DE69838679T2 - Elektrische leitfähigkeit in einer brennstoffzellen-anordnung - Google Patents

Elektrische leitfähigkeit in einer brennstoffzellen-anordnung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkeramik-Brennstoffzellenanordnung, die eine oder mehrere plane Brennstoffzellen enthält, und betrifft insbesondere das Sammeln von Elektrizität in einer derartigen Anordnung.
  • Die gegenwärtige Konstruktion von planen Festkeramik-Brennstoffzellenanordnungen erfordert, dass der in dem Elektrolyt einer Brennstoffzelle erzeugte elektrische Strom durch einen Gasseparator zwischen benachbarten Brennstoffzellen abgeleitet wird, der als Interkonnektor bezeichnet wird. Der Gasseparator muss auch ein guter Wärmeleiter sein, um in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme von der Brennstoffzelle abzuleiten. In einigen Konstruktionen wird der Interkonnektor aus einem Keramikmaterial hergestellt, das bei Betriebstemperaturen elektrisch leitend ist, während in anderen Konstruktionen der Interkonnektor aus einem Metallmaterial hergestellt wird, das ebenfalls ein Stromleiter ist. Ungeachtet des Konstruktionsmaterials der Interkonnektoren ist es wesentlich, dass er ein guter Stromleiter bei Betriebstemperatur ist und dass die Grenzflächen zwischen dem Interkonnektor und dem Elektrolyt ebenfalls leitend sind, das heißt die Grenzfläche Interkonnektor-Katodenschicht und die Grenzfläche Interkonnektor-Anodenschicht. Diese Erfordernisse haben sich in der Praxis der Brennstoffzellenkonstruktion als schwer zu erfüllen erwiesen, ohne Kompromisse hinsichtlich anderer Eigenschaften einzugehen.
  • Es hat sich als schwierig erwiesen, zu vermeiden, dass sich die verschiedenen Materialien der Brennstoffzellenanordnungen und die Grenzflächen zwischen diesen während der Lebensdauer der Brennstoffzelle verschlechtern oder wesentlich verändern, soweit ihre elektrische Leitfähigkeit betroffen ist, was durch die Neigung von unähnlichen Materialien zur Wechselwirkung bei hohen Temperaturen begründet ist, die für den effizienten Betrieb einer Festkeramik-Brennstoffzelle erforderlich sind. Beispielsweise enthalten die meisten Metall-Interkonnektoren wesentliche Mengen des Elements Chrom, das verwendet wird, um dem Metall Oxidationsbeständigkeit sowie weitere Eigenschaften zu verleihen. Es wurde festgestellt, dass dort wo Chrom in mehr als kleinsten Mengen vorhanden ist, unter Bedingungen, die typischerweise beim Betrieb von Festkeramik-Brennstoffzellen auftreten, eine Verbindung mit Sauerstoff auftreten kann, so dass sich höchst flüchtige Oxid- oder Oxyhydroxidgase bilden. Diese flüchtigen Gase werden an die Katoden-Elektrolyt-Grenzfläche angezogen, wo sie reagieren und Verbindungen bilden können, die für die Effizienz der Brennstoffzelle nachteilig sind. Wenn diese Chromreaktionen nicht beseitigt oder wesentlich gehemmt werden, verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle über die Zeit bis zu einem Punkt, an dem die Zelle nicht mehr wirksam ist. Die Beseitigung dieser Reaktionen, während gleichzeitig die Stromleiteffizienz des Interkonnektors beibehalten bleibt, ist eine Schwierigkeit, mit der die meisten oder alle Konstruktionen von planen Hochtemperatur-Festkeramik-Brennstoffzellen konfrontiert sind, die heute verwendet werden.
  • Die DE 4410711 offenbart eine Festkeramik-Brennstoffzellenanordnung, enthaltend eine plane Brennstoffzelle, die eine Festkeramik-Elektrolytschicht mit einer Anodenschicht auf einer Seite und einer Katodenschicht auf der anderen Seite hat, welche Brennstoffzelle zwischen einem der Katodenschicht benachbarten ersten wärmeleitfähigen, wärmebeständigen Metalllegierungs-Gasseparatorelement und einem der Anodenschicht benachbarten zweiten wärmeleitfähigen, wärmebeständigen Metalllegierungs-Gasseparatorelement angeordnet ist, wobei Sauerstoff enthaltende Gaskanäle zwischen der Katodenschicht und dem ersten Gasseparatorelement vorgesehen sind und Brennstoffgaskanäle zwischen der Anodenschicht und dem zweiten Gasseparatorelement vorgesehen sind, und das erste Gasseparatorelement eine Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid auf einer Katodenseite hat. Die Aluminiumoxid-Oberflächenschicht wird gebildet, indem eine mit Aluminium angereicherte Oberflächenschicht auf allen Bereichen des Separatorelements vorgesehen wird, die in Kontakt mit dem Gas sind, und die Oberflächenschicht unter Brennstoffzellenbetriebsbedingungen oxidiert wird. Die mit Aluminium angereicherte Oberflächenschicht wird an den Kontaktflächen entfernt, die zum Anschluss an die Elektroden dienen, und auf diesen Kontaktflächen bilden sich unter den Brennstoffzellenbetriebsbedingungen Chromoxidschichten aus den Chromlegierungen des Separatorelements.
  • Ein Vorschlag zur Vermeidung des Problems, dass sich Chrom mit Sauerstoff verbindet und höchst flüchtige Oxid- oder Oxyhydroxidgase bildet, die an der Katoden-Elektrolyt-Grenzfläche reagieren können, ist in unserer Patentanmeldung WO 96/28855 beschrieben, in welcher eine Chrom enthaltende Interkonnektorplatte mit einer Oxidoberflächenschicht versehen ist, die mit dem Chrom reagiert und eine Spinellschicht zwischen dem Substrat und der Oxidoberflächenschicht bildet und dadurch das Chrom einbindet.
  • Ein weiteres Erfordernis von gegenwärtigen Brennstoffzellenkonstruktionen ist die Notwendigkeit eines guten Stromflussweges über die katodenseitige Grenzfläche der Brennstoffzellenanordnung, das heißt guter elektrischer Kontakt. Bei vorhandenen Konstruktionen wird dies in einem größeren oder geringeren Ausmaß erzielt, indem zwei annähernd flache Oberflächen unter Last zusammengehalten werden, wodurch eine große Anzahl von sehr feinen Punktkontakten sichergestellt wird, die als elektrische Brücken zwischen der Katodenschicht der Brennstoffzelle und der Interkonnektorplatte wirken. Dieses Erfordernis von flachen oder gut angepassten Oberflächen ist in der Praxis bei Brennstoffzellen schwierig zu erzielen, ohne auf kostenaufwändige und genau kontrollierte Bearbeitungs- oder Oberflächenvorbereitungsverfahren zurückzugreifen. Diese Oberflächen zusammenzuhalten, während die Temperatur in der Brennstoffzelle ansteigt oder abfällt, ist ebenfalls schwierig, da die Wärmeausdehnungseigenschaften unter den unterschiedlichen Materialien der Konstruktion sehr schwer perfekt abzustimmen sind.
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten bei vorhandenen Konstruktionen zu beheben, indem das Erfordernis des Stromsammelns des Gasseparators an der Katoden-Gasseparator-Grenzfläche von den anderen Funktionen des Gasseparators abgetrennt wird und das Erfordernis der elektrischen Leitung in einem separaten Bauteil erfüllt wird.
  • In der veröffentlichten Patentanmeldung JP 6223846-A wurde vorgeschlagen, eine Stromsammlerplatte, die aus einem porösen, elektrisch leitfähigen Perovskitoxid besteht, zwischen der Katode einer Brennstoffzelle und einem Gasseparator vorzusehen, um die gemeinsamen Ziele, einen Stromflussweg zu schaffen, während weiterhin der Zutritt von Sauerstoff zu der Katode ermöglicht wird, zu erreichen. Derartige Oxide sind jedoch relativ teuer, physisch nicht sehr stabil und erfordern aufgrund ihrer spröden Natur eine enge Anpassung von zu verbindenden Oberflächen, um einen zufrieden stellenden elektrischen Kontakt herzustellen.
  • Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Festkeramik-Brennstoffzellenanordnung geschaffen, enthaltend eine plane Brennstoffzelle, die eine Festkeramik-Elektrolytschicht mit einer Anodenschicht auf einer Seite und einer Katodenschicht auf der anderen Seite hat, welche Brennstoffzelle zwischen einem der Katodenschicht benachbarten ersten wärmeleitfähigen, wärmebeständigen Metalllegierungs-Gasseparatorelement und einem der Anodenschicht benachbarten zweiten wärmeleitfähigen, wärmebeständigen Metalllegierungs-Gasseparatorelement angeordnet ist, wobei Sauerstoff enthaltende Gaskanäle zwischen der Katodenschicht und dem ersten Gasseparatorelement vorgesehen sind und Brennstoffgaskanäle zwischen der Anodenschicht und dem zweiten Gasseparatorelement vorgesehen sind, und das erste Gasseparatorelement eine Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid auf einer Katodenseite hat, wobei eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material zwischen der Katodenschicht und der Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid auf dem ersten Gasseparatorelement in elektrischem Kontakt mit der Katodenschicht vorgesehen ist, um elektrischen Strom von der Katodenschicht weg zu leiten, welche elektrisch leitfähige Schicht dafür ausgelegt ist, dass sie zulässt, dass das Sauerstoff enthaltende Gas in den Sauerstoff enthaltenden Gaskanälen die Katodenschicht kontaktiert, und Silber enthält.
  • Durch die Erfindung wird der elektrische Strom von der Brennstoffzelle über eine Silber enthaltende elektrisch leitfähige Schicht abgeleitet, die zwischen der Aluminiumoxidschicht auf dem ersten Gasseparatorelement und der Katodenschicht der Brennstoffzelle angeordnet ist. Wir haben überraschend festgestellt, dass ungeachtet der relativ niedrigen Schmelztemperatur von Silber die elektrisch leitende Schicht fortgesetzt eine effiziente Stromsammlung über längere Zeiträume auch bei den erhöhten Betriebstemperaturen von Hochtemperatur-Festkeramik-Brennstoffzellen bieten kann.
  • Das Silber kann mit einem oder mehreren anderen Edelmetallen und/oder mit einem oder mehreren unedlen Metallen legiert sein oder kann als intermetallische Verbindung oder als ein Verbundmaterial mit einem Nichtmetall vorliegen, in welchem Fall das Silber vorzugsweise als Hauptkomponente der Legierung, des Verbundstoffes oder des Materials vorliegt, beispielsweise mit mindestens etwa 50 Gew.-%, und die andere(n) Komponente(n) die Brennstoffzelle nicht kontaminieren sollten. Die elektrisch leitfähige Schicht enthält jedoch vorteilhafterweise Silber zumindest im wesentlichen alleine, da es relativ kostengünstig, in reiner Form frei verfügbar, leicht zu schmelzen und herzustellen, nicht toxisch, ein hervorragender Leiter von Wärme und Elektrizität sowie schmiedbar ist.
  • Durch Vorsehen der Silber enthaltenden leitfähigen Schicht zwischen der Katodenschicht und der Aluminiumoxidschicht an dem ersten Gasseparatorelement kann die leitfähige Schicht in der Lage sein, sich unter den typischen während der Nutzung angelegten Lasten selektiv zu verformen oder anzupassen und dadurch die Verwendung von Komponenten der Brennstoffzellenanordnung ermöglichen, die nicht äußerst flach, parallel, glatt oder exakt sind. Eine derartige Nachgiebigkeit liegt typischerweise in der Größenordnung von Mikrons. Dies erlaubt die Verwendung von kostengünstigeren Herstellungsverfahren für verschiedene Komponenten in der Brennstoffzellenanordnung. Das verbesserte Niveau des elektrischen Kontakts, das aus einer derartigen Nachgiebigkeit resultieren kann, ergibt eine verbesserte Brennstoffzellenleistung, da der elektrische Widerstand auf der Katodenseite wesentlich niedriger als bei früheren Konstruktionen sein kann.
  • Entweder der Aufbau oder die Geometrie der elektrisch leitfähigen Schicht muss so sein, dass Sauerstoff enthaltendes Gas durch diese zu der Katodenschicht und dem Elektrolyt fließen oder diffundieren kann. So kann die elektrisch leitfähige Schicht aus porösem Silbermaterial gebildet sein oder sie kann in Form einer separaten Lage mit durch diese gebildeten geeigneten Öffnungen, wie beispielsweise ein Netz, vorliegen oder auf dieser gebildet sein. Ein derartiges poröses Metallmaterial kann von dem ersten Gasseparatorelement und der Katodenschicht getrennt geformt werden oder es kann als eine Schicht auf entweder das erste Gasseparatorelement oder die Katodenschicht oder auf beide, beispielsweise durch Siebdruck-, Elektroabscheidungs- oder Sputtertechnik aufgetragen werden.
  • In einer Ausführungsform liegt die elektrisch leitfähige Schicht in Form einer dünnen Folie beispielsweise mit einer Dicke von 100 bis 500 μm oder weniger des Silbermaterials vor, oder ist als eine Schicht auf einer Substratplatte gebildet, wobei die Platte in jedem Fall mit einer Vielzahl von durchgehenden Öffnungen gebildet ist, die hinsichtlich Größe und Verteilung so gestaltet sind, dass sie den freien Durchfluss von Sauerstoff enthaltendem Gas aus den Sauerstoff enthaltenden Gaskanälen zu der Katodenschicht erlauben. Beispielsweise können 40 bis 70% der gesamten Oberfläche der leitfähigen Silberschicht offen sein, um den Gasdurchfluss zu erlauben.
  • Wenn die elektrisch leitfähige Schicht auf einem Substrat gebildet ist, kann das Silbermaterial eine Dicke von mindestens etwa 10 μm haben und kann auf einem gestreckten Substratnetz oder einer anderen perforierten Platte gebildet sein, vorzugsweise aus einem Metallmaterial, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl. Die elektrisch leitfähige Schicht kann eine Dicke von 100 μm oder mehr haben, wie vorstehend beschrieben, jedoch vorzugsweise im Bereich von 20–50 μm. Als allgemeine Regel hat die Dicke des Substrats keine Bedeutung, liegt jedoch gewöhnlich in der Größenordnung von etwa 0,5 bis 1,5 mm oder weniger. Eine Schicht aus Aluminiumoxid oder einem anderen dichten Material, die beispielsweise eine Dicke im Bereich von 1 bis 5 μm oder weniger hat, kann zwischen einem Substrat aus rostfreiem Stahl und der elektrisch leitfähigen Schicht gebildet sein, um das Austreten von Chrom oder anderen Verunreinigungen in dem rostfreien Stahl zu verhindern. Der rostfreie Stahl ist vorzugsweise selbstaluminisierend, so dass eine Aluminiumoxidschicht unter der metallischen leitfähigen Schicht wächst, kann alternativ aber die Qualität 446 aufweisen oder beispielsweise ein anderer rostfreier Stahl sein, der geringe Aluminiummengen enthält, wie nachstehend beschrieben, in welchem Fall Aluminiumoxid oder eine andere dichte Schicht aufgetragen werden müsste.
  • Alternativ kann beispielsweise aus einem Faden oder anderen Fasern des Silbermaterials oder aus einem Substratmaterial, wie einem der vorstehend genannten rostfreien Stähle, ein Netz gewoben oder anderweitig gebildet werden. Das Substratmaterial kann mit dem Silbermaterial beschichtet werden, bevor oder nachdem das Netz gebildet wird. Die Dicke des Silbermaterials kann wie in dem unmittelbar vorstehenden Absatz beschrieben sein.
  • Die Dicke und das Baumaterial jedes Gasseparatorelements sind so gewählt, dass die Wärmeübertragung über das oder entlang dem Gasseparatorelement und weg von der Brennstoffzelle erleichtert ist. Jedes Gasseparatorelement kann ferner die strukturelle Festigkeit und Steifigkeit der Brennstoffzellenanordnung bereitstellen.
  • Durch die vorliegende Erfindung kann die Legierung der Gasseparatorelemente so gewählt werden, dass sie eine hervorragende und langfristige Beständigkeit gegen hohe Temperaturen in reduzierenden und oxidierenden Atmosphären bietet, ungeachtet der Notwendigkeit, elektrischen Kontakt an der Grenzfläche zur Katodenschicht bei Betriebstemperatur der Brennstoffzellenanordnung aufrechtzuerhalten. Materialien, die eine Aluminiumoxidschicht entwickeln, oder die so behandelt werden können, dass sie eine Aluminiumoxidschicht entwickeln, die das Eindringen von Sauerstoff und/oder das Austreten von für die Brennstoffzelle schädlichen Elementen oder Verbindungen hemmen oder verhindern, können verwendet werden. Somit wird die Auswahl des Legierungsmaterials der Gasseparatorelemente deutlich vergrößert und folglich können wirksamere, kostengünstigere oder besser verfügbare Materialien vorteilhaft verwendet werden.
  • Das Legierungsmaterial jedes Gasseparatorelements kann ein herkömmliches Hochtemperaturmaterial sein, wie zum Beispiel eine wärmebeständige Stahl- oder Nickellegierung, wie zum Beispiel Haynes 230. Ein bevorzugter wärmebeständiger Stahl ist ein ferritischer rostfreier Stahl, der mit einer Beschichtung behandelt ist, die so konditioniert ist, dass sie eine Schutzschicht aus Aluminiumoxid zumindest auf der zur Katode weisenden Oberfläche bietet, oder ausreichend Aluminium (gewöhnlich > 4,5 Gew.-%) enthält, dass sie selbstaluminisierend ist, um so die Aluminiumoxidschicht zu bilden. Diese Schicht hat den Effekt, dass sie die Oberfläche elektrisch isolierend macht und für Sauerstoff und alle Oxide auf Chrombasis oder Oxyhydroxidgase weitgehend undurchdringlich macht. Ferritische rostfreie Stähle, die behandelt werden müssen, um die Aluminiumoxidschicht zu bilden, umfassen die Qualität 446 und einen wärmebeständigen Stahl, der in Gew.-% Cr 26,25–28; C 0,011–0,080; Si 0,01–0,09; Mn 0,01; Ni 0,01; S 0,001–0,002; P 0,002; Metalle der seltenen Erden 0,01–0,15; Rest Eisen, ausschließlich zufälliger Verunreinigungen, die jeweils auf dem Niveau von Spuren oder darunter sind, enthält. Die Behandlung schlieft allgemein das Einführen von Aluminium in die zur Katode weisenden Oberfläche des Gasseparatorelements durch eines der vielen bekannten Verfahren ein, wie zum Beispiel Aluminisieren oder Kalorisieren, sowie das Oxidieren des Aluminiums auf der Oberfläche. Die Dicke einer Aluminiumoxidschicht beträgt vorzugsweise nicht mehr als einige Mikron, beispielsweise etwa 1 bis 5 μm oder weniger.
  • Die Sauerstoff enthaltenden Gaskanäle können als Kanäle in der zur Katode weisenden Oberfläche des ersten Gasseparatorelements gebildet sein oder können in einer separaten kanalbildenden Einrichtung gebildet sein. Im ersten Fall ist die Aluminiumoxidschicht in den Kanälen sowie auf den das Silber oder die Silberlegierung kontaktierenden Oberflächen vorgesehen. Wenn nur eine Brennstoffzelle in der Brennstoffzellenanordnung ist oder wenn die Brennstoffzelle eine endständige Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel in der Anordnung ist, muss die entgegengesetzte Seite des ersten Gasseparatorelements keine Anodenkontaktoberfläche bilden. In anderen Ausführungsformen sind die Brennstoffgaskanäle jedoch zwischen der entgegengesetzten Seite des ersten Gasseparatorelements und der Anodenschicht einer benachbarten Brennstoffzelle gebildet. Auch hier können die Brennstoffgaskanäle Kanäle umfassen, die in der zur Anode weisenden Oberfläche des ersten Gasseparatorelements gebildet sind, oder die Brennstoffgaskanäle können beispielsweise wie in unserer gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/AU98/00437 beschrieben vorliegen.
  • In ähnlicher Weise können bei dem zweiten Gasseparatorelement die Brennstoffgaskanäle in Kanälen, die auf der zur Anode weisenden Oberfläche desselben gebildet sind, oder beispielsweise wie in der vorstehend genannten internationalen Patentanmeldung PCT/AU98/00437 beschrieben gebildet sein. Wenn die Brennstoffzelle eine von mehreren in einem Stapel ist, kann das zweite Gasseparatorelement vorteilhafterweise eine Aluminiumoxidschicht auf der zur Katode weisenden Oberfläche und eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Silbermaterial zwischen der Katodenschicht einer benachbarten Brennstoffzelle und der zur Katode weisenden Oberfläche des zweiten Gasseparatorelements in elektrischem Kontakt mit der Katodenschicht haben, um elektrischen Strom von der Katodenschicht weg zu leiten, wobei die elektrisch leitfähige Schicht so gestaltet ist, dass sie in den Sauerstoff enthaltenden Gaskanälen des zweiten Gasseparatorelements vorhandenem Gas den Kontakt mit der Katodenschicht der benachbarten Brennstoffzelle ermöglicht. Somit entspricht vorzugsweise jede Brennstoffzellenanordnung in einem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung.
  • Die leitfähige Schicht aus Silbermaterial kann mit der Anodenseite des ersten Gasseparatorelements oder mit einer externen Schaltung elektrisch verbunden sein, wenn es sich um einen Anschluss oder ein endständiges Gasseparatorelement handelt, und zwar über das Gasseparatorelement selbst oder über eine unabhängige Schaltung, beispielsweise eine externe Sammelschiene. Wenn die leitfähige Schicht über das Gasseparatorelement selbst elektrisch angeschlossen ist, kann der Körper des Legierungs-Gasseparatorelements elektrisch leitfähig sein und/oder ein durch diesen verlaufendes elektrisch leitfähiges Element haben. Der Anschluss der leitfähigen Schicht an eine unabhängige Schaltung oder an oder durch das erste Gasseparatorelement kann mittels eines Drahtes oder eines Stabes erfolgen, vorzugsweise mit einem dickeren Querschnitt als die leitfähige Schicht, aus einem geeigneten Material, das nicht als Verunreinigungsquelle für die Brennstoffzelle wirkt. Dieses Material kann Silber oder ein anderes Material sein. Der Draht oder Stab kann mit einem Abschnitt des ersten Gasseparatorelements verschweißt oder einfach in Kontakt sein, der von der Aluminiumoxidschicht frei gelassen wird. Der Draht oder Stab kann mit einem weiteren Draht oder einem anderen Verbindungsglied verschweißt sein, das an der Anodenseite des ersten Gasseparatorelements angebracht ist. Das Verbindungsglied sollte gegen die gasförmige Brennstoffumgebung auf der Anodenseite beständig sein sowie gegen schädliche Reaktionen mit Brennstoffzellenmaterialien, einen geeignet hohen Schmelzpunkt und eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben. Ein geeignetes Metall ist Nickel. Das Verbindungsglied oder die Verbindungsglieder können durch einen oder mehrere Kanäle in dem ersten Gasseparatorelement geführt sein und können vorteilhafterweise so positioniert sein, dass die Verbindung zwischen Draht und Stab und Verbindungsglied innerhalb des ersten Gasseparatorelements angeordnet ist. Alternativ kann die leitfähige Schicht aus Silbermaterial direkt mit dem Verbindungsglied bzw. den Verbindungsgliedern in Eingriff stehen, wobei das bzw. jedes Verbindungsglied durch einen jeweiligen Kanal in der ersten Gasseparatoreinrichtung verläuft und vorzugsweise einen erhabenen Kopf auf der zur Katode weisenden Oberfläche hat. So kann das Verbindungsglied in Form eines Niets vorzugsweise aus Silber oder mit Silber überzogen, zumindest auf der Katodenseite vorliegen. Der oder jeder Kanal durch das Gasseparatorelement muss abgedichtet sein, um zu verhindern, dass das Sauerstoff enthaltende Gas die Anodenseite des Elements kontaktiert und das Brennstoffgas die Katodenseite des Elements kontaktiert. Ein geeignetes isolierendes Dichtmaterial ist Glas, das bei der Betriebstemperatur des Elements hoch viskos ist.
  • Zwei Ausführungsformen einer Brennstoffzellenanordnung in Übereinstimmung mit vorliegender Erfindung werden nachfolgend nur als Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung ist;
  • 2 eine schematische auseinandergezogene Teilseitenansicht einer ersten Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung ist;
  • 3 ein Leistungsdiagramm der Leistungsdichte über die Zeit für einen Test an einer Brennstoffzellenanordnung gemäß der Darstellung in 2 bei einem Betrieb bei 800°C ist;
  • 4 eine auseinandergezogene Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung ist; und
  • 5 eine Leistungskurve ist, die die Zellenspannung über die Zeit einer im Wesentlichen der Beschreibung unter Bezug auf 4 entsprechenden Brennstoffzellenanordnung zeigt.
  • Die in auseinandergezogener Form in 1 gezeigte Brennstoffzellenanordnung 10 hat einen typischen Aufbau, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die dargestellte Struktur ist bekannt und wird daher nicht im Detail beschrieben. Die Anordnung enthält eine plane Brennstoffzelle 12, die eine zentrale Festkeramik-Elektrolytschicht 14 mit einer integralen Anodenschicht 16, die über einer Fläche des Elektrolyts liegt, sowie einer integralen Katodenschicht 18, die über der entgegengesetzten Fläche des Elektrolyts liegt. Die Elektrodenschichten können durch bekannte Siebdrucktechniken aufgebracht werden. Die Brennstoffzelle ist sandwichartig zwischen ein Paar Gasseparatorplatten 20 und 22 gelegt, die in der Verwendung in Flächenkontakt mit der Anode 16 bzw. der Katode 18 sind.
  • Die in 1 gezeigten Gasseparatorplatten 20 und 22 sind identisch mit einer Anordnung von Kanälen 24 für gasförmigen Brennstoff, die über die Unterseite 26 verlaufen, und einer Anordnung von Durchflusskanälen 28 für gasförmiges Oxidationsmittel, die über die Oberseite 30 verlaufen. Die Kanäle 24 und 28 sind im rechten Winkel zueinander verlaufend dargestellt, können jedoch parallel verlaufen und die jeweiligen Gasdurchflussrichtungen können dann in Abhängigkeit von den Rohrverteileranordnungen gleich oder entgegengesetzt sein. Indem die Gasdurchflusskanäle an beiden Seiten vorgesehen werden, können die Gasseparatorplatten 20 und 22 verwendet werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, in welchem eine identische Brennstoffzelle 12 über der Gasseparatorplatte 20 liegt und eine weitere identische Brennstoffzelle 12 unter der Gasseparatorplatte 22 liegt. Weitere identische Gasseparatorplatten können dann den entgegengesetzten Seiten von weiteren Brennstoffzellen benachbart angeordnet werden, und so fort, um einen Brennstoffzellenstapel mit der gewünschten Anzahl von Brennstoffzellen zu bilden. Die an den Stapelenden vorgesehenen Gasseparatorplatten müssen nur eine der Anordnungen von Gaskanälen haben, Gaskanäle 24 für die Gasseparatorplatte an der Oberseite des Stapels gemäß der Beschreibung und Gaskanäle 28 für die Gasseparatorplatte an der Unterseite des Stapels gemäß der Beschreibung. Entsprechend müssen in einer Brennstoffzellenanordnung, die nur eine einzige Brennstoffzelle 12 enthält, die vorgeschlagenen Gasseparatorplatten die jeweilige Anordnung von Gaskanälen nur auf der Fläche haben, die mit der Brennstoffzelle in Kontakt ist. Diese endständigen Gasseparatorplatten werden allgemein als Endplatten bezeichnet.
  • Bei der Verwendung müssen die gasförmigen Brennstoff- und Oxidationsmittelströme getrennt gehalten werden und eine geeignete Rohrverteilung (nicht dargestellt) ist vorgesehen, damit dies sichergestellt ist. In der dargestellten Querstromanordnung wird dies praktischerweise durch eine inerte zylindrische oder anders geformte Hülse (nicht dargestellt) geschaffen, beispielsweise aus Keramik, die um den Brennstoffzellenstapel verläuft, wobei ihre Achse senkrecht zu den Gasdurchflusskanälen 24 und 28 ist und die Ecken 32 der Brennstoffzellen 12 und die Ecken 34 der Gasseparatorplatten in Kontakt mit der ringförmigen Innenfläche der Hülse versiegelt sind. Die Brennstoffzellenanordnung wird durch Endstücke an der oberen und der unteren Endplatte zur Anbringung der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels an einer externen Last vervollständigt.
  • Wie bereits angemerkt, ist die in 1 dargestellte Brennstoffzellenanordnung 10 bekannt und in der beschriebenen Ausführungsform enthält die Brennstoffzelle 12 einen Festkeramik-Elektrolyt 14 aus Y2O3-dotiertem ZrO2 als Ionenleiter, während die Elektroden 16 und 18 zumindest Primärelektronenleiter sind, wobei die Anode 16 ein Ni/ZrO2-Cermet aufweist und die Katode 18 Strontium-dotiertes Lanthanmanganit (LSM) aufweist.
  • In einer Variation kann die Brennstoffzelle 12 durch eine Brennstoffzelle ersetzt werden, in der die Anodenschicht die primäre lasttragende Schicht ist, beispielsweise wie in der vorstehend genannten International Patentanmeldung PCT/AU98/00437 beschrieben. Weitere in dieser internationalen Patentanmeldung beschriebene Merkmale einschließlich der Vorschläge zur Reduzierung der Drucklast auf der Anodenseite der Brennstoffzellen können zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung angepasst werden.
  • Wie 2 zeigt, ist die Gasseparatorplatte 22 aus einem elektrisch leitfähigen ferritischen rostfreien Stahl gebildet, der eine Zusammensetzung in der im Wesentlichen als 446 bekannten Qualität hat. Gemäß vorliegender Erfindung ist die Katodenseite 30 der Gasseparatorplatte mit einer dichten Schicht aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von vorzugsweise etwa 2 bis etwa 3 μm beschichtet und daher elektrisch isolierend. Die Aluminiumoxidschicht erstreckt sich über die äußerste Oberfläche der Katodenseite 30 der Gasseparatorplatte 22 einschließlich durch die Sauerstoff enthaltenden Gaskanäle 28. Alternativ kann ein selbstaluminisierender rostfreier Stahl verwendet werden.
  • Um den elektrischen Kontakt zwischen der Katodenschicht 18 der Brennstoffzelle 12 und der Anodenseite 26 der Gasseparatorplatte 23 herzustellen, erstreckt sich eine Schicht aus einem Streckmetall-Silbernetz 36 mit einer Dicke von etwa 100 μm über die Katodenseite 30, so dass sie sandwichartig zwischen der Katodenschicht 18 und der Gasseparatorplatte 22 liegt. Das Netz 36 lässt zu, dass Sauerstoff enthaltendes Gas aus den Kanälen 28 mit der Katodenschicht 18 in Kontakt kommt und ist ausreichend dünn, dass es sich unter der Drucklast der zusammengesetzten Brennstoffzellenanordnung verformt und dadurch an kleine Unregelmäßigkeiten der Oberfläche der Katodenschicht 18 und der Katodenseite 30 der Gasseparatorplatte anpasst. Somit kann die elektrische Verbindung mit der Katodenschicht 18 verbessert werden.
  • Das Silbernetz 36 ist mit Kollektorstäben 38 an entgegengesetzten Enden des Netzes verschweißt oder einfach in elektrischem Kontakt, die in jeweiligen Nuten 40 angeordnet sind, die in der Gasseparatorplatte 22 von der Katodenseite 30 durch die Aluminiumoxidschicht in das Substratmaterial aus rostfreiem Stahl an entgegengesetzten Seiten der Gasdurchflusskanäle 28 gebildet sind. Die Nuten 40 sind nicht durch die Aluminiumoxidschicht geschützt. Die Kollektorstäbe 38 waren aus Palladium gebildet, sind jedoch bevorzugt aus Platin oder einer Legierung aus 80 Gew.-% Platin und 20 Gew.-% Rhodium. Die Schweißungen oder anderen Verbindungen zwischen dem Silbernetz und den Kollektorstäben sind in den Nuten 40 angeordnet und die Nuten sind durch ein hoch viskoses Glas versiegelt, wobei die Kollektorstäbe 38 in elektrischem Kontakt mit dem Substrat aus rostfreiem Stahl der Gasseparatorplatte stehen. Das Glas schützt die Verbindungen zwischen dem Silber und den Kollektorstäben und schützt ferner die Nuten 40 vor dem Kontakt mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas. Das Glas kann durch Ladung mit feinen Metallpulvern elektrisch leitfähig gemacht werden.
  • Das Silbernetz 36 kann in einem Stapel mit mehreren Brennstoffzellen somit mit der Anodenseite 26 der Gasseparatorplatte 22 in Kontakt sein. In den geprüften Ausführungsformen wurde jedoch nur eine einzelne Brennstoffzelle verwendet und die Gasseparatorplatte 22 muss mit einer externen elektrischen Schaltung verbunden werden. In der geprüften Ausführungsform ist die Gasseparatorplatte 20 (siehe 1) aus demselben ferritischen rostfreien Stahl wie die Gasseparatorplatte 22 gebildet und hat eine mit der Anodenseite der Platte verschweißte Nickelnetzschicht.
  • Wie 4 zeigt, hat eine Gasseparatorplatte 122 im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die in 2 gezeigte Gasseparatorplatte 22. Eine leitende Schicht 136 liegt jedoch in Form eines gewobenen Netzes vor, das wie vorstehend beschrieben aus rostfreiem Hochtemperaturstahl hergestellt ist und mit Silber überzogen ist. Dieses Netz ist mit der Katodenseite der Platte 122 dadurch elektrisch verbunden, dass seine Ecken vier leicht erhabene Kontakte 138 berühren. Die Kontakte 138 sind die mit Silber überzogenen Köpfe von elektrisch leitenden Nieten, die vollständig durch die Dicke der Platte 122 verlaufen und damit durch eine auf der Katodenseite der Platte gebildete Aluminiumoxidschicht. Auf der zur Anode weisenden Seite 126 sind die auf der gegenüberliegenden Seite liegenden Nietenköpfe 142 aus Nickel oder mit Nickel überzogen und diese klemmen ein mit Nickel überzogenes oder aus Nickel bestehendes leitendes Netz 144 an die zur Anode weisende Seite der Platte 122. Im Betrieb der in 4 gezeigten Brennstoffzelle wird das Netz 144 gegen die Anodenseite der Brennstoffzelle gepresst, so dass es elektrischen Kontakt mit dieser herstellt. Der Leitungsweg verläuft so von der Katodenseite einer ersten Brennstoffzelle zu dem Netz 136, dann durch die Gasseparatorplatte 122 über die vier Nieten zu dem Netz 144 und von dort zu der Anodenseite einer zweiten Brennstoffzelle. Es versteht sich, dass dieser Verbindungsweg unabhängig von dem Vorhandensein der Aluminiumoxidschicht auf der zur Katode weisenden Oberfläche der Gasseparatorplatte ist.
  • Die Abdichtung des ringförmigen Spalts zwischen den Nieten und Löchern in der Anschlussplatte 122, durch welche die Nieten verlaufen, kann dadurch erzielt werden, dass die Nietenköpfe 138 eng an der zur Katode weisenden Seite der Platte 122 anliegen. Zusätzlich oder alternativ kann der Spalt zwischen den Nieten und den Löchern mit einem Glas versiegelt werden, das bei der Betriebstemperatur der Gasseparatorplatte viskos ist.
  • Beispiele
  • Die folgenden Beispiele dienen nur zum Zweck der Veranschaulichung und sollten nicht als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden.
  • Beispiel 1
  • Die unter Bezug auf 2 beschriebene Brennstoffzelle wurde in einem Einzelzellenstapel geprüft und funktionierte mit einem hohen Effizienzniveau über lange Zeiträume. Die Brennstoffzelle wurde mehr als 1300 Stunden lang bei Temperaturen von 750, 800, 850 und 900°C bei Stromdichten von 250 bis 600 mA/cm2 betrieben. Das Brennstoffgas war feuchter Wasserstoff und das katodenseitige Gas war trockene Luft. Die Brennstoffzelle zeigte geringe Verschlechterungsniveaus. 3 zeigt dies für den Testverlauf bei 800°C.
  • Beispiel 2
  • 5 ist eine Kurve, die die Leistung eines Einzelzellenstapels gemäß der Beschreibung unter Bezug auf 4 zeigt. Der Stapel wurde bei 800°C mit einem Brennstoffgas aus nassem Wasserstoff (4% H2O und 96% H2) und Luft als Oxidationsmittelgas betrieben.
  • Während der Anlaufphase in der Periode 201 war die Ruhezellenspannung 1,31 V in trockenem Wasserstoff und für die Periode 202 betrug sie 1,09 V in dem 4% nassen Wasserstoff. Der Stapel arbeitete in der nachfolgenden Periode 203 (für annähernd 100 Stunden) bei 100 mA/cm2, in der Periode 204 (annähernd 35 Stunden) bei 150 mA/cm2 und in der Periode 205 (annähernd 850 Stunden) bei 200 mA/cm2. Das Aufrechterhalten einer Zellenspannung über 0,63 V und die geringe Verschlechterungsrate der Leistung über den letzten Abschnitt der Periode 203 zeigt eine verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber alternativen Konstruktionen.
  • Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass an der hierin beschriebenen Erfindung Variationen und Modifikationen über die ausdrücklich beschriebenen hinaus möglich sind. Es versteht sich, dass die Erfindung alle derartigen Variationen und Modifikationen einschließt, die unter ihren Gedanken und den in den beigefügten Patentansprüchen definierten Schutzumfang fallen.

Claims (20)

  1. Festkeramik-Brennstoffzellenanordnung (10), enthaltend eine plane Brennstoffzelle (12), die eine Festkeramik-Elektrolytschicht (14) mit einer Anodenschicht (16) auf einer Seite und einer Katodenschicht (18) auf der anderen Seite hat, welche Brennstoffzelle zwischen einem der Katodenschicht benachbarten ersten wärmeleitfähigen, wärmebeständigen Metalllegierungs-Gasseparatorelement (22, 122) und einem der Anodenschicht benachbarten zweiten wärmeleitfähigen, wärmebeständigen Metalllegierungs-Gasseparatorelement (20) angeordnet ist, wobei Sauerstoff enthaltende Gaskanäle (28) zwischen der Katodenschicht und dem ersten Gasseparatorelement vorgesehen sind und Brennstoffgaskanäle (24) zwischen der Anodenschicht und dem zweiten Gasseparatorelement vorgesehen sind, und das erste Gasseparatorelement eine Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid auf einer Katodenseite (30) hat, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht (36, 136) aus elektrisch leitfähigem Material zwischen der Katodenschicht (18) und der Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid auf dem ersten Gasseparatorelement (22, 122) in elektrischem Kontakt mit der Katodenschicht vorgesehen ist, um elektrischen Strom von der Katodenschicht weg zu leiten, welche elektrisch leitfähige Schicht (36, 136) dafür ausgelegt ist, dass sie zulässt, dass das Sauerstoff enthaltende Gas in den Sauerstoff enthaltenden Gaskanälen (28) die Katodenschicht kontaktiert, und Silber enthält.
  2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silber als eine Legierung vorliegt.
  3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silber als eine intermetallische Verbindung vorliegt.
  4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silber als ein Verbundmaterial mit einem Nichtmetall vorliegt.
  5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (36, 136) aus mindestens im wesentlichen reinem Silber besteht.
  6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (36, 136) in Form eines Netzes aus dem Silbermaterial vorliegt.
  7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Netz in einer Form vorliegt, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gewebe und Streckmetall.
  8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (36, 136) als eine poröse Beschichtung entweder auf das erste Gasseparatorelement (22, 122) oder die Katodenschicht (18) oder auf beide aufgetragen ist.
  9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material als eine Beschichtung auf ein Substrat aufgetragen ist, das zwischen dem ersten Gasseparatorelement (22, 122) und der Katodenschicht (18) angeordnet ist.
  10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Netz ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe von Streckmetall und Gewebe.
  11. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat rostfreier Stahl ist.
  12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem rostfreien Stahl des Substrats und der Beschichtung eine Schicht Aluminiumoxid eingeschlossen ist.
  13. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 20–50 μm hat.
  14. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Gasseparatorelement (20, 22, 122) aus rostfreiem Stahl gebildet sind.
  15. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der rostfreie Stahl ein selbstaluminisierender rostfreier Stahl ist.
  16. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Aluminiumoxidschicht bis zu 5 μm beträgt.
  17. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Silbermaterial mit einer Anodenseite (26) des ersten Gasseparatorelements (22, 122) durch das Gasseparatorelement elektrisch verbunden ist.
  18. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein leitfähiges Verbindungsglied (142) durch das erste Gasseparatorelement (22, 122) mit dem elektrisch leitfähigen Silbermaterial verbunden ist.
  19. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein leitfähiges Verbindungsglied (142) durch das erste Gasseparatorelement (22, 122) einen erhöhten Kopf (138) auf der Katodenseite (30) des Separatorelements hat und die elektrisch leitfähige Schicht (36, 136) an dem bzw. jedem erhöhten Kopf anliegt.
  20. Brennstoffzellenstapel, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vielzahl von übereinander gelegten Brennstoffzellenanordnungen (10) nach Anspruch 1 aufweist, wobei das erste Gasseparatorelement einer Brennstoffzellenanordnungen das zweite Gasseparatorelement einer ersten benachbarten Brennstoffzellenanordnung ist und das zweite Gasseparatorelement der einen Brennstoffzellenanordnung das erste Gasseparatorelement einer zweiten benachbarten Brennstoffzellenanordnung auf der der ersten benachbarten Brennstoffzellenanordnung entgegengesetzten Seite der einen Brennstoffzellenanordnung ist.
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