DE60300904T2 - Festoxid-Brennstoffzelle in Dünnschichttechnik (SOFC) und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Festoxid-Brennstoffzelle in Dünnschichttechnik (SOFC) und Verfahren zu ihrer Herstellung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Hochtemperatur-Brennstoffzellen bzw. Festoxid-Brennstoffzellen und insbesondere des Typs von Zellen mit einem Elektrodenmaterial, welches von einem metallischen Trägermaterial getragen wird.
  • Jüngste Entwicklungen von dünnen getragenen Elektrolyten in Zusammenhang mit verbesserter Elektrodenleistung ermöglichen das Verringern der Betriebstemperatur auf Temperaturen, bei welchen stabile, billige und duktile Metallmaterialien als bipolare Trennungsplatten zwischen den Zellen eingesetzt werden können. Derzeitige Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit mittleren Temperaturen werden bei Temperaturen von ungefähr zwischen 500°C bis 850°C betrieben, wohingegen ältere Arten der Hochtemperatur-Brennstoffzellen bei 900°C bis 1.000°C betrieben werden. Die niedrigere Betriebstemperatur ermöglicht es, metallische Materialien für den die Elektrodenschichten tragenden Zellbestandteil wie auch als dünne Elektrolytschichten zu verwenden.
  • Bei den bekannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen besitzt die das elektrochemisch aktive Element tragende bzw. stützende Schicht eine poröse Struktur, hergestellt aus metallischen oder keramischen Materialien oder Mischungen aus metallischen und keramischen Materialien. Metallische Filze (metallic felt) oder plasmagesprühte poröse Schichten wurden als tragende Struktur vorgeschlagen, wobei die Poren in der tragenden Schicht die Reaktionsgase der Zelle verteilen.
  • US Patent Nr. 6,048,636 offenbart eine Elektrode für Brennstoffzellen mit einer porösen, mechanisch starken, selbsttragenden Schicht bestehend aus einem Cermet umfassend Al2O3 oder TiO2, zu welchem Nickel zugemischt wird. Indem die Gaskanäle innerhalb der mechanisch stabilisierenden Elektrodenschicht angeordnet sind, kann das Gas im Vergleich mit dem Stand der Technik über einen kürzeren Weg einer katalytisch aktiven Schicht zugeführt werden.
  • Das US Patent Nr. 2002/0004155 offenbart eine geätzte Verbindung für Brennstoffzellen-Elemente umfassend ein Festoxid-Elektrolyt, eine Anode und eine Kathode, und umfassend ein leitendes Basisblech mit erster und zweiter Fläche mit Anoden- und Katho dengasdurchflusskanälen. Diese Gasdurchflusskanäle können verschiedene Geometrien aufweisen, um den Gasfluss des Brennstoffes und des Oxidationsmittels zu optimieren und können hergestellt werden, indem ein fotochemisches Ätzverfahren eingesetzt wird. Im Betrieb wird die Verbindung zwischen zwei Brennstoffzellen angeordnet. Die Verbindungsoberfläche entspricht der Oberfläche, welche von einer einzelnen Brennstoffzelle besetzt wird.
  • Die vorgeschlagenen Trägermaterialien der porösen Zelle sind jedoch in Bezug auf die Herstellungsverfahren problematisch, und poröse Materialen besitzen schlechte mechanische Eigenschaften. Des Weiteren es erlaubt ein poröser Gasverteilungskörper nicht, dass das Flussmuster der Gase der Zellreaktanten gesteuert wird.
  • Es ist der Gegenstand der Erfindung, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, deren tragende Struktur für das elektrochemisch aktive Element aus einem metallischen Körper besteht, perforiert mit feinen Löchern oder Kanälen in einem kontrollierten Muster, um eine kontrollierte Verteilung der Reaktionsgase direkt zu dem elektrochemisch aktiven Element zu ermöglichen.
  • Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle umfassend das chemische Ätzen eines metallischen Blechs, welches mit einem Fotolack bedeckt ist, und das Erhalten von gesteuerten bzw. geordneten Mustern von Vertiefungen bzw. Löchern auf einer Seite des metallischen Blechs und Perforationen auf der anderen Seite des metallischen Blechs und das Abscheiden elektrochemisch aktiver Segmente auf der perforierten Seite des metallischen Blechs, wobei der Durchmesser der Perforationen auf einer Oberfläche kleiner ist, als der Durchmesser der Löcher auf der gegenüberliegenden Oberfläche.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle hergestellt durch das zuvor genannte Verfahren.
  • Unter Verwendung eines chemischen Ätzverfahrens wird ein mit einem Fotolack bedecktes metallisches Blech mit feinen Kanälen in einem gesteuerten bzw. geordneten Muster perforiert. Wenn ein Fotolack auf beiden Seiten des metallischen Blechs verwendet wird, können die Perforationen eine asymmetrische Struktur aufweisen. Das metallische Blech, mit seinem kontrollierten Muster von feinen durchgehenden Perforationen bildet einen stabilen, duktilen und einfach herzustellenden Träger für das elektrochemisch aktive Element.
  • Das metallische Blech weist eine glatte, homogene Oberfläche ohne Fehler auf, im Gegensatz zu einem porösen Träger. Die asymmetrische Geometrie der durchgehenden Perforationen ermöglicht einen sehr feinen Durchmesser der Perforationen auf einer Seite des Blechs und einen größeren Durchmesser der Vertiefungen auf der anderen Seite des geätzten Blechs.
  • Das Ätzverfahren ermöglicht auch die Herstellung von Vertiefungen von einer Seite des Blechs, welche sich nur einen Teil in das Material hinein erstrecken, und sich in einer größeren Anzahl kleinerer Perforationen fortsetzen, die sich durch den übrigbleibenden Teil des Materials erstrecken. Auf diese Weis wird eine perforierte feine Struktur auf der einen Seite des Blechs erhalten, ideal zur Abscheidung der elektrochemisch aktiven Schicht. Die gegenüberliegende Seite des Blechs mit den größeren Vertiefungen stellt eine uneingeschränkte Gaszufuhr und niedrigen Gasdurchflusswiderstand sicher.
  • Die durchgehenden Perforationen sind in Segmenten angeordnet, solchermaßen dass alle Perforationen in einem Segment durch ein Segment der elektrochemisch aktiven Schicht bedeckt werden. Dies bedeutet, dass alle Perforationen in einem Segment Gas zu dem elektrochemisch aktiven Segment zuführen, welches diese Perforationen bedeckt, und nur zu diesem Segment. Gemäß der Erfindung, ermöglicht das Unterteilen der gesamten Zellfläche in kleinere Zellsegmente sicherzustellen, dass jedes Zellsegment mit optimalen Gaszufuhrbedingungen betrieben wird, unabhängig von der Position in der Zelle.
  • Ein weiterer Vorteil solch einer Unterteilung der Zellfläche in eine große Anzahl von kleineren einzelnen elektrochemisch aktiven Segmenten ist, dass die Fläche der brüchigen keramischen Elektrolytschicht, welche zu den einzelnen elektrochemisch aktiven Segmenten gehört, reduziert wird. Indem die Elektrolytfläche reduziert wird, wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektrolytbruch auftritt, minimiert. Die gesamte Zellfläche wird jedoch durch die Größe des metallischen Trägerblechs bestimmt und ist die Summe der Fläche jedes einzelnen elektrochemisch aktiven Segments.
  • Die Figur zeigt einen Bereich der Hochtemperatur-Brennstoffzelle der Erfindung, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Aus der Figur wird deutlich, dass das metallische Blech 1 Perforationen 2 auf einer Seite aufweist, wobei jede Perforation einen kleineren Durchmesser als die Vertiefung 3 auf der anderen Seite des Blechs aufweist. Die Zeichnung zeigt auch die Anordnung der elektrochemisch aktiven Segmente 4, welche auf dem metallischen Blech 1 abgelagert sind.
  • Das Muster des elektrochemisch aktiven Segments kann auf dem metallischen Trägerblech durch bekannte Abscheidungsverfahren abgeschieden werden, wie: Siebdrucken, Spritzlackieren von Mustern, Tintenstrahldrucken oder Fotolacksprühen. Die Elektrodenschichten 5 und 6, welche auf dem metallischen Blech abgeschieden sind, bestehen aus einer Anodenschicht, einer Elektroiytschicht 7 und einer Kathodenschicht. Insgesamt bilden diese Schichten einschließlich des perforierten metallischen Blechs eine Zelle.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bzw. Festoxid-Brennstoffzelle umfassend das chemische Ätzen eines metallischen Blechs (1), um gesteuerte bzw. kontrollierte Muster aus Vertiefungen bzw. Löchern (3) auf einer Oberfläche des metallischen Blechs und Perforationen (2) auf der gegenüberliegenden Oberfläche des metallischen Blechs zu erhalten, und Abscheiden elektrochemisch aktiver Segmente (4) auf der perforierten Oberfläche des metallischen Blechs, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationen (2) auf der einen Oberfläche mit einem kleineren Durchmesser als der Durchmesser der Löcher der gegenüberliegenden Oberfläche geätzt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Abscheiden eines elektrochemisch aktiven Segments, bestehend aus einer Anodenschicht, einer Elektrolytschicht und einer Kathodenschicht auf das metallische Blech.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Abscheiden des elektrochemisch aktiven Segments durch Siebdrucken, Spritzlackieren von Mustern, Tintenstrahldrucken oder Fotolacksprühen.
  4. Hochtemperatur-Brennstoffzelle bzw. Festoxid-Brennstoffzelle hergestellt gemäß des Verfahrens nach Anspruch 1.
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