DE4307967C2 - Process for the production of an integrated all-ceramic high-temperature fuel cell - Google Patents

Process for the production of an integrated all-ceramic high-temperature fuel cell

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls, welches mehrere in Serie geschaltete Festelektrolyt-Hochtemperatur Brennstoffzellen umfaßt.The invention relates to a method for producing a Solid electrolyte high temperature fuel cell module, which several solid electrolyte high temperatures connected in series Includes fuel cells.

In einer Brennstoffzelle läuft ein Prozeß ab, der im wesent­ lichen eine Umkehrung der Elektrolyse darstellt. Die Reakti­ onspartner der Verbrennungsreaktion, nämlich der Brennstoff und der Sauerstoffträger, üblicherweise Luft, werden in räum­ lich voneinander getrennten Kanälen geführt, die durch einen keramischen Festelektrolyten, der auf beiden Seiten mit Elek­ troden versehen ist, voneinander getrennt sind. An den Elek­ troden werden Brennstoffmoleküle durch Abgabe von Elektronen oxidiert bzw. der Sauerstoffträger durch Aufnahme von Elek­ tronen reduziert. Der Festelektrolyt weist eine Ionenleitung auf und dient zum Stoffaustausch. An den beiden Elektroden des Festelektrolyten stellt sich dabei eine Potentialdiffe­ renz ein, bei der der für Elektronen schlecht leitende Festelektrolyt den Kurzschluß verhindert. Er muß daher eine niedrige Leitfähigkeit für Elektronen und gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit für Ionen aufweisen.A process takes place in a fuel cell that essentially Lichen represents a reversal of electrolysis. The Reacti onpartner of the combustion reaction, namely the fuel and the oxygen carrier, usually air, are in space Lich separated channels led by a ceramic solid electrolyte, on both sides with elec troden is provided, are separated from each other. To the elec Fuel molecules become trodes by releasing electrons oxidized or the oxygen carrier by absorption of elec tron reduced. The solid electrolyte has an ionic line and is used for mass transfer. On the two electrodes the solid electrolyte presents a potential difference limit, in which the poorly conductive for electrons Solid electrolyte prevents the short circuit. He therefore has to low conductivity for electrons and at the same time one have high conductivity for ions.

Um am Arbeitspunkt der Brennstoffzelle eine über die Poten­ tialdifferenz einer Zelle hinausgehende Betriebsspannung zu erhalten, werden mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschal­ tet. Dies erfolgt in einfacher Weise durch Übereinandersta­ peln einzelner Brennstoffzellen, wobei dazwischenliegende bi­ polare Schichten oder Platten aus einem sogenannten ICM-Mate­ rial (Inter Con­ nection Material) die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Einzelzellen gewährleisten.At the operating point of the fuel cell one over the pots tialdifferenz a cell going to operating voltage received, several fuel cells are formed in series tet. This is done in a simple manner by stacking peln individual fuel cells, with intermediate bi polar layers or plates made of a so-called ICM mate rial (Inter Con  nection material) the electrical connection between two ensure neighboring individual cells.

Ein Problem bei Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzel­ len (SOFC) liegt in der Auswahl der für die Brennstoffzellen verwendeten Materialien, die den hohen Betriebstemperaturen von beispielsweise 800 bis 1100°C bei gleichzeitig hohen Drücken des Brennstoffgases bzw. des zur Verbrennung benö­ tigten Sauerstoffs von bis zu 16 bar standhalten müssen. So entstehen an den Grenzen zwischen unterschiedlichen Schichten Probleme mit der Interdiffusion, wodurch die Eigenschaften der Schichtmaterialien verändert werden. Durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien wird außerdem die Festigkeit und Dichtigkeit eines Brennstoffzellenstapels gefährdet.A problem with high temperature solid electrolyte fuel cells len (SOFC) lies in the selection of those for the fuel cells used materials, the high operating temperatures from for example 800 to 1100 ° C with high at the same time Pressing the fuel gas or for combustion withstand oxygen of up to 16 bar. So arise at the borders between different layers Problems with interdiffusion, causing the properties of the Layer materials are changed. By different Thermal expansion coefficient of the materials is also the strength and tightness of a fuel cell stack at risk.

Aus der DE 39 22 673 A ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle bekannt, bei der der Gesamtunterschied des thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten zwischen einer metallischen bipolaren Platte und den übrigen keramischen Schichten durch einen Sandwichaufbau in mehreren Schritten kontinuierlich über­ brückt wird.DE 39 22 673 A is a high-temperature fuel cell known in which the total difference in thermal out expansion coefficient between a metallic bipolar Plate and the remaining ceramic layers by one Sandwich construction continuously in several steps is bridged.

Ein Lösungsansatz, mit dem zumindest das Problem der unter­ schiedlichen Wärmeausdehnung gemindert wird, ist eine voll keramische Brennstoffzelle. Dabei sollen im Idealfall alle Komponenten im grünen (nicht gesinterten) Zustand zusammen­ gefügt und anschließend gemeinsam gebrannt werden. Durch das Zusammensintern soll ein fester, mechanisch stabiler und gas­ dichter Aufbau erzielt werden.A solution that at least addresses the problem of different thermal expansion is reduced, is a full ceramic fuel cell. Ideally, everyone should Components in the green (not sintered) state together added and then burned together. By the A solid, mechanically stable and gas should sinter together dense structure can be achieved.

Eine solche vollkeramische Brennstoffzelle ist beispiels­ weise aus einem Artikel in Proceedings of the first interna­ tional symposium on "Solid Oxide Fuel Cells", 1989, S. 307-316 bekannt. Grundlegende Idee ist es dabei, die brenn- bzw. sauerstoffhaltigen Gase in feinen Kanälen zuzuführen, wobei die Kanäle durch eine mehrfach gefaltete Schicht gebildet werden, die ähnlich wie eine Wellpappe zwischen zwei planaren Schichten eingebettet ist. In einer Ausführung besteht die mehrfach gefaltete und den Gastransport gewährleistende Schicht aus einer beidseitig mit Elektrodenmaterial be­ schichteten Festkörperelektrolytfolie. Die Zufuhr der unter­ schiedlichen Gase kann dabei innerhalb einer Schichtebene er­ folgen. 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 an all-ceramic fuel cell is an example wise from an article in Proceedings of the first interna tional symposium on "Solid Oxide Fuel Cells", 1989, pp. 307-316 known. The basic idea is to supply oxygen-containing gases in fine channels, whereby  the channels are formed by a multi-fold layer be like a corrugated cardboard between two planar Layers is embedded. One version is the folded several times and ensuring gas transport Layer of a be on both sides with electrode material layered solid electrolyte film. The supply of the under Different gases can occur within one layer level consequences. 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 yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) bestehenden Elek­ trolytfolien kann beispielsweise das großtechnisch be­ herrschte und kostengünstige Foliengießverfahren verwendet werden. Damit ist es möglich, die Elektrolytfolie extrem dünn herzustellen, beispielsweise in einer Dicke von ca. 15 bis 20 µm. Eine solch dünne Elektrolytfolie ergibt einen minimalen Spannungsabfall und hat somit nur geringe Leitfähig­ keitsverluste, womit eine hohe verwertbare Betriebsspannung und somit ein hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzelle gewähr­ leistet wird. Die Stabilität der dünnen Elektrolytschicht wird durch die Erzeugung von Verbundkörpern, das heißt durch Einbettung zwischen zwei Elektrodenschichten zusätzlich er­ höht. Mit einer dünneren Elektrolytschicht ist es außerdem möglich, den gleichen Wirkungsgrad wie eine bekannte Zelle mit dickerer Elektrolytschicht bei einer niedrigeren Be­ triebstemperatur zu erzielen. Damit verbunden ist eine nied­ rigere thermische und mechanische Belastung der Brennstoff­ zelle und somit eine höhere Stabilität und eine längere Le­ bensdauer.The fuel cell according to the invention is thus complete made up of green sheets. To generate the usually from yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ) existing elec For example, trolytic films can be used on an industrial scale prevailing and inexpensive film casting process used become. This makes it possible to make the electrolyte sheet extremely thin produce, for example in a thickness of about 15 to 20 microns. Such a thin electrolyte foil results in a minimal one Voltage drop and thus has only low conductivity losses, which means a high usable operating voltage and thus guarantee a high efficiency of the fuel cell is achieved. The stability of the thin electrolyte layer is achieved by the production of composite bodies, that is by He also embedded between two electrode layers increases. It is also with a thinner electrolyte layer possible the same efficiency as a known cell with a thicker electrolyte layer at a lower loading to achieve drive temperature. Associated with it is a cute rigorous thermal and mechanical stress on the fuel cell and thus a higher stability and a longer Le 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 er­ zielen, 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 a good bond between the layers in the stack target what tightness, stability and durability 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).

Es ist vorgesehen, vor dem Übereinanderschichten von Verbund­ körpern oder von Verbundkörpern und funktionellen Schichten erstere oder beide vorzusintern. Diese Maßnahme ist insbeson­ dere dann vorteilhaft, wenn unterschiedliche Grünfolien einen unterschiedlichen Volumenschwund beim Sintern zeigen. Durch Vorsintern der Grünfolie oder der Grünfolien mit dem größeren Schwund kann so ein gewisser Ausgleich geschaffen werden. Au­ ßerdem können die unterschiedlichen funktionellen Schichten oder die Verbundkörper unterschiedliche Sintertemperaturen erfordern, so daß es vorteilhaft ist, die Schichten oder Ver­ bundkörper vorzusintern, die bei höherer Temperatur gesintert werden müssen. Beim Zusammensintern muß dann nur noch die Sintertemperatur des am niedrigsten sinternden Materials er­ reicht werden. Da die Sintertemperaturen üblicherweise über der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegen, wird so eine zusätzliche thermische Belastung des Brennstoffzellen­ stapels vermieden und damit eine zusätzliche Gefahrenquelle für eine eventuelle Undichtigkeit des Stapels ausgeschaltet.It is intended before layering composite bodies or of composite bodies and functional layers presintering the former or both. This measure is in particular  This is particularly advantageous when different green foils join you show different volume shrinkage during sintering. By Presinter the green sheet or the green sheet with the larger one Shrinkage can be compensated in this way. Au In addition, the different functional layers or the composite bodies have different sintering temperatures require, so that it is advantageous to the layers or Ver pre-sinter the bundle body, which is sintered at a higher temperature Need to become. When sintering together only that Sintering temperature of the lowest sintering material be enough. Since the sintering temperatures are usually above the operating temperature of the fuel cell will be so an additional thermal load on the fuel cells stacks avoided and thus an additional source of danger switched off for a possible leak in the stack.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die nach­ trägliche Abdichtung eines fertig gesinterten Brennstoffzel­ lenstacks. Mit Hilfe eines chemischen Gasphasenabscheidever­ fahrens (CVD), welches elektrolytisch unterstützt sein kann (EVD) ist es möglich, noch vorhandene Poren und damit poten­ tielle Undichtigkeiten im ICM (bipolare Schicht) und in der Elektrolytschicht mit einem geeigneten Material, beispiels­ weise mit Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid YSZ auf zufül­ len. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die bipolare Schicht beim Übereinanderschichten des Stapels noch nicht fertiggesintert ist. Da bei einer angestrebten abschließenden Sintertemperatur von kleiner 1350°C die meisten für die bipo­ lare Schicht in Frage kommenden keramischen Materialien nicht hinreichend dicht und somit gasdicht gesintert werden können, wird durch die nachträgliche Abdichtung der Poren in der bi­ polaren Schicht die Materialauswahl für diese Schicht vergrö­ ßert und somit vereinfacht. 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 inert sealing of a sintered fuel cell lenstacks. With the help of a chemical gas phase separator driving (CVD), which can be supported electrolytically (EVD) it is possible to still pores and thus poten tial leaks in the ICM (bipolar layer) and in the Electrolyte layer with a suitable material, for example add with yttrium-stabilized zirconium oxide YSZ len. This is particularly beneficial if the bipolar Do not layer when stacking the stack is completely sintered. Because at a targeted final Sintering temperature of less than 1350 ° C most for the bipo ceramic layer in question can be sintered sufficiently densely and thus gas-tight, is due to the subsequent sealing of the pores in the bi polar layer increase the material selection for this layer eats and thus simplified. The YSZ-CVD- Process 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 Brennstoffzellenstapel 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 Brennstoffzellenstapel 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 ablaufen. Das bedeutet, den Temperaturanstieg insbesondere an den Punkten zu verlangsamen, an denen Schwindungsprozesse einsetzen. Mit diesen kontrollierten Sinterverfahren können Spannungen, die bei nicht exakt angepaßtem Sinterverhalten auftreten können, besser ausgeglichen werden. Die Entstehung von Rissen, die zu einem schadhaften oder gar unbrauchbaren Brennstoffzellenstapel 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  expire. That means the temperature rise in particular slow down at the points where shrinkage processes deploy. With these controlled sintering processes you can Tensions that occur when the sintering behavior is not exactly adapted can occur, be better balanced. The genesis of cracks that become a defective or even unusable This can avoid fuel cell stacks.

Im folgenden wird der Aufbau einer vollkeramischen Hochtempe­ raturbrennstoffzelle 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 manufacture of each Layers described in more detail using three figures.

Dabei zeigenShow

Fig. 1 und 2 zwei unterschiedliche Anordnungen von Verbundkörpern im Stapel, während Fig. 1 and 2 show two different arrangements of composites in the stack, while

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

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels aus NIP- und PEN-Verbundkörpern mit dazwischenliegenden Gastrans­ portschichten G. Erfindungsgemäß wird zumindest ein Verbund­ körper zum Aufbau des Stapels verwendet, vorzugsweise jedoch zwei unterschiedliche, wie in der Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 shows the structure of a fuel cell stack made of NIP and PEN composite bodies with gas transport layers G in between. According to the invention, at least one composite body is used to build the stack, but preferably two different ones, 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, manufactured. 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 bekannter Weise in einer Dicke von beispielsweise 500 µm gegossen und anschließend gezogen. Unter Beibehaltung einer homogen Verteilung der Keramikpartikel und ohne daß sich die Zusammensetzung des Schlickers bzw. der Folie ändert, lassen sich die Folien bis auf eine Dicke von 2 um 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  With the help of a special polymeric binder, the films are in known manner in a thickness of 500 microns, for example poured and then drawn. While maintaining one homogeneous distribution of the ceramic particles and without the Change the composition of the slip or the film the films stretch to a thickness of 2 µm or pull. A solids content of up to 60 volume Percent can be set.

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 sin­ tern läßt als eine dickere Folie, kann so die für die bipo­ lare Schicht I erforderliche Gasdichtigkeit erreicht werden.Also with the usual large-scale film casting thin layers can be produced, which is particularly true important for the bipolar layer or the ICM I. is. Because a thinner green film is better and denser tern than a thicker film, it can be used for the bipo lare layer I required gas tightness can be achieved.

Als Material für die bipolare Schicht I kommt ein modifizier­ tes Lanthanchromat LaCrO₃ in Frage.A modifier comes as the material for the bipolar layer I. tes lanthanum chromate LaCrO₃ in question.

An das Elektrodenmaterial werden je nach Elektrodentyp unter­ schiedliche Anforderungen gestellt. Allgemein wird eine hohe, überwiegend auf Elektronenleitung basierende elektrische Leitfähigkeit gefordert, die für die Anode noch höher sein sollte als für die Kathode (größer gleich 10⁵ Sm-1). Bei ei­ ner Betriebstemperatur von beispielsweise 800 bis 1100° und einem Druck bis zu 16 bar muß die Funktionsfähigkeit der Elektroden gewährleistet sein, wobei die Anode einer reduzie­ renden und die Kathode einer oxidierenden Atmosphäre (zum Bei­ spiel H₂ und O₂ bzw. Luft) ausgesetzt sind. Die Anodenschicht P besteht beispielsweise aus einem Zirkoniumoxid/Nickel- Cermet (= ceramic metall), wobei das Zirkoniumoxid vorzugsweise mit bis zu 10 Mol Prozent yttriumstabilisiert ist. Der Nickelgehalt im Cermet darf dabei 33 Volumen Prozent nicht unterschreiten, um eine definierte 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, mainly based on electron conduction, is required, which should be even higher for the anode than for the cathode (greater than or equal to 10⁵ 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 and the cathode to an oxidizing atmosphere (for example H₂ and O₂ 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 Verfügung. Die bestimmten, kristallographisch definierten Positionen zugeordneten Komponenten A und B können dabei von jeweils einem Element gebildet werden oder eine stöchiome­ trisch exakte Mischung mehrerer Kationen darstellen. Bei­ spielsweise kann A ausgewählt sein aus Lanthan, Strontium und Kalzium, während B für Mangan, Kobalt oder Nickel stehen kann.A number of mixed oxides stand for the cathode layer N. of type ABO₃ from the group of perovskites as a material for Available. The specific, crystallographically defined Components A and B assigned to positions can be from one element or one stoichiome represent a tric exact mixture of several cations. At for example, A can be selected from lanthanum, strontium and Calcium, while B stands for manganese, cobalt or nickel can.

Die einzelnen funktionellen Schichten eines NIP-Verbundkör­ pers werden vorzugsweise als Grünfolien laminiert, wobei sich durch die gute Laminierbarkeit der nach dem Solufill®-Ver­ fahren hergestellten Folien besondere Vorteile ergeben. Mög­ lich ist es natürlich auch, die einzelnen Schichten nach un­ terschiedlichen Verfahren herzustellen, oder gegebenenfalls vorzusintern. Insbesondere die bipolare Schicht I kann eine höhere Sintertemperatur von beispielsweise 1600°C erfordern, so daß sie vorzugsweise einzeln vorgesintert wird. Die Dich­ tigkeit der bipolaren Schicht I läßt sich zusätzlich mit ei­ nem CVD-Verfahren erhöhen, mit dessen Hilfe gegebenenfalls noch vorhandene Poren mit Yttrium-stabilisiertem Zirkoni­ umoxid YSZ gefüllt werden.The individual functional layers of a NIP composite body pers are preferably laminated as green foils, whereby due to the good laminatability according to Solufill® Ver drive produced films give special advantages. Poss Of course, it is also natural to move the individual layers according to un different processes, or if necessary to pre-sinter. In particular, the bipolar layer I can require a higher sintering temperature of, for example, 1600 ° C. so that it is preferably presintered individually. The you activity of the bipolar layer I can additionally with egg Increase the CVD method, with the help of which if necessary still existing pores with yttrium-stabilized zirconia umoxid YSZ can be filled.

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 Leitfähigkeitsver­ luste möglichst dünn und sollte zur Abdichtung der ver­ schiedenen Gasräume auch gasdicht sein. Nach dem Solufill- Verfahren hergestellte funktionelle Schichten bringen wegen ihrer guten Laminierbarkeit auch hier Vorteile. Außerdem werden damit gute Grenzflächeneigenschaften zwischen den un­ terschiedlichen Schichten und insbesondere ein guter elektri­ scher Kontakt erzielt. 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 from YSZ, is because of the electrical conductivity ver lusts as thin as possible and should seal the ver different gas spaces can also be gas-tight. After the solufill Processed functional layers bring about Its good laminatability also has advantages here. also are thus good interface properties between the un different layers and in particular a good electri achieved good contact.  

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 Verbund­ körper läßt sich nachträglich durch ein CVD-Verfahren mit YSZ abdichten, um gegebenenfalls noch vorhandene Poren mit YSZ aufzufüllen. Dabei wird gleichzeitig die Grenzschicht zwi­ schen der Elektrolytschicht E und der Anodenschicht P stabi­ lisiert, und die Grenzschicht zwischen Elektrolytschicht E und Kathodenschicht 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 can be presintered at approx. 1300 ° C. A pre-sintered composite body can be retrofitted by a CVD process with YSZ seal off any pores still present with YSZ replenish. At the same time, the boundary layer between the electrolyte layer E and the anode layer P stabi lized, and the boundary layer between electrolyte layer E and cathode layer N improved.

Vorgesinterte Einzelschichten werden vorzugsweise mit dem Ma­ terial der benachbarten Schicht bedruckt, bevor der Verbund­ körper hergestellt wird, um eine gute Diffusion und eine ver­ besserte Haftung zu gewährleisten.Pre-sintered individual layers are preferably made using the Ma material of the adjacent layer is printed before the composite body is made to ensure good diffusion and ver to ensure better liability.

Die Gastransportschichten werden aus dem Material der ent­ sprechenden benachbarten Elektrodenschicht hergestellt, be­ stehen also beispielsweise aus einem YSZ/Nickel-Cermet oder einer entsprechend modifizierten ABO₃-Verbindung. Die Gastransportschicht G muß zur Erfüllung ihrer Funktion entwe­ der entsprechend porös sein oder vorbestimmte Gaskanäle auf­ weisen.The gas transport layers are made from the material of the ent speaking adjacent electrode layer manufactured, be are for example made of a YSZ / nickel cermet or a correspondingly modified ABO₃ connection. The Gas transport layer G must either run to perform its function the correspondingly porous or predetermined gas channels point.

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 bei­ mischt. Die zum Beispiel aus Kohlenstoff oder Kunststoff be­ stehenden Kügelchen verbrennen spätestens beim abschließenden Sintervorgang 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 of the slip used in ceramic production mixes. For example, be made of carbon or plastic standing beads burn at the latest when the final one 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. Ähnlich 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 method 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 vorgesintert oder erst im Stapel gesintert werden. Auch für den GIG-Verbundkörper gilt, daß die bipolare Schicht I erfin­ dungsgemäß sehr dünn ausgeführt werden kann, da sie zwischen den beiden Gastransportschichten G eingebettet ist, welche dem Verbundkörper zu einer hohen mechanischen Stabilität verhelfen. Auch hier ist eine nachträgliche Abdichtung mit YSZ mittels eines CVD- bzw. EVD-Verfahrens möglich. Vorteil­ haft an dieser Ausführungsform ist weiterhin, daß der Brenn­ stoffzellenstapel aus nur zwei unterschiedlichen Verbundkör­ pern aufgebaut ist, wodurch sich der Verfahrensaufwand redu­ ziert. 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 according to the invention can be made very thin, 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 effort.

Fig. 3 zeigt einen fertigen Brennstoffzellenstapel, wie er mit beiden beschriebenen Verfahrensvarianten erhalten wird. Prinzipiell kann er aus beliebig vielen Einzelteilen beste­ hen, wobei jedoch unterschiedlich motivierte Optimierungen in Richtung niedrigen Verfahrensaufwands, verbesserter elektri­ scher und mechanischer Eigenschaften und hoher elektrischer Leistungsanforderungen 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 in the direction of low process complexity, 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 Winkel von 90° gegeneinander durch den Brennstoffzellenstapel geleitet werden. Möglich ist auch eine parallele Anordnung der unterschiedlichen Gaskanäle, wobei ein Mit- oder Ge­ genstromprinzip beim Durchleiten der Gase eingehalten werden kann. Möglich ist auch eine nicht geradlinige und beliebig komplexe Anordnung der Gaskanäle. Diese folgt stets dem Ziel, eine optimale und üblicherweise möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung beim Betrieb der Brennstoffzelle zu er­ reichen. Auf dem Weg durch die Brennstoffzelle verbraucht sich der Brennstoff und reichert sich mit Verbrennungsproduk­ ten (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 Gaska­ näle kann dies ausgeglichen werden.In Fig. 3, a cross-flow principle is selected for the arrangement of the gas channels in the gas transport layers G, in which the fuel gases (H₂) and oxygen or air are passed at an angle of 90 ° to each other through the fuel cell stack. A parallel arrangement of the different gas channels is also possible, whereby a co-current or countercurrent principle can be observed 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 when operating the fuel cell. On the way through the fuel cell, the fuel is used up and enriched with combustion products (for example H₂O). As a result, the current density decreases there, less heat loss is generated, and the temperature drops. This can be compensated for by suitable guidance of the gas channels.

Ein weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die nachträgliche Abdichtung des fertigen Brennstoffzellen­ stapels nach dem bereits beschriebenen CVD- bzw. EVD-Verfah­ ren mit YSZ, damit die Brennstoffgase nicht seitlich aus den Brennstoffzellenstapel austreten können. Bei geradliniger Führung der Gaskanäle ist es ausreichend, die jeweilige Gastransportschicht G an den parallel zu den Gaskanälen lie­ genden Außenflächen am Stack abzudichten. Das CVD/EVD-Verfah­ ren ist dabei insofern von Vorteil, als sich durch unter­ schiedliche Führung der für die Abscheidung erforderlichen Gase, beispielsweise von Wasserdampf und der Metallchloride von Yttrium und Zirkonium, die YSZ-Abscheidung ausschließlich dort bewerkstelligen läßt, wo die beiden Gase miteinander in Kontakt treten, beispielsweise an undichten Stellen. In einfacher Weise wird so ein schneller und selektiver Ver­ schluß von Poren und Undichtigkeiten bewerkstelligt. Aufgrund der Ionenleitfähigkeit des abgeschiedenen YSZ-Materials wird die Abscheidung auch an bereits verschlossenen Poren weiter fortgesetzt, wobei als Reaktionspartner für die Me­ tallchloride 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 according to the CVD or EVD process already described with YSZ so that the fuel gases do not come out of the side Can leak fuel cell stack. With straight lines Routing the gas channels is sufficient to the respective one Gas transport layer G on the lie parallel to the gas channels to seal the outer surfaces on the stack. The CVD / EVD procedure Ren is advantageous in so far as under different management of the necessary for the deposition Gases, for example from water vapor and metal chlorides of yttrium and zirconium, the YSZ deposition exclusively can accomplish where the two gases in each other Make contact, for example at leaks. In simple way is a fast and selective Ver closure of pores and leaks. Because of the ionic conductivity of the deposited YSZ material the deposition continues even on already closed pores continued, being the reaction partner for the Me tallchloride 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 Brennstoffzellenstapels sind abhängig von den Betriebsbedin­ gungen. Generell gilt, daß mit abnehmender Betriebstemperatur auch die bipolare Schicht I und Elektrolytschicht E dünner ausgeführt werden müssen. Für eine angenommene Betrieb­ stemperatur 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. Katho­ denschicht wird so gewählt, daß die Verbundkörper eine aus­ reichende 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 are dependent on the operating conditions gung. The general rule is that with decreasing operating temperature also the bipolar layer I and electrolyte layer E thinner must be executed. For an assumed operation The temperature of 800 ° C should be the thickness of the electrolyte layer for example, are in the range of 20 microns, while the bipolar layer I because of the higher conductivity between 100 and 200 microns can be. The thickness of the anode or catho The layer is chosen so that the composite body one reaching 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 one from them The composite body produced depends on the controllability of the appropriate film technology. High quality ceramic foils Lien can be, for example, in a size of 15 × 15 cm² produce.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer integrierten vollkerami­ schen Hochtemperaturbrennstoffzelle mit den Schritten
  • - Bereitstellen von keramischen Grünfolien für jede der funktionellen Schichten der Hochtemperaturbrennstoffzelle, welche ausgewählt sind aus bipolare Schicht (I), Gastrans­ portschicht (G), Anodenschicht (P), Kathodenschicht (N) und Elektrolytschicht (E),
  • - Übereinander-Anordnen von je drei keramischen Grünfolien zu zwei unterschiedlichen planaren Verbundkörpern (NIP, PEN) mit einer ersten Schichtreihenfolge NIP {Kathodenschicht (N), bipolare Schicht (I) und Anodenschicht (P)} und einer zweiten Schichtreihenfolge PEN {Anodenschicht (P), Elektrolytschicht (E) und Kathodenschicht (N)},
  • - Vorsintern der Verbundkörper (NIP, PEN),
  • - Alternierndes Übereinanderschichten der Verbundkörper (PIN, PEN) mit je einer Gastransportschicht (G) dazwischen zu ei­ nem Stapel (PEN, G, NIP, G, PEN, . . . ), und
  • - Verpressen und Sintern des Stapels zu einem Brennstoffzel­ lenstapel.
1. A method for producing an integrated all-ceramic high-temperature fuel cell with the steps
  • Provision of ceramic green foils for each of the functional layers of the high-temperature fuel cell, which are selected from bipolar layer (I), gas transport layer (G), anode layer (P), cathode layer (N) and electrolyte layer (E),
  • - Arranging three ceramic green foils on top of each other to form two different planar composite bodies (NIP, PEN) with a first layer sequence NIP {cathode layer (N), bipolar layer (I) and anode layer (P)} and a second layer sequence PEN {anode layer (P ), Electrolyte layer (E) and cathode layer (N)},
  • - pre-sintering the composite body (NIP, PEN),
  • - Alternating stacking of the composite bodies (PIN, PEN) with a gas transport layer (G) in between to form a stack (PEN, G, NIP, G, PEN,...), And
  • - Compressing and sintering the stack to a fuel cell lenstapel.
2. Verfahren zur Herstellung einer integrierten vollkerami­ schen Hochtemperaturbrennstoffzelle mit den Schritten
  • - Bereitstellen von keramischen Grünfolien für jede der funktionellen Schichten der Hochtemperaturbrennstoffzelle, welche ausgewählt sind aus bipolare Schicht (I), Gastrans­ portschicht (G), Anodenschicht (P), Kathodenschicht (N) und Elektrolytschicht (E),
  • - Übereinander-Anordnen von je drei keramischen Grünfolien zu zwei unterschiedlichen planaren Verbundkörpern (PEN, GIG) mit einer ersten Schichtreihenfolge PEN {Anodenschicht (P), Elektrolytschicht (E) und Kathodenschicht (N)} und einer zweiten Schichtreihenfolge GIG, bei der eine bipolare Schicht (I) zwischen zwei Gastransportschichten (G) ange­ ordnet ist,
  • - Vorsintern der Verbundkörper (PEN, GIG),
  • - Alternierndes Übereinanderschichten der Verbundkörper (PEN, GIG) zu einem Stapel (PEN, GIG, PEN, GIG . . . ), und
  • - Verpressen und Sintern des Stapels zu einem Brennstoffzel­ lenstapel.
2. Method for producing an integrated all-ceramic high-temperature fuel cell with the steps
  • Provision of ceramic green foils for each of the functional layers of the high-temperature fuel cell, which are selected from bipolar layer (I), gas transport layer (G), anode layer (P), cathode layer (N) and electrolyte layer (E),
  • - Arranging three ceramic green foils on top of each other to form two different planar composite bodies (PEN, GIG) with a first layer sequence PEN {anode layer (P), electrolyte layer (E) and cathode layer (N)} and a second layer sequence GIG, in which a bipolar layer Layer (I) is arranged between two gas transport layers (G),
  • - pre-sintering the composite body (PEN, GIG),
  • - Alternating stacking of the composite bodies (PEN, GIG) to form a stack (PEN, GIG, PEN, GIG...), And
  • - Compressing and sintering the stack to a fuel cell lenstapel.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Brennstoffzellenstapel nach dem Sintern mit Hilfe eines CVD- oder EVD-Verfahrens mit yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) abgedichtet wird.3. The method according to claim 1 or 2, where the fuel cell stack after sintering with the help a CVD or EVD process with yttrium stabilized Zirconium oxide (YSZ) is sealed. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Verbundkörper und/oder funktionellen Schichten vor dem Übereinanderstapeln insbesondere mit einer Druckpaste bedruckt werden, wobei als Druckpaste Anoden- und Kathoden­ material oder eine Mischung aus Kathodenmaterial/YSZ verwen­ det wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, in which the composite body and / or functional layers before stacking, especially with a printing paste be printed, using anode and cathodes as printing paste Use material or a mixture of cathode material / YSZ det. 5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem zum Bedrucken ein Siebdruckverfahren verwendet wird.5. The method according to claim 4, in which a screen printing process is used for printing. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Sintern des Stapels mit Hilfe eines kontrollierten Tempe­ raturverlaufs durchgeführt wird, so daß der Volumenschwin­ dungsprozeß der noch nicht fertiggesinterten keramischen funktionellen Schichten und/oder Verbundkörper linear mit der Zeit abläuft. 6. The method according to any one of the preceding claims, in which sintering the stack using a controlled temp maturity course is carried out so that the volume swin process of the not yet fully sintered ceramic functional layers and / or composites linear with time expires.   7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem auch einzelne funktionelle Schichten mit besonders großem Sinterschwund vor dem Herstellen der Verbundkörper vorgesintert werden.7. The method according to any one of claims 1 to 6, where also individual functional layers with special large sintering shrinkage before producing the composite body be presintered.
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