVD or EVD process with yttrium-stabilized zir Konoxid (YSZ) is sealed.   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Elektrolytschicht (E) zwischen einer Anoden- (P) und einer Kathodenschicht (N) eingebettet und zu einem PEN- (= positiv/Elektrolyt/negativ), und eine bipolare Schicht (I) zwi­ schen zwei Gastransportschichten (G) zu einem GIG- (= Gastrans­ port/ICM/Gastransport) Verbundkörper zusammengefügt werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, in which an electrolyte layer (E) between an anode (P) and a cathode layer (N) embedded and to a PEN- (= positive / electrolyte / negative), and a bipolar layer (I) between two gas transport layers (G) to one GIG (= gas transport port / ICM / gas transport) composite body to be joined. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Elektrolytschicht (E) zwischen einer Kathoden- (N) und einer Anodenschicht (P) sowie eine bipolare Schicht (I) zwischen einer Anoden (P)- und einer Kathodenschicht (N) eingebettet und zu einem PEN- bzw. NIP-Verbundkörper (= posi­ tiv/Elektrolyt/negativ bzw. negativ/interconnection materi­ al/positiv) zusammengefügt werden.6. The method according to any one of claims 1 to 4, in which an electrolyte layer (E) between a cathode (N) and an anode layer (P) and a bipolar layer (I) between an anode (P) and a cathode layer (N) embedded and to a PEN or NIP composite body (= posi tiv / electrolyte / negative or negative / interconnection materi al / positive). 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Verbundkörper und/oder funktionellen Schichten vor dem Übereinanderstapeln insbesondere mit einem Siebdruckverfah­ ren bedruckt werden, wobei als Druckpaste Anoden- und Kathoden­ material oder eine Mischung aus Kathodenmaterial/YSZ verwendet wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, in which the composite body and / or functional layers before stacking, especially with a screen printing process ren printed, with anode and cathodes as printing paste material or a mixture of cathode material / YSZ used becomes. 8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Stapel durch alternierendes Übereinanderschichten von GIG- und PEN-Verbundkörpern aufgerichtet wird.8. The method according to claim 5, where the stack is stacked alternately is erected by GIG and PEN composite bodies. 9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Stapel durch alternierendes Übereinanderschichten von Verbundkörpern (NIP, PEN) mit Gastransportschichten (G) er­ zeugt wird, wobei als Reihenfolge PEN/Gastransportschicht/NIP/Gastransportschicht/PEN . . . usw. eingehalten wird.9. The method according to claim 6, where the stack is stacked alternately of composite bodies (NIP, PEN) with gas transport layers (G) is witnessed, taking as order PEN / gas transport layer / NIP / gas transport layer / PEN. . . etc. is observed. 10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Sintern des Stapels mit Hilfe eines kontrollierten Temperaturverlaufs durchgeführt wird, so daß der Volumenschwin­ dungsprozeß der noch nicht fertiggesinterten keramischen funk­ tionellen Schichten und/oder Verbundkörper linear mit der Zeit abläuft.10. The method according to any one of the preceding claims,  in which the sintering of the stack using a controlled Temperature profile is carried out so that the volume swin process of the not yet sintered ceramic radio tional layers and / or composites linear with time expires.
DE4307967A 1993-03-12 1993-03-12 Process for the production of an integrated all-ceramic high-temperature fuel cell Expired - Fee Related DE4307967C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4307967A DE4307967C2 (en) 1993-03-12 1993-03-12 Process for the production of an integrated all-ceramic high-temperature fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4307967A DE4307967C2 (en) 1993-03-12 1993-03-12 Process for the production of an integrated all-ceramic high-temperature fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE4307967A1 true DE4307967A1 (en) 1994-09-15
DE4307967C2 DE4307967C2 (en) 1995-11-30

Family

ID=6482676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE4307967A Expired - Fee Related DE4307967C2 (en) 1993-03-12 1993-03-12 Process for the production of an integrated all-ceramic high-temperature fuel cell

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE4307967C2 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0834949A2 (en) * 1996-09-26 1998-04-08 Ngk Insulators, Ltd. Laminated structures of sintered ceramic material, electrochemical cells, filters and process for producing such sintered laminated structures
WO2007118127A2 (en) * 2006-04-05 2007-10-18 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. A sofc stack having a high temperature bonded ceramic interconnect and method for making same
EP2045858A1 (en) * 2007-09-24 2009-04-08 Institute of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council, Executive Yuan A novel synergistic process and recipe for fabrication of a high integrity membrane electrode assembly of solid oxide fuel cell
US7550217B2 (en) 2003-06-09 2009-06-23 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Stack supported solid oxide fuel cell
DE10334129B4 (en) * 2003-07-25 2010-04-08 Staxera Gmbh Method and device for producing a fuel cell stack
US8025999B2 (en) 2005-12-29 2011-09-27 Samsung Sdi Co., Ltd. Pouch type lithium rechargeable battery
US8546045B2 (en) 2005-09-19 2013-10-01 3M Innovative Properties Company Gasketed subassembly for use in fuel cells including replicated structures

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19709691A1 (en) * 1997-03-10 1998-09-17 Siemens Ag Structured ceramic body production

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2852647A1 (en) * 1978-12-06 1980-06-19 Bosch Gmbh Robert METHOD FOR PRODUCING A LAYERING SYSTEM ON FIXED ELECTROLYTE FOR ELECTROCHEMICAL APPLICATIONS
GB2134317A (en) * 1983-02-02 1984-08-08 Us Energy Solid electrolyte fuel cell
DE3922673A1 (en) * 1989-07-10 1991-01-24 Siemens Ag Stacked high temp. fuel cell - with multilayer electrodes for smooth thermal expansion coefft. transition
DE4129553A1 (en) * 1990-09-10 1992-03-12 Fuji Electric Co Ltd FUEL CELL AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2852647A1 (en) * 1978-12-06 1980-06-19 Bosch Gmbh Robert METHOD FOR PRODUCING A LAYERING SYSTEM ON FIXED ELECTROLYTE FOR ELECTROCHEMICAL APPLICATIONS
GB2134317A (en) * 1983-02-02 1984-08-08 Us Energy Solid electrolyte fuel cell
DE3922673A1 (en) * 1989-07-10 1991-01-24 Siemens Ag Stacked high temp. fuel cell - with multilayer electrodes for smooth thermal expansion coefft. transition
DE4129553A1 (en) * 1990-09-10 1992-03-12 Fuji Electric Co Ltd FUEL CELL AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0834949A3 (en) * 1996-09-26 2000-09-06 Ngk Insulators, Ltd. Laminated structures of sintered ceramic material, electrochemical cells, filters and process for producing such sintered laminated structures
US6183609B1 (en) 1996-09-26 2001-02-06 Ngk Insulators, Ltd. Sintered laminated structures, electrochemical cells and process for producing such sintered laminated structures
EP0834949A2 (en) * 1996-09-26 1998-04-08 Ngk Insulators, Ltd. Laminated structures of sintered ceramic material, electrochemical cells, filters and process for producing such sintered laminated structures
US7550217B2 (en) 2003-06-09 2009-06-23 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Stack supported solid oxide fuel cell
US7722685B2 (en) 2003-07-25 2010-05-25 Staxera Gmbh Process and device for producing a fuel cell stack while applying a controlled force to the assembled stack
DE10334129B4 (en) * 2003-07-25 2010-04-08 Staxera Gmbh Method and device for producing a fuel cell stack
US8546045B2 (en) 2005-09-19 2013-10-01 3M Innovative Properties Company Gasketed subassembly for use in fuel cells including replicated structures
US8025999B2 (en) 2005-12-29 2011-09-27 Samsung Sdi Co., Ltd. Pouch type lithium rechargeable battery
WO2007118127A3 (en) * 2006-04-05 2007-12-06 Saint Gobain Ceramics A sofc stack having a high temperature bonded ceramic interconnect and method for making same
AU2007234833B2 (en) * 2006-04-05 2010-03-25 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. A SOFC stack having a high temperature bonded ceramic interconnect and method for making same
WO2007118127A2 (en) * 2006-04-05 2007-10-18 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. A sofc stack having a high temperature bonded ceramic interconnect and method for making same
US8771901B2 (en) 2006-04-05 2014-07-08 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. SOFC stack having a high temperature bonded ceramic interconnect and method for making same
EP2045858A1 (en) * 2007-09-24 2009-04-08 Institute of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council, Executive Yuan A novel synergistic process and recipe for fabrication of a high integrity membrane electrode assembly of solid oxide fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
DE4307967C2 (en) 1995-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4314323C2 (en) High-temperature fuel cell with an improved solid electrolyte / electrode interface and method for producing a multilayer structure with an improved solid electrolyte / electrode interface
DE10324396B4 (en) Fuel cell and fuel cell assembly
KR101083701B1 (en) Reversible Solid Oxide Fuel Cell Stack and Method for Preparing Same
DE19547700C2 (en) Electrode substrate for a fuel cell
DE102004038870B4 (en) Solid oxide fuel cell stack and method of producing the solid oxide fuel cell stack
DE60300858T2 (en) PEN OF A SOLID OXYGEN CELL
DE69727337T3 (en) Electrochemical cells and their manufacture, and electrochemical devices using them
DE3922673C2 (en)
DE69701211T2 (en) Flat solid electrolyte fuel cell stack with polarization electrodes and offset seals, working as an oxygen pump
DE69612659T2 (en) SOLID FUEL CELLS WITH SPECIFIC ELECTRODE LAYERS
DE102004008231B9 (en) Fuel cell assembly and method of making a flat tube fuel cell
DE60214950T2 (en) Miniaturized solid oxide fuel cell
DE4011506A1 (en) FUEL CELL ARRANGEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
EP0395975A1 (en) Fuel cell assembly
JP2011171289A (en) Electrolyte-electrode joined assembly, and producing method therefor
DE10130783A1 (en) fuel cell
DE19650704C2 (en) Connection element for fuel cells
EP0667043B1 (en) Process for sealing high-temperature fuel cells and fuel cells sealed according to this process
DE102011000180A1 (en) Anode-supported flat tube SOFC and its manufacturing process
EP3000149B1 (en) Multi-layer sandwich structure for a solid-state electrolyte
DE4307967C2 (en) Process for the production of an integrated all-ceramic high-temperature fuel cell
DE4307727C3 (en) Electrolytic film for planar high-temperature fuel cells and process for their production
DE102020204386A1 (en) Process for the production of a gas and / or electron conduction structure and fuel / electrolysis cell
DE4030944A1 (en) Molten carbonate fuel cell - has sintered cathode of lithium ferrite and opt. lithiated nickel oxide with high conductivity and catalytic activity
DE3935310A1 (en) FUEL CELL ARRANGEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
D2 Grant after examination
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee